Серия «Высшее образование»
В.Н. САВЧЕНКО В.П. СМАГИН
НАЧАЛА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
КОНЦЕПЦИИ И ПРИНЦИПЫ
Учебное пособие
Ростов-на-Дону
2006 г.
УДК 50(075.8) ББК 20я73 КТК 100
С 13
Рецензенты:
В.Э. Осуховский, Д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой физики Тихоокеанского военно-морского института им. адм. СО. Макарова;
В.К.Батурин, д-р философских наук, профессор, действительный член Российской академии естественных наук
Савченко В.Н.
С 13 Начала современного естествознания: концепции и принципы: учебное пособие / В.Н. Савченко, В.П. Смагин. — Ростов н/Д.: Феникс, 2006. — 608 с. — (Высшее образование).
ISBN 5-222-09157-0
В данном пособии самым подробным образом рассмотрены основные естественноисторические этапы становления и развития науки, вопросы философии науки и естествознания, фундаментальные концепции, принципы и положения классического механистического и термодинамического, неклассического полевого и квантово-полевого и постнеклассического эволюционно-синергетического и диссипативно-структурного естествознания. Рассмотрены вопросы связи математики и отражаемой ей естественнонаучной реальности мира. В конце каждой главы и некоторых наиболее сложных параграфов даны резюме, предложены вопросы для обсуждения. Дано около 400 тем рефератов и свыше 400 тестовых вопросов для контроля усвоения и аттестации теоретического материала пособия.
Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения гуманитарных и социально-экономических специальностей вузов, а также для обучающихся по дистанционным технологиям. Пособие может быть полезно преподавателям данной учебной дисциплины и широкому кругу лиц других специальностей и профессий, в том числе, студентам естественнонаучных и инженерно-технических специальностей, всем, интересующимся вопросами истории, становления и развития классического, неклассического и постнеклассическтого естествознания, а также проблемами естествознания новейшего времени и его ролью в развитии науки и культуры.
ISBN 5-222-09157-0 УДК 50(075.8)
ББК 20я73
© Савченко В.Н., Смагин В.П., 2006
© Оформление: издательство «Феникс», 2006
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 6
РАЗДЕЛ I 9
Теоретико-концептуальный и естественноисторический 9
1. Принципы, методы и философские концепции науки и естественнонаучного познания 9
1.1. Определение науки и естествознания как отрасли науки 9
1.2. Наука и ненаука. Принципы или критерии научности 11
1.3. Структура, эмпирический и теоретический уровни и цель естественнонаучного познания 12
1.4. Методы научного познания 14
1.5. Философия науки и динамика научного познания в концепциях К. Поппера, Т. Куна и И. Лакатоса 15
1.6. Основные этапы развития научной рациональности (науки) - классический, неклассический и постнеклассический 17
2. Генезис основных концептуальных понятий современного естествознания античными и средневековыми цивилизациями. 20
2.1. Роль и значение мифов в становлении науки и естествознания 21
2.2. Античные ближневосточные цивилизации 23
2.3. Античная Эллада (Древняя Греция) 26
2.4. Античный Рим 37
2.5. Античный Китай 40
2.6. Античная Индия 42
2.7. Арабское средневековье 43
2.8. Древняя Месоамерика — естествознание народа майя 45
2.9. Древние и средневековые Византия и Русь 46
2.10. Западноевропейское средневековье 49
2.11. Эпоха Возрождения 52
3. Концепции и принципы классического физического – механистического и термодинамического естествознания 54
3.1. Объекты физического познания и структура физических наук 54
3.2. Концепции предклассического механистического естествознания 55
3.3. Ньютоновы принципы классического механистического естествознания 58
3.4. Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики 61
3.5. Понятие качества энергии, энтропия, второе начало (принцип) термодинамики и принцип минимума производства энтропии 65
4. Концепции и принципы неклассического - полевого, квантового и квантово-полевого физического естествознания 70
4.1. Электромагнитное поле фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие и принципы специальной теории относительности - теории пространства-времени Эйнштейна и Минковского 70
4.2. Поле всемирного тяготения, гравитационное взаимодействие и постулаты общей теории относительности Эйнштейна - теории пространства, времени, материи, тяготения и движения 73
4.3. Концепции и принципы квантового естествознания 81
4.4. Квантово-полевой микромир сильного и слабого взаимодействий, принципы квантовой хромодинамики и систематики элементарных частиц 83
5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания 88
5.1. Концепции пространство и время 88
5.2. Принципы относительности движения — классический, релятивистский и к средствам наблюдения 90
5.3. Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма 92
5.4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения 93
5.5. Концепции физического вакуума 95
5.6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания 97
5.7. Физическое естествознание как целостная система знаний 99
6. Космологические и космогонические концепции естествознания о Вселенной 101
6.1. Вселенная как понятие и объект познания 101
6.2. Планеты, звезды, галактики и их структуры во Вселенной 102
6.3. Начало космологии, фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной 103
6.4. Космогоническая гипотеза Леметра, гипотеза Гамова «горячей сингулярности», «большой взрыв» и ранние эпохи образования Вселенной 107
6..5. Реликтовое излучение Гамова 112
6.6. Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной 113
7. Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы 116
7.1. Планетная космогония 116
7.2. Геосферы и эволюция Земли 118
7.3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы 121
7.4. Географическая оболочка Земли 122
8. Концепции и принципы химического естествознания 124
8.1. Эволюция звезд, происхождение химических элементов и планетная химическая эволюция 124
8.2. Донаучный этап химии — ремесленная химия и алхимия античности и средневековья 129
8.3. Главная задача химии и основные этапы ее развития 130
8.4. Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов 131
8.5. Концепции структуры химических соединений (структурной химии) 132
8.6. Концепции и законы химических процессов (реакций) 134
8.7. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем 134
9. Концепции и принципы биологического естествознания 137
9.1. Объекты биологического познания и структура биологических наук 137
9.2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода 138
9.3. Концепции начала и эволюции жизни 142
9.4. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ 146
9.5. Экосистемы, экология и взаимоотношения живых существ 148
9.6. Основные концепции этологии 151
9.7. Энергетические и энтропийные процессы (энергетика) жизни 153
10. Концепции и гипотезы естествознания о человеке 157
10.1. Теическая гипотеза происхождения человека (творение Бога) 158
10.2. Эволюционные концепции происхождения человека 158
10.3. Мутационные гипотезы происхождения человека 161
10.4. Концепции этнологии 163
10.5. Теория пассионарности Л. Н. Гумилева 164
10.6. Совместная эволюция человека и биосферы 167
11. Антропный принцип и мега-история Вселенной 174
11.1. О понятии мега-истории Вселенной 174
11.2. Предыстория антропного принципа 175
11.3. Этапы и процессы панкосмогенеза 176
11.4. О базовых параметрах Вселенной и Галактики (Млечного Пути) 179
11.5. Тонкая согласованность физических законов и мировых констант 182
11.6. Магия (мистика) больших чисел 183
11.7. Слабая формулировка антропного принципа 185
11.8. Сильная и сверхсильная формулировки антропного принципа 186
11.9. О кризисе планетарного цикла мега-истории Вселенной 187
12. Концепции постнеклассического естествознания и теорий самоорганизации 190
12.1. Возникновение и становление концепций постнеклассического естествознания 190
12.2. Динамика возникновения диссипативных структур 191
12.3. Устойчивость структур и механизм их эволюции 194
12.4. Механизмы потери устойчивости структур, катастрофы, бифуркации, математическая теория катастроф и прогнозы будущего 196
12.5. Природные диссипативные структуры (стихии) 202
12.6. Фракталы, сети и сетевые структуры природы и общества 203
12.7. Фундаментальные концепции постнеклассического естествознания 205
12.8. К проблеме постнеклассического межкультурного диалога естественных и гуманитарных наук 209
13. Математика и естественнонаучная реальность мира 216
13.1. Математизация как принцип целостности естествознания 216
13.2. Математика, математическая истина и теория познания 219
13.3. Непостижимая эффективность математики 222
Заключение 226
РАЗДЕЛ II 228
Список тем рефератов 228
Темы рефератов «Образы природы античного, раннего (средневековья и эпохи Возрождения) и классического (эпохи Нового времени) естествознания» (1 семестр) 228
Темы рефератов по разделу «Концепции естествознания Новейшего времени» (2 семестр) 231
Тематика рефератов «Биографические очерки и творчество великих ученых» 235
РАЗДЕЛ III. Контрольно-аттестационный 240
Тесты к главе 1 240
Принципы, методы, философские концепции науки и естественнонаучного познания 240
Тесты к главе 2 244
Генезис основных концептуальных понятий современного естествознания в античных и средневековых цивилизациях 244
Тесты к главам 3, 4 и 5 250
Концепции и принципы классического и неклассического физического естествознания 250
Тесты к главам 6 и 7 267
Космологические и космогонические концепции и гипотезы естествознания о Вселенной, о Земле и планетах Солнечной системы 267
Тесты к главе 8 276
Концепции и принципы химического естествознания 276
Тесты к главе 9 285
Концепции и принципы биологического естествознания 285
Тесты к главам 10 и 11 297
Концепции естествознания о человеке, антропный принцип и Мега-история Вселенной 297
Тесты к главе 12 301
Концепции постнеклассического естествознания и теории самоорганизации 301
Тесты к главе 13 305
Математика и естественнонаучная реальность мира 305
Ключи к тестам 308
ЛИТЕРАТУРА 317
Предисловие
Популяризация достижений в области естествознания или ее отдельных наук, таких как физика, химия, биология, география, геология, палеонтология, антропология, всегда была предметом интересов многих крупных ученых. В недавнем прошлом как отечественные, так и зарубежные ученые написали немало замечательных книг, раскрывающих достаточно просто, но в то же время точно основы тех или иных наук. Среди них в первую очередь надо отметить книгу великого Альберта Эйнштейна и его тогдашнего ассистента Леопольда Инфельда «Эволюция физики», появившуюся на свет в 1938 году. «Мысль о книге родилась в голове у Эйнштейна, — вспоминал позже Л. Инфельд. — Ой намеревался написать популярную книгу, содержащую основные идеи физики в ее логическом развитии. По Эйнштейну, в физике имеется лишь несколько принципиальных идей, и они могут быть выражены словами. Ни один ученый не мыслит формулами (выделено нами. — Авт.), — говорил он часто». В книге Эйнштейна и Инфельда дается «представление о вечной борьбе изобретательного человеческого разума за более полное понимание законов, управляющих физическими явлениями» , в ней показано, как каждая последующая уточненная картина мира закономерно сменяет предыдущую научную картину. В 60-70-е годы появились книги В. Вай-скопфа «Наука и удивительное», Р. Пайерлса «Законы природы», Р. Фейнмана «Характер физических законов», Нильса Бора «Атомная физика и человеческое познание», Иосифа Шкловского «Вселенная. Жизнь. Разум», Ф. Кем-пфера «Путь в современную физику» Тогда же родоначальник всемирно известного курса теоретической физики, советский физик, лауреат нобелевской премии Лев Ландау, в соавторстве с А. Китайгородским и Ю. Руме-ром, написал популярные книги «Физика для всех» и «Что такое теория относительности». Широкий мировой резонанс вызвала лекция «Две культуры и научная революция», прочитанная английским писателем Чарльзом Сноу в 1959 г. в Кембридже (Англия), затем его книга «Две культуры», в которых рассматривались вопросы взаимодействия гуманитарной и естественнонаучной культур. Несколько позднее на полках книжных магазинов появилась книга выдающегося английского астрофизика Стивена Хокинга «Краткая история времени: от Большого взрыва до черных дыр», популярно излагавшая представления о рождении и эволюции Вселенной. Эти книги и проблемы, поднятые в них, предопределили появление в середине 90-х годов в вузах России новой учебной дисциплины — «Концепции современного естествознания». Основные идеи этой дисциплины были заложены в ряде монографий математика и философа академика Никиты Моисеева, программных статьях А. Суханова, В. Арши-нова и В. Буданова «Естественнонаучное образование гуманитариев: на пути к единой культуре» (журнал «Общественные науки и современность», 1994) и А. Суханова «Целостность естественнонаучного образования» (журнал «Высшее образование в России», 1994).
В последней статье профессора А. Суханова впервые была дана примерная программа обсуждаемой дисциплины, вскоре положенная в основу государственного образовательного стандарта. С того времени эта дисциплина — «Концепции современного естествознания» — является обязательным федеральным компонентом по специальностям и направлениям гуманитарного и социально-экономического профиля.
Цели преподавания предлагаемой дисциплины, по сути, направлены на:
? понимание специфики естественнонаучного и гуманитарного компонентов культуры, ее связей с особенностями мышления;
? формирование представлений о ключевых особенностях стратегий естественнонаучного мышления;
? понимание сущности трансдисциплинарных и междисциплинарных связей и идей и важнейших естественнонаучных концепций, лежащих в основе современного естествознания;
? осознание проблем экологии и безопасности жизнедеятельности общества в связи с основными концепциями и законами естествознания;
? формирование представлений о смене типов научной рациональности, о революциях в естествознании и смене научных парадигм как ключевых этапах развития естествознания;
? понимание роли исторических, естественноистори-ческих и социокультурных факторов и законов самоорганизации в процессе развития естествознания и техники, а также в процессе диалога науки и общества;
? формирование представлений о естественнонаучной картине мира как глобальной (универсальной) модели природы, отражающей целостность и многообразие естественного мира.
Основные задачи изучения дисциплины состоят в том, чтобы выработать представления:
? об основных этапах развития естествознания, гали-леево-ньютоновской (классической), неклассической (квантово-полевой) и постнеклассической (эволюционо-синергетической) парадигмах естествознания, об особенностях современного естествознания;
? о принципах научности, методологии и философии науки;
? о концепциях пространства и времени;
? о принципах симметрии и законах сохранения;
? о понятии состояния в естествознании;
? о корпускулярных и континуальных традициях в описании природы;
? о динамических и статистических закономерностях в естествознании;
? о соотношении порядка и беспорядка (хаоса) в природе;
? о самоорганизации в живой и неживой природе;
? об иерархии структур и элементов материи микро-, макро- и мегамиров;
? о взаимосвязях физических, химических и биологических процессов;
? о специфике живого, принципах эволюции, воспроизводства и развития живых систем, их целостности и гомеостазе;
? о биологическом многообразии, его роли в сохранении устойчивости биосферы и принципах систематики;
? о физиологических основах психики, социального поведения, экологии и здоровья человека;
? о месте человека в естественной истории Земли, ан-тропном принципе, о ноосфере и парадигме единой культуры.
Достаточно полно цели и задачи курса сформулировал известный русский современный философ Ю. Г. Волков в одной из своих книг: «В современных условиях физические, химические, биологические, социальные науки изучают отдельные стороны, процессы Вселенной, создавая частичное знание о мире. Синтетические, стыковые науки: физическая химия, геохимия, биофизика, биогеохимия (В. П. Вернадский) — изучают целостно лишь отдельные процессы Вселенной. Космология рассматривает только физический и физико-химический аспект мироздания. В действительности Вселенная не расчленена на отдельные природные и социальные процессы, во Вселенной они выступают в органическом единстве как единое целое. Эволюция Вселенной в прошлом и настоящем имеет направленность на самопознание, потому что человек и его общество являются неотъемлемой рефлекторной частью мироздания. Чтобы рассмотреть Вселенную как единое органическое целое, необходима особая целостная форма идеологии, которая будет представлять собой синтез философского, научного, художественного, экологического знания, дающая целостное знание о мире, о месте и роли человека в нем».
Авторы выражают глубокую благодарность докторам физико-математических наук, профессорам Осуховско-му В. Э. и Юдину В. В., доктору биологических наук, профессору Лукьяновой О. Н., доктору философских наук, профессору Ячину С. Е., доктору философских наук, профессору Батурину В. К., доктору географических наук, профессору Пушкарю В. С. и доктору геолого-минералогических наук, профессору Слезину Ю. Б., которые в разные годы рецензировали и обсуждали наши книги по концепциям современного естествознания, указывали на определенные упущения и неточности в изложении тех или иных принципиальных вопросов курса, предлагали свои варианты, чем способствовали улучшению содержания и качества нашего учебного пособия. Вместе с тем, только мы несем ответственность за изложение того, что и как представлено в данной книге.
Обращаем внимание всех наших читателей, что выделенные курсивом или жирным шрифтом фрагменты текста содержат наиболее важный или наиболее значимый материал, знание которого необходимо для качественного освоения предлагаемого учебного курса.
Все замечания читателей по улучшению содержания учебного пособия будут с благодарностью приняты.
РАЗДЕЛ I Теоретико-концептуальный и естественноисторический
1. Принципы, методы и философские концепции науки и естественнонаучного познания
1.1. Определение науки и естествознания как отрасли науки
В науке и для науки интересно все. Даже само слово наука. Этимология (от греческого etymon — истина; основное значение слова + логия) русского слова «наука» такова. Это общеславянское слово, образовано оно с помощью приставки «на» от исчезнувшего славянского слова «ука» — ученье. Так что в чисто русском варианте термин наука буквально означает научение. В большинстве же европейских языков синоним нашего слова наука обозначается транслитерациями от латинского слова «scientia», что в переводе означает знание. Видно, что дать однозначное научное толкование этого понятия и понятия самой науки — задача многотрудная, если не сказать вечная.
В широком смысле слова наука есть, во-первых, форма общественного сознания, во-вторых, сфера человеческой деятельности, в-третьих, система социальных институтов (здесь институты понимаются как элементы социальной структуры общества, но не как учебные заведения). В данном учебном курсе нас должен более всего интересовать первый аспект определения науки, т. е. ее интеллектуальная форма, которая непосредственно связана и с определением естествознания. Именно естествознание — это система представлений и понятий о явлениях, естественно существующих в реальном мире. Кстати, привычное, казалось бы, русское слово естествознание необыкновенно философично, глубоко по смыслу. В самом деле, рассмотрим (упрощенно) толкование слова естествознание. Оно заимствовано из старославянского (ст. сл.) языка и образовано из ст.-сл. слова естьство (представляющее собой кальку греческого ousia — сущность, бытие) и слова знание, что дает буквальное толкование исследуемого слова — знание о бытии, знание о сущности, следовательно, естествознание есть, как таковое, онтология (буквально по греч. — учение о бытии). С другой стороны, многие энциклопедические, не толковые, словари (например, знаменитый и переизданный недавно словарь Брокгауза и Ефрона) определяют естествознание просто как естественную историю.
Теперь о сути самой науки как отрасли культуры. Ее основная функция — выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности; ее результат — сумма знаний, лежащих в основе научной картины мира. Наука также есть обозначение отдельных отраслей научного знания. Непосредственные цели науки — описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности, составляющих предмет ее изучения, на основе открываемых ею законов.
Система наук в современную эпоху (начало XXI века) условно делится на естественные, общественные, гуманитарные и технические науки. Зародившись в древнем мире, в античные времена, в основном в Западной Европе, в странах Средиземноморья, наука, как отрасль культуры и духовности, начала складываться с XVI-XVII веков (с наступлением Нового времени). В ходе исторического развития наука превратилась в важнейший социальный институт, оказывающий значительное, иногда решающее, влияние на все сферы жизни общества и культуры в целом. Ход исторического развития науки позволяет констатировать, что объем научного знания и научной деятельности удваивается с XVII до середины XX века каждые 10-15 лет, а последние 50 лет за каждые 7-8 лет (рост открытий, научной информации, числа научных работников и т. д.). За эти последние четыре столетия неоднократно изменялась ее структура, принципы познания, категории и методы, а также форма организации науки, формировалась ее философия.
За эти годы неоднократно изменилось и определение самой науки. Как уже отмечалось, наука, в западном ее варианте, стала формироваться в XVI-XVII веках, прежде всего, усилиями англичанина Френсиса Бэкона и француза Рене Декарта. Они, развивая логическую и методологическую линии величайшего античного эллина Аристотеля и средневекового мыслителя Роджера Бэкона, ввели в науку основополагающие для того времени методы (буквально с греческого methodos — путь к чему-либо) индукции и дедукции. Эти методы были обоснованы как основной инструмент познания, а наука — как средство покорения природы. Эксперимент был ими указан как главный прием научного исследования или испытания природы (вспомните русское слово «естествоиспытатель»). Стиль мышления в науке, со времен Бэкона и Декарта, Браге и Кеплера, Коперника и Бруно, Галилея и Ньютона, характеризуется: 1) опорой на эксперимент (наблюдение, в астрономии), 2) господством аналитического (математического) подхода, направляющего мышление на поиск простейших первоэлементов реальности (концепция редукционизма). Так исторически возникла наука как своеобразный тип западноевропейской культуры, соединивший в себе чувственность с рациональностью. Это позволяет дать более полное и точное, но не окончательное, определение науки: наука — это особый рациональный (от лат. rationalis — разумный, где корень слова ratio — ум, способность понимания и осмысления) способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или/и математическом доказательстве.
Развиваемый и используемый в науке стиль мышления, так называемый рациональный, основан на двух фундаментальных идеях. Во-первых, на идее природной упорядоченности, т. е. признании существования универсальных, закономерных и доступных разуму причинных связей или функциональных зависимостей одних явлений от других — идее, лежащей в основании феноменологического подхода. Во-вторых, на идее формального доказательства как главного средства обоснованного знания, в результате искусственно созданной структурной (часто математической) модели - идеи, заложившей основание конструктивного подхода.
С другой стороны, возможна еще такая скорее характеристика, чем определение науки. Наука — это знание, достигшее оптимальности по критериям обоснованности, достоверности, непротиворечивости, точности и плодотворности.
Философское понятие объективного бытия включает в себя природу, общество и человека. И вновь интересна этимология русского слова «природа». Главным божеством древнерусских и древнеславянских богов был Род — бог Вселенной, родоначальник богов, прародитель мира и человека. Он олицетворял Космическую жизнь. Человеческий же род ведет свою родословную (начало) от верховного божества — Рода. Слово «род» стало основой для многих русских слов, таких как природа (префикс «при» означает около, вблизи), родина, народ, родник, рожать, урожай и т. д.
Человек с позиций объективного бытия интересен как мыслящее существо, обладающее сознанием. Сознание изучается психологией, а формы правильного мышления — логикой, созданной в Древней Греции Аристотелем. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием, естественными науками. Поскольку фундаментальные сферы естественных наук — материя, жизнь, человек, Земля и планеты, Солнечной системы, галактики, Вселенная, допустима такая, по-видимому, достаточно общая, но не самая строгая и точная классификация естественных наук:
1) физика, химия, физическая химия, химическая физика;
2) биология, биохимия, физико-химическая биология, ботаника, зоология;
3) анатомия, физиология, учение о происхождении и развитии жизни, генетика (учение о наследственности), антропология;
4) геология, геохимия, метеорология, физическая география;
5) астрономия, астрофизика, астрохимия, космология, космогония.
Математика занимает особое место среди наук, впрямую не относится к естественным наукам, но является главным инструментом мышления ученых-естественников (см. главу 13).
Таким образом, исходя из приведенной классификации наук и их сути, можно утверждать, что естествознание — это отрасли наук, основанные на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез и создании теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления, которые воспринимаются нашими органами чувств и описываются разумом (рационально).
Это позволяет ввести основной принцип естествознания: знания о природе должны допускать эмпирическую проверку. Опыт — критерий истины в естествознании, науке о природе в широком смысле слова. Естествознание общезначимо, т. е. дает истину пригодную и принимаемую всеми людьми. Поэтому оно всегда рассматривалось в качестве эталона объективности. От технических наук естествознание отличается направленностью на познание, а не на преобразование мира, а от математики тем, что исследует природные, естественно существующие, а не мыслимые, знаковые системы (см. гл. 13).
1.2. Наука и ненаука. Принципы или критерии научности
Истинность научного знания a priori (до опыта) не очевидна, и эта сторона науки сама явилась предметом исследований. Существует достаточное количество терминов, чтобы отличить, хотя бы семантически, науку от ненауки. К ним следует отнести термины ненаука, вненаука, лженаука, квазинаука, антинаука, паранаука, аномальная наука. Скажем только об антинауке и лженауке, которые встречаются чаще, чем остальные виды ненауки. Антинаука — это обскурантизм, крайне враждебное отношение к науке, которое является измышлением людей, малосведующих как в науке, так и в культуре вообще. Лженаука — это ругательство, используемое, как правило, людьми, не лишенными дурных наклонностей, или идеологически зашоренными. Так, в послевоенные годы в СССР лженаукой называли кибернетику, генетику, таким же некоторое непродолжительное время было отношение к квантовой физике, что оказалось чрезвычайно ошибочным и нанесло невосполнимый до сих пор вред этим наукам в современной России. Видно, что с терминами надо обращаться весьма аккуратно.
Теперь остановимся весьма кратко на принципах или критериях научности, которые позволяют отличить науку от ненауки. Один из важнейших принципов научности получил название принципа верификации (от англ. verify — проверять, но точнее от лат. verus — истинный и facere — делать) и формулируется так: какое-либо понятие или суждение имеет значение, если оно сводимо к непосредственному опыту или высказываниях о нем, т. е. эмпирически проверяемо (явно или неявно, опосредованно). Теория истинна, если она прошла проверку фактами. Другой принцип, предложенный австрийским философом Карлом Поппером, принцип фальсификации (иногда говорят, принцип фальсифицируемости) гласит так: критерием научного статуса теории является ее фальсифицируемость или опровержимость. Данный принцип имеет простой и глубокий смысл. Если бы в опытах Ньютона с падающими яблоками (не важно, были эти опыты в действительности или нет) одно из них полетело бы вверх, а не вниз, как все остальные, этого было бы достаточно, чтобы опровергнуть теорию тяготения Ньютона и его знаменитый закон всемирного тяготения. Поэтому именно попытки фальсифицировать, опровергнуть теорию, закон и т. д. должны быть наиболее эффективны в плане подтверждения ее истинности и научности.
С другой стороны, последовательно проведенный принцип фальсификации делает любое знание гипотетическим, лишенным законченности, абсолютности. Завершенным может быть только знание религиозное, идеологическое, не подвергаемое сомнению, проверке, но не истинно научное. Есть» однако, одна тонкость с принципом фальсификации, а именно, если фальсифицируемо все научное, то фальсифицируем и сам принцип фальсификации. И, тем не менее, мы будем его придерживаться.
Третьим критерием научности следует назвать принцип неполноты формализованной системы, полагаемой в основание теории, объясняющей те или явления. Этот принцип базируется на двух теоремах великого австрийского логика Курта Геделя и теореме польского логика Альфредя Тарского по выявлению непротиворечивости одного из важнейших разделов математики — арифметики. Еще в античности критский философ Эпименид (588-530) сформулировал парадокс, получивший его имя: «Если кто лжет и сам утверждает, что лжет, то на самом деле лжет он или говорит правду?» Этот же парадокс может быть. выражен также в более простых предложениях, вроде таких: «Я лгу», «Я лжец». Этому же, по существу посвящена доказанная Геделем теорема о неполноте любой логической системы постулатов (аксиом), невозмоность доказать или опровергнуть некоторое высказывание (некоторое математическое положение, конечно), что служит серьезным ограничением для теоретического анализа. Поэтому теоремы Геделя, получившие общенаучное и философское обобщение, должны быть приняты в качестве принципа научности.
Важным критерием научности также является системность, упорядоченность знания (наиболее яркие примеры — периодическая система химических элементов Дмитрия Менделеева, кристаллографическая система Евграфа Федорова, система мировых центров происхождения культурных растений Николая Вавилова, систематика органического мира или «лестница существ» Аристотеля, систематика Линнея и др.).
1.3. Структура, эмпирический и теоретический уровни и цель естественнонаучного познания
Естественнонаучное познание явлений и объектов природы структурно состоит из эмпирического и теоретического уровней исследования. Без сомнения, удивление и любопытство является началом научного исследования (на это впервые указывал Аристотель). Человек равнодушный, безразличный не может стать ученым, не может увидеть, зафиксировать тот или иной эмпирический факт, который станет научным фактом. Научным из эмпирического он станет, если подвергнуть его систематическому исследованию. На этом пути, пути поиска способа или метода исследования, первейшими и простейшими являются либо пассивное наблюдение, либо более радикальное и активное — эксперимент. Отличительной чертой истинного научного эксперимента от шарлатанства должна быть его воспроизводимость каждым и всегда (например, большинство так называемых паранормальных явлений — ясновидение, телепатия, телекинез и т. д. — этим качеством не обладают). Эксперименты могут быть реальными, модельными или мысленными. В двух последних случаях необходим высокий уровень абстрактного мышления, поскольку реальность замещается на идеализированные образы, понятия, представления, в действительности не существующие.
Итальянский гений Галилей в свое время (в XVH в.) добился выдающихся научных результатов, поскольку стал мыслить идеальными (абстрактными) образами (идеализа-циями). Среди них были такие абстракции, как абсолютно гладкий упругий шар, гладкая, упругая поверхность стола, в мыслях замененная идеальной плоскостью, равномерное прямолинейное движение, отсутствие сил трения и др.
Без идеализации нет современного естествознания и современной науки, но она не конечная, а всего лишь промежуточная цель исследования. Главная цель науки — выдвижение гипотез и теорий как эмпирически подтвержденных гипотез. Выдвижению гипотез может предшествовать некоторое эмпирическое обобщение, сделанное на основании эмпирических исследований, собирания и творческого осмысления неупорядоченных фактов. Великий русский натуралист и мыслитель XX века Владимир Вернадский отмечал, что «эмпирическое обобщение опирается на факты, индуктивным путем собранные, не выходя за их пределы и не заботясь о согласии или несогласии полученного вывода с другими существующими представлениями о природе...».. Фактически на этом этапе заканчивается эмпирический уровень исследования, и далее начинается исключительно рациональный — теоретический.
На теоретическом уровне необходимо придумать некоторые новые, ранее не имевшие места в данной науке понятия, выдвинуть гипотезу. Продолжая развивать приведенную выше мысль, Вернадский писал: «При гипотезе принимается во внимание какой-нибудь один или несколько важных признаков явления и на основании только их строится представление о явлении, без внимания к другим его сторонам. Научная гипотеза всегда выходит за пределы фактов, послуживших основой для ее построения*. (Особо обратите внимание на то, что эмпирическое обобщение не выходит за пределы собранных фактов, а гипотеза — выходит). Далее в научном исследовании необходим возврат к эксперименту с тем, чтобы не столько проверить, сколько опровергнуть высказанную гипотезу и, может быть, заменить ее на другую. На данном этапе познания действует принцип фальсифицируемости научных положений. Так, создатель этого принципа К. Поппер писал: «Нам следует привыкнуть понимать науку не как «совокупность знаний», а как систему гипотез, т. е. догадок и предвосхищений, которые в принципе не могут быть обоснованы, но которые мы используем до тех пор, пока они выдерживают проверки, и о которых мы никогда не можем с полной уверенностью говорить, что они «истинны», «более или менее достоверны» или даже «вероятны»». Прошедшая проверку гипотеза приобретает статус закона (иногда закономерности, правила) природы. Несколько законов из од-|ной области явлений образуют теорию, которая существует до тех пор, пока остается непротиворечивой фактам, несмотря на возрастающий объем все новых экспериментов. Итак, наука — это наблюдения, эксперименты, гипотезы, теории и аргументация в пользу каждого из ее этапов развития.
Хотя в методологическом отношении разделение научного исследования на эмпирический и теоретический уровни весьма полезно, практически осуществлять его чрезвычайно сложно. Оценивая ситуацию в физике первой половины XX века, Альберт Эйнштейн писал: «...с принципиальной точки зрения желание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершенно нелепо. Потому что в действительности все обстоит как раз наоборот. Только теория решает, что именно можно наблюдать... Подлежащий наблюдению процесс вызывает определенные изменения в нашей измерительной аппаратуре...*. Последнее обстоятельство позволило датскому физику Нильсу Бору и русскому советскому физику Владимиру Фоку сформулировать принцип относительности к средствам наблюдения, в котором объекту исследования приписывается реальности не меньше, чем прибору, а его свойства не сводятся к свойствам прибора. Это явилось обобщением старого принципа относительности Галилея.
1.4. Методы научного познания
Описанные выше уровни научного познания представляют собой методы эмпирического и теоретического освоения действительности. Родоначальниками метода и методологии в науке, как уже отмечалось выше, были Ф. Бэкон и Р. Декарт в XVII веке. «Под методом, — писал Декарт, — я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых ...без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно». Метод выполняет и другую важную, если не важнейшую роль: делает деятельность исследователей единообразной, уравнивает способности участников исследования, вооружая их единым инструментом.
Методы принято подразделять либо по степени их общности, либо по принадлежности к тому или иному уровню познания. В первом случае это всеобщие, общенаучны и конкретно-научные или частные. Во втором — это эмпирические и теоретические методы. Всеобщие методы были порождены античной и средневековой натурфилософией и диалектикой познания, являются общефилософскими и называются метафизическим и диалектическим методами. С середины XIX века метафизический метод, как принято сейчас считать, фактически себя изжил. В диалектическом методе можно выделить такие его виды: анализ, синтез, абстрагирование, аналогия, классификация.
Сущность и особенность общенаучных методов следует связывать с уровнем познания. На эмпирическом уровне это наблюдение, описание, эксперимент, измерение, на теоретическом уровне — абстрагирование, идеализация, формализация, аксиоматизация, гипотезирование (выдвижение гипотез) или гипотетико-дедуктивный метод.
Гипотезирование — это создание системы дедуктивно связанных между собой гипотез, из которых выводятся утверждения об эмпирических фактах. Кратко о сущности некоторых из методов.
Анализ — расчленение, разделение объекта на составные части с целью их отдельного изучения.
Синтез — соединение ранее расчлененных частей объекта (предмета, явления) в единое целое.
Абстрагирование — отвлечение от несущественных признаков, свойств, качеств объекта.
Моделирование — создание образа объекта (явления).
Аналогия, или подобие — перенесение сходства в одних признаках на сходство и в других признаках.
Классификация — систематизация, описание по группам признаков.
Особо остановимся на абстрагировании, моделировании и модели объекта или явления. Своими корнями абстрагирование уходит в практическую, чувственно-объектную деятельность человека по преобразованию окружающей природы. Человек никогда не имел и не имеет дела с окружающей средой во всей ее полноте сразу: самые элементарные формы его трудовой деятельности представляют собой практические операции по разделению и соединению элементов объективной действительности. Фактически это было не чем иным, как процессом абстрагирования и конструирования, правда, не мысленным актом, а материальным действием в самой реальной жизни.
Неотъемлемой чертой абстрагирования является вычленение и фиксация исследуемых свойств объекта. Рассматриваемое в этом смысле абстрагирование представляет собой моделирование изучаемого объекта. Изучая свойства и признаки явлений окружающей нас действительности, мы не можем познать их сразу во всем объеме, а подходим к их изучению постепенно, раскрывая шаг за шагом все новые и новые свойства. Тогда моделирование — это изучение объекта (оригинала) путем создания и исследования его копии (модели), замещающей оригинал с определенных сторон, интересующих познание. Модель же всегда должна соответствовать объекту — оригиналу в тех его свойствах, которые подлежат изучению, но в то же время отличаться от него заведомым упрощением по ряду других признаков, что делает модель удобной для исследования интересующего нас объекта.
Модели, применяемые в обыденном и научном познании, можно разделить на два больших класса: материальные и идеальные. Первые являются природными объектами, подчиняющимися в своем функционировании естественным законам. Вторые представляют собой идеальные образования, зафиксированные в соответствующей знаковой форме и функционирующие по законам созданной нами логики мышления. Если результаты моделирования подтверждаются и могут служить основой для прогнозирования процессов, протекающих в исследуемых объектах, то говорят, что модель адекватна объекту. При этом адекватность модели зависит от цели моделирования и принятых критериев.
Модель явления не тождественна самому явлению, она только дает некоторое представление для его понимания, некоторое приближение к действительности. Но в модели учтены все предполагаемые признаки явления, которые кладутся в основу модели. Эти предположения могут быть весьма грубыми и, тем не менее, давать вполне удовлетворительное приближение к реальности. Конечно, для одного и того же явления можно предложить не одну, а несколько альтернативных моделей. История науки оставила нам в наследство огромное число такого рода примеров. Например, в оптике в течение последних трех столетий рассматривалось несколько моделей света: корпускулярная (Ньютона), волновая (Гюйгенса, Френеля) и электромагнитная (Фарадея, Максвелла). Окончательной моделью на сегодня, согласно великой теории Джеймса Максвелла, стала электромагнитная.
1.5. Философия науки и динамика научного познания в концепциях К. Поппера, Т. Куна и И. Лакатоса
Разнообразие указанных выше методов создает трудности в использовании и понимании значимости каждого из методов. Эти проблемы решаются особой областью знания — методологией или учением о методах. Важнейшей задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности, динамики изменений и динамики роста (накопления) знаний и других характеристик методов познания. По своей сущности и общенаучности, методология есть предмет философии науки, а не естествознания как отдельной отрасли науки. Мы ограничимся тремя принципиально отличающимися концепциями в философии науки: концепциями Карла Поппера, Томаса Куна и Имре Лакатоса,
Центральным положением подхода австрийского философа Карла Поппера к принципам науки, как уже отмечалось нами в п. 1.2, является концепция фальсификации. Ее основная суть состоит в том, что эмпирические наблюдения никогда не могут установить справедливость (истинность) научного обобщения. Какое бы множество наблюдений мы не проводили в поддержку теории, никогда нельзя быть уверенным в том, что следующее наблюдение не окажется с этой теорией в противоречии (более того, противники теории именно этого и ожидают). Все, что могут дать теории успешные до определенной поры тесты (наблюдения) — это всего лишь ее не опровергнуть. Такие успешные тесты (проверки) можно отнести к подтверждениям теории только в том смысле, что они повышают к ней наше доверие, но это не то же самое, что доказать справедливость теории. По Попперу, возможность опровержения и есть тот критерий, по которому различается наука и ненаука, а научные знания — это не те знания, относительно которых установлено, что они верны, а та базовая часть обобщений, которые, до поры до времени, пережили попытки их опровергнуть. Наука движется вперед путем прогрессивного исключения фальшивых гипотез, тогда как ненаучные положения не могут быть опровергнуты — разве только случайно.
Другой подход к философии науки был предложен в начале 60-х годов американским историком и философом науки Томасом Куном. В качестве фундаментальной концепции для объяснения феномена роста и сменяемости научных знаний он использовал понятия парадигмы (от греч. paradigma — образец, пример), научного сообщества, нормальной науки, научной революции. В подходе Куна термин парадигма обозначает всю совокупность убеждений, ценностей, технических средств и т. д., которая характерна для данного сообщества. С другой стороны, он указывает один вид элемента в этой совокупности — конкретные решения головоломок, которые, когда они используются в качестве моделей или примеров, могут заменить эксплицитные правила как основу для решения не разгаданных еще «головоломок нормальной науки». Научные сообщества складываются благодаря тому, что «ученые исходят в своей работе из моделей, усвоенных в процессе обучения и из последующего изложения их в литературе, часто не зная и не испытывая никакой потребности знать, какие характеристики придали этим моделям статус парадигм научного сообщества». Нормальная наука, по Куну, означает «исследования, базирующиеся на одном или более из прошлых научных достижений, которые некое определенное научное сообщество признает на какое-то время в качестве создающих основу для последующего практического использования». Для иллюстрации парадигмы нормальной науки Кун цитирует классические произведения — «Физику» Аристотеля, «Математические начала натуральной философии» Ньютона, «Химию» Лавуазье, вместе сложивших фундамент классического естествознания.
Стимулированная новой парадигмой, концепция новой нормальной науки должна быть достаточно оригинальной идеей, чтобы привлечь группу преданных приверженцев, и достаточно открытой, чтобы объять все виды решаемых учеными в данный момент проблем. Концептуально нормальная наука имеет несколько важных характеристик, главная из них — отказ от критики оснований науки, отказ в том смысле, что в науке есть положения, которые не подлежат сомнению, и она использует методы, которым надлежит следовать. Они составляют дисциплинарную среду, в которой живет нормальная наука и в которой ученые не выполняют множества жестких правил, но следуют принятому образцу. Именно эта некритичность разрешает прилагать теорию к большому числу задач, позволяя исследовать огромное количество деталей реального мира (решить «малые» проблемы), и она, эта некритичность, способствует тому, что в течение длительного времени развитие нормальной науки может быть довольно «стабильным».
Однако, время от времени, вследствие открытия аномалий или фактов, которые не могут быть объяснены в терминах принятой парадигмы, возникают кризисы. Начинаются усложнения теорий, снижается точность выводов, теория становится неудовлетворительной по одному, двум или нескольким параметрам. Наконец, становится очевидным, что ошибка лежит в фундаменте всей системы и что аномалия, которая вызвала кризис, существовала достаточно давно. Кризис обычно приводит к большому числу поспешных модификаций парадигмы и ее связей, так как в эти моменты, как правило, ученые находятся в замешательстве из-за того, что они не знают, как разрешить возникшую ситуацию. Ученые наугад мечутся в поисках ответов, обращаясь ко всему предыдущему научному опыту, в том числе и к философии, которой в нормальной науке нет места. Из этих новых связей парадигмы случайно всплывает нечто принципиально новое, революционное. Только в такие моменты революций в науке, по Куну, находится место подвергнуть сомнению ее основы, тогда как, согласно Попперу, это должно происходить перманентно при проверке теории, для устранения противоречий ее с экспериментальными данными.
Венгерский (он же английский) философ науки Имре Лакатос предложил иной подход к философии науки, существенно отличающийся от проанализированных выше. Ревизуя и модифицируя положения Поппера, главным мерилом своей схемы он взял не отдельную, пусть и успешную теорию, а целостную программу исследований; точнее, Лакатос развил методологию научно-исследовательских программ, сменяющих одна другую в истории общества. Программа исследований включает две основные части — жесткий базовый стержень (твердое ядро) и положительную эвристическую компоненту. Твердое ядро состоит из принятых ранее предположений, которые в ходе выполнения исследовательской программы считаются неопровержимыми (аналог понятия нормальной науки Куна). Положительная эвристика должна способствовать предвидению аномалий и их преодолению в соответствии с заранее разработанным планом. Программа исследований может быть отвергнута, если имеется лучшая, способная ее заменить (с более широким эмпирическим содержанием по отношению к действовавшей до этого программе — конкуренту).
Новая научно-исследовательская программа должна быть способной объяснить все то же, что и старая, а также предсказать некоторые новые факты, которые старая предсказать не может. Поскольку этот критерий допускает быструю модификацию теории и оставляет место для небольших противоречий, он является более терпимым, чем критерий Поппера о возможности опровержений, хотя возможность более широких предсказаний является весьма жестким требованием. В соответствии с методологией Лакатоса, путь решения головоломок Куна определяется не сегодняшними аномалиями, а теоретическим анализом. Определение пути, которым следует наука, здесь представляет собой скорее именно математическую проблему, чем проблему преодоления аномалий.
Не меньшего внимания заслуживают и иные точки зрения на философию и методологию науки, выдвинутые и развитые В. Степиным, П. Фейерабендом, А. Койре, С. Тулмином, Д. Бомом, К. Прибрамом и Ф. Франком.
1.6. Основные этапы развития научной рациональности (науки) - классический, неклассический и постнеклассический
На проблему возникновения самой науки как отрасли культуры, даты (времени) и места ее рождения имеется несколько разных мнений. Полагают, что:
? наука существует с тех времен, как только человек начал осознавать себя в своей практической и познавательной деятельности мыслящим существом, т. е. наука существовала всегда, во все времена;
? наука возникла в Древней Греции (Элладе) в VI-V вв. до н. э., так как именно тогда и там впервые знания соединили с обоснованием (Фалес, Пифагор, Ксено-фан);
? наука возникла в западноевропейском мире в позднее средневековье (XII-XIV вв.) вместе с особым интересом к опытному знанию и математике (Роджер Бэкон);
? наука возникает в XVI-XVII вв., т. е. в Новое время, начинается с работ Кеплера, Гюйгенса, но особенно с работ Декарта, Галилея и Ньютона, создателей первой теоретической модели физики на языке математики;
? наука начинается в первой трети XIX века, когда исследовательская деятельность была объединена с системой высшего образования.
Мы придерживаемся мнения, что генезис научных положений начался в античное время в Греции, Индии и Китае, а наука как отрасль общечеловеческой культуры со своими специфическими рациональными методами познания, впервые обоснованными Френсисом Бэконом и Рене Декартом, возникла в Новое время, в эпоху первой научной революции. Всего же, как считается сегодня, научные революции в науке и естествознании, о которых писал Т. Кун и мы в предыдущем пункте, случались в человеческой истории, как минимум, три раза.
Первая научная революция, получившая позднее статус классической, была подготовлена раннегреческой натурфилософией и основывалась на том, что объективность и предметность научного знания достигается устранением субъекта познания (человека) и его процедур из познавательной деятельности. Место человека в этом научной парадигме — место наблюдателя, испытателя. Основополагающий признак порожденного классического естествознания и соответствующей научной рациональности — абсолютная предсказуемость событий и явлений будущего и восстановления картин прошлого (так называемый лап-ласовский детерминизм). Последние утверждения можно характеризовать также как выполнимость принципа обратимости времени и, более того, как обратимости всего и всех явлений механической и полевой природы. Основные положения классической науки будут проанализированы нами в гл. 3 и 5.
Вторая научная революция охватила период с конца XIX до середины XX столетия. В эти годы, уже дифференцированная на дисциплинарно организованные отрасли, наука делает поистине эпохальные открытия: в физике (открытия атома и его делимости, электрона, радиоактивности, рентгеновских лучей, квантов энергии, релятивистской и квантовой механик, объяснение природы тяготения Эйнштейном), в космологии (концепция нестационарной Вселенной Фридмана-Хаббла), в химии (объяснение закона периодичности Менделеева квантовой химией), в биологии (открытие Менделем законов генетики) и т. д. Основополагающим признаком новой неклассической рациональности становится вероятностная парадигма, неконтролируемая, а значит, не абсолютная предсказуемость будущего (так называемый индетерминизм). Меняется место человека в науке — теперь его место соучастника в явлениях, его принципиальная включенность в научные процедуры. Возникает понимание того, что реакция испытываемой (исследуемой) природы на наши вопросы определяется не только особенностями самой природы, но и способом постановки наших ей вопросов. Особенности неклассического естествознания и науки подробно изложены в гл. 4 и 5.
Последние десятилетия XX и начала XXI столетий могут быть охарактеризованы как течение третьей научной революции, в основном благодаря открытиям в области эволюционной химии, физики лазеров, породившей синергетику, термодинамики нестационарных необратим мых процессов, породившей теорию диссипативных структур, теорий автопоэза, которые все вместе ведут нас к новейшей постнеклассической рациональности. Важнейшими признаками постнеклассической рациональности является полная непредсказуемость, закрытоеть будущего и выполнимость принципов необратимости времени и движения. Раскрытию особенностей постнеклассической парадигмы посвящена гл. 12 данной книги.
Можно дать и другую классификацию этапов развития науки, которую удачно сформулировал У. Уивер. Согласно ему, наука вначале пережила этап исследования организованной простоты (это была ньютонова механика), затем этап познания неорганизованной сложности (это статистическая механика и физика Максвелла, Гиббса), а сегодня занята проблемой исследования организованной сложности (в первую очередь, это проблема жизни). Подобная классификация этапов науки несет глубокое концептуально-историческое осмысление проблем науки по объяснению явлений и процессов природного и гуманитарного миров.
Резюме
Наука как таковая есть отрасль культуры, рациональный способ познания мира и организационно-методический институт.
Сформировавшаяся к настоящему времени как тип западноевропейской культуры наука — это особый рациональный способ познания природы и общественных формаций, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве. Основная функция науки — выработка и теоретическая систематизация объективных знаний о действительности, ее результат — сумма знаний, а непосредственная цель науки — описание, объяснение и предсказание процессов и явлений действительности. Естествознание — отрасль науки, основанная на воспроизводимой эмпирической проверке гипотез, его главное назначение — создание теорий или эмпирических обобщений, описывающих природные явления. Используемые в науке методы, в естествознании, в частности, подразделяются на эмпирические и теоретические. Эмпирические методы — наблюдение, описание, измерение, наблюдение. Теоретические методы — формализация, аксиоматизация и гипотетико-дедуктив-ный. Другое деление методов — на всеобщие или общезначимые, на общенаучные и частные или конкретно-научные. Например, всеобщие методы: анализ, синтез, дедукция, индукция, абстрагирование, аналогия, классификация, систематизация и т. д. Общенаучные методы: динамические, статистические и т. д. В философии науки различают, по крайней мере, три разных подхода — Поппера, Куна и Лакатоса. Центральным местом у Поппера является принцип фальсификации, у Куна — понятие нормальной науки, кризисов и научных революций, у Лакатоса — концепция жесткого ядра науки и сменяемости научно-исследовательских программ. Этапы развития науки могут быть охарактеризованы либо как классический (детерминизм), неклассический (индетерминизм) и постнеклассический (бифуркационный или эволюционно-синергетический), либо как этапы познания организованной простоты (механика), неорганизованной сложности (статистическая физика) и организованной сложности (жизнь).
Вопросы для обсуждения
1. Дайте толкование слов «наука», «ненаука», «естествознание» определите их функции, цели.
2. Дайте современное определение науки.
3. Перечислите критерии научности. Обратите особое внимание на теорему Геделя.
4. Какая существует разница между эмпирическими и теоретическими объяснениями?
5. Что такое научный метод и на чем он основывается?
6. В чем заключается единство научного метода?
7. В чем отличие всеобщих методов от методов общенаучных?
8. Что такое «идеализация» в естествознании?
9. Что понимается под формализацией в научном познании?
10. Какова роль гипотез в научном познании?
11. Определите естествознание как отрасль науки.
12. Определите структуру естественнонаучного познания.
2. Генезис основных концептуальных понятий современного естествознания античными и средневековыми цивилизациями.
Бывает нечто, о чем говорят: «смотри, вот это новое»; но это было уже в веках, бывших прежде нас.
Екклесиаст
Уйти далеко означает вернуться.
Лао-цзы
В данной главе речь идет о донаучном периоде развития естествознания, временные рамки которого простираются от античности (от VII в. до н. э.) до XV века новой эры. В этот исторический период естествознание государств Средиземноморья (Вавилон, Ассирия, Египет, Эллада и т. д.), Китая, Индии и арабского Востока (наиболее древних цивилизаций) существовало в форме так называемой натурфилософии (происходит от лат. nature — природа), или философии природы, суть которой состояла в умозрительном (теоретическом) истолковании единой, целостной природы. Особо надо обратить внимание именно на понятие целостности природы, т. к. в Новое время (XVII-XIX вв.) и в Новейшее время, в современную эпоху, (XX-XXI вв.), целостность науки о природе была фактически утрачена и на новой основе начала возрождаться только в конце XX века (см. главу 13).
В древности, в античные времена, у эллинов (греков) натурфилософия, оказавшая особенно мощное влияние на возникновение и развитие естествознания, фактически именовалась физикой или физиологией (но не в современном понимании этих наук), т. е. учением о природе (от греч. physis — природа). В понятие натурфилософии того времени входили астрономия, алхимия, биология, собственно философия, религия; все вместе они составляли единую культуру. Характеризуя сущность натурфилософии, Ф. Энгельс писал, что «...она заменяла неизвестные еще ей действительные связи явлений идеальными, фантастическими связями и замещала недостающие факты вымыслами, пополняя действительные проблемы лишь в воображении». Предсказательная сила воззрений античных ученых очень мала, и они не нуждались в лабораторном подтверждении. По большому счету, все то античное знание не удовлетворяло рассмотренным в первой главе критериям научности, так что его нельзя называть наукой, поскольку оно не достигло необходимой зрелости, а скорее правильно именовать его ненаукой. Но его роль в становлении науки в последующие столетия (особенно в Новое время) оказалась решающей.
Естествознание, выросшее в процессе переработки древней мифологии, является продуктом человеческой цивилизации (цивилизаций). Оно несет в себе черты не только единства и единого происхождения (генезиса) как самого мира (Вселенной), так и человека (независимо от того, где человек жил и живет, какой имел и имеет цвет кожи или к какой расе относится, на каком языке говорил и говорит), но и имеет определенные национальные и культурные корни и особенности.
Английский историк Арнольд Тойнби (1889-1975) выделял в человеческой истории 13 самостоятельных цивилизаций, русский социолог и философ Николай Данилевский (1822-1885) — 11 цивилизаций, немецкий историк и философ Освальд Шпенглер (1880-1936) — всего 8 цивилизаций: вавилонскую, египетскую, народа майя, античную, индийскую, китайскую, арабскую, западную. Таким образом, уже просто по перечислению взглядов разных авторов видим, насколько вопрос этот спорный. Но поскольку не он предмет нашего исследования, то, не считая себя вправе вступать в полемику о смысле, сущности, чертах и прочих характеристиках концепции цивилизации и пренебрегая определенной научной строгостью, мы выделяем здесь только естествознание тех цивилизаций, которые сыграли наиболее выдающуюся роль в возникновении, становлении и развитии натурфилософии и современного естествознания.
2.1. Роль и значение мифов в становлении науки и естествознания
Попытки отыскать корни современного естествознания отправляют нас в глубины веков, к истокам знания — к древней мифологии. Австрийский философ Карл Поппер (1902-1994) не раз сопоставлял науку и миф, видя миф в основе чуть ли не любой научной теории. Само рождение науки он представлял как критику мифа, порождающую новый миф, все более и более рациональный (от латинского ratio — рацио — разум). Таково было, например, рождение идеи о Солнечной системе, впервые возникшей у Анаксимандра в VI в. до н. э., предположившего, что Земля неподвижно висит (или парит) в пространстве. Однако и более древние мифы носили космогонический и антропоморфный характер: толковали единое происхождение мира и жизни, причем иногда настолько изощренно, что некоторые их идеи едва начинают только сейчас проникать в современную науку (как говорят: «новое — хорошо забытое старое»). Такова, например, индийская идея циклического мироздания, в котором разные боги живут в разных временах! Какими бы ни были некоторые мифы несостоятельными, было бы неразумно выбирать из них только аналоги нашим идеям, отбрасывая остальные. Первоначально, как и любые сказочные повествования, миф воспринимался целиком в качестве истины, а потом, по прошествии времен, также целиком вставал в ряд классической литературы в качестве вымысла (вспомните, например, «Легенды и мифы Древней Греции» Н. Куна).
Мифы, безусловно, не научные трактаты, основывающиеся на логике, а посему полны ряда логических и семантических недостатков, анализ, выявление, преодоление и искоренение которых способствовали развитию методов творческого, аналитического научного мышления.
Создание мифологического образа (мифологемы) уже и есть объяснение окружающего мира. Самое простое, но и, обратим специально ваше внимание, опасное, — придумывать мифологемам рациональное толкование. Но следует помнить, что великий китайский мыслитель Конфуций говорил: «Изучение наук без размышления — бесполезно, размышление без изучения — опасно». Поскольку любой миф полон противоречий, то ответ мифологов прост: миф отвечает на определенный вопрос и вне него равнодушен к противоречиям. Это равнодушие мифа к противоречию первый и, можно сказать, главный его недостаток, он не исправляется рациональным толкованием мифа, а его исключение искажало бы целостность повествуемого сюжета. Миф, по большому счету, не несет познавательной (эвристической) ценности, поэтому с ним нельзя спорить логически, ему можно противопоставлять только другой миф, как нечто также целостное. Для логики мифа характерно petitio principii, т. е. подмена основания, на котором «доказательство покоится на предрешенном основании или на молчаливом допущении, требующем еще доказательства». Это недостаток мифа примем во внимание, как отмечалось, во-первых.
Во-вторых, столь же важно, как на недостаток, указать на символичность мифа. Миф оперирует с символом, знаком, как с реальной сущностью, не отличает объект от его знака, не желая сопоставлять ни размеры, ни какие-либо другие характеристики объектов, ни соответствие следствия причине. Например, Геракл — символ несокрушимой силы, поэтому он может бороться с гигантом и победить, хотя сам не гигант, ничем не выделяется среди обычных людей. Также другой пример: произвольно меняются размеры в пещере циклопа Полифема, приютившего у себя Одиссея и его команду; его овец Одиссей хочет взять на свой небольшой корабль, т. е., как будто, размеры их обычны, но затем воины прячутся у них в шерсти под брюхом, т. е. овцы вырастают до слоновьих размеров.
В-третьих, миф не отличает происхождение от сущности, описывает историю вопроса вместо ответа на сам вопрос, полагает родословную самым важным объектом повествования, более важным, чем наличные свойства (кстати, по этому признаку, безусловно, мифологичными следует считать как Книги Ветхого, так и Книги Нового Заветов, например, «Бытие», «Числа», «От Матфея святое благовествование» и др.).
В-четвертых, миф моделирует реальность вместо ее анализа: сходство путает с тождеством, любой конфликт трактует как смертную борьбу (гипертрофирует ситуацию).
В-пятых, логику выявления признаков миф подменяет расчленением объекта (например, Гефест разрубает голову Зевсу, чтобы тот родил мудрость — Афину).
В-шестых, миф ставит выше мифическое (сакральное) время, чем текущее (профанное): все важное для судеб мира миф помещает в прошлое, обеспечивая тем самым вторичную сакрализацию времени — сказанное давно умершими авторами рассматривается как нечто особо важное, как опровержение новых данных.
И наконец, в-седьмых, миф выражает безусловную (заранее предопределенную, предрешенную) систему ценностей: враг героя заслуживает любой кары, он, можно сказать, генетически, не может быть прав. Следует указать, что список недостатков мифов можно продолжать и продолжать, но уже отмеченного вполне достаточно, чтобы развивать на критике мифов новую логику и стиль мышления.
Поразительно, и этого не следует забывать никогда, что «дологическое мышление», как отмечал французский философ, этнограф и мифолог, автор теории такого мышления Люсьен Леви-Брюль (1857-1939), не только характерно для первобытного общества, но, более того, «логическое и первобытное мышление сосуществуют во все времена». Постигая, развивая логику научного мышления вместо логики мифотворчества, следует всегда помнить, что основные стереотипы мышления вечны и сосуществуют параллельно, нисколько не меняясь в прогрессирующем обществе. Одним из таких устойчивых стереотипов мышления, небезопасных в современную эпоху, является уверенность в превосходстве западного рационального, формального, знакового знания и мышления над восточным интуитивным, мистическим, целостным знанием и мышлением, когда-то имевшим зачатки и в западной (греческой) мысли (Гераклит). Преодоление этого стереотипа (заблуждения), без всякого сомнения, будет способствовать новому подъему науки, точнее, без его преодоления подъем просто невозможен.
Естествознание, выросшее в процессе переработки древней мифологии, является продуктом человеческой цивилизации (цивилизаций). Оно несет в себе черты единства происхождения как самого мира (Вселенной), так и самого человека (независимо от того, где человек жил и. живет, какой имел и имеет сейчас цвет кожи или к какой расе относится, на каком языке говорил и говорит), но имеет, хотим мы этого или не хотим, определенные национальные и культурные корни и особенности.
Английский историк Арнольд Тойнби (1889-1975) выделял в человеческой истории 13 самостоятельных цивилизаций, русский социолог и философ Николай Данилевский (1822-1885) — 11 цивилизаций, немецкий историк и философ Освальд Шпенглер (1880-1936) — всего 8 цивилизаций: вавилонскую, египетскую, народа майя, античную, индийскую, китайскую, арабскую, западную. Мы выделяем здесь только те цивилизации и те периоды в истории человечества, которые сыграли наиболее выдающуюся роль в возникновении, становлении и развитии натурфилософии и естествознания. В основном это, конечно, античная греко-римская и западная цивилизации и главные их периоды — античное время, средневековье, Возрождение (Ренессанс), Новое время и Новейшее время.
Так, в античное время, в которое начинается формирование будущей европейской философии и науки, наблюдается тенденция обращения мудрецов, мыслителей к природе, космосу. Но эта нарождающаяся философская тенденция коренным образом отличается от предшествующей мифологической направленности описания. Возникновение новой тенденции связано с определенным уровнем абстрактного (рационального) мышления, которое способно отразить действительность иным образом, чем при помощи аллегории или мифологической персонификации. Возникает стремление рационально ответить на вопросы, что является основным принципом, началом мира (космоса) и какие принципы, начала или силы определяют его развитие.
Вопрос о первоначале мира (бытия, сущего) являлся основополагающим в древнегреческой онтологии и остался ей в наследие от мировоззренческой проблематики мифологии. Но если мифология решала этот вопрос по принципу — кто родил сущее?, то новые мыслители и мудрецы ставили вопрос по принципу поиска субстанционального начала мира — из чего и от кого все произошло? Так в греческой философии и лексике появились два новых термина для обозначения первоосновы, первопринципа, из которого возникает все остальное: первый, stoicheion (стойхейон), термин, означающий элемент, ядро, основу в логическом смысле слова, и второй, arche (архэ, архе), термин, означающий первоматерию, праматерию, исходное состояние вещей, древнейшую форму в историческом смысле слова. Впервые сознательно вопрос о первоосновах всего сущего — стойхейоне, стихиях, элементе и архе, праматерии, был поставлен Фалесом Милетским, основателем милетской (ионийской) школы. Позднее в Элладе возникли и сформировались и другие научные школы, о которых речь пойдет ниже.
2.2. Античные ближневосточные цивилизации
Вавилоно-ассирийская цивилизация. Античные государства Передней (Западной) Азии и восточного побережья Средиземного моря (Шумер, Аккад, Вавилон(ия), Ассирия, Персия, Финикия — государства на территории нынешних Ирака, Ирана, Сирии, Ливана), наряду с Египтом, в 4-1-м тыс. до н. э. явились колыбелью сначала древнегреческой, затем арабской (ближневосточной и среднеазиатской) и позднее западной (западноевропейской) культуры и науки, естествознания, в том числе. Заселение же этих территорий относится к 10-6 тыс. до н. э.
Вавилоно-ассирийской цивилизации 4-1-го тыс. до н. э. на той же территории Южного Двуречья (между реками Тигр и Евфрат) предшествовала шумерская, самая ранняя цивилизация на Земле. Некоторые историки считают Шумер местом библейского Эдема, рая на Земле. В Шумере, опережая египтян на 300 лет, в 3300 г. до н. э. возникает письменность — клинопись, первейший и необходимейший элемент рождения и формирования культуры народа. На дошедших до нас десятках тысяч клинописных табличках имеются доказательства достижений в области обучения, образования, управления государством, права, строительства, медицины, металлургии, музыки, математики и естественных наук. Действительно, в четвертом тысячелетии шумерский город Урук (существующий и поныне) был самый крупный и как город и как культурный центр не только в Двуречье (Месопотамии), но и во всем тогдашнем мире.
Ранняя шумерская литература с ее поэмами и легендами предвосхитила легенды и мифы Древней Греции и библейские истории. Как и в других цивилизациях, все — от музыки, скульптуры, вооружения до болезней, урожая, вплоть до таланта, мудрости — все в Шумере определялось и совершалось божественной силой. Четыре бога (Ан — создатель небес, Энлиль — создатель воздуха, Энки — создатель вод и Инанна — бог плодородия и войн) стояли на вершине иерархии богов. В честь богов шумеры, возводя храмы на платформах, располагали жилье богов ближе к небу, ставя со временем один храм на другой, проявляя образцы высочайшего инженерного искусства. В этом они во многом сходятся с другими народами: древние египтяне строили гигантские пирамиды для своих царей (фараонов) — богов; индейцы Центральной и Северной Америки свои храмы воздвигали на высоких холмах из камней и земли; Моисей принес Десять Заветов (Заповедей) с горы Синай (см. «Пятая книга Моисеева. Второзаконие»). Это примеры того, что стереотип «дологического мышления» не искореним в веках.
Как таковая, вавилоно-ассирийская культура возникла после падения Шумера к началу 2 тысячелетия до н. э. под натиском западно-семитских кочевников. Последние были потомками народов, до 5-го тыс. до н. з. населявших северную Сахару, затем перешедших через Нил на Аравийский полуостров и позднее проникших в Двуречье и Сирийскую степь. Одна группа семитских племен (аккадцев) в Южном Двуречье пришла в соприкосновение с шумерами и, в конечном итоге, подчинила их себе; с ними связана дальнейшая история Аккада, Вавилонии, Ассирии. Другая группа, разделившись на две подгруппы, одной подгруппой проникла на территории Палестины, Сирии, Северной Месопотамии — это были амориты, ханаанеи, затем финикийцы, евреи и арамеи. Другая подгруппа южно-семитских народов, заселявшая тогда Аравийский полуостров, объединилась не позже начала 1-го тыс. до н. э. под названием арабы. Выход арабов за пределы Аравийского полуострова в VII веке н. э. рассматривается как крупнейшая волна расселения семитов, давшая миру то, что принято называть арабской цивилизацией). Бурно развивающаяся хозяйственная практика и, как следствие, необходимость иметь способы определения площадей полей, объемов зернохранилищ, расчетов норм при копке каналов, искусственных водоемов, в строительстве зданий и во многом другом, вызвали совершенствование уже ранее созданной шумерами шестидесятиричной позиционной системы счета, положившей начало составлению первых вычислительных таблиц: деления и умножения чисел, квадратов и кубов чисел и их корней. (Шестидесятиричная система счисления частично дошла и до нашего времени: именно этой системой пользуемся мы и сейчас, когда оперируем градусами и часами, минутами и секундами.)
Вавилоняне уже тогда могли решать квадратные уравнения, знали «теорему Пифагора» и располагали методами нахождения всевозможных «пифагоровых» чисел (более чем за тысячу лет до Пифагора), были сведущи в планиметрии и стереометрии, черчении планов полей, местностей, зданий.
В области химии им были известны рецепты изготовления бронзы, глазури, многокрасочных поливов на керамике, в металлургии с середины 3-го тысячелетия им были известны литье, ковка, чеканка, изготовление золотой и серебряной проволоки, филигрань. В медицине проводимые хирургические операции включали ампутации, сращивание переломов, удаление бельма с глаза, их врачами составлялась анатомия человеческого тела, систематизировались болезни и соответствующие лекарства для их лечения.
Велись астрономические и метеорологические наблюдения, были выделены планеты Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн, были описаны созвездия, был введен лунный календарь, а солнечный год состоял из 12 лунных месяцев, имевших 29 или 30 дней. Из-за того, что солнечный и лунный годы расходятся на 11 дней, время от времени, для устранения этого несоответствия вводился дополнительный месяц. Вавилонские астрономы также установили некий особый промежуток времени — сарос, по истечении которого солнечные и лунные затмения повторяются в той же последовательности, что и раньше. Продолжительность сароса современная астрономия оценивает в 6585 1/3 суток, т. е. 18 лёт и 101/3 или 111/3 суток (в зависимости от числа високосных лет в рассматриваемый период). В течение одного сароса бывает 43 затмения Солнца и 28 затмений Луны.
Космологические представления вавилонян основывались на мифах древних народов Месопотамии (Двуречья), согласно которым плоская земля лежит на поверхности мировых вод, окружающих ее и выступающих наружу, на поверхность земли, в виде колодезной и речной воды. Эти воды отделены от небесных вод «Плотиной небес» (вот как сказывается жизнь народа в условиях ирригационного земледелия, где жизнь зависит от плотины), на которой покоится несколько твердых небосводов — небеса Солнца, Луны, планет и неподвижных звезд.
В результате падения Ассирии в конце VII века до н. э., а затем и завоевания Вавилона державой Ахеменидов (539 до н. э.) и его вхождения в государство Селевкидов (в конце IV века до н. э.) вавилоно-ассирийская культура растворилась сначала в персидской, а позже и в эллинистической культуре.
Египетская цивилизация. Отсчет этой цивилизации начинается в 10-м тысячелетии до н. э. Завершается египетская цивилизация первоначально греко-римским периодом, когда Древний Египет становится частью эллинистического мира (332 г. до н. э. — 395 г. н. э.), а затем периодами византийского, с 395 г., и, наконец, арабского мира, с 642 г. в середине последних периодов; после римского завоевания Цезарем Августом в 30 г. до н. э. начинается неотвратимый губительный распад некогда одной из самых могущественных цивилизаций. Исчезает практически все и вся — тот древний египетский народ, его культура и даже его язык. Остаются, однако, загадочные письмена, возникшие в XXX веке до н. э. Их разгадка оказалась возможной, благодаря счастливой находке во время египетской кампании Наполеона Бонапарта в 1798 году Розеттского камня — стелы. На камне оказались высеченными три параллельных текста: два с египетскими иероглифическими традиционными и скорописными письменами и третий текст — на греческом языке. Дешифровал египетские письмена молодой француз Ж.-Ф. Шампольон в 1821 году. (Кстати, древнеегипетские писцы писали иероглифы черной краской, а новый абзац всегда начинали красной краской — отсюда дошедшее до нас выражение «красная строка»).
Одно из величайших впечатляющих достижений египтян — древние пирамиды, о которых арабская пословица гласит: «Человек страшится времени, а время страшится пирамид». Тайны их возраста и технологии строительства не раскрыты до сих пор. Создание таких циклопических сооружений требовало основательных знаний о пространстве, времени, Вселенной, не говоря уже о владении строительными технологиями. Так, некоторые шотландские исследователи считают, что в формах пирамиды Хуфу (Хеопса в греческом нацисании) заложены божественные числа. Ими подсчитано, что если высоту пирамиды, выраженную в дюймах, помножить на десять в девятой степени (так соотносятся между собой высота пирамиды и сторона практически идеального квадрата в ее основании), то получится расстояние от Земли до Солнца! И еще один, среди многих других, загадочный парадокс пирамиды — ее периметр, исчисленный в шотландских «пирамидных» дюймах, равен числу 365,25 (число календарных дней в году), помноженному на 1000!
Однако, как бы там ни было, уже с 4-го тыс. до н. э. египтяне овладевают выплавкой меди, с 3-го тыс. — стекла, со 2-го тыс. — бронзы, с середины 2-го тыс. — железа, затем золота и серебра.
Весьма компетентны были древние египтяне в химии (многие считают, что само слово khemeia идет от древнего названия Египта — Kham). Помимо способов обработки металлов, они знали золочение, окрашивание шелка в разные цвета, выделку стекла, искусственное высиживание цыплят, добывание из растений врачебного масла, приготовление опия, пива, тростникового сахара; умели дистиллировать жидкости и добывать различные кислоты и щелочи.
Ежегодные разливы Нила, начало которых совпадало с восхождением над горизонтом звезды Сириус, положили начало зарождению астрономии и календаря уже в 4-м тыс. до н. э. Для измерения времени использовались солнечные и водяные (клепсидры) часы. Появляются успехи в математике, в основном в арифметике, в счете, вычислениях площадей прямоугольников, треугольников, круга, поверхностей и объемов простой и усеченной пирамид. Возникают элементарные алгебраические представления, решаются уравнения с двумя неизвестными.
Сотворение мира и людей описаны в ряде древнеегипетских мифов, главным персонажем которых является бог Солнца — Ра, вышедший и поднявшийся из бутона лотоса, явившегося в предвечном водном хаосе. Из уст Ра вышли первые боги, а из его слез возникли первые люди. По представлениям египтян, Земля-Геб — мужчина, а Небо-Нут — женщина. Первоначально Геб и Нут составляют единое целое и в союзе рождают Солнце — Ра, а затем возникают бессчетные звезды и главные Боги египетского пантеона — Осирис, Исида, Нефтида, Сет. Один из эпитетов Нут — «огромная масса звезд». Ночью плывут эти звезды по Нут до края неба. Они поднимаются, и их видят (люди), днем они плывут внутри нее, не поднимаются, и поэтому их люди не видят. Такой была своеобразная космология древних египтян.
2.3. Античная Эллада (Древняя Греция)
Космоцентризм античной древнегреческой натурфилософии. Основополагающим признаком (характеристикой) древнегреческой, как, впрочем, и китайской и индийской, натурфилософии и естествознания был космоцентризм. Каждый ученый того времени являлся одновременно, или даже скорее, философом, мысля абстрактными и отвлеченными от конкретных фактов категориями, стремился представить все мироздание в целом. Это проявилось во всех космогонических идеях, прежде всего, в концепции самого космоса.
В древности у эллинов космос означал «порядок», «гармонию» (а противоположный ему термин «хаос» — «беспорядок») и первоначально применялся к обозначению воинского строя и государственного устройства. Но в VI-V вв. до нашей эры появляется понимание космоса как Вселенной, как места вселения человека, доступного умозрительному осмыслению. Это означало, что образ космоса наделялся либо качествами, присущими живым существам (как огромного человекоподобного организма), либо социальными, общественными качествами. Космос являлся как бы макрочеловеком, а человек — микрокосмом. Это объединяло человека и космос в единое целое, упорядочивало и гармонизировало весь мир (природу, Вселенную). Человек, как микрокосм единой Вселенной, воплощает в себе все те силы и «стихии», которые образуют космос.
«Стихии» или «элементы» стали развитием следующего этапа античной натурфилософии. Учения о первоэлементах (стихиях, началах) появляются в Древней Греции как самостоятельные сущности благодаря крепнущему космоцентризму. Рождение и организация таких первоэлементов, как огонь, воздух, вода, земля, как правило, происходят под действием божественных сил — родителей. Идея о первоэлементах в естествознании актуальна и сегодня и далеко не исчерпана.
Естествознание Древней Греции (Эллады). Под названием Эллада (от греч. — Hellas) понимается территория древнегреческих государств, занимавших юг Балканского полуострова, острова Эгейского моря, побережье Фракии, западную береговую полосу Малой Азии и распространивших свое влияние в период греческой колонизации (VIII-VI вв. до н. э.) на территории Южной Италии, восточной Сицилии, южной Франции, на северное побережье Африки, проливы и побережья Черного и Азовского морей. С 146 г. до н. э. Греция (Эллада) фактически оказалась под властью Рима, а с утверждением Римской империи в 27 г. до н. э. была превращена в римскую провинцию Ахайя. С IV в. н. э. Греция составила государственное и культурное ядро Восточной Римской империи — Византии.
Эллинистические учения о первоэлементах (ионийская или милетская школа). Первый из известных мировых философов, философ Древней Греции (Эллады) Фалес из Милета (625-547 гг. до н. э.), скорее был грек, чем, как не исключают многие, финикиец из знатного рода, и был тем первым в истории мировой цивилизации человеком, которого по праву можно считать не только отцом греческой философии (так его называл Аристотель), но и праотцом греческой, западноевропейской и мировой науки. Сочинения Фалеса до нас не дошли, но широко цитировались в трудах более поздних древнегреческих мыслителей (Геродота, Ксенофана, Аристотеля), с его именем связывают многочисленные философские размышления и научные открытия в астрономии, математике, метеорологии и географии. Его смело можно назвать первым среди людей ученым, и, как ученый, он высказал первое фундаментальное предположение о главнейшей составляющей материи, полагая, что началом (стихией, первоэлементом) всего существующего является вода или влага. Фалес высказал это вслед за Гомером, который в «Илиаде», и Гесиодом, который в «Теогонии», говорят, что источником возникновения всего сущего являются титан Океан и нимфа Тефида. Аристотель предполагал, что свое воззрение Фалес вывел из наблюдений, что пища всех существ влажная, семя прорастает во влажной среде, умирающее всегда высыхает, вода — основа всякой жидкости, земля плавает на воде и т. д.
В ту пору философов называли физиками, фисиолога-ми (от греческого слова phisis (физис, фисис, иногда фю-сис) — природа; в античной медицинской практике понятие природа означало органическое произрастание, применявшееся к растениям, животным и человеку (сравните с современным словом физиология)), пытавшихся познать сущность, субстанциональную основу природы. Аристотель позднее следующим образом резюмировал понятие природа: «...природою в первом и основном смысле является сущность..., а именно сущность вещей, имеющих начало движения в самих себе, как таковых». Следует особо принять во внимание, что phisis происходит от греческого глагола, означающего рождаю. (Кстати, в этимологии и семантике русского слова природа, как уже отмечалось ранее, лежит тот же глагол — рождать).
Фалес известен также как астроном (полагают, что он предсказал солнечное затмение 28 мая 585 г. до н. э., ввел 360-дневный 12-месячный календарь), как математик (впервые измерил высоту пирамиды по ее тени), как создатель учения о душе, созвучное современным представлениям об информационном поле, сохраняющем все события прошлого и настоящего и содержащее события будущего.
Ученик Фалеса Анаксимен (585-525 гг. до н. э.) за первоэлемент признавал воздух. Сущностные различия воды, огня и земли он свел к разреженности и уплотнению воздуха: разряжаясь, воздух становится огнем, сгущаясь — ветром, затем облаком, далее водой и, наконец, землей и камнем. Земля, будучи плоской, парит, подобно листу, в воздухе. Солнце, Луна и звезды тоже плоские и движутся по воздуху так быстро, что, разогревшись, начинают светиться.
Другой ученик Фалеса Анаксимандр (610-547 гг. до н. э.) не признавал первоначалом какую-либо конкретную сущность, а таковой считал нечто неопределенное, которое он назвал апейроном (беспредельное, бесконечное), понимая под этим бесконечное «беспокойство» материальной субстанции, т. е. как движение чего-то того, что бесконечно в пространстве, материально по сути, неопределенно в ощущениях. Анаксимандр также явился зачинателем космологии, полагая, что Земля — центр Вселенной, которую опоясывают три огненных кольца: солнечное, лунное и звездное. Земля, по его мнению, пребывает в мировом пространстве, ни на что не опираясь. Эта мысль Анаксимандра, возможно, самое значительное достижение ионийской (милетской) школы.
Учения об элементах придерживался также Гераклит из Эфеса (520-460 гг. до н. э.). Деятельное начало он приписывал огню. Известно его высказывание: «Этот космос, один и тот же для всех, не создал никто из богов, никто из людей, но он всегда был, есть и будет вечно живой огонь, мерно возгорающийся, медленно угасающий». Говоря о Гераклите, следует отметить его склонность к диалектическому видению мира. Так, Платон писал: «Согласно Гомеру, Гераклиту... все вещи движутся, словно потоки. А из стремительного движения и взаимосмешения рождается все, о чем мы говорим, что оно существует, но название это неправильно: ничто никогда не есть, но всегда становится». По Гераклиту, все возникает в силу противоположностей вещей, и все течет, подобно реке (самые знаменитые высказывания Гераклита: «Все течет, все меняется» и «Нельзя дважды войти в одну и ту же реку».). Космос рождается из огня и снова сгорает в нем. Диалектика изменчивости элемента огня, его пневма (огненная энергия) была затем популярна у многих философов, в том числе у Аристотеля два века спустя.
Завершение идеи ионийской школы получили в трудах Эмпедокла (483-423 гг. до н. э.) и Анаксагора (500-428 гг. до н. э.). Если ионийцы, различая активное (движение) и пассивное (материю), не смогли их разграничить, то упомянутые выше философы сумели этого добиться. Так, Анаксагор за активное начало принял ум, а Эмпе-докл — любовь и вражду, в качестве пассивного Анаксагор считал гомеомерии или маленькие частички, сходные с теми веществами, которые из них получаются, а Эмпедокл принял сразу все четыре стихии — огонь, воздух, воду и землю, которые, смешиваясь друг с другом, образуют все богатство природы. В развиваемой концепции были огрехи, противоречивость учения Эмпедокла проявлялась, например, в том, что, признавая существование движения, он вместе с тем отрицал наличие пустоты в космосе; все вещи могут лишь меняться местами, но непонятно тогда, как в заполненном сплошь пространстве может осуществляться движение. Но многое было воспринято положительно: ум или разум у Анаксагора сделался основным концептуальным понятием в философии Платона, а впоследствии и в философии, скорее теософии, Августина Блаженного (354-430 гг.), у которого благо христианского бога состояло не только в добре, но и в его разумности.
Любопытна космологическая концепция Анаксагора в изложении раннехристианского автора Ипполита в книге «Опровержение всех ересей»: «Он считал ум как творящую причину, материю как становящуюся. Все вещи были вперемешку, а ум пришел и упорядочил. Материальные начала, по его словам, бесконечны, а малость их тоже бесконечна. Все вещи были приведены в движение умом, и подобное сошлось с подобным. Часть из них под действием кругового движения получила постоянное место на небе: плотное, влажное, темное, холодное и все тяжелое сошлось в середину (когда они затвердели, из них возникла Земля), а то, что этому противоположное: горячее, светлое, сухое и легкое — устремилось вдаль эфира». Такова картина становления космоса по Анаксагору.
Элейская школа физиков-логиков. Родоначальником • этой школы был Ксенофан из Элей (580-485 гг. до н. э., по другим данным, ок. 570-470 гг.), Богом которого была вся Вселенная в целом (все есть одно, — говорил он, вглядываясь в звездное небо, в передаче этой его мысли Аристотелем), но не в чувственном ее восприятии, а в формально-логическом осмыслении, т. е. возникающей из логических рассуждений, ставших основой качественного анализа естественных явлений. Ключом к пониманию Ксенофаном бытия (Бога, космоса, сущего, универсума) является геометрическая сфера, поверхность которой хотя и ограничена в пространстве, но, вместе с тем, и бесконечна. Действительно, все точки бесконечной плоскости могут быть спроецированы на сферу конечного радиуса.
Предложенное Ксенофаном соединение противоположностей — конечного и бесконечного, а также соединение движения и покоя порождают парадоксальную ситуацию. Спекулируя на предельно широких понятиях сущего и не сущего, т. е. бытия и ничего, Ксенофан порождает некоторую языковую форму, предтечу формальной логики. В качестве материального начала (первоэлементов) Ксенофан выбирает землю и воду.
Близкие к этим мыслям были по смыслу и форме идеи Парменида (540-470 гг. до н. э.). Он считал, что мир вечно существовал, никогда не возникал и никогда не исчезнет в будущем; он неподвижен, шарообразен и однороден; он есть одно целое. Он отождествлял сущее (Бога, бытие) и ум (разум, сознание), считая его недоступным для чувственного восприятия: «Ибо мыслить — то же, что быть. Можно лишь то говорить и мыслить, что есть». Указанные тогда характеристики мира относятся скорее к мышлению, чем к реальному миру вещей. Декарт через 2 тысячи лет скажет: «Я мыслю, следовательно, существую».
Парменид доказывал, что бытие не могло возникнуть ни из бытия (поскольку ему не предшествовало никакое другое бытие), ни из небытия (поскольку небытие это ничто); значит, бытие вечно и должно существовать всегда или никогда. Он был уверен в том, что изменения невозможны, и относил видимые изменения за счет иллюзорности наших чувств. Эта философия породила понятие неразрешимого вещества — носителя изменяющихся свойств, понятие, ставшее одним из основных понятий западной философии и науки. (Попытка примирения взглядов Гераклита и Парменида привела вскоре к понятию атома). Древнегреческий историк Плутарх (ок. 46 — ок. 127) про него написал: «Он сочинил и космогонию; и рассказал, как путем смешения элементов, светлого и темного, возникают все явления». Земля у Парменида никуда не движется, она находится в центре космоса и остается постоянно в равновесии вследствие равного расстояния от всех точек периферии космоса, но иногда может колебаться (что, кстати, проявляется как землетрясение).
Аналогично Пармениду рассуждал и Мелисс Самосский (510-440 гг. до н. э.), высказываясь так: «Если сущее есть, то оно вечно, поскольку из ничего не может возникнуть нечто». Парменид и его школа первыми вскрыли противоречие между двумя картинами мира в сознании человека; одна из них — это та, которая получена посредством органов чувств, через наблюдение, другая — та, которая получена с помощью разума, логики, рационального мышления. Особо отчетливо это проявилось у Зенона (490-430 гг. до н. э.), самого яркого представителя элейской школы. О его взглядах на физику явлений известно мало, поскольку он больше полагался на мышление, чем на чувственное восприятие.
Особую известность получили так называемые апории (затруднения) Зенона об отсутствии движения. Вот, например, апория «стрела». Все, что находится в равном самому себе пространстве, покоится, так как движение может быть только откуда-то куда-то. Выпущенная из лука стрела в каждый момент времени находится в равном себе пространстве, и, следовательно, в эти моменты времени она покоится. Но тогда она покоится в течение всего времени, пока летит. Таким образом, движущаяся стрела на самом деле никуда не летит и все время только покоится. Также абсурден бег Ахиллеса, пытающегося догнать и перегнать черепаху. Особую известность имеет апория дихотомия (буквально — разрубание, разделение надвое), в которой Зенон демонстрирует невозможность движения из-за необходимости совершить бесконечное число делений какого-либо отрезка для достижения его противоположного конца. Поразительно, но в тот же древний век китайский мыслитель софист Хуэй Ши высказал два таких положения: «Если от палки длиной в один чи (около 0,33 м — авт.) отрезать половину ежедневно, то даже через десять поколений не истощится ее длина» и «В стремительном полете наконечника стрелы есть мгновение, когда он не движется и не стоит на месте». Почувствуйте разницу прагматичного китайского и абстрактного греческого мышления.
Выводы Зенона оказываются противоречащими нашим ощущениям, спекуляция идет на физическом понятии движения, которое всегда происходит в пространстве и времени. Дробя пространство до бесконечности, Зенон забывал дробить до бесконечности и время. Упускаемые из вида соотношения между пространством и временем во всех этих случаях регулируются такой динамической величиной, как скорость, а возникающие от деления бесконечные суммы конечных величин оказываются на самом деле конечными величинами. Проблемы деления и обратного их суммирования, поставленные в апориях Зенона, привели впоследствии, в Новое время, к исчислению бесконечно малых (дифференциального исчисления), интегральному исчислению и исчислению конечных и бесконечных сумм. Но само несовершенство логического анализа Зенона опутало на два тысячелетия такие важнейшие характеристики движения, как скорость и ускорение.
Пифагорейская школа. Имя Пифагора (570-496 гг. до н. э.) известно каждому, кто учился в школе. Пифагор — это не имя или фамилия, а прозвище, которое значит — убеждающий речью. Этот великий античный эллинский философ и математик, современник Фалеса, был тем, кто впервые ввел слова «философия» (фило — любовь, софия — мудрость) и «космос», а также был первым математиком Древней Греции. Для большинства он известен по знаменитой «теореме Пифагора», выражающей метрику евклидова пространства (геометрии), т. е. устанавливающую правило вычисления расстояния между двумя точками на плоскости.
В основе учения Пифагора и его учеников о Вселенной лежало число («Самое мудрое в мире — число», — говорил Пифагор). Космос у пифагорейцев символически выражался тетрактидой («четверицей») — суммой первых четырех чисел: 1 + 2 + 3 + 4 = 10, содержащей основные музыкальные интервалы — октаву (2 : 1), квинту (3 : 2) и кварту (4 : 3). Единица была основой числа и одновременно в качестве точки она являлась образующей геометрических объектов: двойка символизировала линию, тройка — плоскость (треугольник), четверка — пространственный объем (пирамиду). Шар являлся самой прекрасной (совершенной) из пространственных фигур, и круг — из плоских. Красоту и сложность внешне однообразного натурального ряда чисел они пытались передать через симметрию геометрических фигур, тем самым рассматривали их алгебраические свойства, которыми сейчас занимается теория групп, созданная Э. Галуа в начале XIX века. Пифагорейцы называли свой способ анализа арифметическим.
Вот пример мощи его аналитического ума, взятый из книги Папюса, посвященной учению о тайном, сокровенном: «Одна музыкальная струна, — говорит Пифагор, — издает звуки такие же, как и другая струна двойной длины, если сила, ее натягивающая, в четыре паза больше; так точно притяжение планеты превышает в четыре раза притяжение другой планеты, находящейся от нее на вдвое большем расстоянии. В общем, чтобы музыкальная струна звучала в унисон с более короткой струной того же рода, сила ее натяжения должна быть увеличена пропорционально квадрату ее длины. Таким образом, чтобы тяготение одной планеты было равно тяготению другой, более близкой к Солнцу, она должна быть увеличена пропорционально своего расстояния к Солнцу. Если предположить, что от Солнца к каждой планете проведены струны, то для достижения созвучия пришлось бы увеличить или уменьшить силу натяжения, сообразно силе притяжения каждой из них» (курсив везде мой. — В. С). Поразительно, но, во-первых, Пифагором за 2000 лет (!) до Ньютона сформулировано основное положение (если вообще не полностью все) закона всемирного тяготения - квадратичная зависимость (но не обратная, а прямая зависимость) от расстояния. Во-вторых, Солнце у Пифагора занимает центральное положение среди всех небесных светил, задолго до подобных мыслей у Аристарха Самосского и Коперника. Из исследованного музыкального сходства отношений Пифагор извлек свое учение о «гармонии сфер», которого придерживались многие великие мыслители и ученые античности, в том числе Евдокс, Гиппарх, Аристотель и Птолемей. Нельзя также не упомянуть и того, что Пифагор первым указал на шарообразность Земли.
Главным является то, что мир пифагорейцев прерывен (дискретен), в нем возможно движение, и началом мира, наряду с числом, была принята пустота. Именно в пустом пространстве они двигали точку, чтобы образовалась линия, затем двигали линию, чтобы образовалась плоскость. Точка, линия и плоскость, некие абстрактные (идеальные) телесные сущности, выделялись на пустом пространственном фоне. Кстати, это все несовместимо с воззрениями элейской школы логиков, которая не признавала ни пустоты, ни движения.
Аристотель впоследствии критиковал пифагорейцев за принятие в качестве начал (первоэлементов) чистых математических сущностей, не принимал он также основопо-логающим пифагорейский умозрительный мир чисел и геометрических фигур. В единице, десятке, семерке (а в Китае всегда была популярна пятерка, в Индии — число 24, Зороастр верил в число 3 и т. д.) Аристотель не усматривал никакого конструктивного начала, поэтому боролся с пифагореизмом. Логика Аристотеля, тесно соприкасающаяся с диалектикой, софистикой и риторикой, по своей природе противостояла математике, которой поклонялись пифагорейцы.
Школа атомистов. В V-IV вв. до н. э. на смену концепции милетских «стихий», как первоначала мира приходит новая концепция — атомизм. Согласно Аристотелю, первые атомисты — Левкипп (500-440 гг. до н. э.) и Демокрит (460-270 гг. до н. э.) утверждали, что «первичные элементы по числу бесконечны, по величине неделимы, из одного не возникает многое, из многого — одно, но все порождается путем их сочетания и переплетения. В каком-то смысле эти философы также считают все вещи числами и состоящими из чисел, хотя они не говорят этого определенно». И, далее, о сущности их учения Аристотель выразился в «Метафизике» так: «Они признают элементами телесность и пустоту, называя одно из них сущим (бытием), другое не сущим (небытием)... Бытие нисколько не больше не существует, чем небытие, поскольку пустота не менее реальна, чем телесность. Материальной причиной вещей они называют и то и другое. Так же, как те, кто признает основную сущность единой, а все остальные выводит из ее свойства, принимая разреженное и плотное за причину свойств, так и Левкипп с Демокритом утверждают, что различия атомов являются причинами этих свойств. А этих различий они указывают три: форма, порядок и положение. Так как сущее, говорят они, различается «очертанием, соприкасанием и поворотом»; из них очертание есть форма, соприкасание — порядок и поворот — положение. Действительно, А отличается от N формой (очертанием. — Авт.), AN и NA — порядком (соприксанием — Авт.), N и Z — положением (поворотом -Авт.). А вот вопрос о движении, откуда оно и как сообщалось вещам, это они, подобно другим, легкомысленно обошли». Последнее замечание Аристотеля о легкомысленности атомистов не совсем справедливо, поскольку Демокрит считал само наличие пустоты, достаточным основанием для возникновения движения.
«Атомы (неделимые) вечны и неизменны, ибо они не могут испытывать те изменения, которые воспринимают люди», — говорил много позднее древнеримский врач и философ Гален (ок. 129-216 гг.). Изменчивость свойств, которые мы воспринимаем, проистекает от непрерывного движения атомов. Движение атомисты причисляли к первичным началам, таким как пустота, множественность. Демокрит, отвергая возможность прямого познания через ощущения, утверждал, что только атомы и пустота действительно истинны, все остальное лишь наши представления (ощущения, переживания). Бытие, по Демокриту, — это атомы, которые движутся в пустоте (небытии).
Атомисты, как и физики-логики (элеаты), разграничивали чувственный и умственный опыт. Демокрит, видимо, осознавал, что атомы — это скорее теоретические конструкции, чем реально существующие объекты. Если логики утверждали, что мир — это единое, сферической формы, неизменное бытие, то атомисты, напротив, утверждали, что мир — это множественное, любой формы, изменяющееся бытие. Атомы Демокрит часто называл идеями. «Идея» по-гречески «то, что видно», но «видно» именно умственному взору (теоретически)!
То, что было как будто упущено Левкиппом и Демокритом (согласно мнению Аристотеля), именно причина движения, изменения в мире атомов, ввел в атомистику Эпикур (324-270 гг. до н. э.). Он прямо высказал мысль, что причиной изменения направления движения атомов могут быть внутренние свойства атомов. В противовес элейцам Эпикур учил, что все чувственное — истинное, так как всякое ощущение исходит из реально существующего. Эпикуру также принадлежит принцип концептуального релятивизма: для объяснения одного и того же природного явления может существовать несколько теорий; любая теория верна, если она не противоречит чувственному опыту. Заслуга античного атомизма в том, что он соединил в одной картине рациональные моменты двух противоположных учений — учений Гераклита и Парменида: мир вещей текуч, изменчив, а мир атомов, из которых состоят вещи, неизменен, вечен.
Концепция атомизма — одна из самых эвристических, плодотворных и неисчерпаемых программ в истории естествознания и науки. Она сыграла основополагающую роль в развитии представлений о структуре материи и о ее структурных уровнях. Атомизм и сейчас остается одним из краеугольных оснований естествознания, современной физической картины мира.
Аттическая школа. Учение Платона. Самый выдающийся мыслитель Древней Греции — Платон (427-347 гг. до н. э.) в естествознании продолжил методологическую (читай — математическую) линию Пифагора. Он учился у Сократа, затем у Кратила, последователя Гераклита и Парменида, у пифагорейцев. Он соединил учения Гераклита, Пифагора и Сократа: о чувственно воспринимаемом он рассуждал по Гераклиту, об умопостигаемом — по Пифагору, а об общественном — по Сократу. Из прошлого не признавал Платон только атомизма Демокрита. Оба, являясь представителями конструктивной и дискретной (фактически математической) картины сущностей мира, использовали принципиально различные подходы: Демокрит, в основном, опирался на представления, взятые из материального мира физических тел, тогда как Платон пользовался понятиями, поставляемыми из мира идеальных сущностей и, в частности, математикой (недаром на вратах его Академии было написано: «Пусть не входит никто, не знающий геометрии»).
По Платону, мир чувственных вещей не есть мир истинно сущего; чувственные вещи возникают и погибают; в них нет ничего прочного и неизменного. Подлинная сущность чувственных вещей, их причины — бестелесные формы, постигаемые умом. Эти причины (формы, основы, первоначала) вещей он называл видами или, гораздо реже, идеями (по-русски «идея» — это мысль, сущность, понятие, образ, причина, модель, замысел, план). Платоновские идеи существуют не субъективно в нашем сознании, а объективно, т. е. они являются реальным бытием вещей, истинным их существованием, в то время как сами материальные вещи по-настоящему не существуют (в точности, как сегодняшняя ситуация в мире элементарных частиц с кварками и глюонами, принципиально не наблюдаемыми микрообъектами, в силу так называемой концепции конфаймента (пленения)).
Если мыслить категориями атомистов, то для них мир идей — это мир пустоты, т. е. небытие, ничто; согласно же учению Платона, именно материя есть абсолютное небытие, пустота, ничто, и, лишь соединяясь с идеями, она проявляет себя в качестве таковой, так что идея есть совершенное существование объекта (материи), его истинное бытие (его сущность).
Основываясь на вышеуказанных положениях, Платон нарисовал впечатляющую картину истинного мира — мира идей, представляющего собой иерархически упорядоченную структуру. Мир же вещей, в котором мы живем, возникает, подражая миру идей, из мертвой, косной материи; создателем всего выступает Бог-демиург, само созидание подчинено математическим закономерностям, которые Платон однозначно установил, тем самым математизируя мир, что явило собой великое провидение в естествознании в будущие века (века Нового и Новейшего времени).
В те же античные времена платоновская природа (физика) представляла собой набор умозрительных (теоретических) рассуждений о связи строения вещества и космоса с геометрическими фигурами (другой математики во времена Платона и Аристотеля не было). Так, следуя положениям Пифагора, природным элементам сообщалась пространственная мера пяти правильных многогранников — тетраэдра (пирамида) для огня, гексаэдра (куб) для земли, октаэдра для воды, икосаэдра для воздуха и всему космосу — форма додекаэдра (эти пять Платоновых тел позже, в Средневековье, сыграли решающую роль в творческих исканиях Иоганна Кеплера).
Итог творчества Платона в том, что:
? природный мир есть упорядоченный космос и упорядоченный человеческий разум, что открывает возможность рационального анализа эмпирического мира;
? умозрительный (теоретический) анализ обнаруживает некий вневременной порядок во всем, а сущность данного нам мира может быть выражена в количественных отношениях действительности;
? познание сущности мира требует от человека созидательного развития его познавательных способностей, итогом познания становится духовное освобождение человека.
Аттическая школа. Натурфилософия и естествознание Аристотеля. Величайшим ученым и философом античности был Аристотель (384-322 гг. до н. э.), ученик Платона (во многом не соглашавшийся с ним), учитель и воспитатель Александра Македонского (356-323 гг. до н. э.). Последнее обстоятельство дало немецкому философу Карлу Марксу основание назвать его «Александром Македонским греческой философии», хотя Аристотель, как нетрудно догадаться, в сравнениях не нуждается. Творчество Аристотеля беспрецедентно велико и разнообразно, им были охвачены все доступные для его времени отрасли знания. Чтобы понять физику и космологию Аристотеля, необходимо познакомиться с его логикой. Само слово логика появилось впервые у Зенона (336-262 гг. до н. э.) из Китиона, основателя стоицизма, которую в свое время Аристотель понимал как аналитику, т. е. теорию умозаключений. Его аналитика есть основной метод познания, в котором, прежде всего, нужно уметь определить сущность предмета.
Аристотель рассматривал самые разнообразные способы доказательства. Если через определение можно раскрыть сущность простых вещей, то через умозаключение (вывод) осуществляется анализ сложных вещей, связывающих материю и форму. Характеристика указанного логического метода дается Аристотелем в терминах субъект (сущность) и предикат (свойства), в результате чего задача всякого доказательства сводится к выводу (умозаключению) того, что некоторый предикат принадлежит данному субъекту. Этот вывод (умозаключение) в логике Аристотеля называется силлогизмом (с греч. — исчисление). Определения и силлогизмы связаны, каждое, категориями род (общее) и вид (частное). Так, например, при определении вещи род соответствует материи и возможности существования вещи, а вид — это ее форма и действительность. По отношению к понятию силлогизма Аристотель указывал, что «нельзя, следовательно, вести доказательство, переходя из одного рода в другой, как, например, нельзя геометрические положения доказать арифметическим способом». Исследуя проблему доказательства (что будет исключительно важно для понимания всего последующего материала учебного пособия), Аристотель вводит три вида недоказуемых начал — аксиомы, предположения и постулаты. Аксиомы — это недоказуемые положения, распространяющиеся сразу на несколько родов наук. Например, указывает Аристотель, аксиомой является положение: две величины остаются равными, если у них отнять равные части. Вообще, аксиомы формулируются в рамках философии; она (как род) охватывает частные науки (как виды); поэтому все аксиомы философии будут справедливы, например, для физики. Предположениями Аристотель называет положения (начала), которые сами по себе доказуемы, но в пределах данного рассуждения принимаются без доказательства. Предположения всегда оговариваются условиями. Если это условие не признается, то предположение переходит в разряд постулатов.
Совокупность аксиом, предположений, постулатов, определений, силлогизмов — все это сфера, главным образом, умозрительной деятельности, предмет дедуктивной науки, которая разворачивается по направлению от общего к частному. Однако существует обратный познавательный процесс от частного к общему, что является предметом индуктивной науки. Под частным, или даже единичным, Аристотель понимал, прежде всего, чувственно воспринимаемое, то есть то, что поставляет нам физика (природа). Отсюда индукция позволяет навести мосты между опытным знанием и теоретическим. Цель науки Аристотель видел в полном определении предмета, достигаемой только путем соединения дедукции и индукции: 1) знание о каждом отдельном свойстве должно быть приобретено из опыта; 2) убеждение о том, что это свойство -существенное, должно быть доказано умозаключением особой логической формы - категорическим силлогизмом.
Аристотелем были сформулированы три закона логического мышления: 1) закон тождества: каждая объективно истинная и логически правильная мысль или понятие о предмете должны быть определенными и сохранять свою однозначность на протяжении всего рассуждения и вывода; 2) закон противоречия: не могут быть одновременно истинными два несовместимых высказывания — два противоположных утверждения или утверждение и отрицание — об одном и том же предмете в одном и том же отношении; одно из них будет обязательно ложным; 3) закон исключенного третьего: два противоречащих высказывания об одном и том же предмете, взятом в одно и то же время и в одном и том же отношении, не могут быть вместе истинными или ложными (или А, или не А).
Четвертый закон формальной логики — закон достаточного основания — был сформулирован много позднее великим немецким мыслителем Готфридом Лейбницем (1646-1716): всякая мысль, чтобы стать несомненной, должна быть обоснована другими мыслями, истинность которых доказана или самоочевидна. Но еще раньше, в XIV веке, английский философ Уильям (из Оккама) высказался так:» Ничто не должно приниматься без основания, если оно неизвестно или как самоочевидное, или по опыту».
Аристотель строит свое естествознание исключительно с помощью силлогизма, т. е. формально логического вывода, не опираясь на арифметико-геометрическое конструирование, характерное для Платона. Кстати, здесь Аристотель допускал ошибку, утверждая: «Математической точности нужно требовать не для всех предметов, а лишь для нематериальных» (сейчас мы знаем, что естествознание как наука существует в основном в математической форме). Достоверное знание он добывал в результате введения определения и дедуктивного доказательства, посылки знаний находятся путем индукции или наведения, а вот вероятностное знание — диалектическим путем. Диалектика у Аристотеля является предварительным методом познания действительности; она только подготавливает ум исследователя к познанию настоящей истины. Проведя формальный анализ понятия «начал» или «первых принципов», Аристотель в «Метафизике» определил четыре причины бытия:
1) сущность или суть бытия вещи; форма или первообраз; например, для музыкальной октавы сущностью является отношение двух к одному, таким образом, сущность — это то, чем является вещь согласно своему основному определению, что остается от нее после абстрагирования от материи, т. е. формальная причина;
2) материя или субстрат вещи; это то содержимое вещи, из чего она возникает, т. е. материальная причина;
3) начало движения — это то, откуда берет первое свое начало изменение или переход в состояние покоя, т. е. движущая, действующая причина;
4) конец движения или цель; благо, т. е. то, ради чего совершается действие; целевая причина.
Хотя Аристотель, как видим, признавал материю и считал ее некоторой сущностью, но пассивной (возможности стать чем-либо), всю же активность приписывал остальным трем причинам, причем сути бытия — форме — приписывал вечность и неизменность, а источником всякого движения у него был Бог — «перводвигатель» мира, высшая цель всех форм и образований. Всякая вещь есть единство материи и формы.
Космос у Аристотеля имеет геоцентрическое происхождение: Земля, имеющая форму шара, пребывает в центре Вселенной; область Земли имеет в своей основе четыре элемента «стихии»: землю, воду, воздух и огонь; область неба имеет пятый элемент — эфир, из которого состоят небесные тела. Геоцентрическая модель космоса Аристотеля, далее переработанная и развитая Птолемеем, заняла господствующее положение в космологии не только поздней античности, но и вплоть до XVI века, до космологии Коперника.
Аристотель впервые рассмотрел вопрос о форме Земли и небесных тел на основании данных наблюдений. Так как во время лунных затмений тень, отбрасываемая Землей на лунный диск, имеет всегда круглую форму, он пришел к заключению, что Земля и, по аналогии, другие небесные тела имеют шарообразную форму. Вместе с тем Аристотель признавал Землю как небесное тело, безусловно, центром Вселенной. Солнце и Луна в системе мира Аристотеля являются ближайшими к Земле небесными телами, планеты располагаются на больших (дальше) расстояниях. Вселенная ограничена сферой звезд, отстоящей от Земли в девять раз дальше, чем Солнце. При этом Вселенная представляется конечной, и все тела, расположенные внутри нее, неизбежно должны были тяготеть к Земле как к центральному телу.
В пользу утверждения о неподвижности Земли и центральном ее положении во Вселенной Аристотель, в частности, приводил следующее соображение. Если бы Земля перемещалась в пространстве, то наблюдатель, движущийся вместе с Землей, должен бы был наблюдать изменения положения звезд на небесной сфере. Однако такие смещения никто не наблюдал, следовательно, Земля неподвижна (видимые перемещения звезд (параллакс), обусловленные движением Земли вокруг Солнца, были обнаружены лишь в 18 веке). Этот довод не только во времена Аристотеля, но и позднее, в продолжение почти 2000 лет, был серьезнейшим аргументом в пользу неподвижности Земли, так же как видимое суточное движение звезд оставалось решающим доводом в пользу центрального положения Земли во Вселенной. Кстати, также ошибочно Аристотель утверждал, что скорость падения тел зависит от их веса и что движение тел возможно только под действием сил. Оба эти утверждения были опровергнуты только в начале Нового Времени Галилеем и Ньютоном.
Ошибочно Аристотель утверждал также отсутствие пустоты, мотивируя это тем, что в ней (пустоте) движение тел продолжалось бы без изменений и вечно; тем самым Аристотель, сформулировав правильно тезис (мысль) о движении, прошел мимо одного из величайших открытий в области естествознания — мимо вывода принципа инерции или принципа относительности движения, открытие которого принадлежит Галилею, первоначальная формулировка — Ньютону, а еще позднее — Пуанкаре и Эйнштейну.
Нельзя не упомянуть о заслугах Аристотеля в области биологии, центральным местом в которой было учение о биологической целесообразности, основанное на наблюдениях над целесообразным строением живых организмов. Образцы этой целесообразности Аристотель видел в таких фактах, как развитие органических структур из семени, различные проявления целесообразно действующего инстинкта животных, взаимная приспособленность их органов и т. д. В биологических работах Аристотеля, служивших долгое время основным источником сведений по зоологии, впервые в истории науки были даны классификация и описание многочисленных видов животных, которую он развил, группируя виды не только по сходству, но и по родству.
Вся аристотелева «лестница существ» (этот термин ввел в употребление в XVIII веке швейцарский натуралист Бонне) существует одновременно, все формы живой природы, считал Аристотель, вечны и неизменны. Они могут исчезать вследствие катастроф и появляться вновь в других местах. Учению Аристотеля Дарвин придавал такое непреходящее значение, что говорил: «Линней и Кювье были моими богами, но все они только дети по сравнению со стариной Аристотелем».
Материей жизни, по Аристотелю, является тело живых организмов, формой — душа, которую он назвал «энтелехией». Соответственно, различая три рода живых существ — растения, животных и человека, Аристотель определил три вида души или три части души: растительную, животную (ощущающую) и разумную.
Естествознание эллинистической культуры. «Начала» Эвклида. Этап в истории стран Восточного Средиземноморья — со времен походов Александра Македонского (334-323 гг. до н. э.) до завоевания этих стран Римом, завершившегося в 30 гг. до н. э. подчинением Египта, — получил название эллинизма. Этот же этап в культуре мировой цивилизации, характеризующийся взаимовлиянием греческой и местных, преимущественно восточных, культур, получил наименование этапа эллинистической культуры.
Крупнейшим научным центром эллинистического мира (а простирался он от современных восточных границ Китая и Индии до Египта) была Александрия, столица эллинистического Египта, с Александрийской библиотекой, музеем и обсерваторией при ней. Значительного развития в этот период достигло в Александрии изготовление книг, чему способствовала монополия Египта на папирус. Большинство ученых в Александрии, Пергаме, Антиохии, на острове Родос были греками, так что греческий язык стал первым международным научным языком той эпохи.
Выдающихся успехов в эту эпоху достигли астрономия, физика, математика, механика, благодаря Евклиду (Ш век до н. э.), Эпикуру (324-270 гг. до н. э.), Архимеду (287-212 гг. до н. э.), Эратосфену (около 275-195 гг. до я. э.), Аполлонию Пергскому (262-(?) гг. до н. э.), Аристарху Самосскому (III век до н. э.) и Гиппарху (около 180-190-125 гг. до н. э.).
«Начала» Евклида, пожалуй, самое распространенное научное сочинение в мире, состоящее из 13 книг, позднее дополненное еще двумя книгами, из которых последняя, 15-я, появилась в VI в. нашей эры. Возможно, что в «Началах» нет ничего нового, что не было бы известно предшественникам Евклида. К Евклиду можно смело отнести слова французского математика, физика и философа Бле-за Паскаля: «Пусть не говорят, что я не дал ничего нового; расположение предмета у меня новое». И то правда. Новое расположение содержания в «Началах» до сегодняшнего дня поражает ученых своей целесообразностью. В своем произведении Евклид дал образец дедуктивного метода, правила и теоремы которого, если не учитывать мелких погрешностей, доказаны путем чисто логических умозаключений при помощи системы определений, постулатов и аксиом. О самом авторе «Начал» почти не сохранилось никаких сведений, даже дат рождения и смерти, разве только то, что он жил в эпоху царей Египта Птолемеев I и II (IV-III вв. до н. э.). Прокл (410-485 гг.), античный философ, приводит не очень достоверное, но весьма существенное для характеристики того времени сообщение, будто бы Евклид на вопрос Птолемея I, нет ли проще пути к изучению геометрии, чем «Начала», гордо ответил, что «в геометрии нет отдельной дороги для царей».
Важным достижением эллинистического естествознания было определение размеров земного шара, выполненное Эратосфеном. По крайней мере, в историю науки Эратосфен вошел как ученый, впервые обосновавший правильный метод определения размеров Земли. Его суть такова. Эратосфен измерил в Александрии расстояние Солнца от зенита, оказавшееся в момент измерения равным 7°52' (т. е. примерно 1/50 окружности), а его помощник провел наблюдение положения Солнца в другом городе — Сиене — расположенном на том же меридиане, что и Александрия. В Сиене Солнце оказалось почти в зените. Приняв расстояние от Александрии до Сиены равным 5000 стадий, Эратосфен определил длину окружности Земного шара в 250000 стадий. Этот результат очень близок к современному, учитывая, что длина греческой стадии нам известна в широких пределах — от 155 до 180 м.
В эту эпоху Аполлоний Пергский разрабатывает теорию равномерного кругового движения небесных тел вокруг неподвижной Земли, которая заменила систему вращающихся сфер Евдокса, усложненную Аристотелем.
К III в. до н. э. относится деятельность Аристарха Самосского — основоположника идеи движения Земли вокруг Солнца. В результате выполненных им определении расстояния от Земли до Солнца, в единицах расстояния до Луны, он установил, что диаметр Солнца в 6-7 раз превосходит диаметр Земли, а объем, следовательно, в 200-250 раз. Так Аристарх Самосский установил, что крупнейшим телом во Вселенной является Солнце, а потому Солнце расположено в центре Вселенной. Аристарх также высказал мнение, что расстояния от Земли до звезд чрезвычайно велики в сравнении с расстоянием от Земли до Солнца. Это стало известно благодаря упоминанию о нем в труде «Исчисление песчинок» («Псаммит») великого математика и механика древности Архимеда.
Архимед (ок. 287-212 гг. до н. э.) широко известен как автор ряда необыкновенно глубоких и оригинальных работ по математике. Его работы состоят из расчетов площадей фигур, ограниченных кривыми, и объемов тел, ограниченных произвольными поверхностями, поэтому Архимеда можно по справедливости считать отцом интегрального исчисления, возникшего на 2000 лет позже. Говорят, будто важнейшим своим открытием Архимед считал доказательство, что объемы шара и описанного вокруг него цилиндра относятся между собой как 2:3. Архимед просил своих друзей поместить это доказательство на его могильной плите (спустя сто лет Цицерон нашел могилу Архимеда по шару, вписанному в цилиндр, изображенному на могильной плите). Архимед указал границы для числа р, указав, что оно меньше 3 и 1/7, но больше 3 и 10/71 и многое другое. Особо известны его закон плавучести тел, а также выражение: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Первый перевод трудов Архимеда был сделан в 1543 г. — в год выхода основополагающего труда Николая Коперника «Об обращении небесных сфер», совершившего революционный переворот в миропонимании.
2.4. Античный Рим
Античный Рим возник как город Рим в 754/753 г. до н. э., но уже к середине III в. до н. э. Рим подчинил себе весь Апеннинский полуостров, а в дальнейшем превратился в могущественную средиземноморскую державу — Римскую империю, включающую в себя западную и юго-восточные части Европы, Малую Азию, побережье Северной Африки, Сирию, Палестину. В западных областях (границах) Римская империя закончила свое существование в 476 г. н. э., тогда как в восточных границах, как Византия, просуществовала еще около 1000 лет (о естествознании Византии см. раздел 1.7).
Характерная черта римской науки, основные достижения которой приходятся на первые века новой эры, — изложение научных вопросов в форме поэм (Лукреций, Вергилий, Авиен, Марк Аврелий) и многотомных энциклопедий (Варрон, Герон Александрийский, Гален, Витрувий, Цельс, Плиний Старший, Сенека, Страбон). В этом разделе будут освещены только наиболее значительные произведения римских ученых.
«О природе вещей» Лукреция Кара. Указанная поэма — единственное полностью сохранившееся незавершенное Лукрецием (96-55) произведение, излагающее материалистическое философское учение Эпикура о возникновении мира и его развитии. Кратко изложим представления о пространстве, времени, материи и движении атомов.
Пространство и материя — два единственных начала мироздания. Пространство однородно, в нем нет центра Вселенной (абсолютно современная точка зрения); последняя бесконечна и не имеет границ. Бесконечна и материя. Пустое пространство имеет определенное место, если оно окружено материей, но и материя занимает определенное место, если оно ограничено пустотой — пустота и материя (заполненное пространство) сменяют друг друга. Время не является самостоятельным началом сущего, оно не существует отдельно от пространства и материи (почти эйнштейновское воззрение на пространство, время, материю):
Также и времени нет самого по себе, но предметы Сами ведут к ощущенью того, что в веках совершилось, Что происходит теперь и что вопоследует позже. И неизбежно признать, что никем ощущаться не может Время само по себе, вне движения тел и покоя... Материя наделена свойством дискретности, ее атомы не только различаются по форме и положению, как у Демокрита, но и весом, который (и в этом причина) заставляет их падать в мировом пространстве, но не по строго параллельным направлениям, а, согласно Эпикуру, испытывая спонтанные (неупорядоченные) отклонения в движении. О существовании спонтанных отклонений Лукреций судит по наблюдаемой картине беспорядочного движения пылинок в солнечном луче, а затем объясняет движение пылинок ударами менее крупных тел, последние движутся под влиянием еще меньших тел, и такая иерархия продолжается вплоть до атомов (точная современная, по Эйнштейну, точка зрения на объяснение явления броуновского движения). Идея спонтанного отклонения была введена, чтобы избежать абсолютного фатализма («лучше следовать мифу о богах, чем быть рабом физиком», как выразился Эпикур), абсолютизации каких-либо научных положений, которые возникали в разные исторические эпохи, пока не привели окончательно к понятиям относительности.
Представляет также глубокий интерес высказанная Эпикуром и изложенная Лукрецием идея об изотахии (одинаковой скорости элементарных движений) и связанный с ней вывод о дискретности пространства — времени, также идея о том, что «...атом будет иметь движение с быстротой мысли...» и др., как получившие, так и не получившие разрешение пока и в современной физике.
Система мира Птолемея. Важнейшим событием в космологии и естествознании в эпоху Древнего Рима было создание во II в. н. э. системы мира александрийским астрономом Клавдием Птолемеем (около 90-168 гг.). Эта система была изложена им в 13-томном труде, который назывался либо «Математическая система», либо «Великое построение», но дошедшем до европейцев в переводе с арабского под названием «Альмагест».
Система мира Птолемея превосходно объясняла известные в то время неправильности в движениях Солнца, Луны и планет, оставаясь только математической схемой, описывающей видимые движения небесных тел, светил и позволяющей определять их положения на небе в будущие моменты. Затруднений в объяснении неравномерностей в движениях Солнца и Луны было много, хотя часть их объяснил Гиппарх (кстати, он же с большой точностью определил продолжительность тропического года, расстояние от Земли до "Луны в 59-60 земных радиусов, размеры Луны, указал, что центр Земли не вполне совпадает с центром орбиты Солнца, так что расстояние между ними не всегда одинаково). Движение же планет оказалось настолько сложным, что это оказалось недоступным в теоретических изысканиях Гиппарха. Но во время жизни Птолемея наблюдательных данных уже было достаточно, чтобы исправить теорию движения Солнца и Луны. Приступая к грандиозной проблеме, Птолемей не отказался от сложившихся античных физических представлений о строении Вселенной. В частности, не отказался он от центрального положения Земли, хотя, как уже указывалось ранее, Пифагор в VI в., а Аристарх Самосский в Ш в до н. э. выдвинули и обосновывали идею о центральном положении Солнца во Вселенной.
Гипотеза о движении Земли вокруг Солнца напрямую связана с гипотезой об относительности движения. Вот Аристарх это представление имел, утверждая, что Земля движется вокруг Солнца, в то время как непосредственное восприятие свидетельствует о движении Солнца вокруг Земли. Понимали это и поэты. Так, великий римский поэт Вергилий (I в. до н. э.) вложил в уста одного из своих героев в поэме «Энеида» знаменательную фразу (которую впоследствии цитировал Коперник): «В море из порта идем, и отходят и земли и грады». То есть мысль об относительности движения висела в воздухе.
Птолемей также допускал, что сложность видимых движений небесных тел и светил могла бы быть объяснена движением самой Земли. Существование якобы движения Земли Птолемей опровергал аргументами физики своего времени: считалось, что при движении Земли все находящееся на ней было бы «смыто» — сброшено с ее поверхности, а предметы, расположенные над Землей (облака, птицы), отставали бы от нее (здесь отражается пагубность чистого умозрения, не подтверждаемого опытом). Форму Земли Птолемей принял шарообразной, безоговорочно признавая в этом вопросе авторитет Аристотеля. При разработке математической теории движения он опирался на работы Аполлония Пергского, который ввел понятия эксцентрика, эпицикла и деферента, придерживаясь гипотезы о равномерном движении небесных тел вокруг неподвижной Земли. Эксцентрик — это круг, центр которого не совпадает с положением наблюдателя, находящегося на Земле. Предполагая равномерное движение светила по эксцентрику, Аполлонии мог объяснить известные в его время неравномерности в движениях Солнца, Луны и планет. Эпицикл — это круг, центр которого движется по другому кругу — деференту. У Аполлония планеты движутся равномерно по эпициклу, а Земля находится в центре деферента.
Птолемей усложнил ситуацию, подробности которой мы здесь опускаем. Система Птолемея явилась исторически завершением греко-эллинистической, а вместе с тем и древнеримской космологии. Забытая в раннее средневековье (но просуществовавшая 1375 лет!), она потом, как и односторонне толкуемая философия Аристотеля, была научной опорой схоластики позднего средневековья в ее борьбе против возрождения творческих начал античной науки и против развития правильных представлений об устройстве Вселенной.
Птолемея следует упомянуть и как великого астролога, оставившего после себя известное «Четырехкнижие», настольную книгу астрологов многих последующих веков, и как географа, написавшего сочинение «География», в котором он обосновал методы научного картографирования и приложил к нему 27 карт, в совокупности изображавших все известные тогда части земного шара - от Канарских островов до Китая.
Достижения в механике тех лет были подытожены в трудах Герона Александрийского «Механика»; в математике — в сочинении Диофанта «Арифметика», написанном предположительно в III веке, дошедшем до нас в шести томах из предполагаемых тринадцати, и в «Математическом собрании» из восьми книг последнего из великих греческих и римских геометров Паппа Александрийского (III—IV век), в котором, помимо математики, излагаются вопросы астрономии и механики; в географии — в 17-томном сочинении Страбона «География», в котором содержались исчерпывающие сведения о всех известных тогда странах и народах; в области ботаники — Теофрас-том, учеником и последователем Аристотеля; в области анатомии, физиологии и медицины — Герофилом из Хал-кедона, учеником Теофраста, и Эрасистратом (ок. 340-ок. 250 до н. э.), о которых известно из трудов великого римского врача и естествоиспытателя Галена (129-201 (?)).
Последним из древнеримских ученых и первым из схоластов раннего европейского средневековья принято считать Северина Боэция (ок. 480-524) (его называют «последний римлянин и первый схоласт»).
Упадок античной науки. В первые века нашей эры греческий и римский рабовладельческий строй, диктовавший запросы науке, естествознанию начал приходить в упадок. Римская империя в V веке н. э. распалась под действием внешних и внутренних сил — восстаний рабов, бедноты, покоренных народов и нападений варварских племен. На смену пришел феодализм, формирование которого было связано со значительными потрясениями во всех сферах общественной жизни, в том числе в сфере науки и культуры.
По существу, начал формироваться новый тип сознания, новый тип культуры, новый тип иного мышления, духовного освоения мира человеком. Изменились запросы общества, поменялись человеческие и духовные ценности. Новую основу общества составляло монотеическое религиозное сознание, в котором аа первом плане — не познание мира и получение нового знания, а переживание, прочувствование мира и вера во всемогущество Бога, в существо, которое создало мир и постоянно творит его своей волей и активностью. Вмешательство божественных, потусторонних сил может проявиться неожиданно во времени и пространстве (части света, мира), являя собой чудо, неподвластное, недоступное, непознаваемое человеком. Естествознание, а с ним и мировоззрение, лишаются предмета познания, реальных целей и задач. В сознание на многие сотни лет восшествует иррационализм и мистицизм. С VI века в истории западноевропейской культуры начался период «темных веков» (об этом этапе рассказано в п. 2.10).
2.5. Античный Китай
Очерк истории раннего естествознания будет неполным, если не упомянуть о догадках, мифах и космологии древних китайцев и индийцев. В древнем Китае мифология развивалась слабо. Китайцы оказались для этого слишком практичными людьми. Однако и древний Китай не избежал влияния мифологических воззрений. Так, общеизвестный миф о возникновении (космогонии) Вселенной записан в книге «Хуайнань-цзы», созданной во II в. до н. э. Он повествует о том, что в глубокой древности, когда еще не было ни неба, ни земли, мир представлял собой мрачный, бесформенный хаос. Из этого мрака постепенно выделились два великих духа Инь и Ян, которые с огромным усилием начали упорядочивать мир. Впоследствии Инь и Ян разделились и установилось восемь главных направлений в пространстве. Дух Ян стал управлять небом, дух Инь - землей. Так был создан наш мир.
В другом мифе упорядочение хаоса и организация мироздания связываются с деятельностью сверхъестественного по способностям человека по имени Паньгу, зародившегося внутри космического яйца — естественного порождения хаоса. Оказавшись в первобытном мраке, Паньгу раскалывает его на землю и небо и поднимает последнее над первой.
Части мироздания возникают из частей умершего Паньгу: ветер и облака — из вздоха, гром — из голоса и т. д.
Древнекитайская натурфилософия связана с древними книгами, составившими знаменитое «Пятикнижие», среди которых «Книга истории», «Книга перемен», «Книга обряда». «Пятикнижие» дают основу древнего мировоззрения образованного для этого времени китайца. В «Книге истории» излагаются мифологические сказания о пяти началах мира: первое начало — вода, второе — огонь, третье — дерево, четвертое — металл и пятое — земля. Постоянная природа воды — быть мокрой и течь вниз, огня - гореть и подниматься вверх, металла — подчиняться внешнему воздействию... В этой же книге описываются и пять явлений природы: дождь, солнечное сияние, жара, холод и ветер. От их своевременности и умеренности зависит благосостояние народа. Делаются попытки найти причины, вызывающие благоприятные и неблагоприятные явления природы.
В «Пятикнижии» продолжается развитие древнейших представлений о двух антагонистических и в то же время сотрудничающих силах — ян и инь. Вначале это олицетворения света и тьмы, освещенной и теневой сторон горы, тепла и холода, упорства и податливости, мужского и женского начал. Потом это состояние «ци» — своего рода прообраз первобытной материи. Называются шесть состояний «ци» — инь, ян, ветер, дождь, мрак, свет. Этот момент развит в «Книге перемен». Во всех этих исторических источниках предпринята первая в истории человечества попытка представить природные и человеческие явления в двоичной системе — в системе ян и инь.
Таким образом, важнейшим этапом развития логического мышления в древнем Китае и вычленения философии и естествознания из мифологии было возникновение на рубеже первого и второго тысячелетий космологических понятий «у син» (пяти первоэлементов), «ци» (воздух), «дао» (пути вещей, мира, человека), парных сил «инь» (тьма) и «ян» (свет). Одновременно шел процесс переосмысления религиозно-мифологического содержания таких понятий как «небо», «земля», «вселенная», «тьма вещей».
Древний Китай обогатил европейскую и мировую цивилизацию множеством важнейших открытий и изобретений. Во II в. до н. э. был составлен трактат «Математика в девяти книгах», подобный в чем-то «Началам» Евклида. В трактате содержатся правила действия с дробями, теорема Пифагора, применение подобия прямоугольных треугольников, решение систем линейных уравнений с 2 и 3 неизвестными, впервые в истории математики встречаются отрицательные числа и правила действия над ними. Между Ц и VI веками китайцы определили число «пи» с точностью до семи верных значащих цифр (европейцы только в XVI веке). В середине XI века ими был изложен способ извлечения корней выше 2-й степени.
Исключительно велики достижения древних китайских астрономов. Уже в первом тысячелетии до н. э. они выделяли 118 созвездий (783 звезды), с 240 г. до н. э. безошибочно наблюдали все появления кометы Галлея, в I в. до н. э. установили период обращения Юпитера (Древесной звезды) в 11,92 земных года, в 104 г. до н. э. определили продолжительность года в 365,25 суток, в 27 г. до н. э. наблюдали солнечные пятна, в I веке нашей эры создали первый в мире небесный глобус, воспроизводивший движение небесных тел, в VIII веке высказали мысль об изменчивости расстояния между «неподвижными» звездами. Изобрели также китайцы компас, прибор для измерения пройденного пути — своеобразный спидометр, сейсмоскоп.
В истории развития древнекитайских философии и естествознания узловым пунктом познания человека и мира явилось учение о «дао», которое содержало гениальную догадку о саморазвитии, бесконечности и вечности мира, о наличии естественных и независимых от чьей-либо воли закономерностей его развития.
Вместе с тем, в силу ряда особенностей развития рабовладельческого и раннефеодального общества в Китае, философское знание (в отличие от древнегреческого) обособилось от развития естествознания и обобщения его данных. Не удивительно, что онтологические проблемы, законы развития человеческого знания, мышления и общества занимали второстепенное место в учениях китайских мыслителей.
Вторая особенность древнекитайской натурфилософии заключается в том, что в ней практически не сложилось целостной логической системы взглядов, учения о законах и правилах человеческого мышления (что сделал Аристотель в Древней Греции).
Третья особенность заключается в том, что Китай с древности и до начала XX века не вышел за пределы наивного материализма, стихийно-диалектических взглядов и синкретических концепций о природе и человеке.
2.6. Античная Индия
Натурфилософия Древней Индии, как и китайская, в значительной степени мифологизирована. Но, в противоположность древнекитайской философии, в ней нашли место самые разнообразные точки зрения на мироустройство. Так, в «Ведах», древнейшем литературном поэтико-мифологическом памятнике индийской культуры, содержится большое количество космологических систем. Само слово «веда» в переводе с санскрита означает «знание», откуда, кстати, происходят русские слова «ведение», «ведать», «ведьма».
В «Ригведе» (первом из сборников «Веды», веде гимнов) выражена направленность на анализ явлений природы. Особо часто в ней упоминаются имена богов природных стихий: грозы (Индра), ветра (Ваю), воды (Варуна), огня (Агни), солнца (Сурья), зари (Ушас). Индра — бог-громовержец — является воинственным предводителем всех остальных, менее воинственных, богов, воплощением силы, мужества и бесстрашия (в греческой мифологии это Зевс, в римской — Юпитер). Чаще всего Индра противостоит Вритре, страшному чудовищу, олицетворяющему всевозможные темные силы, преграждающему путь водам, несущим жизнь полям.
Божеством не только космического упорядочения, но также общественного выступает Варуна, наделенный могуществом, вторым после Индры. Варуна задает ритм в природных явлениях и ритуал в общественных, что передается одним понятием — puma. Благодаря рите происходит смена дня и ночи, вращается небесный свод, поэтому риту представляют «путем, по которому следует солнце». Противоположным понятию рита служит понятие анрита — хаос и темнота.
В «Ведах» разрабатывается космогоническая тема как тема разрешения вопроса о происхождении богов. Как и в китайской философии, мир также рождается из соединения мужского и женского начал, но постепенно в индийской мифологии (эпосе) складываются представления о неком абстрактном божестве, имеющем много разных имен, но в противоположность китайским мифам сам первобог никаких антропоморфных признаков не имеет. Одно из популярных имен — Пуруши, вселенский человек (в смысле слова, но не сущности), отдельные органы которого, после его гибели, стали отдельными частями мира. Иногда он представлен как космический разум и неопределен-ная активность либо как отвлеченная духовная субстанция (веды в течение веков многократно дополнялись).
Начало построения мира весьма абстрактно, так как утверждается, что «в первом веке богов из не сущего возникло сущее, затем возникло пространство мира», «Нечто Одно» или «Единое» пробуждается от желания, начинает делиться на противоположности: сущее и не сущее, низ и верх, день и ночь, смерть и бессмертие. Затем первобог родил небо и землю, воздушное пространство между ними, первых трех богов: Алити (бесконечность) из неба, Агни (огонь) из земли и Ваю (ветер) из воздушного пространства.
Другой план (сценарий) возникновения мира — из мысли, предшествующей миру, как основы центральной идеи о космическом абсолюте — Брахмане, абсолютной духовной субстанции начала и конца всех вещей и существ. Но и это не последний космический план. Так, индийский философ и мыслитель Уддалаки (VII век до н. э.), задавшись вопросом: «Как же... могло это быть? Как из не сущего родилось сущее?», сам себе и отвечает: «Нет, вначале... все это было сущим, одним, без второго» и далее разворачивает причинно следующее развитие: огонь — источник воды, вода производит пищу (земля, твердь), из них возникают все виды живых существ и разум тоже.
Интересно отметить также в этих космогонических моделях (схемах) их последовательную или параллельную поэлементную организацию. Последовательная организация схемы предполагала либо последовательное возникновение и развитие элементов во времени, либо последовательное вхождение одних элементов в другие. Параллельная же организация заключалась в проведении нескольких параллельных рядов элементов из различных областей человеческого бытия или природных явлений, при этом либо выделялся какой-то один доминирующий ряд элементов, либо он не выделялся. Так в индийской философии совершенствовался метод, процедура проецирования одного ряда элементов, например, психофизического свойства, на другой ряд, относящийся к природным явлениям.
Подытоживая этот краткий очерк ведийского периода индийской философии и естествознания, необходимо отметить крайний плюрализм мировоззрения Ригведы и других книг Веды. Боги, люди, животные, растения, элементы, времена года, страны света, качества, части тела, духовные способности и т. д. — все являются наделенными жизнью субстанциями, которые связаны друг с другом, взаимно проникают друг в друга, могут превращаться одно в другое.
2.7. Арабское средневековье
В синтезе научных, философских и культурных тенденций Востока и Запада, в течение Средневековья Восток (арабский, среднеазиатский, ближневосточный) первоначально был хранителем античных традиций. Запад тех лет был котлом, где в великих переселениях и завоеваниях создавались современные цивилизации и нации, а также те центры образования и науки, которые усваивали, хранили и перерабатывали античное культурное и научное наследство, продвигая дальше (в пространстве и времени) все более точное отображение мира.
Виднейшими представителями почти восьмисотлетнего средневекового периода арабской науки явились Джабир-ибн-Хайян (Гебер) (721-815,), Мухаммед аль-Хорезми (IX в.). Абу ар-Рази (865-925), Абу-Наср Мухаммед аль-Фараби (ок. 870-ок. 950), Ибн аль-Хайсам (Алхазен) (ок. 965-1039), Абу-ар-Рейхан Ибн Ахмед (по прозвищу аль-Бируни) (973-1048), Абу-Али Ибн Сина (Авиценна) (980-1037), Омар Хайям (ок. 1048-после 1122), Ибн Рушд (Аверроэс или Комментатор) (1126-1198), Мухаммед Улугбек (1394-1449).
Бурное развитие арабской математики оказалось возможным благодаря синтезу арабами греческой и индийской научных традиций. В арабской культуре получает распространение десятичная позиционная система счисления с применением нуля, заимствованная из индийской математики. Аль-Хорезми, аль-Бируни и Омар Хайям практически создают алгебру как самостоятельную математическую дисциплину (название алгебра идет от арабского аль-джебр, что означало у Хорезми один из приемов преобразования уравнений: перенесение слагаемого из одной части уравнения в другую, с изменением знака перед ним, которое он вынес в заголовок одного из своих сочинений); те же Хорезми, Бируни, и аль-Баттани (858-929), и Ибн Курра (ок. 836-901) превращают плоскую и сферическую геометрию из вспомогательного раздела астрономии также в самостоятельную математическую отрасль. Алгебраический трактат Хорезми содержал классификацию квадратных уравнений и приемы их решений, трактат Омара Хайяма — теорию и классификацию кубических уравнений, трактат Альхазена — квадратуры конических сечений и кубатуры тел, полученных от их вращения.
Прогресс естественнонаучных знаний был неразрывно связан с прогрессом философской мысли, и отмеченные нами мыслители не боялись вступать в конфликт с господствующей религиозной системой. Так, в сочинении «О вечном движении небесной сферы» аль-Фараби защищал «еретическое» с точки зрения Корана учение о вечности мира (являясь последователем Аристотеля, Птолемея и Евклида), а аль-Бируни был глубоко убежден в неизменности и всеобщности законов природы. «Действия природы, — писал он, — всегда одни и те же при одинаковых обстоятельствах» (предвосхищение принципа относительности классической и современной физики!). Он упрекал тех, которые «приписывают божественной премудрости то, чего они не знают в науках физических», а также тех, кто привык «смешивать научные вопросы с религиозными предсказаниями». Например, попытка спастись от грозовой тучи путем заклинаний и магических средств, по его словам, — «жалкое убежище для тех, кто не понимает действительных причин явлений». Получить правильное представление о дождях, утверждал он, можно только «изучив положение гор, то, как дуют ветры и как движутся тучи» (чем не современные положения метеорологии!?). Бируни также был весьма образован в минералогии, приведенные им данные о минералах в соответствующем трактате почти не отличаются от данных современных.
Современником Бируни был гениальный таджикский (по другим сведениям — персидский) энциклопедист ибн Сина (Авиценна), автор свыше 400 трудов по медицине (он был практикующим врачом, и это было главным его делом), физике, алхимии, музыке, математике, философии, психологии, астрономии, языкознанию и др. наукам. Особо известны его монументальные энциклопедические сочинения «Канон медицины» и «Книга исцеления», где, в частности, он исследовал вопросы движения, силы, пустого пространства, оптики. Так, объясняя явления света истечением материальных частиц, Авиценна считал скорость света очень большой, но конечной. Признавая наличие в мире божественной нематериальной субстанции, Авиценна в то же время утверждал вечность и неуничто-жаемость материи.
Уже упоминавшийся арабский астроном и математик аль-Баттани вывел более точные, чем у Птолемея, значения наклонения эклиптики к экватору и величину прецессии, составил более точные таблицы движения Солнца и Луны. Он же установил, что эксцентрическое положение Земли внутри орбиты Солнца не совпадает с положением, указанным Птолемеем, но не отказался при этом ни от геоцентрических представлений, ни от неподвижности Земли. Бируни первым из ученых европейского и восточного средневековья пришел к мысли о несоответствии системы мира Птолемея действительному устройству вселенной, вполне определенно высказался об осевом вращении Земли и о движении Земли в пространстве, приписывал Солнцу центральное положение среди небесных светил. Необходимо также отметить его мнение о тяготении к Земле всех находящихся на ней тел, которое он, по-видимому, позаимствовал у древнеиндийского мыслителя Брамагупты. Взгляды Бируни на вселенную разделял великий поэт, математик и мыслитель Омар Хайям.
В астрономии необходимо также отметить самаркандских астрономов аль-Каши, Али Кушчи, работавших в XV веке под покровительством и при непосредственном участии правителя Самарканда Мухаммеда Улугбека (внука великого полководца, эмира Тимура (Тамерлана)). Составленные ими планетные таблицы и звездный каталог, благодаря своей точности, приобрели широкую известность и потом неоднократно переиздавались в Европе.
Заслуживает внимания также арабская алхимия. Главное место в ней отводилось учению о металлах и их сплавах, их получению и трансмутации (превращению одних металлов в другие). Так, Джабир-ибн-Хайян (латинизированное имя — Гебер), будучи сторонником учения Аристотеля о стихиях, не во всем с ним соглашался и ввел новые представления об особых элементах металлов — сере и ртути, рассматривая их символически: серу как принцип горючести и ртуть как принцип металличности (блеска). Соединяясь в недрах Земли под воздействием земной теплоты, сера и ртуть образуют все известные тогда металлы — железо, свинец, олово. Для ускорения процесса созревания он предлагал добавку, некий медикамент, «вылечивающий» несовершенные металлы — аль-иксир или в западной транскрипции — эликсир. Геберу были известны купоросы, квасцы, щелочи, нашатырь, владел он также такой химической ремесленной техникой, как перегонка, возгонка, растворение, кристаллизация и др.
Абу ар-Рази, врач и алхимик, разделяя взгляду своего современника Гебера, развил его учение и дал первую классификацию природных (химических) веществ, разделив их на землистые или земли (минеральные), растительные и животные, предвосхитил распространенную до сих пор систему «трех царств природы». В систематике органического мира ему предшествовал только Аристотель бинарным делением — животных на кровяных и бескровных, растений на высшие и низшие. Наиболее полно Абу ар-Рази была разработана классификация минералов.
Великий Авиценна, знаток химии, медицины, лекарств и многого другого, широко применял во врачебной практике разнообразные химические вещества и вместе с предшественниками создал основы рациональной фармации, но в противовес им категорически отрицал возможность трансмутации металлов.
2.8. Древняя Месоамерика — естествознание народа майя
Исторически цивилизация майя известна на территории современных Мексики, Гондураса и Гватемалы с X в. до н. э. по XVI в. н. э., когда она исчезла под ударами испанских завоевателей. До нас дошли только три научных литературных источника культуры майя, из которых трудно заключить об их научном уровне, но некоторые исследователи сходятся во мнении, что уровень этих знаний сопоставим с уровнем древних вавилонян и египтян.
Как и в большинстве древних религий (и мировоззрений) Востока, для майя характерны представления об имевших место ранее нескольких повторяющихся циклах сотворения и разрушения. Каждый из этих циклов имел продолжительность немногим менее 5200 лет, последний из которых начался в 3113 г. до н. э. и завершится в конце 2011 года текущего столетия Армагедонном (гибелью) всего человечества.
Исключительную роль в культуре майя играл созданный ими необычный календарь. Календарный цикл продолжительностью в 52 года основывается на двух перму-тационных (от лат. permutare — менять) циклах: 260-дневным и 365-дневным «нечетким годом», названным так, поскольку реальная продолжительность солнечного года примерно на четверть суток длиннее. Последнее обстоятельство заставляет нас объявлять каждый четвертый год високосным, с тем чтобы не допустить рассогласования календаря и солнечного года. Этот момент полностью игнорируется в календаре майя, так как они внутри этого года выделяли 18 месяцев длиной по 20 дней каждый, к которым в конце года добавлялся еще и наводящий страх период, состоящий из 5 несчастливых дней. Получалось так, что каждый из дней года имел соответствующую ему дату как по 260-дневному календарному циклу, так и по календарной системе «нечеткого года». Оба этих цикла совпадали один раз за 18 980 дней, т. е. за период времени, равняющийся 52 «нечетким годам». Этот период называется «календарным кругом», но он оказывается неудобен, когда для фиксации событий требуется ссылка на промежутки времени, превышающие по продолжительности 52 года. Майя изобрели для этих случаев календарь «длинного счета», в основе которого лежит 360-дневный период.
Важное значение они придавали согласованию лунного и солнечного календарей, и в 682 г. н. э. начали вести вычисления по формуле: 149 лунных месяцев = 4400 дней. Майя считали, что продолжительность лунного цикла составляет 2 953 020 дней, что практически совпадает с современной оценкой в 2 953 059 дней! Весьма точно они могли предсказывать лунные й солнечные затмения, укладывающиеся в цикле из 405 лунных месяцев.
Согласно космологическим воззрениям майя, земля является плоской и имеет четырехугольную форму, углами сориентированную по сторонам света, которые поддерживают четыре бога. Небеса и подземный мир многоярусны. В части астрономических наблюдений и расчетов движения планет можно с полной уверенностью утверждать, что они вели расчеты движения планеты Венера, чем превосходили греков эпохи Гомера. Синодический цикл Венеры считался у майя равным 584 дням, тогда как по современным расчетам он равняется 583,92 дня! Практически мало сомнений, что майя вели наблюдения за движениями Марса и Юпитера, и вполне разумно предположить, что у майя был свой зодиак.
И последнее, что необходимо отметить, — майя разработали позиционную или разрядную систему счисления, оперируя в ней всего лишь тремя символами, располагая их не горизонтально, как мы сейчас, а вертикально: точкой, обозначающей 1 (единицу), черточкой, обозначающей 5 (пять), и стилизованным изображением раковины, которое обозначало понятие О (нуля). Если мы сейчас пользуемся заимствованной у индусов десятичной системой счисления, то система майя была двадцатичной (двадцатиричной).
2.9. Древние и средневековые Византия и Русь
Византия. Так емко принято называть Византийскую империю, возникшую в IV веке при распаде могущественной Римской империи в ее восточной части и просуществовавшую до середины XV века. Название это идет от завоеванной римским императором Константином I в 324-330 гг. колонии Византий, на месте которой им был основан Константинополь, ныне Стамбул. Сами византийцы называли себя римлянами или по гречески ромеями, свою империю Ромейской. В IV-VI вв. государственный язык Византии был латинский, с VII в. и до конца существования империи — греческий (как мы знаем, эти два языка были первыми международными научными языками, третьим языком в раннее средневековье стал арабский, затем в Западной Европе снова латинский).
Византийцами тех времен были этнические греки, сирийцы, армяне, грузины, евреи, фракийцы, готы, славяне, арабы, печенеги, половцы, позднее будущие итальянцы и многие другие народы. Все они испытали влияние греческой, римской и эллинистической культуры и науки, сохраняли ее и по возможности развивали, руководствуясь в основном христианскими вероучениями и традициями. Именно традиция (передача духовных ценностей от поколения к поколению) провозглашалась источником знания, а не опыт, ибо традиция (как тогда считалось) восходила к сущности, в то время как опыт знакомил с поверхностными явлениями земного мира. Эксперимент и научное наблюдение были крайне редкими. Для византийской науки были характерны, во-первых, тяга к систематизации, которая шла от унаследованной от Аристотеля классификации, но при отсутствии аналитического рассмотрения явлений, и, во-вторых, стремление к раскрытию «истинного» (мистического) смысла явлений, как результат возникшего в христианстве противопоставления божественного (скрытого) — земному, доступному непосредственному восприятию. Все, открытое, установленное, но не совпадающее с божественной истиной, объявлялось ересью (так же как и в будущую вскоре эпоху западноевропейского инквизиторского средневековья).
Христианская морализация и отказ от познания истинной природы естественных явлений характеризует такие известные произведения византийского средневековья (оказавшие влияние и на естествознание западного средневековья), как «Беседы на шестоднев» (т. е. проповеди о шести библейских «днях творения») Василия Великого (329-379), «Слово о правой вере» Иоанна Дамаскина (ум. после 754 г.), «Шестоднев» Иоанна Экзарха болгарского (X век), рано распространившийся среди русских книжников. Предоставляя античным ученым самим «низлагать друг друга» в спорах о природных явлениях, они предлагали благочестивый совет не касаться «рассуждений о сущности» и верить Моисею, что Бог сотворил небо и землю, рассматривать познание природного мира лишь как путь к познанию Бога. И все же в этих произведениях в искаженной и подчас неузнаваемой форме сохранялись обрывки античных знаний — представление о шарообразности Земли, учение о четырех стихиях (первоэлементах), к которым Дамаскин добавлял небо как пятый первоэлемент вселенной, и др. Но в космологии преобладающими были взгляды монаха Козьмы Индикоплевса (VI в.), изложенные им в сочинении «Христианская топография» (обратите внимание — христианская): Земля рассматривается как прямоугольная доска (!), небо как шатер над ней, движения светил совершаются даже не вокруг Земли, а вокруг высокой горы на краю ее (проглядывает примитивизм).
В Византии тех времен сохранялись элементы древнегреческой и эллинистической культуры, в особенности известны были изобретения и труды механика и математика Герона Александрийского (I век), идеи о зажигательных зеркалах Архимеда. Исидором Милетским комментировались и дополнялись книги Архимеда и Евклида.
В условиях жестких христианских традиций и ограничений, в условиях прогрессирующей деградации мысли, наука не могла иметь сколько-нибудь значительных успехов. И все же: в VI в. н. э. александрийский комментатор Аристотеля Иоанн Филопон пришел к выводу, что скорость падения тел не зависит от их тяжести (за тысячу лет до Галилея!), не отрицал он также существование пустоты и возможность движения в пустоте; в VII в. был изобретен «греческий огонь» (самовозгорающаяся смесь нефти, селитры, серы и др.), использовавшийся в военном деле; в Византии существовало развитое производство красителей, цветной поливы, стекла и пр. В IX в. Лев Математик впервые применил буквы в качестве алгебраических символов, в ХП в. предпринимается попытка ввести арабские цифры (позиционную систему счисления). В области географии необходимо отметить умение составлять географические карты. В области философии особо надо отметить теолога и неоплатоника Прокла (410-485), выдающегося знатока и комментатора Платона, Аристотеля и Евклида. Прокл поставил веру в Бога выше науки, объявляя метафизику единственно возможной наукой. Прокл смело утверждал, что познать природу души означает познать и всю Вселенную. Так, например, комментарий к диалогу Платона «Алквиад I» выдержан примерно в таком духе: «...познай самого себя, чтобы узнать ту сущность, из которой ты произошел. Познай заключенное в себе Божество, чтобы познать то Божественное Единое, лучом которого является твоя душа. Познай свой собственный разум для того, чтобы иметь доступ ко всем знаниям». Как известно, европейская наука не пошла по этому мистическому, метафизическому пути (хотя он впервые в античности намечался Гераклитом) и поэтому позже состоялась как главная, мировая наука.
Культура Византии через распространяющееся христианство оказала всестороннее влияние на развитие Киевской и Московской Руси, Болгарии, Армении, Грузии, Сербии и др. стран и народов, сохранила вместе с арабским миром античное наследие и передала его в Италию накануне Возрождения.
Древняя и средневековая Русь. Поскольку Русь приобщалась к многовековой и высокой культуре Византии вместе с принятием христианства в 988 г., уместно, на наш взгляд, обрисовать естественнонаучные представления древних и средневековых русских в данном месте. Это также связано с тем, что Русь с древних времен и в средневековье развивалась по западному типу. Это основывается на следующих признаках: 1. Отделение ремесла от земледелия, появление металлообработки, гончарного, ювелирного дела, которые относятся к VII-VIII вв.; 2. Развитие городов (не уступающее, часто превосходящее западноевропейское); 3. Склонность к демократическим формам жизни и труда (вече, княжеские дружины, думы); 4. Высокий уровень развития философской мысли, культуры (религиозная, светская литература, разные «Слово...», свод законов «Русская правда»); 5. Появление государства, некоторые другие факторы, и, наконец, главный фактор — принятие христианства.
В появлении и становлении русского государства важное, если не сказать судьбоносное, значение могло сыграть, как это не покажется странным (это наша гипотеза), освоение славянами технологии солеварения, основавших в VIII-IX вв. в южном Приильменьи поселение Руса у слияния рек Полисть и Порусья (нынешний город Старая Русса), и сопутствующих ей и взаимосвязанных с ней технологий льноводства и ткачества. По версии историка Г. Анохина, благодаря возникшей Русе и осваиваемых в ней новых для того времени технологий и зарождения новой культуры, возникли и распространились слова русъ, рус, рось, варяг — солевар (от глагола варити, т. е. выпаривать соль), варежка (варежка из толстой льняной ткани Заверяжья была необходима солевару для работы с раскаленной жаровней варницы, в которой выпаривалась соль), Варяжское море (озеро Ильмень). Предводителями на этой заморской (для новгородцев), умно организованной, богатой и процветающей земле были русы-варяги Рюрик с братьями, когда погрязшие в демократических распрях и междоусобицах новгородцы в 862 г. обратились к ним с просьбой править у них, по другую (северную) сторону Варяжского моря (сейчас это называется пригласить топ-менеджера). С этого момента и начинается зарождение и становление будущего русского государства. Город Руса впоследствии, конечно, уступил в развитии Новгороду, хотя еще долго сохранял заданный темп и потенциал и даже еще в XVI веке оставался четвертым по численности городом России (после Москвы, Пскова и Новгорода)!
Грамотность на Руси тех лет была достаточно широко распространена среди народа, о чем свидетельствуют берестяные грамоты и надписи на хозяйственных предметах (на пряслицах, бочках, сосудах), а также сведения о наличии школ (даже женских).
Древние славяне были людьми ведической (слово веды — однокоренное со словами знать, ведать) культуры и религии, родственной культурам и религиям ведического корня — верованиям Древней Индии, Ирана, Греции. К X веку и вплоть до ХIII в. мир наши предки (до XI века еще язычники, после христиане) представляли себе как единый, одушевленный, живой космос, распространенный на четыре стороны света — в небе, на земле, в ее недрах и под водой. Этот мир имеет три яруса: на верхнем и нижнем обитают боги, на среднем находятся земля и люди. С XIV века Земля признается шаром, хотя по-прежнему ставится в центр вселенной. По своему положению Земля подобна «желчи» (желтку) яйца, где белок — воздух, а «черепка» (скорлупа) -небо. Архаическая философия древних народов, изложенная здесь, реконструируется по космогоническим мифам главных славянских священных книг, таких как «Русские Веды», «Песни птицы Гамаюн», «Велесова книга».
Непрерывная борьба светлых и темных сил (вспомните китайских Инь и Ян) у русских (славян) особенно отчетливо проявляется в круговороте времен года. Его исходной точкой было наступление нового года — рождение нового солнца в конце декабря. Это празднование получило у славян греко-римское название — «коляда» (от лат. calendae — первый день нового месяца). Греческой также была первоначально используемая на Руси письменность, но славяне пользовались и своей оригинальной системой письма — узелковой. Знаки ее не записывались, а передавались с помощью узелков, завязанных на нитях, которые заматывались в книги — клубки. Народная память сохранила это и в языке и фольклоре; мы до сих пор завязываем «узелки на память», говорим о «красной нити», «нити повествования», «хитросплетении сюжета».
Данные о явлениях природы и астрономические представления того времени приводятся в одном из сборников Кирилло-Белозерского монастыря в статьях «О широте и долготе земли», «О земном устроении», «О расстоянии между небом и землею», «Лунное течение» и др. В русских летописях также имеются сведения о лунных затмениях и северных сияниях, о кометах и болидах, о метеоритах и атмосферных явлениях, о вычислении пасхалий и таблицах пасхалий на период в 532 года.
Знания о физике у русских мастеровых вкраплены в метеорологию, металлургию, строительное дело. Известно было прямое восстановление железной руды в металлическое железо, совершенной была найденная эмпирически форма широко используемых серпов, кос и топоров, обладающих очень высоким коэффициентом полезного действия. Разнообразные температурные режимы и великолепное знание свойств цветных металлов зафиксированы для древнерусского ювелирного дела при изготовлении браслетов, подвесок, перстней, использовании тончайшей проволоки, получавшейся путем волочения металла через фильеры — отверстия в камне.
Велики были познания славянских мастеров-ювелиров и металлургов в части химических свойств окисей олова, свинца, магнезии, минеральных добавок для окраски стекловидной массы — окислов железа, меди, кобальта, мышьяка. Производство порохов и зажигательных смесей относится к химии военного дела, к химии пищевых продуктов относится приготовление всевозможных напитков — хмеля, квасов, пива, вина, водок, медовух; для приготовления браг и водок использовались прообразы современных самогонных аппаратов — перегонные кубы, трубки (змеевики). С химией связано и изготовление моющих средств и косметики — румян, белил, духов, как спиртовых и водных извлечений из растений, а также бальзамирующих мазей и масел.
Значительными были также достижения в медицине, географии, математике, геологии, биологии.
Постепенно на Руси усваивается мировоззрение, согласно которому чувственно воспринимаемый мир не обладает истинной реальностью, он есть лишь отражение вечно существующего мира высших истин, приблизиться к смыслу которых можно через божественное откровение с верой, посредством рационального созерцания, мистического прозрения (вот неполное следование западному образцу, сближающее русскую душу, русский менталитет, с восточной мистикой).
2.10. Западноевропейское средневековье
В эпоху первых столетий западного средневековья (V-XI вв.), которую принято называть «темной порой», античное наследие постепенно забывалось (и в конечном итоге забылось), научные традиции античности утрачивались, поскольку стимулы к углубленному изучению природы и ее закономерностей из-за всеобщего упадка западноевропейской цивилизации после крушения римского мирового владычества отсутствовали.
Основными передаточными звеньями между античной эпохой и западным средневековьем явились труды римских христианских философов и писателей Северина Боэция (ок. 480-524), Кассиодора (ок. 487-578) и Марциана Капеллы (IV-V вв.). Указанные авторы сформировали деление научного знания на семь дисциплин или «свободных искусств» и связали их с семью «столпами дома премудрости», упоминаемого в Библии. Эти семь «свободных искусств» обычно перечисляют в таком порядке: грамматика, риторика и диалектика, которые составляли начальное «трехпутье», или «тривий» (отсюда слово «тривиальный»); арифметика, геометрия, астрономия и музыка образовывали «квадривий». Науки все более и более приобретают характер теологический, богословский (общеизвестно средневековое выражение «философия — служанка богословия»), изучение природы как таковой подменяется ее символическим истолкованием в мистическом или морально-назидательном духе так же, как уже было отмечено выше и в Византии (единые корни шли из эллинистического мира, из александрийской школы). Такие черты приобретает переведенная и прокомментированная аббатом Рабаном Мавром 20-томная энциклопедия Исидора Севильского (560-636), ставшая известной с 844 г. под двумя названиями: «Начала» и «Этимология». Она послужила основой для написания самим Рабаном Мавром энциклопедического сочинения «О вселенной», в которой книг становится, во-первых, не 20, а 22 — по числу книг Ветхого завета, во-вторых, сочинение уже не начинается с книги «О науках и искусствах», а с книги о Боге, «создателе нашем, главе и начале всех вещей» и т. д.
Но, в основном, античное наследие сохранялось и развивалось в арабском мире (см. пункт 2.7) и пришло в Европу после крестовых походов (1096-1270 гг.) на Ближний Восток (в Сирию, Палестину, Северную Африку), организованных западноевропейскими католиками под знаменем борьбы против «неверных» (мусульман), освобождения Гроба Господня и Святой Земли (Палестины). Привнесение на территорию Европы остатков античной культуры и науки — главный непреходящий итог этих походов. С этого времени становится возможной систематическая экспериментальная наука, благодаря бурно развивающейся промышленности, металлургии, химии, вооружению, медицине, использованию движущей силы воды, появлению новых инструментов, постепенному преодолению влияния церкви в вопросах объяснения природы мира. Так, например, англичанин Аделяр Батский (время его деятельности 1116-1142), переведший в начале XII века «Начала» Евклида и другие математические труды арабских математиков, в своих «Естественнонаучных вопросах» отмечает, что не следует прибегать к ссылке на божество и его волю там, где человеческий разум способен и обязан раскрывать подлинные причины природных явлений. Христианский теолог француз Тьерри Шартрский в первой половине того же века в начале своего «Шестоднева» прямо заявлял, что будет исследовать космологические вопросы «с точки зрения физики», исходя в основном из натурфилософского диалога Платона «Тимей». Но платоновская «первичная материя» не была для них предельной, неосязаемой абстракцией, а конкретной, чувственно-осязаемой массой, неким первичным «хаосом», или смешением элементов, которое приводилось в гармонию хотя и сверхматериальным началом, но, во всяком случае, не христианским Богом. Философы французской шартрской школы неустанно повторяли, что ничто не уничтожается, что изменчива и текуча лишь форма, в которой предстают вещи, что «никакая субстанция не гибнет». Элементы природы существуют постоянно, гибнут и возникают лишь их сочетания: всякая «природа» имеет «постоянное пребывание», уничтожаются лишь «произведения природы».
К XIII веку получают распространение такие изобретения, как очки, часы, компас, порох, но главным, неоценимым стало создание в XII-XIII вв. первых университетов в разных странах Европы: в Болонье (1158, Италия), Кембридже (1209) и Оксфорде (2-я половина XII — нач. XIII вв., Англия), Париже (1215, Франция, с XVII века распространенное название Сорбонна), затем в Падуе (1222, Италия) и Неаполе (1224, Италия) и др. В университетах, французских, итальянских, но особенно в английских, постепенно утвердились свободомыслие и гуманизм, демократическое самоуправление и свобода выбора руководства. Это предопределило развитие и становление западноевропейской и всей мировой культуры и науки, вплоть до наших дней.
Особое место в естествознании тех лет занимают ученые Оксфорда Роберт Большеголовый (Гроссетест) (1175-1253) и его ученик Роджер Бэкон (ок. 1214-1292). Они настойчиво выдвигали на первый план познания значение математики, опыта и наблюдения, утверждая, что математика есть основа всех прочих наук, «врата и и ключ» их. Так, Гроссетест в трактате «О свете или о начале форм» высказывает мысль о том, что изучение явлений начинается с опыта, посредством их анализа устанавливается некоторое общее положение, рассматриваемое как гипотеза, отправляясь от которой, уже дедуктивно, выводятся следствия, опытная проверка которых устанавливает их истинность или ложность. Свет для него — некая тонкая материя, отождествляемая с формой, универсальная субстанция, обладающая внутренней способностью к саморазрастанию и самораспространению. По его мнению, Бог вначале создает некий светящийся пункт, который, мгновенно расширяясь, рождает огромную сферу, где слиты воедино начала материи и формы (практически современная инфляционная гипотеза раздувающейся вселенной из вакуума). Весь мир для Гроссетеста оказывается результатом самовозрастающей светящейся массы, которая образует не только краски, но и звуки, не только растения, но и животных. Свет также связывает душу и тело, свет человеческого знания — ничтожно малая доля абсолютного божественного света.
Роджер Бэкон в «Письме о тайных делах искусства и природы и о ничтожестве магии» предвосхитил многие поздние открытия, полагая, что можно будет с невероятного расстояния читать мельчайшие буквы и пересчитывать пылинки и песчинки, допускал возможность построить машины, способные двигать самые большие корабли быстрее, чем целый отряд гребцов, не исключал возможность сделать аппарат, позволяющий летать по воздуху, подобно птицам. Бэкон в своих работах указывал три способа познания: вера в авторитет, рассуждение и опыт. Авторитет сам по себе совершенно недостаточен, если он не опирается на рассуждение. Но и рассуждение сможет достичь своей убедительности только тогда, когда оно опирается на опыт. Подведя итог, Бэкон дает такую обобщающую формулировку своего эмпиризма: «Опытная наука — владычица умозрительных наук». Так, благодаря трудам передовых мыслителей, начинает крепнуть отделение науки и философии (особенно натурфилософии) от теологии, подрываются устои схоластики, учения христианского западного мира, основанного на христианских истинах, изложенных в догмах.
Положительную роль в становлении науки сыграло средневековое учение о двойственной истине — возможность для одного и того же научного положения быть одновременно истинным или ложным, в зависимости от того, что лежит в его основе. Церковниками (теологами) делались попытки разрешить эту апорию утверждением, что нечто может быть истинным с философской, но ложным с теологической точки зрения. Под прикрытием именно этого учения было высказано много смелых мыслей, не согласующихся с догмами христианства.
Значительному прояснению формируемых новых и очищению старых античных научных понятий способствовал видный английский схоласт Уильям Оккам (ок. 1300-1349/50), резко выступавший против наводнения реального мира гипостазированными сущностями, т. е. боровшийся против наделения отвлеченных понятий, свойств, идей самостоятельным бытием, субстанциональными формами, скрытыми признаками и т. д. По Оккаму, существуют слова, которые не соответствуют какой-либо реально (самостоятельно) существующей вещи; таковы термины «точка», «мгновение», «неделимое». Также движение не есть нечто обладающее самостоятельной сущностью, реально существуют лишь движущиеся тела; точка не является составной частью линии, но представляет собой сокращенное обозначение того, что линия не простирается дальше и т. д. и т. п.
Общеизвестный лозунг Оккама гласил: «множественность никогда не следует вводить без нужды» или «сущности не следует умножать без необходимости» (принцип, получивший название «бритвы Оккама»). Словом, не потому боролся Сккам со схоластическими «сущностями» и «формами», что их много, а потому, что им не соотвествует никакая объективная реальность и они интерпретируются превратно, как некие самостоятельные сущности.
Итак, мы отмечаем, хотя и не все осветили, что в центре внимания креативной (творческой) деятельности мыслителей средневековья были физика, механика, теплота, оптика, космология, география, геометрия, алгебра, метеорология, минерология, вопросы относительности и абсолютности движения, природы сил, наличия или отсутствия центра Вселенной и др. В конечном итоге, ими был заложен фундамент для возникновения и развития в эпоху Возрождения идей Николая Коперника и Джордано Бруно, небесной механики Иоганна Кеплера, методов аналитической геометрии (в том числе, метода координат великого реформатора науки средневековья Рене Декарта) и др.
2.11. Эпоха Возрождения
Расцвет науки в Древней Греции с VI века до н. э. до первых веков н. э. сменился закатом и долгим, темным застоем научной мысли, длившимся почти полторы тысячи лет. В середине XV века в Европе начинается быстрый рост городов, появляется новый класс — буржуазия и начинается новый прогрессивный этап в развитии культуры, искусства и науки в целом и в естествознании, в частности. Этот период времени историки назвали в XIX столетии эпохой Возрождения. Среди великих людей эпохи Возрождения одним из первых следует назвать Леонардо да Винчи (1452-1519). Интересно перечислить спектр его занятий, в которых он оставил след: музыкант и художник, астроном, механик, геолог, ботаник, инженер, математик, физиолог — это все вместе могло сконцентрироваться только у гениального Леонардо да Винчи. Особо ценил да, Винчи математику и, как ни странно, относил ее частично к экспериментальной науке. Сам он сконструировал ряд приборов для математических построений — пропорциональный циркуль, прибор для вычерчивания параболы, прибор для построения параболического зеркала. Отметим вопросы механики, которые интересовали Леонардо да Винчи: законы падения тел на поверхности Земли, влияние трения на движение тел, вопрос сложения сил, определение центра тяжести тел. В частности, да Винчи знал, что тело, брошенное под углом к горизонту, летит по параболической траектории. Изучал да Винчи колебательное движение и был близок к современной трактовке резонанса. Занимался этот гениальный ученый и вопросом полета человека в воздухе. Он построил модель планера и изобрел парашют. Леонардо да Винчи независимо от Коперника приблизился к пониманию гелиоцентрической системы мира. В это время, начиная со II века н. э. господствовала геоцентрическая картина мира Птолемея (менее совершенная геоцентрическая система была разработана еще Евдоксом и Аристотелем в IV—III вв. до н. э.)
В эпоху Возрождения математические труды древних греков с энтузиазмом изучались в университетах Италии, в одном из которых великий поляк Николай Коперник (1473-1543 гг.) проникся верой в то, что явления природы можно описать с помощью гармоничного сочетания математических законов. Одна из основных черт гармонии — простота. Сложная теория эпициклов Птолемея с точки зрения Коперника не удовлетворяла требованиям гармонии. Известно, что еще в Древней Греции Пифагор и Аристарх Самос-ский выдвинули идею об обращении Земли вокруг Солнца. Но эта идея не стала общепринятой, а в течение многих столетий господствовала поддерживаемая церковью система Птолемея, в которой Земля является центром Вселенной.
Николай Коперник предложил простое построение, качественно хорошо объяснявшее наблюдаемые астрономические закономерности. Земля в системе Коперника, как и другие планеты, обращается по окружности вокруг Солнца и вращается вокруг своей оси. Коперник дал подробное описание гелиоцентрической системы в сочинении «О вращении небесных сфер», которое было опубликовано в год смерти Коперника после более чем десяти лет написания.
Теория Коперника, как и следовало, ожидать, встретила суровое осуждение церкви.
Была еще чисто астрономическая проблема в теории Коперника. Предсказания положения планет гелиоцентрическая теория давала с малой точностью, с ошибкой до 10 градусов (предсказания искусственной теории эпициклов Птолемея были в то время гораздо точнее).
Решающее усовершенствование теории Коперника произошло только через 50 лет. Часть его принадлежит великому немецкому астроному и математику Иоганну Кеплеру (1571-1630). В 1600 году Иоганн Кеплер стал ассистентом знаменитого датского астронома-наблюдателя Тихо Браге (1546-1601), который произвел основательный пересмотр астрономических данных с античных времен.
Получив в свое распоряжение данные многолетних наблюдений Тихо Браге (после смерти Тихо Браге в 1601 г. И. Кеплер стал его преемником при дворе короля Чехии Рудольфа II), Кеплер смог уточнить гелиоцентрическую картину Коперника, сформулировав свои знаменитые законы движения планет вокруг Солнца:
1-й закон — Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых движется Солнце;
2-й закон — Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, за равные промежутки времени описывает равные площади;
3-й закон — Квадраты периодов Ti обращения планет относятся как кубы больших полуосей эллиптических орбит ai, по которым движутся планеты.
Этот закон выражается простым математическим соотношением:
Именно законы Кеплера можно считать одним из важнейших оснований уже в Новое время для И. Ньютона в его открытии закона всемирного тяготения. В наши же дни гелиоцентрическую теорию и законы Кеплера мы воспринимаем как нечто бесспорное, нам трудно оценить по достоинству достижения Коперника и Кеплера. Коперник и Кеплер, будучи людьми глубоко религиозными, выбили у церкви один из краеугольных камней, двинув Землю и превратив ее в рядовую планету. Природа, причина движения планет, тем не менее, оставалась неясной этим великим ученым. (Например, сам Кеплер, стараясь найти разгадку этому феномену, полагал, что планеты по их орбитам движут ангелы).
Резюме
В целом именно достижения ученых Древней Греции сыграли огромную роль в становлении науки в Европе в эпоху Возрождения (Ренессанса). Можно считать, что, благодаря Аристотелю и Евклиду, Архимеду и Платону, Демокриту и Птолемею и многим другим, мы имеем в науке то, что имеем.
Учения древнегреческих ученых в области естествознания заложили фундамент, на котором, начиная с эпохи Возрождения, была построена сначала классическая, а затем, уже в XX веке, современная наука. Среди самых выдающихся достижений учений Древней Греции следует назвать геометрию Евклида и атомную гипотезу Демокрита, модели мира Аристарха Са-мосского, Гиппарха и Птолемея, научные и инженерные достижения Пифагора и Архимеда, логику Аристотеля, признание за математикой способности описать и объяснить этот мир.
Вопросы для обсуждения
1. Что характерно для натурфилософского понимания природы?
2. Укажите основные принципы атомистического учения древних греков.
3. Что представляет собой космологическая модель Вселенной Аристотеля?
4. Укажите основные идеи о первоэлементах или началах и их авторов.
5. Сформулируйте основные положения логики Аристотеля.
6. Когда появилось слово «физика» и что оно означало в древности и означает сейчас?
7. Дайте краткую характеристику физических и космологических представлений Аристотеля.
8. Каково значение геоцентрической системы мира, обоснованной Птолемеем?
9. Какое значение для естествознания сыграли апории Зе-нона?
10. В чем суть пифагорейской школы?
11. В чем проявляется сходство западной античной науки и древневосточной (китайской и индийской), а также их различие, разведшее западную и восточную цивилизации на тысячелетия?
12. Существуют ли параллели некоторых взглядов в восточной естественнонаучной философии и в современном естествознании?
3. Концепции и принципы классического физического – механистического и термодинамического естествознания
3.1. Объекты физического познания и структура физических наук
Как ясно из главы 2, естествознание выросло из античной натурфилософии, философии природы, рассматривающей ее как умозрительную целостность. В недрах натурфилософии, наряду с астрономией, наукой небес, зародилась и главная наука о природе — физика. Аристотель предвосхитил предмет физики в сочинении «Физика». «Физика, — писал он, — наука о природе и изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движения и, кроме того, начало такого рода бытия*. Это аристотелевское определение практически не расходится с современным определением физики как науки, изучающей простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности явлений природы, свойства и строение материи и законы ее движения. Поэтому понятия, принципы и законы физики фундаментальны, то есть основополагающие для всего естествознания. Физика относится к точным наукам и изучает количественные закономерности явлений. «Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира», — так писал Эйнштейн (мы, конечно, помним, что элементарные — это значит начальные, основные, фундаментальные).
В своей основе физика — экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем, представляют собой количественные соотношения (как правило, достаточно простые) и формулируются на том или ином математическом языке. Различают экспериментальную физику — опыты, проводимые для обнаружения новых фактов и для проверки известных физических законов, и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировке законов природы и в объяснении конкретных явлений на основе этих законов, а также в предсказании новых явлений. При изучении любого явления опыт и теория действуют в единстве, во взаимосвязи.
В соответствии с многообразием исследуемых физических объектов, уровней организации и форм движения физика подразделяется на ряд дисциплин (разделов), так или иначе связанных друг с другом. По изучаемым физическим объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, газов и жидкостей, твердого тела и плазмы. По критерию уровней организации материи — на физику микро-, макро- и мегамира. По критерию изучаемых процессов, явлений или форм движения (взаимодействия) различают механические, электромагнитные, квантовые и гравитационные явления, тепловые или термодинамические процессы, и соответствующие им области физики: механику, электродинамику, квантовую физику, теорию гравитации, термодинамику и статистическую физику. Указанные подразделения физики по отмеченным критериям частично перекрываются, вследствие глубокой внутренней взаимосвязи между объектами материального мира и процессами, в которых они участвуют. Современная физика содержит не такое уж большое количество фундаментальных теорий, охватывающих все разделы физики. Эти теории представляют собой квинтэссенцию (наиболее существенное; в буквальном смысле латинское слово Quinta essentia — пятая сущность, то есть добавление Аристотелем к четырем античным стихиям — воздуху, воде, огню, земле еще и пятой стихии, стихии небес — эфира) знаний о характере физических процессов и явлений, приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.
В нашу задачу в этом курсе входит только сжатый очерк развития с XVI века сначала механистических, затем физических концепций и освещение основных концептуальных понятий физических объектов, форм их движений и взаимодействий.
3.2. Концепции предклассического механистического естествознания
С середины XV века Европа вступает в период революционных цивилизационных (от лат. civilis — гражданский) преобразований. Изменяется все: экономические отношения, государственное устройство, культура, образовательная система и наука. В науке особо выделяется естествознание, развитию которого содействовали, как минимум, два обстоятельства. Во-первых, начавшаяся робко в средневековье ломка основ религиозного мышления и нарождение нового научного мышления получает мощную поддержку со стороны великих реформаторов естествознания, таких как Леонардо да Винчи, Николай Коперник, Теофраст Парацельс, Джордано Бруно, Фрэнсис Бэкон, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Рене Декарт, Пьер Ферма, Блез Паскаль, Роберт Гук, благодаря которым наука превращается в самостоятельный фактор духовной и культурной жизни, в реальную основу нарождающегося нового мировоззрения. Во-вторых, наряду с наблюдением и миросозерцанием, характерным для науки античного и раннего средневекового периодов, в науку внедряется эксперимент, который становится в ней ведущим методом исследования, радикально расширяя сферу познаваемой реальности и усиливая познавательную мощь естествознания. Господствующим методом мышления становится метафизика, так что этот период развития естествознания можно называть метафизическим, который уступит место диалектическому методу только в XIX столетии. Наибольшие успехи достигаются в области механики, завершенной и систематизированной в своих основаниях к концу XVII века, в результате чего решающее значение приобретает формирующаяся механистическая картина мира, ставшая на три столетия универсальной научной картиной мира. В ее рамках осуществлялись познания не только физических и химических, но также и биологических и антропологических явлений и событий. Идеалы механистического естествознания становятся основой теории познания и методологии науки. Возникают философские учения о человеческой природе, обществе и государстве, выступающие в XVI-XVIII веках как разделы общего учения о едином мировом механизме.
Галилео Галилей (1564-1642), итальянский гений, титан мысли и дела, родился в городе Пизе в знатной, но обедневшей семье. Кстати, бедность не дала ему возможность закончить Пизанский университет, в котором он изучал медицину, но, тем не менее, в 1589 г. он сумел получить в этом университете должность преподавателя математики (!), которую начал изучать самостоятельно с 1585. (До Галилея фактически самоучкой был Авиценна, после него будет Майкл Фарадей). Несколькими годами позже, в 1592, он перешел в Падуанский университет, где занял кафедру математики, которую до него годом раньше безуспешно пытался занять Джордано Бруно (как тесен мир!), и оставался на ней до 1610 года. Именно в эти годы он сделал большую часть своих научных открытий, но не в области математики, а в механике, физике и астрономии.
Все основные открытия Галилея изложены в его двух главных книгах — «Диалог о двух главнейших системах мира — птолемеевой и коперниковой» (1632) и «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению» (год издания — 1638). Последняя книга была написана «узником инквизиции», тогда уже старым, больным и полуслепым человеком, окончательно потерявшим зрение в 1637. В последней книге, имеющей непреходящую ценность для науки, новыми и притом универсальными оказались не только сами вопросы, но и методологические принципы их решения, которые с тех пор кладутся в основу любого научного исследования.
Появление «Бесед» можно считать концом периода «цитатной науки», опиравшейся на авторитеты Аристотеля и других канонизированных церковью мыслителей, на цитаты и их толкование, и началом современного естествознания. Именно поэтому, говоря о величайших творцах физики, по праву называют имена: Аристотель — Галилей — Ньютон — Эйнштейн. «Беседы» разбиты на «дни», каждый из которых посвящен специальному вопросу. Вот как начинает Галилей «день третий» (сравните с книгой «Бытие» Моисея, с первой ее главой!).
«Мы создаем совершенно новую науку, предмет которой является чрезвычайно старым. В природе нет ничего древнее движения, но именно относительно него философами написано весьма мало значительного. Поэтому я многократно изучал на опыте его особенности... до сего времени либо неизвестные, либо недоказанные... Говорят, что естественное движение падающего тяжелого тела есть движение ускоренное. Однако в какой мере нарастает ускорение, до сих пор не было указано... Было замечено также, что бросаемые тела или снаряды описывают некоторую кривую линию; но того, что линия является параболой, никто не указал».
Далее Галилей, ни разу не употребив на 600 страницах книги математических формул (через два века подобное совершит Майкл Фарадей, излагая законы электромагнетизма!), исследуя движение твердого тела, напишет: 1. «... скорости, приобретаемые одним и тем же телом при движении по наклонным плоскостям, равны между собой, если высоты этих наклонных плоскостей одинаковы». 2. «Если тело, выйдя из состояния покоя, падает равномерно ускоренно, то расстояния, проходимые им за определенные промежутки времени, относятся между собой, как квадраты времени». (Между прочим, широко распространяемая легенда о том, что Галилей проводил свои эксперименты, бросая тела с Башни знаний в Пизе, не соответствует действительности, но она жива и будет жить еще многие века). Для проверки своих доводов Галилей создает расчетную модель — предполагает, что у падающего тела скорость меняется либо пропорционально времени, либо пропорционально квадрату времени, т. е. феноменологически ставится вопрос не почему тело падает, а как падает! Впервые в истории науки ставится эксперимент, который должен проверить расчетную модель. Целенаправленный эксперимент есть то, что Галилей ввел в качестве неотъемлемого элемента научного исследования. Последующие рассуждения привели его к открытию закона инерции, одного из главнейших законов природы, и того, что возможно движение в отсутствии действия каких-либо сил.
Важным и непреходящим является также то, что Галилей учил и научил, во-первых, не доверять кажущимся очевидностям. Во-вторых, он писал (как завещание): «Философия написана в величайшей книге, которая постоянно открыта нашим глазам (я говорю о Вселенной); но нельзя ее понять, не научившись прежде понимать ее язык и различать знаки, которыми она написана. Написана же она языком математическим, и знаки ее суть треугольники, круги и другие математические фигуры, без которых человеку невозможно понять ни одного содержащегося в ней слова». Здесь — зерно метода математического естествознания.
Читая эту книгу, которая, по сути, была энциклопедией физики начала XVII века, можно только поражаться разносторонности интересов Галилея, его пытливости, его наблюдательности, обилию полученных результатов. Здесь излагается метод определения скорости света, объясняется явление резонанса, указывается на одинаковый период качаний паникадила в церкви, что положит начало основам теории колебаний, и т. д. Он услышал в 1609 г. об изобретении в Голландии прибора, который позднее будет назван телескопом, и этого для него достаточно, чтобы из органной трубы и двух линз самому построить «зрительную трубу». Это позволило ему открыть горы на Луне, пятна на Солнце (хотя сделал эти открытия далеко не первым из людей, вспомните китайцев), фазы Венеры, спутники Юпитера.
Опровергая аргументы Птолемея и Аристотеля, высказанные ими против вращения Земли, путем разбора множества механических явлений, Галилей приходит к открытиям закона инерции и механического принципа относительности.
Эти конкретные и хорошо известные достижения Галилея затеняют другое, не менее важное, научное наследие Галилея — научную методологию исследований природных явлений. Галилей сумел практически реализовать экспериментальный метод, придав ему современные черты (создание модели реального процесса, абстрагирование (отвлечение) от несущественных факторов, неоднократное повторение опыта и т. д.). Галилей возобновил математический подход Архимеда к исследованию явлений природы, провозгласив, что «книга природы написана на языке математики, ее буквами служат треугольники, окружности и другие геометрические фигуры...».
Было бы несправедливо не вспомнить еще об одном великом предшественнике И. Ньютона — выдающемся французском философе и математике Р. Декарте. Рене Декарт (1596-1650 гг.) был авторитетнейшим ученым для естествоиспытателей XVII века. Для Декарта весь физический мир представлял собой огромную машину, функционирующую по определенным, объективным законам, открыть которые человечество способно путем математических рассуждений. Декарт считал, что только математика обеспечивает надежный путь к истине. Он заявлял, что «не приемлет и не надеется найти в физике каких-либо принципов, отличных от тех, которые существуют в Геометрии или абстрактной Математике, потому что они позволяют объяснить все явления природы и привести доказательства, не оставляющие сомнений». С точки зрения Декарта, реальный мир подвластен математическому описанию. По его мнению, наиболее глубокими и надежными свойствами материи являются форма, протяженность в пространстве и движение в пространстве и времени.
Восхваляя математический метод в познании реального мира, Декарт удивительно мало написал работ по математике, а точнее, только одно небольшое, но великое произведение — «Геометрию», в которой заложил основы аналитической геометрии, являющейся в настоящее время необходимым инструментом при математической формулировке многих физических задач.
Резюме
1) Важнейшим моментом в подготовке научной революции XVI—XVII вв., приведшей к рождению нового естествознания, было изменение взглядов на состояние Земли во Вселенной — переход от геоцентрической картины мира к гелиоцентрической.
2) Законы движения планет, сформулированные И. Кеплером, послужили фундаментом для закона всемирного тяготения.
3) Закон инерции, сформулированный Галилео Галилеем, положил конец физике Аристотеля — это с одной стороны, и послужил толчком, с другой стороны, развития физической мысли в направлении, приведшем к специальной и общей теории от носительности Эйнштейна в XX столетии.
3.3. Ньютоновы принципы классического механистического естествознания
Исаак Ньютон (1642-1727), величайший ученый всех времен и народов, английский физик, механик, астроном и математик, в 1687 году издал свое классическое произведение, главный труд своей жизни — «Математические начала натуральной философии». «Начала», вершина научного творчества Ньютона, состоят из 3-х частей: в первых двух частях речь идет о движении тел, механике тел, в которых формулируются, постулируются три знаменитых закона динамики Ньютона, а последняя часть сочинения посвящена системе мира (космологии), в которой обосновывается вывод и даны приложения знаменитейшего закона всемирного тяготения Ньютона.
Начать надо с фундаментальных физических определений и понятий, положивших начало классического естествознания, поскольку здесь мы имеем общий образец, которому следовали ученые последующих поколений при построении теорий. Так вот, Ньютон, прежде всего, определяет свойства объекта, который является предметом изучения — это некоторая масса (тело), и место, и время, в которое он (объект) изучается.
Итак, слово Исааку Ньютону из его «Начал»:
«1) Количество материи (масса) есть мера таковой, устанавливаемая пропорционально плотности и объему ее.
2) Количество движения есть мера такового, устанавливаемая пропорционально скорости и массе.
3) Приложенная сила есть действие, производимое над телом, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения.
Время, пространство, место и движение составляют понятия общеизвестные.
а) Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и по своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью.
б) Абсолютное пространство по самой своей сущности, без относительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным.
в) Место есть часть пространства, занимаемая телом и, по отношению к пространству, бывает или абсолютным, или относительным.
г) Абсолютное движение есть перемещение тела из одного его абсолютного места в другое».
И далее то, как постулированы три фундаментальные закона движения, носящие имя Ньютона:
«I. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние.
II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует.
III. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе — взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противопоожные стороны».
Четвертым законом в «Началах» Ньютона стал закон всемирного тяготения. Анализируя законы Кеплера, Ньютон пришел к заключению, что между небесными телами действует сила притяжения, обратно пропорциональная квадрату расстояния между телами. Высказав предположение, что силы тяготения имеют всеобщий (всемирный) характер и что эти силы пропорциональны массам взаимодействующих тел, Ньютон установил закон, олицетворяющий первую теорию тяготения (гравитации):
Ньютону принадлежит доказательство того, что закон всемирного тяготения вместе с первым и вторым законами динамики достаточны для описания движения тел на поверхности и вблизи поверхности Земли. Законы движения и закон всемирного тяготения Ньютона принадлежат к числу фундаментальных физических принципов, и, подобно аксиомам Евклида в геометрии, они служат логической основой для получения других частных физических законов.
Итак, основное содержание или основные идеи классической механики таковы:
A) есть тела, которые следует наделить свойством массы;
Б) массы притягиваются друг к другу (закон всемирного тяготения);
B) тела могут сохранять свое состояние — покоиться или двигаться равномерно, не меняя своего направления движения (закон инерции, он же принцип относительности);
Г) при действии на тела сил они изменяют свое состояние: либо ускоряются, либо замедляются (второй закон динамики Ньютона);
Д) действие сил вызывает обратное равное ему противодействие (третий закон Ньютона).
Ньютону также принадлежит честь (вместе с немецким математиком Готфридом Лейбницем) создания великолепной математической теории — дифференциального и интегрального исчислений, лежащих в основании классического естествознания. Эта математическая теория стала одной из самых «используемых» теорий всеми учеными, работающими не только в области естествознания, но и в технических и в социально-экономических науках.
В XVIII-XIX веках знаменитыми математиками — швейцарцем (проработавшим большую часть своей жизни в России, а потому признаваемым как русский ученый) Леонардо Эйлером, французами Луи Лагранжем (1736-1813 гг.), Пьером Симоном Лапласом (1749-1827 гг.) и ирландцем Уильямом Роаном Гамильтоном (1805-1865 гг.), механике Ньютона были приданы изящные, математически строгие формы. Этих форм две, и их принято называть лагранжева и гамилътонова формы (часто это также характеризуют словами лагранжев и гамильтонов формализм). Они, эти великие математики, в этом нет никакого сомнения, завершили построение здания под названием классическая механика.
Теперь можно сформулировать основные научные положения механистической ньютоново-картезианской парадигмы или механистической картины мира, которые составляют, вместе с тем, основные принципы и закономерности классического механистического естествознания:
? мир состоит из массивных (материальных) объектов конечных объемов (размеров), видимые контуры которых являются их физическими границами;
? эти объекты движутся в пустом трехмерном евклидовом пространстве, евклидовыми также являются линии (траектории) их движения — прямые, окружности, эллипсы, параболы, спирали и другие линии;
? время — четвертая координата пространственно-временного континуума, независимая от пространственных координат;
? три закона динамики Ньютона управляют движениями (траекториями) материальных (наделенных массой или масссивных) объектов, заполняющих пространственно-временной континуум;
? поле тяготения (гравитация) распространяется в пространственно-временном континууме с бесконечной скоростью и никак не затрагивает течения времени;
? линейный характер ньютоновой динамики означает, что интенсивность следствия в мире механических явлений прямо пропорциональна интенсивности причины (так называемый лапласовский детерминизм).
Указанные фундаментальные положения классического формализма могут быть дополнены следующими эвристическими (методологическими) выводами:
1. Природных возможностей человеческого разума вполне достаточно для того, чтобы понять (выразить) мир механических явлений в понятиях и теориях.
2. Изучение мира механических явлений и процессов не оказывает существенного влияния на их течение.
3. Теоретический расчет движения реальных массивных объектов можно сделать сколь угодно точно, задавая экспериментальные так называемые начальные условия в какой-либо точке пространственно-временного континуума (начальные значения пространственных координат и скорости объекта в какой-либо его точке).
4. Уравнения динамики обратимы во времени, т. е. для них безразлично, куда развивается процесс из настоящего времени — в будущее или прошлое.
5. Точный численный расчет движений массивных объектов позволяет эффективно изменять и преобразовывать его по своему усмотрению.
Итак, именно эти перечисленные выше концептуальные положения и выводы, именуемые как ньютоново-картезианская (Картезий — латинизированное имя Декарта) парадигма, являются методологической основой классического механистического и физического естествознания. Вместе с лапласовским детерминизмом ньютоново-картезианская парадигма создала основу классического естествознаний и всей классической науки, господствующих в мышлении людей с XVIII века, а во многих случаях, и до сих пор, хотя время их уже давно прошло.
Ключевые слова классического механистического этапа науки: абсолютное пространство, абсолютное время, масса, инерция, динамические законы Ньютона, лапласовский детерминизм, лагранжев формализм, гамилътонов формализм, объективность, абсолютная предсказуемость событий будущего.
Резюме
1. Классическая механика дала четкие ориентиры в понимании фундаментальных категорий — пространства, времени и движения материи.
2. Законы классической механики с большой точностью (но все же приближенно) отражают истинные законы природы. До сих пор с помощью законов, сформулированных И. Ньютоном, производится, например, расчет траекторий искусственных спутников Земли. Пределы применимости классических законов механики устанавливаются в другой теории, возникшей в XX веке — в специальной теории относительности Эйнштейна.
3. Формирование классической физики, начатое в XVII веке работами Галилея, завершилось в XIX веке созданием Дж. Максвеллом теории электромагнитного поля, положившему начало в XX веке новому этапу в науке — неклассическому.
Невообразимо широк спектр использования этой теории в науке, технике, быту.
3.4. Энергия, теплота, закон сохранения энергии и первое начало (принцип) термодинамики
Создание классической физики, начатое и осуществленное Галилеем и Ньютоном в XVII-XVIII веках, получило логическое завершение только в конце XIX века. Параллельно с развитием механики, в XVIII веке разрабатываются представления о тепле. Так, один из разделов в тепле — термометрия, получил развитие в начале XVIII века благодаря работам Реомюра, Цельсия, Фаренгейта.
Наибольшее распространение получила система (шкала) измерения температур по Цельсию, отправными реперами в которой послужили температуры замерзания и парообразования воды, принятые Цельсием за 0 и 100 градусов. Познание явлений, связанных с теплом, привело не только к новой ветви классического физического естествознания — термодинамической, но и позволило ввести и по-новому осмыслить ее такие ключевые понятия как теплота, энергия и их взаимосвязь.
Из всех физических терминов и понятий, пожалуй, самым известным является энергия (от греч. energia — деятельность). Это слово прочно вошло в обиход всех людей, и, естественно, употребляя слово «энергия», большинство не знает, что энергия является одним из самых фундаментальных понятий в физике и что с энергией связаны свойства пространства-времени. Среди множества законов природы своей универсальностью выделяются законы сохранения. Среди них один из самых фундаментальных законов — закон сохранения энергии. Как установили ученые, сохранение энергии связано с однородностью времени, что можно упрощенно и образно представить как неизменность темпа времени в разные моменты его течения.
Открытие закона сохранения энергии связывают с именами нескольких ученых, а именно, считают, что Р. Май-ер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц, Э. Ленц сформулировали закон сохранения и превращения энергии. Открытию закона сохранения и превращения энергии способствовали экспериментальные и теоретические работы в области тепловых процессов, физиологии и самой физики, что, в конечном итоге, привело к созданию науки, получившей название термодинамика. Одной из таких великих работ является труд французского физика и инженера Сади Карно (1796-1832 гг.) «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу». Работа Карно и явилась началом термодинамики, предложенный им термодинамический способ решения задач используется и в современной физике. В своей работе Карно практически дал формулировку закона сохранения энергии, используя понятие тепло: «Тепло не что иное, как движущая сила, вернее, движение, изменившее свой вид; это движение частиц тела.» Движущая сила существует в природе в неизменном количестве; она, собственно говоря, никогда не создается и не уничтожается.»». С этого момента времени тепло, теплота, тепловая энергия становятся предметом пристального внимания и изучения учеными многих специальностей — физиков, химиков, врачей и т. д.
Физиология того времени также отказывается от таинственных жизненных сил и пытается описать жизненные процессы естественным образом. В 1840 г. петербургский академик Герман Гесс формулирует положение о сохранении количества теплоты, выделяющейся при химических реакциях независимо от способов перехода, если только физическое состояние веществ не изменяется. Это положение означало, что химики уже практически подошли к открытию закона сохранения энергии.
К середине XIX века наука стояла на пороге открытия закона сохранения энергии. Английский физик Джеймс Джоуль (1818-1889) в 1841 г., а российский академик физик и электротехник Эмилий Ленц (1804-1865 гг.) в 1842 г., изучая тепловое действие электрического тока, открывают независимо друг от друга закон о количестве выделяющегося тепла, который получил впоследствии имя Джоуля-Ленца. Более того, хотя Ленц не сформулировал, как таковой, закон сохранения энергии, он неявно этот закон использовал в своих исследованиях. В 1845 г. немецкий врач и ученый Роберт Майер (1814-1878 гг.) написал работу, в которой подробно исследовал различные виды сил (энергий): механическую силу, силу падения (не до конца осознавая, что она является некоторым видом потенциальной энергии), теплоту, электричество, химическую силу. Он составил таблицу всех рассмотренных сил и описал 25 случаев перехода одной формы движения (силы, энергии) в другую, анализируя их на основе закона сохранения. (Кстати, Р. Майер высказал фундаментальную гипотезу о том, что основным источником энергии на Земле является Солнце. С его точки зрения, любое растение является химической лабораторией, в которой происходит преобразование солнечной энергии в химическую. Это явление, получившее название фотосинтеза, было успешно изучено российским ученым Климентием Тимирязевым).
В 1851 г. Майер пишет работу «Замечания о механическом эквиваленте теплоты», в которой, в частности, защищает свой приоритет перед Джоулем в открытии закона сохранения и превращения энергии. Дело в том, что Джоуль, параллельно с Р. Майером и выдающимся немецким ученым-энциклопедистом Германом Гельмгольцем, работал над законом сохранения энергии в экспериментальном плане. Многочисленные опыты Джоуля показали, что механическая энергия превращается в теплоту, и определили механический эквивалент теплоты. Из работ Джоуля следовало, что теплота не является веществом, что она состоит в движении частиц. И в этом месте повествования об энергии поставим простой, даже примитивный вопрос: Что это такое — энергия? Такого же простого ответа дать невозможно.
Энергия существует во всевозможных формах. Есть энергия, связанная с движением (кинетическая энергия); энергия, связанная с гравитационным взаимодействием (энергия тяготения); тепловая, электрическая и световая энергии; энергия упругости в пружинах, химическая энергия, ядерная энергия и, наконец, энергия, которой обладает частица (всякое тело) в силу своего существования -эта энергия пропорциональна массе и рассчитывается по знаменитой формуле Эйнштейна Е = тс2 (формула возникла в механике специальной теории относительности Эйнштейна, см п. 4.1).
Итак, существует много видов энергии, и ученые выяснили достаточное количество информации об их взаимосвязи. Например, сейчас мы знаем, что тепловая энергия тела это есть, по сути, кинетическая энергия хаотического движения частиц в теле. Упругая энергия и химическая энергия имеют одинаковое происхождение -электромагнитное взаимодействие между атомами и молекулами. Очевидно, с каждым из четырех видов фундаментальных взаимодействий (гравитационным, электромагнитным, слабым и сильным) можно связать соответствующую энергию, но, вероятно, энергетические соотношения являются даже более универсальными, чем взаимодействия. Эйнштейн считал, что гравитация порождается энергией, в силу того, что энергия эквивалентна массе, а масса ответственна за гравитацию (будет изложено в пп. 4.1 и 4.4). Более того, сильное (оно же ядерное) взаимодействие имеет обменный характер, и, опосредованно, через массы виртуальных частиц, энергия «проникает» и в сильное взаимодействие. Поразительно другое: мы знаем множество разных видов энергии, очевидно, много еще не знаем, но абсолютно уверены в том, что эта величина (энергия) при различных процессах и превращениях в точности сохраняется.
Сравним закон сохранения энергии с законом сохранения электрического заряда. Закон сохранения заряда — наиболее простой и наиболее понятный закон сохранения. Дело в том, что в природе существует минимально возможный (дискретный, квантованный, если угодно) заряд, он равен заряду электрона. Поэтому, если в некоторой системе до взаимодействия был известен суммарный заряд (т. е. число этих минимальных «кирпичиков» заряда), то в процессе взаимодействия сохранение заряда системы просто означает неизменность числа этих «кирпичиков». Для энергии таких «кирпичиков» не существует, но, тем не менее, мы уверены, что во всех мыслимых и немыслимых процессах энергия сохраняется.
Интересный пример использования закона сохранения энергии, даже правильней будет сказать, пример мощи закона сохранения энергии, демонстрирует реакция распада нейтрона на протон, электрон и нейтрино. Сначала думали, что нейтрон превращается в протон и электрон. Но когда измерили энергию всех частиц, оказалось, что энергия протона и электрона меньше энергии нейтрона. Даже великий Нильс Бор засомневался тогда в точном выполнении закона сохранения энергии и предположил, что этот закон сохранения выполняется только в среднем, статистически. Но оказалось правильным другое объяснение. Энергии не совпадают потому, что при реакциях возникает еще какая-то частица (позднее она была названа великим итальянским физиком Энрико Ферми нейтрино), которая и уносит с собой часть энергии. Предположение это высказал австрийский физик Вольфганг Паули и тем самым «спас» закон сохранения энергии.
Вот что говорил о законе сохранения энергии выдающийся американский физик, нобелевский лауреат Ричард Фейнман: «Сохранение энергии — несколько более сложный вопрос: хотя и здесь у нас есть число, которое не меняется со временем, число это не соответствует никакому определенному предмету...».
В самом начале этого параграфа мы сказали, что закон сохранения энергии связан с однородностью времени. Рассмотрим подробнее связь законов сохранения с симметрией пространства-времени. Простейший пример симметрии пространства — симметрия относительно параллельного переноса, сдвига, трансляции. Интересное свойство природы заключается в том, что какое-либо явление, протекающее в определенной точке пространства, будет происходить точно так же в другой точке пространства, куда мы переместим все атрибуты параллельным сдвигом. В частности, из неизменности физических законов при параллельных сдвигах в пространстве следует закон сохранения импульса системы.
Закон сохранения энергии следует из неизменности физических законов при параллельных сдвигах во времени (общее математическое доказательство существования ряда законов сохранения в механике было дано в 1918 г. выдающейся немкой Эмми Нетер). Опыт, проведенный сто лет назад и сейчас, при абсолютно точном повторении условий тогдашнего опыта, должен был бы дать абсолютно одинаковый результат, в этом и заключается симметричность физических законов относительно временных сдвигов. Но нужно помнить, что и сто лет, и тысяча лет - это малая доля времени на фоне космологического времени, отсчитываемого от так называемого Большого Взрыва (от момента возникновения Вселенной, см. п. 4.4 и главу 5). Может быть, симметрия относительно временных сдвигов нарушается, если сдвиги эти были бы большими (например, была бы возможность сравнить идентичные опыты с интервалом времени в 1 млрд. лет, но тогда и человека-то просто еще не было), или если бы эти сдвиги наблюдались бы вблизи «большого взрыва». Оба варианта не осуществимы для проверки, поэтому говорить о нарушениях закона сохранения энергии в связи с неоднородностью времени мы не можем.
Итак, всеобщим законом природы является закон сохранения энергии. Его называют еще первым началом термодинамики. Этот закон подтвержден бесчисленными наблюдениями и опытами как напрямую, так и через разнообразные его следствия.
Виды энергии многообразны. В механике мы знаем два вида энергии — кинетическую и потенциальную. Кинетическая — это энергия движения, потенциальная — энергия положения. В более широком смысле потенциальной называют и энергию состояния. Например, физическая смесь водорода и кислорода обладает потенциальной химической энергией (когда они образуют в результате реакции новое химическое соединение — воду), в сжатой пружине содержится потенциальная упругая энергия и т. д.
Для дальнейшего рассмотрения возможностей образования структур из природных элементов (элементарных частиц, атомов, молекул, планет, звезд, галактик и т. д.), будет существенно понятие об энергии связи в какой-либо механической или физической системе. Ей называют величину, на которую, например, уменьшится энергия системы Земля + метеорит после падения метеорита (Тунгусского или Сихотэ-Алинского), из-за выделившегося тепла, механического разрушения горных пород и тела метеорита и т. д. С энергией связи мы сталкиваемся постоянно, изучая природу. Так, в недрах Солнца, как полагает современная астрофизика и физика термоядерного синтеза, осуществляется (если говорить упрощенно) слияние ядер атомов водорода с образованием ядер гелия и выделением огромной энергии связи в виде кинетической энергии продуктов термоядерной реакции, которая рассеивается в окружающей среде в виде тепла и излучения. В автомобильном двигателе водород и углерод бензина связываются с кислородом — выделяется и превращается в тепло опять энергия связи (в данном случае — химической).
Чем прочнее связь, тем больше выделяется энергии при ее образовании и тем больше, соответственно, потребуется затратить энергии, чтобы эту связь снова разорвать. Образование любых структур всегда связано с выделением и рассеянием энергии связи, то есть всегда связано с диссипацией (рассеянием), общим понижением качества энергии.
Кстати, прежде чем образоваться углерод-кислородным и водород-кислородным связям при сжигании топлива, должны быть разорваны связи между углеродными и водородными атомами в углеводородах бензина, а также между атомами кислорода в его молекуле, на что нужно затрачивать энергию. Но межатомные углеродные и водородные связи в молекулах топлива и связи в молекуле кислорода намного слабее кислородных связей в продуктах сгорания, и затраты гораздо меньше выигрыша. Энергия, затрачиваемая на разрыв связей в компонентах горючей смеси (и на сближение освободившихся атомов с атомами кислорода), называется энергией активации и черпается из теплового движения молекул. Поджигание смеси искрой — это сообщение молекулам необходимой первоначальной энергии активации. Дальше горение поддерживается уже за счет тепла, выделяемого в его процессе. Если бы не необходимость в энергии активации, вещества, способные связываться с выделением энергии (например, органика в земной кислородной атмосфере), вообще не могли бы существовать в соседстве друг с другом.
В урановых ядерных реакторах, с помощью которых уже сейчас производят примерно 15% электроэнергии в мире, источником энергии служит деление ядер урана. Но, тем не менее, выделяется опять-таки энергия связи: во фрагментах разделившегося ядра урана нуклоны связаны прочнее, чем в исходном ядре, и разница энергий связи и переходит в кинетическую энергию продуктов деления, а затем в тепло.
Водород — основной элемент Вселенной, и синтез гелия из него — основной, первичный, источник энергии для всех наблюдаемых нами процессов. Все наши земные горючие ископаемые и кислород атмосферы — это продукт воздействия на Землю энергии Солнца, которая обусловлена синтезом гелия из водорода. Излучение Солнца разрывает химические связи и запускает сложные цепочки реакций, которые приводят к накоплению потенциальной химической энергии их продуктов.
Резюме
Энергия — физическая характеристика, введенная когда-то учеными, определяет потенциальную возможность системы совершить механическую работу. Это понятие оказалось, наверное, одним из самых важных потому, что все процессы как в живой, так и в неживой природе невозможно описать без этого понятия. Без энергии невозможно существование жизни. Вопрос, связанный с механизмами использования и добычи энергии, относится к энергетике. В процессе жизнедеятельности, в том числе, и при решении энергетических проблем, человечество столкнулось с вопросами несовместимости человеческих потребностей и природных возможностей. Это сложнейшая экологическая проблема современности!
Вопросы для обсуждения
1) Энергия — важнейшая физическая характеристика.
Виды энергии — механическая, тепловая, электромагнитная, гравитационная, ядерная.
2) Закон сохранения энергии и однородность времени.
3) Проблемы энергетики.
Существующие в настоящее время источники энергии: химическая энергия сгорания топлива (газ, нефть, уголь); механическая энергия воды и ветра (гидроэлектростанции и ветровые электростанции); солнечная энергия излучения (солнечные батареи); ядерная энергия (АЭС); в будущем: термоядерная энергия синтеза («горячий» и «холодный» ядерный синтез).
4) Проблемы экологии, связанные с энергетикой.
3.5. Понятие качества энергии, энтропия, второе начало (принцип) термодинамики и принцип минимума производства энтропии
В приведенных выше примерах, во всех реакциях, высвобождающих энергию связи, эта энергия переходит в конечном итоге в теплоту (и отчасти в излучение — в ту его часть, которая уходит в космическое пространство, где она тоже имеет шанс превратиться-таки в тепло). Так что же такое теплота? Теплота — это, по существу, то же, что и кинетическая энергия, но это энергия неупорядоченного, хаотического движения частиц (молекул газа, например). Из наблюдений известно, что переход всех видов энергии в тепло — это наиболее распространенный процесс и в природе и в технике. Так, например, трение присутствует везде, и оно превращает упорядоченное движение тел в хаотическое движение составляющих их молекул, нагревая трущиеся поверхности. При работе любых электрических машин, при передаче электрической энергии по проводам часть ее всегда превращается в тепло.
Переход механической, химической или иной энергии в тепло — необратим. Любой из этих видов энергии рано или поздно самопроизвольно и полностью переходит в тепло. Хаотическое же движение молекул уже нельзя даже с помощью специальных ухищрений полностью преобразовать в какую-либо полезную, связанную с упорядоченным движением, работу, такую как, например, подъем груза на некоторую высоту. Качество энергии понижается в результате перехода ее в тепло.
Из приведенных рассуждений может быть дано определение понятия полезная работа. В термодинамическом смысле полезной следует называть такую произведенную над некоторой системой работу, результатом которой является увеличение порядка в этой системе.
Тепло образуется в большинстве процессов неравномерно, окружающие нас тела нагреты по-разному. Количественная мера степени нагретости тела, которая пропорциональна средней величине кинетической энергии составляющих его молекул, называется температурой. Из определения ясно, что эта температура (которую называют еще термодинамической температурой и измеряют во внесистемных единицах — Кельвинах) не может быть отрицательной и ее минимальное значение — 0. В классическом приближении, без учета квантовых эффектов (см. п. 4.3), существенных при низких и сверхнизких температурах, она соответствует нулевой кинетической энергии беспорядочного движения молекул, и в реальных процессах, последовательными приближениями, достигнута быть не может.
При контакте тел с разной температурой происходит переток тепла от горячего тела к холодному до полного выравнивания температур. При этом, хотя полный запас энергии сохраняется, качество ее понижается. Известно еще со времен Карно, что, имея горячий нагреватель и холодильник, можно построить такую машину, которая позволит часть избыточной (по сравнению с холодильником) тепловой энергии нагревателя перевести в полезную работу, причем эта часть тем меньше, чем меньше разность температур. После выравнивания температур этого сделать уже нельзя. Качество энергии становится ниже. Различие температур разных тел — это тоже элемент упорядоченности, выравнивание температур эту упорядоченность уничтожает.
Переход потенциальной и кинетической энергии упорядоченного движения или расположения в тепло, а затем выравнивание температур — это переход системы из состояния менее вероятного в состояние более вероятное. Такие процессы протекают самопроизвольно при отсутствии внешних воздействий на систему.
Вот эту направленность всех самопроизвольно протекающих процессов в сторону увеличения вероятности состояния системы и понижения качества энергии — их необратимость — и называют иногда вторым началом термодинамики. Второе начало термодинамики в различных формулировках было дано еще до появления понятия энтропии, о котором будет сказано ниже. Формулировки второго начала (для краткости опуская слово «термодинамики» здесь и в дальнейшем, как это принято в физической литературе) относились первоначально к изолированным системам.
Так, немецкий физик, один из основателей термодинамики, Рудольф Клаузиус (1822-1888 гг.), утверждал, что «теплота не может переходить сама собой от более холодного тела к более теплому». Его английский коллега Уильям Томсон (барон Кельвин) сформулировал принцип Карно и дал такое толкование второго начала: «невозможно существование такой тепловой машины, которая производила бы путем охлаждения моря или земли механическую работу в любом количестве, вплоть до исчерпания теплоты суши и моря». (Дополнительные уточнения формулировок и сути второго начала термодинамики сделаем после введения понятия энтропия.)
Обратные процессы, переводящие систему из более вероятного состояния в менее вероятное, самопроизвольно не протекают. Такие процессы могут быть возможны только при определенном, специфически организованном подводе энергии из какого-либо внешнего источника. С такими процессами человек познакомился с изобретением паровой машины — первой машины, для преобразования хаотического движения в организованное — именно, тепла в работу. Как уже упоминалось, Карно доказал, что такое преобразование не может быть полным — часть тепловой энергии обязательно должна быть диссияирована, рассеяна (отдана холодильнику). Отсюда следует еще такой кельвинский вариант формулировки второго начала термодинамики: невозможен процесс, единственным результатом которого было бы поглощение теплоты от нагревателя и полное преобразование этой теплоты в работу.
Итак, второе начало термодинамики позволяет разделить все процессы на естественные — переход работы в тепло, самопроизвольный переток тепла от горячего тела к холодному — и на противоестественные.
Далее мы рассмотрим достаточно сложные в естествознании понятия энтропии, энтальпии, негэнтропии, свободной энергии, характеризующие тепловые или термодинамические процессы, процессы обмена энергией, веществом в больших природных системах, отнеся вопросы энергетики в живых системах в раздел о концепциях и принципах биологического естествознания, (глава 9). Знание таких понятий и процессов необходимы для понимания явлений химического и биологического типов, характеризующихся, практически на всех стадиях своего развития, самоорганизацией и эволюцией. В некоторых случаях мы будем употреблять для иллюстрации формулы, которые нет необходимости запоминать.
Понятие энтропии (от греч. еп — в, внутри + trope — поворот, превращение) как меры внутренней неупорядоченности системы было введено Клаузиусом следующим
образом: 
где приращение энтропии системы 
связано с увеличением количества тепла 
получаемого системой, а сам переход системы из одного состояния в другое происходит обратимым образом, Т — температура системы.
Любой самопроизвольно протекающий в замкнутой изолированной системе процесс должен увеличивать эту величину. Рассмотрим, например, как будет меняться эта величина при выравнивании температур в неравномерно нагретом теле. При этом процессе некоторое количество тепла перейдет от горячей части к холодной — одна часть теряет (рассеивает), а другая приобретает одно и то же количество тепла. Энергия системы не изменится, но горячая часть системы потеряет тепло при большей температуре Т1, чем холодная при температуре Т2 ее приобретет, и, значит, потеря энтропии горячей частью будет меньшей, чем ее увеличение в холодной — энтропия всей системы возрастет: 
Энтропия кажется, и не без оснований, весьма загадочной и непривычной характеристикой состояния термодинамической системы, но на самом деле она несколько иная характеристика системы, чем энергия, и столь же полноправная. Если энергия — это мера некоторой потенциальной возможности системы совершить полезную работу, то есть упорядоченное действие, то энтропия — это мера качества энергии, то есть реальной способности ее произвести работу без привлечения внешнего воздействия. Энтропия возрастает при рассеянии энергии, при возрастании неупорядоченности системы, при возрастании хаоса.
Статистическое определение энтропии было дано впервые австрийским физиком Людвигом Больцманом (1844-1906 гг.). Он связал энтропию системы с вероятностью макроскопического состояния системы 
, где k — так называемая постоянная Больцмана, равная отношению универсальной газовой постоянной R к числу Авогадро NA. Величина W представляет собой число способов, которыми можно осуществить (создать, организовать) данную систему, и эта величина определяет вероятность реального ее осуществления (организации). Любая упорядоченность, возникающая в системе, ограничивает число ее возможных конфигураций, уменьшает вероятность ее существования в таком виде и энтропию. Перемешивание, пространственное выравнивание концентраций увеличивает число вариантов взаиморасположений конкретных молекул, обеспечивающих данную конфигурацию, а увеличение температуры или выравнивание ее увеличивает число вариантов распределения энергии между частицами системы (молекулами), обеспечивающих данную среднюю энергию.
Обратимся теперь, кратко, к понятиям замкнутых систем (которые могут обмениваться с окружающей средой энергией, но не веществом) и открытых систем (могут обмениваться и энергией и веществом), чтобы завершить формулирование еще некоторых понятий термодинамики.
Для замкнутых систем, находящихся в условиях постоянства температуры и объема, закон возрастания энтропии переходит в закон уменьшения свободной энергии F Гельмгольца, которая определяется равной следующей величине F = E—TS, где Е — полная энергия.
В случае же постоянных температур и давления, закон возрастания энтропии переходит в закон убывания свободной энергии Гиббса Ф: Ф = Н—TS, где Н — так называемая энтальпия (от греч. enthalpo — нагреваю), функция независимых переменных — давления и энтропии, однозначно определяющая состояние физической системы. Энтальпия иначе также называется термодинамическим потенциалом.
Для открытых систем переходят к локальной формулировке второго начала термодинамики. Тогда общее изменение энтропии открытой системы DS представляют в виде суммы двух слагаемых: 
, где 
— изменение энтропии, обусловленное внутренними (internal) процессами в системе; 
— изменение энтропии системы, обусловленное внешними (external) причинами — контактом со средой. Скорость изменения энтропии 
отнесенная к единице объема системы, называется производством энтропии s.
Локальная формулировка второго начала утверждает, что производство энтропии всегда положительно. На более сильном утверждении о минимуме производства энтропии, Илья Пригожин основал теорию диссипативных структур, одну из современных теорий самоорганизации, наряду с синергетикой, теорией катастроф, автопоэзиса, теорией сложности и др.
Эрвин Шредингер, один из основателей квантовой механики и квантового естествознания, занявшийся впоследствии проблемой жизни, установил, что живые организмы отдают энтропию внешней среде, т. е. тем самым поддерживают свой гомеостаз за счет поглощения отрицательной энтропии — негэнтропии, как ее назвал французский физик Леон Бриллюэн.
Второе начало термодинамики как утверждение в формулировке Клаузиуса — необратимые процессы в изолированных системах всегда идут с возрастанием энтропии — сообщает нам о том, что все самопроизвольно протекающие процессы в замкнутой (изолированной) системе ведут к увеличению беспорядка, к возрастанию хаоса и к снижению качества энергии. То есть самопроизвольно протекающие процессы ведут к разрушению всех структур и затуханию всех процессов (которые тоже можно трактовать как «структуры», но не в пространстве, а во времени).
Поскольку Вселенную в целом мы должны рассматривать как изолированную систему (по отношении к ней нет никакой «внешней среды»), то наш мир должен непрерывно деградировать. Наблюдения говорят, что так и происходит: основные источники высокотемпературной (достаточно высокого качества) тепловой энергии непрерывно ее рассеивают и, в конце-концов, остывают, то есть выравнивают свою температуру с температурой межгалактической среды (которая равна в настоящее время приблизительно 2,73 К — это температура так называемого реликтового излучения (см. главу 6)). Если бы Вселенная существовала вечно, она давно уже была бы мертвой. Однако она жива, и даже более того, мы видим, что сложность ее все увеличивается, во всяком случае, сложность увеличивается в нашей маленькой области ее — на нашей планете Земля.
В свое время Клаузиус высказал идею о неизбежной тепловой смерти Вселенной, чем весьма шокировал своих современников. А раз у Вселенной неизбежен конец, значит, должно было быть и начало. Против этого тогда восстали материалисты, ибо они не могли представить себе начало иначе, как в виде акта божественного творения, причем творения Вселенной сразу такой, какая она есть сейчас, точнее, даже более сложной, дифференцированной (ведь по Клаузи-усу, все может только выравниваться и упрощаться). Поэтому они говорили уклончиво: второе начало термодинамики, конечно, верно в нашей части Вселенной, где температуры выравниваются, а энергия рассеивается, но, очевидно, во всей бесконечной Вселенной это не так.
Сейчас мы знаем, что начало нашего мира, Вселенной, точнее, Метагалактики, по-видимому, действительно было, пусть достаточно загадочное (гипотеза Большого взрыва), но вполне материалистическое, и об этом будет рассказано в главе 6.
Понятие энтропии используется также в разрешении проблемы жизни, в которой оперируют ее отрицательными величинами, так называемой негэнтропией, в теории информации, в которой она характеризует меру неопределенности ситуации, в теориях самоорганизации, таких как синергетика, диссипативные структуры и др.
Резюме и вопросы для обсуждения
1) Формулировка понятий энтропии и второго начала термодинамики в середине XIX века привела к двум проблемам, вошедшим в число центральных для всей науки и нерешенных в полном объеме до сих пор.
2) Первая проблема, практически незатронутая в этом пункте, — это проблема обратимости во времени уравнений механики, вступающей в противоречие для неравновесных систем с временной необратимостью происходящих в них процессов.
3) Вторая проблема связана с противоречием между вторым началом и прогрессивной эволюцией в сторону упорядочения, усложнения.
4) Эта проблема искусственна и возникла, скорее всего, из-за непонимания природы энтропии во всей ее глубине. Оказалось, что энтропия не может служить мерой сложности и что эволюция в сторону усложнения вообще не противоречит эволюции в сторону возрастания энтропии. Полуторавековое обсуждение этой проблемы способствовало более глубокому осмыслению понятия энтропия.
5) И последнее обсуждение этой проблемы в свое время стимулировало создание синергетики, поднявшей теорию самоорганизации на новый уровень.
4. Концепции и принципы неклассического - полевого, квантового и квантово-полевого физического естествознания
4.1. Электромагнитное поле фарадея-Максвелла, электромагнитное взаимодействие и принципы специальной теории относительности - теории пространства-времени Эйнштейна и Минковского
Классическая физика и соответствующее ей классическое естествознание завершились созданием термодинамики. На очереди стояли учения об электричестве и магнетизме, которые, казалось, должны были получить понимание в рамках традиционного классического мировоззрения. Однако этому не суждено было сбыться. Познание тайн электромагнетизма привело к началу нового этапа в физике, во всем естествознании и во всей науке — привело к этапу неклассической рациональности.
Новая рациональность начиналась еще в недрах классической рациональности фактически так. В XVIII веке французом Шарлем Кулоном (1736-1806) был открыт знаменитый закон взаимодействия точечных электрических зарядов — закон Кулона: 
, где q1, q2 — электрические заряды, r — расстояние между зарядами, k — коэффициент пропорциональности, определяемый выбором единиц измерения величин зарядов и расстояния. Закон Кулона, как видим, фактически совпадает, по виду и форме, с законом всемирного тяготения Ньютона, и это позволяло физикам многие годы думать, что электрическое взаимодействие сводимо к гравитационному тяготению. Но это было кажущееся совпадение. Экспериментальные исследования Гальвани (1737-1798) и Вольта (1745-1827) показали тесную связь электрических, химических (и даже биологических) явлений. Вопрос об отношении электричества и магнетизма оставался запутанным до открытия Эрстеда (1777-1851) в 1820 году, когда он случайно, в ходе лекционного демонстрационного эксперимента, обнаружил влияние, оказываемое электрическим током, пропускаемым по проволоке, на компас, оказавшийся вблизи от проволоки. С 1820 года интенсивной разработкой первой теории электромагнетизма — электродинамики, занялся французский ученый Ампер (1775-1836). Теория Ампера была создана по образу и духу «Начал» Ньютона, что позволило англичанину Джеймсу Максвеллу назвать французского ученого «Ньютоном электричества». Созданная Ампером электродинамика, основанная на представлении о мгновенной передаче электромагнитных взаимодействий (т. е. с бесконечной скоростью), должна быть отнесена к теориям типа теорий дальнодействия.
Однако последовательную, единственно признаваемую и сегодня, теорию электромагнитных явлений удалось построить лишь самому Максвеллу, который отказался от представления о дальнодействии й взял за основу в электромагнетизме идею о поле, выдвинутую впервые великим физиком-экспериментатором Майклом Фарадеем (1791-1867), который благодаря своим опытам доказал также тождественность различных видов электричества. Установленные Фарадеем законы электролиза доказывали выдающийся факт природы — дискретность электрического заряда. Начиная с 30-х годов XIX столетия, у Фарадея, под влиянием проводимых им экспериментов, начинает формироваться идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. По мнению А. Эйнштейна, идея поля была самым важным открытием не только в физике, но во всей классической науке, со времен Ньютона (Эйнштейн тогда еще не подозревал, что электромагнетизм, эксперименты Фарадея и теория Максвелла дали начало новому этапу науки — неклассическому).
Ученым, который осознал глубину и оригинальность представлений Фарадея о поле на примере электромагнитного поля, стал именно Джеймс Максвелл (1831-1867). В 1865 году Максвелл опубликовал свою основополагающую работу «Динамическая теория электромагнитного поля», в которой он вывел математические уравнения теории поля — уравнения Максвелла. Одним из самых поразительных выводов электромагнитной теории Максвелла было указание на возможность распространения электромагнитных волн со скоростью света. Вывод Максвелла о том, что свет — электромагнитные волны, по праву считается вершиной его исследований в области электромагнетизма. Электромагнитная теория волн и поля позволяет наилучшим образом объяснить все явления, связанные со светом.
Специальная теория относительности. Есть одно замечательное явление в природе, которое сопровождает человека практически непрерывно да и, вероятно, обуславливает существование самого человека — это свет. Важное место в проблеме света занимал вопрос о его скорости, который не смогли прояснить ученые ни в античные, ни в средние века. Но вот Авиценна, например, полагал, что эта скорость хотя и весьма велика, но ограничена. Первую известную, но безуспешную попытку измерения скорости света сделал еще великий Галилей. Первое же успешное измерение скорости распространения света было проведено датским астрономом О. Ремером в 1676 году, использовавшим для этого экспериментальный факт запаздывания затмений спутников Юпитера, которое он объяснял конечностью скорости распространения света. В XIX веке некоторые физики развивали теорию эфира с целью объяснения природы распространения света в пространстве. Одновременно с этим проводились эксперименты по все более точному определению скорости света. В 1881 году американский ученый Альберт Майкелъсон (1852-1931) вместе с помощником Мор-ли, с помощью сконструированного ими интерферометра, определили скорость света с точностью до восьмого знака (т. е. с точностью до нескольких м/с, и это-то при величине скорости света около 300 000 тыс. км/с). У Майкельсо-на была определенная цель: подтвердить существование постулированного еще в античные времена эфира и обнаружить «эфирный ветер», следствием которого было бы различие в скорости света в разных направлениях по отношению к скорости движения Земли по околосолнечной орбите. Результат оказался отрицательным, под таким названием он известен в науке — отрицательный результат опыта Майкелъсона.
Из опытов Майкельсона следовало, что для света не выполняется принцип сложения скоростей классической механики (вот это и есть первое противоречие канонам классической физики, в XX столетии их, этих противоречий, последует еще несколько), скорость света не зависит от скорости движения источника света. Например, согласно классической механике, скорость света от звезды, измеряемая по ходу движения Земли, должна быть 300030 км/с, а всегда получается 300000 км/с. Т. е. «с» плюс или минус «v», все равно получим «с»!
Разрешить эту, на первый взгляд, неразрешимую проблему смог в 1905 году великий немецкий физик Альберт Эйнштейн, создавший для этого специальную теорию относительности (СТО) или так называемую релятивистскую механику, заменившую для быстрых, околосветовых скоростей классическую механику. В основу новой теории движения и пространства-времени Эйнштейном были положены два постулата:
1. Релятивистский принцип относительности — в любых инерциальных системах все физические процессы — механические, оптические, электрические и другие — протекают одинаково, или, в формулировке русского советского физика Владимира Фока, явления природы не зависят от неускоренного движения.
2. Принцип постоянства скорости света — скорость света в вакууме не зависит от скоростей движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах отсчета. Иногда этот принцип интерпретируют как принцип существования предельной скорости распространения (например, В. Фок).
Позднее, в 1908 г., в теорию Эйнштейна внедрилась идея немецкого математика, выходца из России, Германа Минковского о том, что весь наш мир представляет собой четырехмерный пространственно-временной континуум событий. Иначе, такой континуум следует понимать как сплошное четырехмерное пространство-время мировых точек событий, в геометрическом представлении (описании) которого три измерения (размерности) ответственны за пространство и одно измерение (размерность) — за время. При таком выборе описания мировых событий частице, любому объекту соответствует так называемая мировая линия. Точки этой линии определяют координаты частицы во все моменты времени. Так, например, равномерно и прямолинейно движущейся материальной частице соответствует прямая мировая линия. Среди основных следствий СТО можно выделить такие:
а) продольные размеры движущегося тела всегда меньше размеров покоящегося;
б) движущиеся часы идут медленнее покоящихся часов (время замедляется);
в) события, одновременные в одной системе отсчета, никогда не будут одновременными в какой-либо другой системе;
г) одновременность — понятие относительное (имен но анализ понятия одновременности привел Эйнштейна к созданию СТО);
д) масса движущегося тела всегда больше массы покоящегося тела.
Новый вид и новую сущность приобретает теорема сложения скоростей V1 и V2; если в ньютоновой механике ее вид был V = V1 + V2, то в эйнштейновой он таков: 
Видно, что если подставить в эту формулу самые предельные скорости с, то V будет равно с! Во всех остальных случаях 
Таким образом, в этой новой теории пространства и времени утрачивают свою физическую абсолютность: традиционное евклидово (пифагорейское) расстояние, ньютоново время, ньютонова масса, ее импульс, энергия (но законы сохранения этих величин не нарушаются!). Большинство отмеченных физических характеристик объектов оказываются чувствительны к отношению скорости их движения v к скорости света с — отношению v/c, так что все наблюдаемые и регистрируемые новые эффекты, называемые релятивистскими, возникают при приближении этого отношения к 1. Оказалось, что ничто материальное, т. е имеющее массу, не может достичь скорости света! В эйнштейновой релятивистской механике появилась самая знаменитая формула в мире, кстати, высеченная на надгробии Альберту Эйнштейну в Принстоне. Это формула для энергии массы т, известная практически всякому грамотному человеку, а именно, Е = тс2. Это вовсе не энергия движения массы т, поскольку, повторим, никакая масса не может достичь скорости света с, это некая запасенная энергия этой массой, характеризующая ее потенциальные энергетические возможности. При определенных условиях эта энергия вся, без остатка, может превратиться в энергию излучения либо кванта электромагнитного поля Е = hn, либо кванта какого-то другого поля (см. п. 4.4). Такие возможности возникают при реакции аннигиляции любых частиц и античастиц, например, при лобовом столкновении электрона и позитрона.
Рассмотренная эйнштейнова формула энергии парадоксальна (или противоречива) тем, что масса т в ней умножается на квадрат скорости света с, скорости, которой она сама никогда достичь не может! Поскольку скорость света есть предельная, универсальная скорость в мировом пространстве (во Вселенной), то очевидно, что и сама масса есть проявление (следствие) универсальных свойств мирового пространства и времени, так что ни масса, ни пространство, ни время не отделимы одно от другого и третьего, ни от одной из своих трехгранных сущностей. Их объединяющая фундаментальная взаимосвязь, их своеобразное родство, единство их общей природы качественно проявляется уже в СТО, что, кстати, до нас не отметил пока никто из интерпретаторов СТО. Эйнштейн доказал их физическую взаимосвязь математически, т. е. количественно, в общей теории относительности. Концептуальные положения этой теории будут рассмотрены подробно в п. 4.2, а ее космологические и космогонические следствия и структура Вселенной — в главе 6.
Основной, фундаментальный смысл СТО (как его определяет отечественный академик Анатолий Логунов) состоит в том, что все явления (физические, химические, биологические и пр.) протекают в четырехмерном пространстве-времени, геометрия которого псевдоевклидова. Псевдоевклидовой принято часто называть геометрию Минковского, в которой квадрат расстояния между двумя мировыми точками (он называется интервал) на какой-либо плоскости, например, с координатами ct и х, определяется не суммой их квадратов, как в геометрии Евклида, а их разностью. В дополнение существующих неевклидовых геометрий Лобачевского и Римана (о них читайте в п. 4.2), геометрия Минковского стала еще одной, вновь созданной человеческим гением геометрией, которую физики стали использовать для познания явлений; и структуры природы.
Ценность и фундаментальность специальной теории относительности заключается в неограниченно глубоком влиянии СТО на физическое мировоззрение. В дальнейшем приведенные в соответствие со специальной теорией относительности физические теории стали называться релятивистскими. Например, есть классическая механика движущихся и покоящихся тел, и есть релятивистская механика этих тел, нерелятивистская и релятивистская квантовая механика и т. д.
Резюме
Специальная теория относительности Эйнштейна внесла революционные изменения в ряд фундаментальных понятий прежней классической физики: пространства, времени, размера (протяженности) тел, массы. Оказалось, что время не является абсолютной величиной, оно зависит от системы отсчета, более того, пространственные координаты неразрывно связаны со временем, образуя пространственно-временное многообразие. Как показал Минковский, геометрия этого пространства-времени очень похожа на евклидову, но, в силу различия знаков перед квадратами пространственных координат и времени в выражении — аналоге теоремы Пифагора, эта геометрия называется неевклидовой. Продольные размеры движущегося тела всегда меньше покоящегося. Движущиеся часы идут медленнее покоящихся часов. События, одновременные в одной системе отсчета, никогда не будут одновременными в любой другой системе. Одновременность — понятие относительное. Масса движущегося тела всегда больше массы покоя.
4.2. Поле всемирного тяготения, гравитационное взаимодействие и постулаты общей теории относительности Эйнштейна - теории пространства, времени, материи, тяготения и движения
О движении планет и тяготении. Следующая ветвь физического естествознания, приведшая к формированию новых идей неклассической рациональности — теория тяготения, получившая первоначальное развитие в работах самого Ньютона, основателя классической рациональности. Одно из наиважнейших физических взаимодействий — тяготение, оказывается напрямую связано с тайнами «звездного неба», которые пытливый человеческий ум хотел разгадать с древних времен. «Небеса» — Вселенная, ее структура, ее целостное мироздание, космос как общность всего мира — вот постоянная забота творческого человека. Вспомним первые модели мира (см. главу 2). Не повторяя уже сказанного, отметим, что согласно мифологическим представлениям разных народов, например, древних египтян, Вселенная имеет вид большой долины, вытянутой с севера на юг, а в центре ее находится Египет. Византийский философ Козьма Индикоплевст (Индикоп-лов) в «Христианской топографии», созданной в 535 г. и получившей распротранение в Древней Руси, писал, что Вселенная представляет собой «ящик», небесный свод которого поддерживается четырьмя стенами, а внутри, со всех сторон окруженная океаном, находится Земля с огромной горой. Хорошо известно, что один из самых выдающихся древнегреческих мыслителей Гераклит Эфесский еще в V в. до н. э. провидчески полагал иначе: «Мир, единый из всего, не создан никем из богов и никем из людей, а был, есть и будет вечно живым огнем, закономерно воспламеняющимся и закономерно угасающим...» Примеры мифов и догадок разных школ и эпох можно множить и множить.
Первую математическую систему (теорию) строения мира — Вселенной, объясняющую движение планет (звезды казались неподвижными), как уже упоминалось в п. 2.1, создал греческий астроном, математик и философ Евдокс Книдский (400-347 гг. до н. э.). Уместно также напомнить, что представление о равномерном круговом движении небесных тел (планет), самом совершенном из всех возможных движений, как тогда считалось, поддерживали величайшие мыслители античности Платон и Аристотель. Почти две тысячи лет, со II в. н. э., в античной и средневековой науке просуществовала геоцентрическая модель мира Птолемея, основанная на идеях Евдокса, Каллипа, Платона, Аристотеля, Эратосфена, Аполлония Пергского и Гиппарха. Но два ключевых концептуальных положения этой картины были ошибочными — первое, Евдокса, что Земля занимает центральное положение среди известных небесных тел, и второе, Аристотеля, о том, что тела свободно падают тем быстрее, чем больше их вес. О том, что причина этому явлению -тяготение, никто тогда из мыслителей не знал, не говорил и так не думал. Первое положение основывалось на предубеждении об исключительном положении Земли в мироздании, второе — на убеждении в непререкаемую правоту Аристотеля; каждое положение казалось незыблемым, но по прошествии многих веков, они были все-таки опровергнуты, что лишний раз подтверждает тезис Карла Поп-пера о прогрессе науки в результате исключения фальшивых гипотез. В ошибочности идеи Аристотеля о характере падения тел первым аргументированно стал сомневаться грек Иоанн Филопон из Александрии в VI в., позднее — англичанин Томас Брадвардин (ок. 1290-1349) из Оксфорда, француз Жан Буридан (ок. 1300-1360). Окончательно эту идею опроверг Галилей, осуществив первый в истории науки эксперимент, наблюдая падение различных тел с Пизанской башни.
Положение же о геоцентирической модели птолемеевой картины мироздания было опровергнуто лишь Николаем Коперником в XVI веке. В его книге «Об обращениях небесных сфер» (1543 г.) была изложена новая система мира, которая в дальнейшем получила название коперни-ковой или гелиоцентрической. Солнце («центральный огонь» в пифагорейской и др. идеологиях) в этой модели заняло центральное положение среди известных планет, законы движения которых были несколько позднее, в начале XVII в., открыты Иоганном Кеплером на основе обработки крупных массивов эмпирических наблюдений астрономов за предшествующие века, среди которых особое место занимали астрономические наблюдения датского астронома Тихо де Браге за планетой Марс. Природа движения планет, да и всех других небесных тел, состояла в тяготении всех масс друг к другу, как это впервые показал Исаак Ньютон. Ньютонов постулат тяготения состоял в прямой пропорциональности силы тяготения величинам тяготеющих масс, т. е. произведению масс, и обратной квадратичной пропорциональности расстояния между ними. Закону этому самим Ньютоном была придана всемировая общность, в результате чего он получил название закона всемирного тяготения. Это один из самых известных людям всемирных законов природы (такую же беспрецедентную известность имеет закон взаимодействующих электрических зарядов Шарля Кулона). Вместе с тем так в естествознание впервые проникло представление о взаимодействии, порождающем или даже заменяющим силу, — представление о тяготении. Это взаимодействие давно принято называть гравитационным, и, как мы знаем сейчас, оно наислабейшее из всех известных на сегодня взаимодействий, но, не в пример другим, имеет неограниченный радиус действия и, как оказалось, по природе, самое сложное из них.
Ньютоновское тяготение поистине универсально (от лат. universum — «мир как целое», «все сущее», Вселенная и universalis — общий, всеобщий). Оно положило конец взглядам древних греков и идеям средневековья о принципиальном отличии законов природы на Земле и на небе. Но непонятой и непонятной оставалась природа самого тяготения, действующего через пустоту. Это отчетливо понимал и сам Ньютон. В связи с этим почти всегда цитируют часть следующего отрывка из письма Ньютона от 25 февраля 1693 г. д-ру Бентли: «Непостижимо, — пишет Ньютон, — чтобы неодушевленная, грубая материя могла без посредства чего-либо нематериального действовать и влиять на другую материю без взаимного соприкосновения, как это должно бы происходить, если бы тяготение в смысле Эпикура было существенным и врожденным в материи. Предполагать, что тяготение является существенным, неразрывным и врожденным свойством материи, так что тело может действовать на другое на любом расстоянии в пустом пространстве, без посредства чего-либо передавая действие и силу, — это, по-моему, такой абсурд, который немыслим ни для кого, умеющего достаточно разбираться в философских предметах. Тяготение должно вызываться деятелем, постоянно действующим по определенным законам. Является ли, однако, этот деятель материальным или нематериальным, решать это я представил моим читателям».
В этом состояло и состоит своеобразное завещание Ньютона и своим современникам и последующим поколениям потомков, в данном случае нам. Пока мы эту задачу в полной мере не решили, но определенные достижения, благодаря великим математикам Николаю Лобачевскому (1793-1860), Бернхарду Риману (1826-1886) и физику Альберту Эйнштейну, имеем.
О неевклидовых геометриях Лобачевского и Римана. Во все предыдущие века математики и физики углубленно размышляли над проблемой геометрии физического пространства и связи его с природой физических явлений. На протяжении более чем двух тысяч лет в науке, прежде всего в математике, господствовала геометрия Евклида (? ок. 330 - ? ок. 272), и, одновременно, она же первая теория физического пространства. Но одна из аксиом геометрии Евклида — аксиома о параллельных прямых, она же трактуется также как V (пятый) постулат Евклида, беспокоила многих математиков своей, в отличие от других аксиом, сложностью формулировки.
Сам Евклид Александрийский, живший и творивший в царствование Птолемеев I и II, туманно сформулировал этот постулат: «Если прямая, падающая на две прямые, образует внутренние и по одну стороны углы меньше двух прямых, то продолженные неограниченно эти две прямые встретятся с той стороны, где углы меньше двух прямых». Несколько позднее в передаче античного философа Про-кла этот постулат звучал определеннее: «Если прямая пересекает одну из двух параллельных прямых, то она пересекает и вторую прямую», но математик Дж. Плейфер (1748-1819), выразил постулат еще проще, придав ему знаменитый школьный вариант: «Через данную точку можно провести лишь одну параллельную прямую к данной прямой».
Начиная с античных времен, многие математики делали тщетные попытки доказать или опровергнуть аксиому о параллельных прямых. Наиболее выдающимся среди математиков, размышлявшим над этой проблемой, был Карл Фридрих Гаусс (1777-1855). В 1813 году Гаусс разрабатывал свой вариант неевклидовой геометрии, но так и не опубликовал ни одной работы, связанной с разрешением этой проблемы, хотя, как отмечают историки математики, ответ он знал, но парадоксальностью этого ответа боялся подорвать свой авторитет великого математика. Слава создателя неевклидовой геометрии принадлежит великому русскому математику Николаю Лобачевскому. Венгерский математик Янош Больяи (1802-1860) разработал свои идеи по неевклидовой геометрии независимо от Лобачевского и несколько позднее.
Лобачевский первым доказал в 1826 г., что аксиома Евклида о параллельных прямых не может быть непротиворечиво согласована с остальными аксиомами евклидовой геометрии, так называемыми аксиомами сочетания, порядка, движения и непрерывности.
Отвергнув аксиому Евклида о параллельных прямых, Лобачевский ввел свою аксиому параллельности, в которой допустил, что через точку, лежащую вне заданной прямой, можно провести не одну, а по крайней мере две (в принципе бесконечное количество) прямых, не пересекающих данную прямую. Это бесконечное множество прямых линий, проходящих через эту точку, ограничено двумя прямыми, которые и считаются параллельными данной прямой. На основе этого допущения Лобачевский построил неевклидовую геометрию, в которой много необычных с точки зрения приверженцев геометрии Евклида выводов. Так, например, математики Ф. Клейн и А. Пуанкаре показали, что за плоскость Лобачевского может быть принята внутренность круга, а за пространство -внутренность шара, тогда как еще несколько раньше, в 1876 г., итальянский математик Э. Бельтрами показал, что геометрии Лобачевского соответствует псевдосфера. Прямыми, согласно Пуанкаре, в этих моделях считаются дуги окружностей, перпендикулярные окружности данного круга. Модель Пуанкаре замечательна тем, что в ней углы Лобачевского изображаются обычными углами. Аналитическое определение геометрии Лобачевского состоит в том, что это есть геометрия пространства постоянной отрицательной кривизны (типа поверхности седла, устанавливаемого на круп лошади). Как следствие этого, сумма углов треугольника в геометрии Лобачевского всегда меньше 180° и стремится к 180° с уменьшением площади треугольника (т. е. сумма углов треугольника в геометрии Лобачевского пропорциональна площади треугольника!). В этой геометрии нет подобных и неконгруэнтных (неравных) треугольников; треугольники равны, если их углы равны, и т. д.
Образ пространства Лобачевского можно условно выразить, представив себе гору неограниченной высоты с идеальными склонами по всей долготе и с гладкой вершиной. С этой вершины тело может соскользнуть вниз по бесконечному числу путей, и ни один из этих путей не пересечется, так что мы имеем в этом случае бесконечное число параллельных (непересекающихся) линий движения.
Одно из важнейших следствий неевклидовой геометрии Лобачевского состоит также в том, что она способна описывать свойства физического пространства ничуть не в меньшей, если не в большей мере, и, возможно, даже более точно, чем евклидова геометрия. Например, много позднее в теории тяготения было показано, что если считать распределение масс во Вселенной равномерным, то физическое пространство такой Вселенной имеет геометрию Лобачевского, Необходимость и достаточность евклидовой геометрии как геометрии физического пространства ниоткуда не следует и никем никогда не была доказана; истинность той или иной геометрии может быть установлена только опытным путем (это ясно понимал сам Лобачевский, стремясь найти эмпирические основания своей геометрии).
Проблема выбора геометрии, наиболее соответствующей реальному физическому пространетву, исследовалась в дальнейшем, уже после Лобачевского, самым великим из учеников Гаусса, Бернхардом Риманом. Риман первым поставил вопрос: что нам достоверно известно о пространстве? Одна из целей Римана состояла в доказательстве того, что аксиомы Евклида являются эмпирическими, а не очевидными истинами. Риман избрал аналитический подход, поскольку геометрические доказательства не свободны от' чувственного опыта, «здравого смысла», способного привести к ошибочным заключениям.
Риман, в результате продолжительных поисков адекватного описания свойств физического пространства, пришел к мысли, что описание пространства должно быть локальным (от лат. localis — местный), ибо свойства пространства могут изменяться от точки к точке (от места к месту). Квадрат расстояния ds между двумя бесконечно-близкими точками в пространстве (в котором введена система координат x1, х2, х3) может быть представлен в виде некоторой двойной суммы по индексам i и к = 1, 2, 3: 
где 
— так называемый метрический тензор, по сути, это некоторая квадратная таблица, ее называют матрица, состоящая в данном случае из 9 = 3 х 3 компонентов (элементов), каждый из которых есть определенная функция пространственных координат x1х2 х3.
Таким образом, компоненты метрического тензора характеризуют локальные (местные) свойства пространства. В принципе, вышеприведенная формула есть не что иное, как обобщение на трехмерный случай известной всем теоремы Пифагора, справедливой в своей знакомой форме в евклидовой геометрии в виде: 
В этом частном случае компоненты матрицы метрического тензора равны 0 и 1. Единицы расположены на диагонали матрицы (число этих компонентов матрицы — 3), 0 расположены вне диагонали, и число их равно 6.
В любой геометрии существенное положение занимает вопрос о прямых или кратчайших линиях, соединяющих какие-либо две точки пространства. Так вот, в римановой геометрии, являющейся в простейшем случае геометрией двумерной сферы в трехмерном евклидовом пространстве, с отождествленными диаметрально противоположными точками, прямыми являются большие круги сферы. В результате любые две прямые пересекаются, плоскость не разделяет пространства, само пространство имеет положительную постоянную кривизну (у Лобачевского — постоянную отрицательную) и т. д.
Риман высказал гениальное предположение, что свойства физического пространства должны зависеть от происходящих в нем физических явлений. В дальнейшем эту идею Римана поддержал ирландский математик Уильям Клиффорд (1854-1879). Клиффорд высказал частное предположение, что гравитационные эффекты, возможно, обусловлены кривизной пространства. Гипотезы Римана и Клиффорда дождались своего часа только в XX веке, с появлением общей теории относительности Эйнштейна. Что же предопределило, в конечном итоге, необходимость в новой теории пространства и тяготения?
Принцип эквивалентности Эйнштейна. 10 лет упорной работы (с 1905 по 1915 гг.) понадобилось Эйнштейну, чтобы появилось одно из самых выдающихся научных творений человечества — общая теория относительности (ОТО) или теория тяготения Эйнштейна, которая связала тяготение и массу (как физические явления) с геометрией пространства и времени, обусловила их совместное сосуществование.
Краеугольный камень теории был заложен в 1907 г., когда Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности инертной и тяготеющей масс. Принцип этот есть дальнейшее современное развитие утверждения Галилея (ничто в науке не делается без предшественников!) о том, что в гравитационном поле все тела независимо от их массы приобретают одинаковые ускорения (но не так, как полагал об этом Аристотель). В мысленном эксперименте Эйнштейн обратил внимание, что наблюдатель, находящийся в закрытой (без окон) кабине, не в состоянии отличить влияние тяготения от эффектов ускоренного движения. В неподвижной кабине на Земле и в ней же, движущейся в свободном космическом пространстве, например, в ракете, с ускорением, равным земному ускорению падения, все предметы совершенно одинаково ускоряются по направлению к полу кабины. Значит, эффекты гравитации и ускоренного движения неразличимые Почему? С чем связывать природу такой неразличимости, тождественности?
Представим, и это есть второй мысленный эксперимент Эйнштейна, что мы находимся теперь в закрытом (снова без окон) лифте. Если трос лифта вдруг оборвется, то и сам лифт, и все предметы в нем, и наблюдатель, в том числе, начнут свободно и все с одинаковым ускорением падать под действием поля тяготения Земли. Наблюдатель не будет в этом случае чувствовать давления на пол лифта, т. е. не будет чувствовать своего веса, испытывая ощущение невесомости. Никакие эксперименты, проводимые в лифте, не позволят наблюдателю определить, падает ли он вместе с лифтом или свободно парит в космическом пространстве вдали от поля тяготения Земли (здесь мы имеем дело с обобщением принципа относительности на ускоренные системы). Из этого эксперимента Эйнштейн установил эквивалентность тяготения ускоренно движущимся системам отсчета — эффекты тяготения можно создавать или устранять, выбирая подходящие системы отсчета. В таком падающем лифте справедливы законы механики, а это значит, что ускоренные тела представляют собой локальные инерциальные системы отсчета (локальными считаются как ограниченный в размерах лифт, так и его ограниченное местоположение в пространстве). Тем самым Эйнштейн распространил концепцию инерциальной системы на все свободно падающие системы отсчета и отказался от их отождествления с абсолютным ньютоновым пространством (вот здесь-то и не понадобились пространства неевклидовых геометрий). Кроме того, Эйнштейн уточнил концепцию локальной системы и принципа эквивалентности, полагая, что они справедливы только в достаточно малых областях пространства, где силу тяжести можно считать постоянной (как это имеет место вблизи поверхности Земли).
Следствия принципа эквивалентности: отклонение лучей света и красное смещение. Возможны поразительные наблюдаемые следствия мысленных экспериментов Эйнштейна, составляющие концептуальные основы современных представлений о пространстве, времени и тяготении.
Если эффекты тяготения и ускоренного движения неразличимы, то лучи света должны отклоняться гравитационным полем, а свет, испускаемый тяготеющей массой (звездой), должен испытывать так называемое красное смещение, свет же, падающий на тяготеющую массу, будет испытывать фиолетовое смещение. Снова мысленно вернемся в падающий лифт. Поскольку в нем действует невесомость, т. е. нет проявления сил, то любое движение, согласно принципу Галилея, сохраняет в нем свое состояние, например, полет горизонтально брошенного поперек падения тела совершается горизонтально (прямолинейно). Это же справедливо и по отношению к лучу света. Однако наблюдается другая траектория полета луча, искривленная, как у снаряда, выпущенного из пушки, если смотреть на это извне. Действительно, любой объект с точки зрения внешнего наблюдателя участвует сразу в двух движениях: в горизонтальном и вертикальном, что ведет, как впервые еще установил Галилей, к параболической траектории. Как бы не было мало отклонение светового луча из-за колоссальной скорости его распространения, принципиально оно должно быть, и причина тому — принцип эквивалентности. Таким образом, лучи света, проходя вблизи массивных тел (звезд, Солнца), должны отклоняться от первоначального направления распространения.
Теперь с позиций принципа эквивалентности рассудим о доплеровском эффекте для светового луча, испущенного из области с мощным гравитационным полем (например, испущенного звездой). Пусть в падающем лифте свет был направлен вверх. Тогда внешний наблюдатель, смотрящий вслед удаляющемуся лифту (фактически вслед удаляющемуся источнику света), будет регистрировать как бы растяжение волны, ее удлинение, т. е. сдвиг в сторону красной части спектра, что называется красным смещением. И, напротив, если направить луч в падающем лифте вниз и смотреть навстречу лучу, то частота принятого луча света возрастет (волна сожмется, как пружина под действием сжимающей ее продольной силы) и свет испытает для наблюдателя фиолетовое смещение.
Тяготение как следствие искривленного пространства-времени. Общая теория относительности. Согласно общей теории относительности, свойства пространства-времени обусловлены находящейся в ней материей, что проявляется в наличии кривизны пространства-времени. Чем больше массы тел, тем более искривлено пространство вокруг. И, наверное, один из самых интересных выводов ОТО заключается именно в том, что не существует каких-то особых сил тяготения, над природой которых безуспешно размышлял великий Ньютон, поскольку тяготение определяется искривлением пространства-времени. Тела в искривленном пространстве-времени движутся свободно, по так называемым геодезическим линиям, линиям наикратчайшего расстояния между точками пространства. Американский физик Арчибальд Уилер дал такую меткую характеристику ОТО: «Вещество говорит пространству, как тому искривляться, а пространство говорит веществу, как тому двигаться».
Сформулируем широко известный ряд основных выводов ОТО:
1. Свойства пространства-времени зависят от материи.
2. Лучи света должны представлять собой в общем случае не прямые линии, а кривые. Искривление лучей света должно быть сильнее вблизи тел с большей массой.
3. Частота света, испущенного неким источником (звездой), должна изменяться от точки к точке в пространстве. В частности, линии солнечного спектра под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного света, по сравнению со спектрами соответствующих химических элементов на Земле.
Сформулированные выше выводы теории тяготения можно получить качественно на основе следующего, предлагаемого нами мысленного эксперимента. Представим себе плоское (евклидово) пространство. Внесем в него материальное тело, которое своим присутствием непременно должно привести к искажению единственного свойства этого евклидова пространства быть плоским, и этим тоже единственным искажением может быть только его искривление. Следовательно, в таком искривленном пространстве исчезает, как таковое, движение по евклидовым прямым, образом которого (образом прямой линии) является движение луча света. Тогда получаем, что луч света уже никогда не распространяется по прямой, а только по искривленной линии. Впрочем, и любое тело теперь уже не движется по прямой линии, а только по кривой. Более того, ни одна линия в таком случае не может быть замкнутой в евклидовом смысле, так что, например, ни одна планета не возвращается в исходную точку своей траектории. Далее, ни одно периодическое движение (того же света, электромагнитной волны другой частоты) не сохраняет своей периодичности (частоты) при распространении в искривленном поле тяготения. Сами же, и реальное пространство и реальное время как физические явления (именно как явления, данные нам в восприятиях), появляются только тогда, когда в эталонном евклидовом, математически мыслимом пространстве появляется первое материальное тело. Отсюда важнейший вывод — физическое пространство и физическое время создается материей и без нее не существует как данность. Но также, и это следующий важнейший вывод предлагаемого мысленного эксперимента, не имеет место (не выполняется) принцип обратимости движения (и времени), ибо никакое движение в искривленном пространстве (поле тяготения) себя полностью никогда не повторяет. В природе, таким образом, господствует принцип необратимости движения и времени, и это одно из самых фундаментальных следствий искривления пространства и времени, имеющее глубочайшее общенаучное и философское значение.
Проверка общей теории относительности. Уже в 1919 году английская научная экспедиция, снаряженная для наблюдения солнечного затмения в Египте, подтвердила правильность второго вывода ОТО. «Судьба оказала мне милость, позволив дожить до этого дня», — написал Эйнштейн Максу Планку.
Еще один важный вывод ОТО заключался в том, что орбитами планет солнечной системы являются не эллипсы, (согласно 1-му закону Кеплера), а более сложные кривые, получаемые наложением двух движений — по эллипсу и вращением, поворотом эллипса целиком. Это явление прецессии перигелия планет особенно заметным должно быть у Меркурия, но даже у Меркурия (ближайшей к Солнцу планеты) эллипс поворачивается на 43 угловые секунды за сто лет. Тем не менее этот эффект надежно наблюдался астрономами давно и никак не находил объяснения. Смещение перигелия Меркурия не имеет объяснения никакой иной теорией, кроме как общей теорией относительности. Это тоже настоящий триумф общей теории относительности.
Третий предсказываемый эффект ОТО, гравитационное красное смещение и его эквивалент — замедление времени, был особенно убедительно подтвержден после изобретения мазеров и лазеров русскими физиками Александром Прохоровым и Геннадием Басовым и американцем Теодором Мейманом. Гравитационное красное смещение следует из принципа эквивалентности, но его можно объяснить иначе, а именно: чтобы свет мог покинуть область с полем тяготения (например, поле звезды или планеты), он должен совершить работу, т. е. потерять часть своей энергии. Утрата энергии ведет к уменьшению частоты света, покидающего указанные массивные тела. При уменьшении частоты света убывает и число регистрируемых в единицу времени (например, за 1 сек) волновых максимумов. Если их временное следование считать за «тикание» часов, то ясно, что в поле тяготения это «тикание» совершается реже, медленнее. Вот поэтому гравитационное красное смещение можно толковать как замедление времени. В земных условиях из-за малости величины поля тяготения естественное отставание часов на 1 сек накапливается за 50 лет! И тем не менее этот эффект был зарегистрирован в 1960 г. в экспериментах американских физиков Роберта Паунда и Дж. Ребки. Они измерили сдвиг частоты гамма-излучения (а потом и излучения лазера), пучок которого направляли на 23 м вверх и вниз по вертикали, и в их опыте сдвиг совпал с точностью до 1% с предсказанием Эйнштейна.
Итак, три вывода общей теории относительности -искривление лучей света, гравитационное красное смещение и поворот перигелия Меркурия были экспериментально подтверждены. Но в пределах Земли и солнечной системы все эти эффекты имеют микроскопические значения, чуть-чуть отличаясь от предсказаний ньютоновой механики. Но совершенно иная картина великого значения ОТО предстает при рассмотрении объектов Вселенной в космологических масштабах, объектов с чудовищно большими массами. Этому будет посвящена глава 6.
Резюме
1) Первой теорией физического пространства, плоского и не искривленного, является геометрия Евклида.
2) В 1915 году А. Эйнштейном создана общая теория относительности — логически очень стройная теория, объединяющая пространство-время и материю с учетом только одного (одного из четырех известных) — гравитационного взаимодействия.
3) Три знаменитых вывода ОТО (искривление световых лучей, гравитационное красное смещение и смещение перигелия Меркурия) получили экспериментальное подтверждение.
Вопросы для обсуждения
1) Обсудите эквивалентность гравитационной и инерционной масс тела.
Эта эквивалентность автоматически приводит к тому, что «поле гравитации» можно заменить движением с ускорением, равным ускорению поля тяготения.
Сам Эйнштейн полагал, что именно принцип эквивалентности является наиважнейшим при создании ОТО (наряду с постулатами СТО).
2) Проанализируйте важнейшие эксперименты, подтверждающие ОТО.
а) Искривление световых лучей вблизи массивного тела, на пример, Солнца, можно зафиксировать в момент солнечного затмения.
б) Гравитационное красное смещение — сдвиг спектра из лучения любого химического элемента, находящегося на источнике света (звезде), обусловлен «задержкой» гравитационным полем фотонов, отлетающих от источника.
в) Мизерное смещение перигелия Меркурия предсказано только общей теорией относительности, и ее количественное предсказание совпадает с астрономическими наблюдениями.
4.3. Концепции и принципы квантового естествознания
Становление квантовых концепций. В конце XIX века состоялись открытия в разных областях физики, которые в дальнейшем послужили фундаментом при создании новой, квантовой физики. Каждое из этих открытий являлось само по себе замечательным событием в истории науки и достойно отдельного описания, поскольку этими открытиями и теориями продолжал развиваться и разрастаться уже отмеченный нами этап неклассического естествознания и неклассической науки в целом.
В 1895 году В. К. Рентген (1845-1923), занимаясь исследованием катодных лучей, обнаружил неизвестные лучи, способные проникнуть через непрозрачные (для обычного, оптического диапазона света) тела. Новые лучи Рентген назвал Х-лучами. Сейчас мы знаем, что Х-лучи (рентгеновские лучи) это не что иное, как самые обычные электромагнитные волны, но с длиной волны значительно меньшей, чем у видимого света.
В марте 1896 года (прошло всего несколько месяцев после открытия Рентгена) французский физик Анри Беккерель (1832-1908) сообщил об обнаружении им новых таинственных лучей, которые образуются в солях урана. Как станет ясно позднее, эти лучи возникают при радиоактивном распаде урана, т. е. Беккерель нашел не просто какие-то новые лучи, а обнаружил неизвестное до тех пор явление природы — радиоактивность.
В 1897 году выдающийся английский физик Джон Том-сон (1856-1940) обобщил все, что было известно к тому времени о катодных лучах, и пришел к выводу, что эти лучи — поток отрицательно заряженных частиц, которые были названы электронами. Электрон был, по существу, первой открытой элементарной частицей. Очень важная физическая характеристика — заряд электрона, была экспериментально определена только в 1912-1917 годах в работах американского физика Миллекена. Все известные к сегодняшнему дню электрические заряды других частиц оказываются всегда кратными заряду электрона.
Выдающиеся открытия в конце XIX — начале XX века привели к существенному изменению представлений о пространстве и времени, о материи, ее структуре и свойствах. В результате указанных фундаментальных открытий (открытие радиоактивности и электрона, построение специальной теории относительности, взаимосвязи массы и энергии, периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева) рушились прежние представления об атоме, главном объекте исследований того времени, как первом и неделимом кирпичике мироздания, введенном еще Демокритом в античное время.
Исследования в области оптики, а более конкретно, изучение спектров излучения в конце XIX века, также в конечном итоге приблизили ученых к пониманию строения атома.
Важным этапом на пути к квантовой физике было возникновение понятия кванта света. В 1900 году немецкий физик Макс Планк для решения проблемы излучения абсолютно черного тела выдвинул гипотезу о том, что энергия света излучается не непрерывно (согласно электромагнитной теории), а отдельными порциями — квантами. Величина кванта энергии Е пропорциональна частоте излучения. Вот знаменитая формула Планка для энергии излучения кванта: 
— постоянная Планка (относится к мировым, фундаментальным константам), v — частота света, Е — энергия кванта.
«Введение гипотезы квант равносильно крушению классической теории, а не простому ее видоизменению...», — говорил Планк.
Таинственная постоянная Планка h постепенно проникла во все разделы физики и химии. Роль открытия Планка постепенно была оценена всеми физиками. Вот какую оценку этой гипотезе дал А. Эйнштейн: «Открытие Планка стало основой всех исследований в физике
XX века и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие... Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило пред наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики».
Такой основой стала квантовая механика, до создания которой оставалось чуть больше двадцати лет.
Принципы квантового естествознания. Первый, но основополагающий и один из самых фундаментальных, шаг на пути зарождения квантовой механики как новой физической теории был сделан французским физиком Луи де Бройлем (1892-1987) в 1923 году, когда он в докторской диссертации выдвинул гипотезу о волновых свойствах материи. Задача, которую поставил перед собой де Бройль, состояла в том, чтобы материальной частице с массой т, движущейся со скоростью v, приписать некоторый волновой процесс, т. е. частице ставилась в соответствие волна, обладающая некоторой длиной волны де Бройля 
которая определялась знаменитой формулой де Бройля: 
где h — постоянная Планка.
Развивая идею де Бройля о том, что всем микрочастицам соответствуют волны, великий австрийский физик Эрвин Шредингер (1887-1961) ввел в 1926 году дифференциальное уравнение с частными производными для так называемой — функции, описывающей форму воли де Бройля. Введенная Шредингером функция задает амплитуду волн материи (волн де Бройля), изменяющихся от точки к точке и от одного момента времени к другому. Возникает естественный вопрос о физической природе волн.
Сначала физики полагали, что волны материи представляют собой реальные колебания, связанные с частицами. В частности, квадрат волновой функции электрона в атоме, на самом деле, описывает электрон не в виде частицы, а в виде электронного облака с различной плотностью в разных точках пространства. «Размазанность» электрона в пространстве не устраивала многих физиков, и тогда известный немецкий физик-теоретик Макс Борн (1882-1970) в том же 1926 году предложил вероятностную интерпретацию волновой функции. Вместо того чтобы рассматривать электрон как распределенный в некотором пространственном облаке, Борн интерпретировал квадрат — функции как плотность вероятности обнаружить электрон как частицу в той или иной точке пространства. Вероятностная интерпретация Борна хотя и является общепринятой в настоящее время, но уже давно испытывает определенные затруднения при описании явлений микромира, особенно при высоких и сверхвысоких энергиях частиц.
В квантовой механике при описании объекта (частицы) на первый план выступает понятие состояния объекта, отличное от классического понимания. Состояние частицы в классической физике задается координатами и скоростью частицы. В связи с невозможностью одновременного определения координаты и скорости согласно так называемому принципу неопределенности Гейзенберга, отпадает классическое задание состояния с помощью координат и импульсов. Квантовомеханичес-кое состояние задается с помощью набора квантовых чисел. Например, состояние электрона в атоме задается квантовыми числами n, l, m, и где n — главное квантовое число, l — орбитальное квантовое число, m — магнитное квантовое число, — спиновое квантовое число. Первые три квантовых числа имеют прямую связь с известными физическими характеристиками — энергией, моментом импульса и проекцией момента импульса на направление магнитного поля, соответственно. Спиновое квантовое число, или просто спин-частицы — сугубо квантовомеханическая и, даже более, квантово-релятивистская характеристика, отражающая внутренние (имманентные) свойства частицы, т. е. свойства, присущие ей по природе. Наши попытки «представить» спин частицы как величину, связанную с вращением частицы вокруг своей оси, наталкиваются на неразрешимые противоречия с теорией относительности. С другой стороны, этот факт подчеркивает то, что в микромире, макромире (и мегамире) могут существовать свои, «непересекающиеся», понятия.
Резюме
Квантовой или волновой механике (физике), созданной в течение нескольких лет в двадцатые годы XX столетия, суждено было стать фундаментом современной физики. Фундаментом, несмотря на то, что представления о частицах, из которых состоит мир, об атомах этого мира стали, с одной стороны, более глубокими и определенными, с другой стороны, стали и остаются «размытыми» и неопределенными, благодаря соотношению неопределенности Гейзенберга и корпускулярно-волновому дуализму де Бройля.
Необычность некоторых положений квантовой механики становится более понятной при сопоставлении, сравнении явлений и процессов, происходящих в микромире, с макроскопическими процессами. Например, длина волны де Бройля для электрона в атоме сопоставима с размерами самого атома, что дает основания говорить об электроне как о частице, так и о волне одновременно. Но, например, пылинка массой в один миллиграмм и движущаяся со скоростью один метр с секунду обладает такой мизерной длиной волны де Бройля, что о пылинке мы говорим только как о частице. Аналогичным образом, сравнивая пылинку и электрон в атоме, можно прийти к выводу (используя соотношение неопределенности Гейзенберга), что у электрона в атоме отсутствует траектория, тогда как у пылинки траектория есть.
4.4. Квантово-полевой микромир сильного и слабого взаимодействий, принципы квантовой хромодинамики и систематики элементарных частиц
Идея построения материального мира из элементарных, фундаментальных кирпичиков (объектов) восходит к Демокриту, к его атомной гипотезе. В настоящее время можно дать вполне определенную классификацию элементарных частиц и их взаимодействий. Вместе с частицами существуют и античастицы (впервые предсказанные теоретически великим английским физиком-теоретиком Полем Дираком в 1928 г.). Характерная особенность частиц и античастиц заключается в том, что при их взаимодействии, столкновении происходит их взаимное уничтожение - аннигиляция, сопровождающаяся образованием фотонов. Вероятно, самой первой экспериментально определенной элементарной частицей является электрон, затем физики (с «легкой руки» Планка и Эйнштейна) начали оперировать понятием фотона (кванта электромагнитного поля). В начале XX века, точнее к началу его тридцатых годов, физикам были уже известны (кроме электрона) такие элементарные частицы, как протон, нейтрон и позитрон. Для построения атома и его ядра как неких структур вполне, казалось бы, достаточно трех частиц — протона, нейтрона и электрона. По существу, так оно и есть, ядро атома состоит из протонов и нейтронов, а электроны занимают определенные энергетические состояния вблизи ядра, которые впервые рассчитал еще в 1913 году Нильс Бор. Но, очевидно, природа атома и элементарных частиц не такая простая, как нам этого хотелось бы. И в настоящее, время семейство элементарных частиц (с учетом очень короткоживущих — так называемых резонансов) насчитывает большее число, чем количество химических элементов в таблице Д. И. Менделеева (а их сейчас открыто 118). Очевидно, что слово «элементарная» частица в настоящее время имеет совсем другой смысл, чем в годы, когда были известны только фотон, электрон, протон и нейтрон. Сегодня элементарные частицы подразделяют на 3 класса: адроны (адроны включают в себя бари-оны и мезоны, и тогда можно говорить о 4 классах частиц), лептоны и фотон (последний класс частиц, или, наоборот, первый, порядок здесь не важен, содержит только одну частицу, она же античастица себе).
Подразделение элементарных частиц на классы связано с видами взаимодействий, существующих в природе. Всего в природе существует 4 вида взаимодействия, и ниже они представлены по степени убывания их интенсивности.
1) Сильные взаимодействия (осуществляются только среди адронов).
2) Электромагнитные взаимодействия (осуществляются между всеми элементарными частицами, имеющими электрический заряд, и между фотонами, не имеющими электрический заряд, но являющимися переносчиками электромагнитного взаимодействия).
3) Слабые взаимодействия обуславливают медленные распады частиц с участием нейтрино. В «чистом» виде (т. е. без наложения, например, с электромагнитным взаимодействием) слабые взаимодействия существуют только у нейтрино.
4) Гравитационные взаимодействия (притяжение между любыми массами).
Еще на ранних стадиях изучения «элементарных» частиц возникли два вопроса:
1) Какова роль и назначение частиц, кроме протона, нейтрона и электрона (из которых строятся атомы всех химических элементов), в общей картине строения материи?
2) Как соотносятся эти частицы с протонами, нейтронами и электронами, следует ли их все рассматривать как элементарные образования?
Определенного, исчерпывающего ответа на эти вопросы нет. Но, тем не менее, сейчас, в начале XXI века, мы имеем достаточно четкую картину об одном, самом крупном классе элементарных частиц — классе адронов.
Адроны, в свою очередь, как уже отмечалось, подразделяются на барионы и мезоны. Барионы в своем составе содержат нуклоны (это протоны и нейтроны, частицы, из которых состоят ядра атомов) и гипероны. Все адроны объединяет то, что они подвержены (или обладают?) сильному взаимодействию. В 1961 году американский физик Мюррей Гелл-Манн и израильский - Ювал Нееман, одновременно, но независимо друг от друга предложили унитарную систематику (систему классификации на основе унитарной группы симметрии SU (3) норвежского математика Софуса Ли) сильновзаимодействующих частиц — адронов, которую Гелл-Манн назвал восьмимерный формализм (термин этот перекликается с понятием восьмеричный путь в буддизме). Эта система группировала адроны и мезоны в мультиплеты по 8, 10, 18 и 27 частиц. Частицы каждого мультиплета считались в таком случае различными состояниями одной и той же элементарной частицы. Идея о такой симметрии частиц восходит к работе В. Гейзенберга, предложившего в конце тридцатых годов считать протон и нейтрон в ядре атома двумя состояниями одной и той же частицы, которая получила название нуклон. Два состояния нуклона отличаются друг от друга новым квантовым числом, названным Гейзен-бергом изотопическим спином, или изоспином. Появились новые квантовые числа и в новой унитарной классификации (см. ниже).
Три года спустя, в 1964 г., появилась гипотеза о кварках как самых фундаментальных частиц материи или элементов праматерии. Гипотеза эта была высказана и обоснована все тем же Гелл-Манном и независимо от него Дж. Цвейгом. Название «кварк» было дано этим частицам Гелл-Манном и взято было им из лексики современного фантастического романа широко известного американского писателя Дж. Джойса. Дж. Цвейг предлагал другое название — эйс (от англ. асе — карточный туз или просто туз), но оно не прижилось, победил авторитет Гелл-Манна. В гипотезе Гелл-Манна и Цвейга все барионы могут быть составлены из трех различных кварков, а мезоны из двух — кварка и антикварка. Обозначим символом q кварк, В — барион, М — мезон. Тогда B = (qqq), 
— антикварк.
Чтобы понять, как возникла гипотеза о существовании кварков, и задать их свойства, необходимо познакомиться с тем, как определяются состояния некоторой микрочастицы. Описать микрочастицу — значит перечислить значения физических величин, ее характеризующих. К числу таких характеристик, как минимум, относятся масса частицы т, электрический заряд Q и спин J. Кроме этого, у адронов есть барионный заряд В, так что обычно всем барионам приписывают В = 1 (антибарионам В = -1), у мезонов В = 0 (у лептонов и у фотона также, естественно, В = 0). Кроме барйонного заряда или числа, примерами других внутренних квантовых чисел могут служить «странность» S, «очарование» (иногда говорят — шарм) С, «красота* Ь (соответственно, от слов strangeness, charm, beauty). Существуют «странные» адроны, у которых , 
и точно также есть «очарованные» и «красивые» адроны, у которых 
, соответственно. Подобно барионному числу, квантовые числа S, С u b сохраняются (сохраняется их суммарное число) в реакциях элементарных частиц с участием адронов (но только в процессах, обусловленных сильным и электромагнитным взаимодействиями). Еще есть две характеристики для микрочастиц, это Р — внутренняя четность и С — зарядовая четность (не путайте с очарованием С).
Знание характеристик адронов позволяет осуществить их классификацию и соответствующую классификацию кварков. Из принятой структуры барионов В a (qqq) следует, что каждому кварку нужно приписать барионное число В = +1/3 (соответственно, антикварку — В = -1/3). Для того чтобы получить полуцелый спин у бариона, необходимо, чтобы у кварка спин был равен 1/2. Электрические заряды кварков получаются в соответствии с формулой Гелл-Манна-Нишиджимы, и они оказываются дробными, кратными одной трети от заряда электрона (одно из многих удивительных свойств кварков). Сейчас физики предполагают существование 6 типов («ароматов») кварков. Первая тройка кварков — и, d, s (соответственно от слов up — верхний, down — нижний, strange — странный). Электрический заряд Q у u-кварка равен +2/3, у d- и s-квар-ков Q = -1/3 заряда электрона. Немного позднее, после того как уже появилась гипотеза кварков, в 1965 году, было высказано предположение, что каждый из кварков может быть представлен тремя разновидностями, различающимися особой характеристикой, названной «цветом». Итак, если в природе существует 6 разновидностей кварков и у каждого из них могут быть 3 «цвета», то получается всего 18 разновидностей кварков и столько же антикварков.
В целом адроны являются бесцветными образованиями, в отличие от кварков, несущих цвет. Цвета, которыми обладают кварки, могут быть названы (условно) красный, желтый и синий. Вторая тройка кварков, которые называют тяжелыми кварками, имеет обозначения с, b, t (от слов charm, beauty, truthful или top, соответственно). Последняя тройка кварков по массе резко отличается (в большую сторону) от первой тройки и-, d-, s-кварков. Адроны, построенные из и-, d-, s-кварков, стали известны на ранних этапах изучения микромира (например, протон р — (uud) или' нейтрон п = (udd)). Антикварки тоже обладают цветом, есть также три разновидности их цвета — фиолетовый, оранжевый, зеленый. Таким образом, любой известный ад-рон (барион или мезон) может быть построен сочетанием из 6-ти кварков и антикварков различных цветов.
Для понимания механизма связи кварков в адроны главное значение имеет вопрос о характере сил или взаимодействий между кварками. Как установила квантовая хромо-динамика (наука, изучающая этот круг явлений), взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (от англ. glue — клей), виртуальными частицами, которыми обмениваются кварки между собой. Причем разновидностей глюонов может быть восемь. Характер взаимодействия между кварками таков, что с увеличением расстояния между ними обменные силы не уменьшаются, а, наоборот, увеличиваются! Так возникает эффект «долговой ямы» или «пленения» кварков, эффект, получившее название эффекта асимптотической свободы кварков. Эффект этот следует понимать так - чем ближе кварки друг к другу, тем они свободнее! Именно по этой причине или природе, в свободном состоянии не обнаружен ни один кварк, хотя уже более сорока лет ученые не сомневаются в их существовании. Экспериментальным путем установлено, что удерживающий потенциал кварка внутри адрона линейно зависит от расстояния, и, чтобы оторвать кварк от адрона, нужно затратить бесконечно большую энергию.
Как об этом упоминалось ранее, другие элементарные частицы — лептоны, не подвержены сильному взаимодействию, они испытывают только электромагнитное и слабое взаимодействия. При определенных энергиях частиц (лептонов) электромагнитное и слабое взаимодействия сливаются, образуя электрослабое взаимодействие. Теория электрослабых взаимодействий была разработана С. Вайнбергом, Ш. Глэшоу и А. Саламом. Для иллюстрации многообразия свойств элементарных частиц и с целью информации о них, приведем таблицы 1 и 2 некоторых лептонов, адронов и кварков, соответственно.
Таблица 2 Характеристики кварков
Интересно напомнить еще раз, что кварков в свободном состоянии не обнаружено, а, согласно квантовой хромодинамике, в свободном состоянии их и не может быть (таково современное состояние дел в физике элементарных частиц!).
Вся необычность свойств объектов микромира (атомов, излучаемых ими электромагнитных волн, света, в том числе, элементарных частиц разной иерархической подчиненности) формирует то, что принято называть неклассической рациональностью. Определенным образом это должно изменять и наше, как правило, классическое мышление, на новое, неклассическое восприятие мира.
Резюме
1) В природе существует множество элементарных частиц, большинство из которых являются нестабильными.
2) Все элементарные частицы можно подразделить главным образом по основному признаку — вид взаимодействия, на 4 класса — фотон, лептоны, барионы и мезоны.
3) Частицы, обладающие сильным взаимодействием, — ад-роны (барионы и мезоны), состоят из 6 типов кварков. Кварки — субъядерные частицы обладающие дробным электрическим зарядом, не существуют в свободном состоянии.
4) Взаимодействие микромира имеет обменный характер, т. е. осуществляется некоторыми виртуальными частицами. Так, сильное взаимодействие между кварками осуществляется глюонами (8 разновидностей), слабое взаимодействие осуществляется векторными бозонами, электромагнитное взаимодействие — виртуальными фотонами, гравитационное взаимодействие — гравитонами.
Вопросы для обсуждения
Прежде следует отметить, что элементарные частицы не являются такими уж «элементарными». Далее, только из малой доли элементарных частиц «сделано» обычное вещество в виде атомов, только протоны, нейтроны и электроны есть в атомах.
Это большая загадка природы! Зачем же столько остальных элементарных частиц, которых, с учетом резонансов, несколько сотен разновидностей? Были ли предопределены свойства элементарных частиц в момент «большого взрыва», или все возникло случайно? Есть один аргумент против случайности — антроп-ный принцип, о нем обязательно поговорим в послдней главе. Можно предложить следующие вопросы для обсуждения:
1) Виды взаимодействий в природе и классификация элементарных частиц.
2) Обменный характер взаимодействия в микромире. Виртуальные частицы.
3) Построение адронов (барионов и мезонов) из кварков.
4) Объединение различных взаимодействий, (электромагнитное и слабое = электрослабое; электрослабое и сильное = Великое объединение).
5) Квантовые числа элементарных частиц.
5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения современного физического естествознания
5.1. Концепции пространство и время
В предыдущих главах приведен краткий исторический материал из области физического естествознания, который позволяет рассмотреть ряд фундаментальных основополагающих физических концепций, возникших в разные исторические эпохи — от древности до современности. Начнем с понятий пространства и времени.
Пространство и время, как определяют их философы, — всеобщие формы существования материи, не существующие вне материи и независимо от нее. Пространство — математическая, физическая и философская категория. Время — физическая (но сейчас даже общее — естественнонаучная, так как и геологи, и биологи, и представители других естественных наук обосновывают необходимость использования понятия времени в своих исследованиях) и философская категория, как форма существования материи, заключающаяся в закономерной координации сменяющих друг друга явлений.
Исторически первым из математических пространств и наиболее известным издавна и в настоящее время является евклидово пространство, представляющее приближенный абстрактный образ реального физического пространства. Менее известны пространства Лобачевского, Рима-на, Гильберта, Жюлиа, Хаусдорфа, МандельброТа и другие. Вопрос о том, какое математическое пространство отражает общие свойства реального физического про странства, решается опытом (но так и не решено д сих пор — какое именно?).
Пространственно-временные отношения и закономерности — это очередной этап сложности реально (действительно) существующего мира, отношения, понимаемые первоначально на обыденном (созерцательном) уровне сознания, а в современную эпоху постигаемые на уровне научного сознания.
С античных времен наиболее известными были две концепции совместного рассмотрения пространства и времени. Одна из них идет от древних атомистов — Демокрита, Эпикура и Лукреция, позднее тщательно разработана Ньютоном, которые ввели понятие пустого однородного и бесконечного пространства, а время рассматривали как субъективное ощущение действительности. Другая концепция восходит еще к Аристотелю, разработана в Новое время Лейбницем, опиравшимся также на некоторые идеи Декарта. Все они фактически придерживались идеи о заполненном мировом пространстве (без пустоты), то есть идеи о тождестве протяженной материи и пространства.
Ньютон представил понятия пространства и времени как особые начала, существующие независимо от материи и друг от друга. Абсолютное пространство, или пространство само по себе, есть пустое «вместилище тел», оно неизмеримо и непознаваемо. От абсолютного пространства Ньютон отличал протяженность тел — их основное свойство, благодаря которому они занимают определенные места в абсолютном пространстве, совпадают с этими местами. Положения тел и расстояния между ними можно определить только по отношению к другим телам. Время так же абсолютно, как и пространство, есть чистая длительность, как таковая, равномерно текущая от прошлого к будущему. Оно является пустым «вместилищем событий», которые могут его заполнять, а могут и не заполнять, ход событий не влияет на течение времени.
Время универсально, непрерывно, бесконечно, одномерно. От абсолютного времени, также неизмеримого, Ньютон отличал относительное или обыденное время. Парадокс ньютонова пространства и времени состоит в том, что не существует опытов, которые позволили бы измерять положение тела в пространстве или момент времени события — экспериментально можно измерять только расстояния между телами или промежутки времени между событиями. Таким образом, чтобы сопоставлять пространству и времени какие-либо физические величины, мы должны выбрать некоторое тело, в качестве начала отсчета расстояний, и некоторый момент времени, в качестве начала отсчета его промежутков, что в конечном итоге ведет к необходимости введения некоторой системы отсчета. Вот с этого выбора и начинается ньютонова наука о движении — механика.
Согласно концепции Лейбница, пространство и время не есть самостоятельные начала бытия. Пространство — это порядок взаимного расположения множества тел, сосуществующих вне друг друга, время — порядок сменяющих друг друга явлений или состояний тел. Протяженность любого объекта не есть первичное свойство, а обусловлено силами, действующими внутри объекта; внутренние и внешние взаимодействия определяют и длительность состояния. Что же касается самой природы времени как порядка сменяющих друг друга явлений, то оно отражает их причинно-следственную связь.
В истории естественнонаучных представлений о времени, как отдельном феномене, можно выделить четыре его концепциии, группируемых обычно попарно. Первая пара концепций времени расходится по вопросу о природе времени: 1) субстанциальная концепция рассматривает время как особую субстанцию, субстрат, наряду с пространством, веществом и другими физическими характеристиками; 2) реляционная концепция считает время отношением (или системой отношений) между физическими событиями. Вторая пара концепций времени выражает разные точки зрения на процесс становления времени: 1) статическая концепция считает события прошлого, настоящего и будущего существующими реально и в известном смысле одновременно, а становление и исчезновение материальных, физических объектов — это иллюзия, возникающая в момент осознания того или иного изменения; 2) динамическая концепция, напротив, считает, что реально существуют только события настоящего времени, события прошлого уже реально не существуют, а события будущего еще реально не существуют. Видно, что в этих концепциях смешиваются физика и философия и как трудна и неоднозначна проблема времени.
Укоренившиеся в науке ньютоновские представления о пространстве и времени изменились, когда в физическую картину мира вошла в конце XIX века концепция поля, как формы материальной связи между объектами вещества, поля, как особой и самостоятельной формы материи. Казалось, что для рассмотрения поля, тогда только электромагнитного, нужна особая среда — эфир, заполняющий мировое абсолютное пространство, но это не нашло ни тогда, ни сейчас достоверного опытного подтверждения.
Представления о новых свойствах пространства и времени получили новое развитие в научной дисциплине, получившей название специальная теория относительности, или релятивистская механика. Герман Минковс-кий, развивая представления Лоренца, Пуанкаре и Эйнштейна о свойствах пространства и времени, заявил с трибуны съезда естествоиспытателей в 1908 году: «Воззрения на пространство и время... возникли на экспериментально-физической основе. В этом их сила. Их тенденция радикальна. Отныне пространство само по себе и время само по себе должно обратиться в фикцию и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранить самостоятельность». Так им было установлено единство пространства и времени, их объединение в пространство-время с четырьмя (три пространственных и одна временная) измерениями или координатами. Академик Анатолий Логунов так определил сущность теории относительности, называя это утверждение постулатом: «Физические процессы протекают в четырехмерном пространстве, геометрия которого псевдоэвклидова» (иногда псевдоэвк-лидово пространство называют миром или пространством Минковского).
Теория относительности исключает представления о пустых (свободных) пространстве и времени, имеющих какие-то собственные измерения. Дальнейшее развитие теории относительности в виде теории тяготения или общей теории относительности, осуществленное Эйнштейном, показало, что пространственно-временные отношения зависят также от концентрации масс, от распределения материи (см. раздел 6 о космологии и космогонии). Таким образом, была доказана несостоятельность как воззрений Канта, определившего пространство и время как априорные формы человеческого восприятия, природа которых неизменна и независима от материи, так и несостоятельность догматических воззрений Ньютона на абсолютное пространство и время.
5.2. Принципы относительности движения — классический, релятивистский и к средствам наблюдения
Важнейший атрибут материи, способ ее существования — движение. В самом общем виде движение — «...это изменение вообще» (так утверждал немецкий философ Карл Маркс), любое взаимодействие материальных объектов. Здесь не следует подразумевать под термином «взаимодействие» только конкретные фундаментальные физические взаимодействия, о которых говорилось в предыдущих главах, а мыслить понятие взаимодействия шире, мыслить как философскую категорию, отражающую процессы воздействия объектов друг на друга и их взаимную обусловленность, порождение одним объектом другого. Взаимодействие — универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы.
Мысль об универсальности движения возникла в глубокой древности, так что уместно отметить слова Аристотеля: «Незнание движения необходимо влечет за собой незнание природы». Известное издревле механическое движение (перемещение) сужало и философское понимание движения до рамок механического, пока великий немецкий философ Георг Гегель не сформулировал наиболее общие законы изменения (движения) — закон перехода количественных изменений в качественные, закон борьбы противоположностей и закон отрицания отрицания.
Движение как понятие противоречиво по своей сути (вспомните хотя бы апории Зенона о движении), поскольку оно заключается в неразрывном единстве противоположных аспектов — изменчивости и устойчивости, прерывности и непрерывности, абсолютного и относительного, перемещения и покоя. В противоречивом единстве изменчивости и устойчивости, например, ведущую роль играет изменчивость, ибо все новое появляется через нее, а устойчивость, покой лишь фиксирует достигнутое в этом процессе. Движение как физическое явление происходит в пространстве и времени. Определив впервые в «Математических началах» эти понятия, а также объекты исследования, Ньютон далее определяет состояние физических объектов (тел) и законы движения. Введенная Ньютоном процедура создания (разработки) теории (описанная нами в 3.3) оказалась универсальной в науках: сначала определяются объекты как физические или другие естественнонаучные понятия в пространстве и времени, затем вводятся их состояния и, наконец, задаются или выводятся законы эволюции (изменения, динамики) этих состояний в указанном пространстве и времени.
Для науки оказалось важно, что уже первый ньютонов закон движения — закон инерции, выведенный из экспериментов еще Галилео Галилеем, выражен в явно относительной форме (хотя это первоначально не осознавалось и не проверялось). Состояния покоя и прямолинейного равномерного движения оказываются равноправными в зависимости от состояния движения тела (тела отсчета), с которого производится наблюдение. Так в физике возник классический, или галилеев (по предложению Пуанкаре), принцип относительности, первый в ряду принципов относительности. Сам принцип неосознанно появился в XVIII веке, а сформулирован был в начале XX века Анри Пуакаре!
Расширение понятия относительности возникло в связи с открытием электромагнитного поля (оно же свет), главной парадоксальной особенностью которого оказывается экспериментально подтвержденное распространение с постоянной скоростью (последняя, т. е. скорость света в пустоте, является также предельно возможной из всех известных скоростей). Совместное истолкование классического принципа относительности и принципа постоянства скорости света (отмечалось в предыдущем пункте как заслуга Германа Минковского, введшего в науку представление о четырехмерном пространстве — времени, о четырехмерном мире) — это и есть новый релятивистский принцип относительности. Основным понятием такого истолкования принципа относительности становится понятие мирового события, которое характеризуется местом (где) и временем (когда) оно происходит.
Анализируя ситуацию с релятивистским принципом относительности, академик Логунов сформулировал обобщенный принцип относительности, который приведен ниже.
«Какую бы физическую систему отсчета мы ни избрали (инерциальную или неинерциальную), всегда можно указать бесконечную совокупность других систем отсчета, таких, что все физические явления в них протекают одинаковым образом с исходной системой отсчета, так как мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить на эксперименте, в какой именно системе отсчета, из этой бесконечной совокупности, мы находимся. Следует особо подчеркнуть, что любой физический процесс позволяет определить, находимся мы в инерциаль-ной или в неинерциальной системе отсчета. Однако никакой физический эксперимент не в силах дать ответ на вопрос: в какой именно системе из бесконечного набора систем отсчета мы находимся».
Третий принцип относительности возник в квантовой физике в связи с особенностями движения микрообъектов и упоминался нами ранее как принцип относительности к средствам наблюдения. Формулировка этого принципа, как и возникновение квантовой физики и ее представлений, послужили развитию нового этапа в науке — этапа неклассической науки, главный смысл которой состоит в неконтролируемом влиянии человека на результаты эксперимента, в потере прежней достоверной (лапласовской, детерминистской) предсказательности науки и замене ее на вероятностное предсказание.
5.3. Концепции корпускулярности, континуальности и корпускулярно-волнового дуализма
В классической физике, являющейся, по существу, макрофизикой, формирование которой завершилось к началу XX века, научная картина мира сложилась из двух элементов (объектов) — частиц (корпускул) и полей (континуума). Частицы понимались как маленькие объекты материи, движущиеся по законам Ньютона. Каждая из частиц имеет 3 степени свободы (координаты), поскольку движение происходит в трехмерном евклидовом пространстве, и, если, кроме того, известна зависимость координат (местоположение) их от времени, то это однозначно определяет траекторию, так что имеется исчерпывающая (полная) информация о движении частицы. Описание полей (непрерывного континуального распределения какой-либо физической величины) значительно сложнее, поскольку надо задавать значения физической величины во всех точках пространства. Таким образом, для описания поля необходимо знать уже не 3 (как для материальной точки), а бесконечно большое число величин в каждый из моментов времени; иначе говоря, поле (континуум) имеет бесконечное число степеней свободы. По этой причине значительно сложнее выглядят законы и уравнения полей, установленные Майклом Фарадеем и Джеймсом Максвеллом.
Указанное различие между частицами и полями: частицы — дискретны, поля — непрерывны, в классическом варианте науки оказывается не единственным. Так оказалось, что электромагнитное поле (оно же свет), представленное набором (пакетом) волн, может порождаться и поглощаться, в то время как материальным телам (представленным набором точек) возникновение и уничтожение чуждо. Помимо того, волны, накладываясь друг на друга, могут усилить, ослабить или вообще погасить себя, тогда как с потоками частиц такового не происходит. Встречаясь же между собой, частицы и волны остаются независимыми друг от друга, проявляют во все моменты времени свои, только им присущие индивидуальные черты.
Но положение об абсолютном их различии существенно изменилось, когда была высказана гипотеза Макса Планка о порции, кванте (как это было названо по-немецки) излучения. Вскоре эта гипотеза была обобщена Эйнштейном на акт поглощения, который дискретность излучения и поглощения связал с внутренними свойствами актов излучения и поглощения. В каждом из этих актов участвует квант поля — особая «частица», названная фотоном. Таким образом, полю оказались присущи черты дискретности, которые ранее приписывались лишь частицам. Подобно частице (корпускуле), фотон всегда существует как единое целое. Однако, наряду с корпускулярными, фотон обладает также более «родными», волновыми свойствами. Вот такое двуединое (дуальное), корпускулярно-волновое представление (корпускулярно-волновой дуализм) о кванте электромагнитного поля -фотоне — было распространено Луи де Бройлем на все виды материи и, в первую очередь, конечно, на электрон, главную частицу любого атома.
Все выше приведенные гипотезы получили экспериментальное подтверждение и породили то, что впоследствии стало называться (и сейчас называется) корпуску-лярно-волновым дуализмом, но главное — новую науку о законах движения и способах описания этого движения объектов микромира — квантовую (или волновую) механику. Важнейшей ее чертой, ее главной особенностью является идея вероятностного описания движения микрообъектов, то есть тех объектов, из которых состоят атомы и ядра атомов, в первую очередь, фотоны, электроны, протоны и нейтроны (за пределами атомов находится мир элементарных частиц, которому присущи свои специфические особенности). Особенность и специфичность описания движения микрообъектов такова, что позволяет знать (математически определить) вероятность обнаружения их в любой точке бесконечного пространства в любой момент времени. Это допускает возможность говорить как бы и о «точечности» микрообъектов, хотя о траекториях их в прежнем классическом смысле рассуждать уже нельзя.
Таким образом, проявившаяся в опытах дуальность свойств микрообъектов находит отражение в вероятностном способе квантово-механического описания, устраняющем резкую границу, разделявшую в классической теории два ее объекта — поля и частицы. Это вероятностное описание продиктовано корпускулярно-волновой природой микрообъектов, и его правильность проверена на огромном числе экспериментов. Кстати, великий Эйнштейн эту трактовку не принимал, говоря: «Бог не играет в кости», но вот ошибался ли гений или был прав, сейчас пока трудно сказать, но физики теперь предпочитают говорить так: «Бог играет в кости, но никогда не проигрывает!» По существу, это красивая отговорка, не более.
5.4. Концепции симметрии, инвариантности и законы сохранения
Симметрия (от греч. symmetria — соразмерность) — одна из самых важных распространенных характеристик природы. В искусстве симметрия выступает как признак гармоничной композиции, в математике характеризуется как отражение (зеркальное), как свойство геометрических фигур, как инвариантность (неизменность) структуры объекта относительно его преобразований. Понятие симметрии выходит далеко за рамки физико-математического знания и, будучи органически связано с представлениями о сходстве, повторяемости, порядке, ритме, цикле, форме и т. п., восходит к самым истокам человеческой культуры.
Создание понятий «симметрия» и «асимметрия» приписывается современнику Пифагора — Гиппасу (VI век до н. э.). Пифагореец Гиппас термин «симметрия» — соразмерность, употреблял как синоним «порядка», «упорядоченности». Идеи симметрии и числовой гармонии были характерны не только для пифагорейцев и Платона, но содержались в концепции периодического возникновения и уничтожения космоса как у Анаксимандра и Анаксимена, так и в индийских ведах, в учении Анаксагора об уме как принципе красоты и порядка. Атомистика Левкиппа, Демократа и Эпикура с ее концепцией о пустоте — прообразе трехмерного бесконечного однородного и изотропного пространства — и геометричности атомов и амеров также существенно опиралась на идеи симметрии.
Другой, столь же фундаментальной идеей, характерной для античности, была идея сохранения свойств и объектов материального мира! Известно, что разнообразные натурфилософские учения, связанные с признанием той или иной материальной первоосновы мира, явно или неявно, содержали в себе идею сохранения материи. Более того, уже в античности была осознана глубокая взаимосвязь между понятиями симметрии и сохранения, причем именно в той форме, которую можно считать прообразом современного понимания этой взаимосвязи, связывающей законы сохранения со свойствами симметрии физических систем. В интересующем нас вопросе эта гениальная догадка была доказана выдающейся женщиной-математиком, немкой Эмми Нетер, только в 1918 году, то есть более чем через 2000 лет после ее появления! Теорема Нетер сыграла революционное значение в науке, поскольку в этот момент завершилось 300-летие господства динамического подхода в физических теориях, и к нему добавились, а точнее, ему (динамическому подходу) на смену пришли принципы» связанные с симметриями и законами сохранения в структуре физических теорий тех или иных величин. В этом единстве принципов (а сама теорема Нетер играет роль принципа структурной организации физических теорий, физических систем) главенствующая роль принадлежит симметрии, которая, с одной точки зрения, в значительной мере определяет форму динамического закона, а с другой, и в этом суть теоремы Нетер, определяет число и тип сохраняющихся величин. Исторический путь развития физики в XX веке подтвердил исключительную правильность отмеченных принципов.
В качестве примеров приведем несколько видов симметрии и соответствующих им законов сохранения. Фундаментальным видам пространственно-временной (геометрической) симметрии уравнений движения (ньютоновых, эйнштейновых, шредингеровых и дираковых), оставляющим в каждом случае инвариантной (неизменной) форму самих уравнений, соответствуют фундаментальные, наиболее известные законы сохранения величин в физических системах:
1. Симметрия по отношению к переносам во времени (сдвигам моментов времени) порождает закон сохранения энергии (проявление однородности времени).
2. Симметрия по отношению к переносам в пространстве (трансляциям, сдвигам начала координат из одной точки в другую) порождает закон сохранения импульса (проявление однородности пространства).
3. Симметрия по отношению к поворотам или вращениям в пространстве порождает закон сохранения момента импульса (проявление изотропности пространства).
Но имеется и другой класс симметрий, симметрий ограниченного действия. Классическая физика, обладая симметрией по отношению обращения знака времени или обратимости времени, фактически делает ее независимой от времени, что, конечно, парадоксально. Это позволило одному из историков науки, французу Александру Койре, назвать движение в классической динамике «движением, не связанным со временем, или, что еще более странно, движением, происходящим во вневременном времени — понятием столь же парадоксальным, как изменение без изменения» (курсив наш. — Авт.). Данная симметрия действует только в макромире, а вот в микромире уже нет. Зеркальная симметрия действует в микромире (тождество левого и правого) и порождает сохранение некоторого особого свойства, получившего название четность, которая приписывается каждой микрообъекту, например, так же, как электрический заряд. Если там же, в микромире, осуществить операцию так называемого зарядового сопряжения (то есть мысленно мир электронов заменить на мир позитронов, мир частиц — на мир античастиц), то это тоже не изменит законов природы. Два последних вида симметрии — зеркальное и зарядовое сопряжение — нарушаются при слабых взаимодействиях, обуславливающих распад большинства микрообъектов (например, нейтрона, покинувшего ядро атома).
Ограниченность проявления симметрий связана с иерархией симметрий. Не анализируя всей сложности возникающих ситуаций, только укажем некоторые из них: при взаимопревращениях микрообъектов сохраняется электрический заряд; при сильных взаимодействиях сохраняется величина, получившая название для барионов (тяжелых частиц) барионный заряд, сами барионы, за исключением сверхстабильного протона, рождаются парами; подобный закон сохранения действует и для лептонов (легких частиц); в ядрах атомов нейтрон и протон оказываются неразличимыми (но только в ядрах), то есть являются как бы одной частицей — нуклоном, эта симметрия имеет особое название — изотопическая инвариантность. Число примеров можно было бы множить, тем более, что вся вторая половина XX века прошла в теоретической физике под знаком господства так называемой калибровочной инвариантности как особого вида симметрии, которым обладает как электромагнитное поле, так и все другие физические поля микромира.
Суть калибровочной инвариантности состоит в том, что взаимодействующие тем или иным образом (электромагнитным, гравитационным, сильным и слабым) частицы переносят это взаимодействие посредством некоторого, в каждом конкретном случае своего, особого поля. Эта особенность взаимодействия оказалась всеобщей и универсальной. В конечном итоге, поиски все новых симметрий «подарили», как мы отмечали, самые «элементарные» из всех частиц — кварки, что послужило основанием появления новой физики микромира, основанной исключительно на симметриях — квантовой хромодинамики.
5.5. Концепции физического вакуума
Обсудим, прежде всего, геометрический аспект проблемы. Мысль о том, что великая пустота (или вакуум) есть источник окружающего нас мира, уходит вглубь веков. Согласно представлениям древних мыслителей Востока (Китая, Индии), все материальные объекты возникают из пустоты, являются ее частью и, в этом смысле, иллюзорны. Вот диалог ученика и учителя о великой пустоте в древнеиндийских «Ведах»: «Ученик спрашивает: — Каков источник этого мира? — Пространство, — ответил учитель. — Поистине все эти существа выходят из пространства и возвращаются в пространство, ибо пространство больше их, пространство — последнее их прибежище». Важное место в натурфилософии древних греков занимало также понятие пустоты, без которой не могло мыслиться движение, но не как источник мира, как в древнеиндийских «Ведах».
Еще до наступления Нового времени итальянский философ Ф. Патрицци писал: «Итак, пространство есть то, что прежде мира и будет после него, что стоит во главе мира, из него исходит и, наконец, обращается в нечто... Разве оно тогда не является субстанцией? Если субстанция то, что лежит в основе, то пространство и есть, скорее всего, сущность».
Мы знаем, изучили ранее, что в классической физике используется понятие абсолютно пустого пространства («вместилища вещей»), которое можно считать синонимом вакуума классической нерелятивистской физики (то есть физики при скоростях объектов, много меньше скорости света). Физика, начало которой положила механика Ньютона, развивалась как теория измерения расстояний и моментов времени объектов (тел), движущихся относительно других материальных объектов (тел.). Полученные в результате измерений множества координат и времени подвергались обработке, чтобы получить траекторию и уравнения движения. Эта связь между геометрией пространства событий и механикой тел была уже замечена Ньютоном, который писал: «Геометрия основывается на механической практике и есть не что иное, как та часть общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения». Таким образом, мы видим, что представления о пространстве и времени с XVII века связываются с экспериментальной проверкой, так же как и интересующее нас здесь понятие вакуума, в отличие от древних мыслителей, не проверявших своих воззрений. Так же, как и евклидова геометрия механики Ньютона, геометрия искривленных пространств, созданная Лобачевским, Гауссом и Больяи (гиперболическая) и Риманом (эллиптическая), в основе своей содержат физический опыт измерений.
В статье «О гипотезах, лежащих в основании геометрии» Риман отмечал: «...Предложения геометрии не выводятся из общих свойств протяженных величин, напротив, те свойства, которые выделяют пространство из других мыслимых, трижды протяженных величин, могут быть почерпнуты не иначе, как из опыта» (и это пишет не физик, а математик!).
Еще большее сближение представлений восточных и европейских ученых мы находим в точке зрения на природу материи английского математика Уильяма Клиффорда, который в философской статье «О пространственной теории материи» прямо говорил, что «в физическом мире не происходит ничего, кроме изменения кривизны пространства, подчиняющегося (возможно) закону непрерывности». По Клиффорду, материя — это сгустки пространства, своеобразные, холмы кривизны на фоне плоского пространства.
Идеи Клиффорда нашли свое развитие в работах Эйнштейна, которому удалось представить гравитационное поле через кривизну пространства-времени. Пустое, но искривленное пространство позволяет получить решения, которые подтверждаются на опыте. Среди них — эффекты смещения перигелия Меркурия, отклонение луча света в гравитационном поле Солнца, запаздывание радиосигналов в гравитационном поле. Эйнштейн безоговорочно верил в правильность выбранного пути: «Я считаю, далее, что уравнения гравитации для пустого пространства представляют собой единственный рациональный обоснованный случай теории поля, который может претендовать на строгость».
Рассмотрим теперь другой — «полевой» аспект физического вакуума, то есть путь, когда вакуумные представления уходят в квантово-полевую область материи или в мир элементарных частиц (микромир). Вакуум — это состояние, в котором реально отсутствуют какие-либо частицы, поля, волны, каком-либо материя (это тривиальное, классическое, обыденное представление о вакууме). В обычных условиях такое состояние обладает минимально возможной энергией. Реализацией такого представления о вакууме является пустое пространство, хотя, на первый взгляд, это бесперспективно. Новое, релятивистское представление о физическом вакууме получил английский физик Поль Дирак, когда рассмотрел поведение электрона в пространстве-времени Эйнштейна — Минковского. Он открыл в результате реальный мир античастиц, который является особым состоянием физического вакуума, ранее считавшегося лишенным какой-либо материи. Поразительным оказалось то, что квантовая физика преподносит «трюки» даже в отсутствии квантовых частиц.
Источник таких «трюков» — принцип неопределенности Гейзенберга. В какие-то очень малые, не фиксируемые приборами промежутки времени, энергия может быть взята «взаймы» на различные цели, в том числе на рождение частиц. Разумеется, все родившиеся частицы будут короткоживущими, так как израсходованная на них энергия должна быть «возвращена» через ничтожную долю времени. Тем не менее, частицы могут возникнуть из «ничего» (вот это и называют «вакуумом» современной физики), обретя мимолетное бытие, прежде чем снова исчезнуть. И эту скоротечную картину невозможно предотвратить. Как бы мы не старались опустошить пространство, в нем всегда будет присутствовать рой частиц, возникновение которых «субсидируется» соотношением Гейзенберга. Эти частицы-призраки нельзя наблюдать, хотя они могут оставить следы своего кратковременного существования. Они представляют собой разновидность «виртуальных частиц», аналогичных переносчикам взаимодействий, но не предназначенных для получения или передачи сигналов. Возникнув из пустоты, они снова возвращаются в нее, являя собой наглядное доказательство существования силового поля и оставаясь при этом бесплотными призраками. Вот, например, российский ученый Дмитрий Блохинцев писал: «Согласно этой точке зрения (детерминистическому подходу. — Авт.)» частицы являются лишь возбуждениями вакуума, который продолжает жить и тогда, когда никаких частиц нет; в нем флуктуирует электромагнитное поле... Это — не покой, а вечное движение, подобно зыби на поверхности моря... С этой точки зрения ясно также, что никаких изолированных, предоставленных самим себе («свободных», как говорят) частиц не существует. Даже в случае значительного удаления частиц друг от друга, они все же продолжают принадлежать породившей их среде, находящейся в состоянии непрерывного движения». Этим эффектом постоянного движения объясняются некоторые особенности поведения электрона в атоме водорода. Существуют и другие проявления этого удивительного свойства физического вакуума, в том числе, реальное рождение электрон-позитронных пар, зарегистрированное на экспериментах.
Еще разнообразнее возможные свойства вакуумного состояния полей при учете слабых, сильных и гравитационных полей. Укажем лишь, что эти свойства непосредственно связаны с такими представлениями современной теоретической физики, как спонтанное нарушение симметрии, асимптотическая свобода (для кварков), «пенная» структуры пространства-времени на малых (план-ковских) расстояниях (предполагаемая в мгновения до начала «большого взрыва»), испарение гравитационных «черных» дыр и др.
5.6. Основополагающие принципы и понятия физического естествознания
В качестве итога изложения концептуальных принципов и понятий физического естествознания, содержащихся в главах 3, 4 и в предыдущих пунктах, можно констатировать существование следующих фундаментальных принципов, представленных ниже с их кратким разъяснением.
1. Принцип относительности — закон, состоящий в том, что любой процесс протекает одинаково в изолированных инерциальных материальных системах, системах, покоящихся либо равномерно прямолинейно движущихся относительно друг друга. Принцип относительности утверждает равноправие всех инерциальных систем отсчета. Особо следует выделять принцип относительности к средствам наблюдения, устанавливающего связь макро- и микромиров.
2. Принцип распространения света — скорость распространения света в вакууме (пустоте) не зависит от скорости источника и является предельной для любых физических скоростей.
3. Принцип суперпозиции в классической физике — утверждение, состоящее в том, что результирующий эффект от независимых воздействий представляет собой линейную сумму эффектов от каждого воздействия в отдельности.
Принцип суперпозиции состояний в квантовой физике — утверждение, состоящее в том, физическая система может находиться как в состояниях, описываемых двумя (или несколькими) волновыми функциями, так и в состояниях, описываемых любой линейной комбинацией этих функций. Принцип суперпозиции можно понимать как принцип линейных независимых наложений воздействий или состояний друг на друга.
4. Принцип корпускулярно-волнового дуализма (принцип волновых свойств материи) — утверждение, заключающееся в том, что любые микрообъекты материи (фотоны, электроны, протоны, атомы, молекулы и др.) обладают свойствами и частиц (корпускул) и волн, количественные связи энергии, массы, импульса и частоты которых определяются соотношениями де Бройля.
5. Принцип неопределенности Гейзенберга — принцип квантовой физики, утверждающий, что характеризующие физическую систему так называемые дополнительные физические величины (координата и импульс, энергия и время и др.) не могут одновременно принимать точные значения и не могут быть потому одновременно точно измерены. Количественная связь неопределенностей (погрешностей) в определении дополнительных величин ограничивается их произведением, равным или превосходящим постоянную Планка.
6. Принцип тождественности частиц (микромира) — положение квантовой физики, согласно которому состояния системы частиц (микрообъектов), получающиеся друг из друга перестановкой местами тождественных (неотличимых) частиц, нельзя различить ни в каком эксперименте, и такие состояния должны приниматься как одно физическое состояние. Из указанного принципа следует симметрия волновой функции системы тождественных частиц.
7. Принцип запрета Паули — закон природы, согласно которому в какой-либо квантовой системе тождественных частиц с полуцелым спином (например, электроны, протоны и др.) две или более частицы не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии (именно это запрещено — быть в одинаковом состоянии).
8. Принцип эквивалентности (гравитационной и инертной масс) — закон природы, который устанавливает аналогию между свободным движением тел, наблюдаемым в неинерциальной (ускоренной) системе отсчета, и движением тел в поле тяготения. Принцип утверждает эквивалентность ускоренных систем отсчета некоторому гравитационному полю.
9. Принцип дополнительности Бора — принцип, со гласно которому существуют две взаимоисключающие и дополняющие друг друга импульсно-энергетическая и про
странственно-временная картины состояний микрообъекта, получаемые при взаимодействии его с соответствующими измерительными приборами. Одновременные точные данные о них невозможны.
10. Принцип соответствия Бора — утверждение, состоящее в том, что новая, более глубокая и общая теория, своими следствиями и выводами должна включать в себя старую теорию как предельный случай (например, релятивистская механика Эйнштейна при малых скоростях — классическую механику Ньютона и др.).
11. Принцип калибровочной инвариантности (компенсации) в теории полей — преобразование, задающее переход от одних значений, характеризующих поле величин, к другим, оставляющим без изменения физически определенные, наблюдаемые (измеряемые) на опыте параметры поля. Например, в электродинамике — переход от одних значений электрических потенциалов к другим, оставляющий без изменения значения напряженностей электрического и магнитного полей, плотность их энергии и т. д. Компенсация за такое преобразование сводится к появлению агента, переносящего то или иное свойство микрообъекта в пространстве и времени — например, агента взаимодействия электрических зарядов посредством (или в виде) электромагнитного поля или фотонов. Данный принцип является всеобщим (всеобъемлющим) принципом природы.
Нижеследующие принципы:
12. Принцип спонтанного нарушения симметрии и
13. Принцип перенормируемости являются характерными для мира элементарных частиц и связаны с методами их классификации на унитарной основе и исключения бесконечных величин, возникающих в квантово-полевых теориях.
Термодинамические принципы:
14. Первый принцип (первое начало) термодинамики,
15. Второй принцип (второе начало) термодинамики,
16. Третий принцип (третье начало) термодинамики,
17. Принцип минимума производства энтропии в достаточной полноте истолкованы нами в заключительной части данного пункта, тогда как основанный на них
18. Принцип необратимости (движения и времени) в естествознании еще только начинает формироваться и не имеет общепринятого толкования и осмысления.
Представленные выше фундаментальные принципы позволяют сформулировать основные выводы о физической природе материального мира частиц, полей и их систем. Ниже, в виде обобщающих положений, они приведены с указанием имен ученых, внесших определяющий вклад в их творение и осмысление.
Физика частиц и полей
1. Макромир состоит из дискретных и континуальных объектов — частиц и полей (волн) (Демокрит, Зенон Элей-ский, Дальтон, Фарадей, Максвелл).
2. Движение объектов относительно и сохраняется в отсутствие взаимодействий. Состояния покоя и равномерного прямолинейного движения неразличимы никакими физическими опытами (Галилей, Ньютон, Лоренц, Пуанкаре, Эйнштейн, Нетер).
3. Поля (свет, гравитация, в том числе) распространяются с постоянной предельной скоростью (Майкельсон, Морли, Эйнштейн), объединяя в единое многообразие пространство и время — в пространство-время (Минковский).
4. Корпускулярная (дискретная) и континуальная (полевая) форма материи в микромире дуально едина (де Бройль, Шредингер, Дирак), калибровочно-инвариантна (Лоренц, Янг, Миллс), имея проявлением неустранимую неопределенность их пространственно-временных и им-пульсно-энергетических состояний (Гейзенберг) и взаимопревращений друг в друга.
5. Разнообразные свойства всех микрообъектов кванто-ванно минимизированы — электрический заряд (Милликен), спин (Гаудсмит, Уленбек), магнитный момент (Бор), изос-пин (Гейзенберг), странность (Гелл-Манн), барионный заряд, аромат, цвет — и переносятся, передаются от одного к другому связывающими их агентами — фотонами, мезонами, векторными бозонами, глюонами (Планк, Эйнштейн, Тамм, Иваненко, Ферми, Юкава, Янг, Миллс, Гелл-Манн, Цвейг, Боголюбов, Матвеев, Фадеев, Салам, Вайнберг).
6. Искривленное пространство-время макро- и мегамиров (Клиффорд, Лобачевский, Риман) создано материей (Эйнштейн) и простирается (распространяется), расширяясь (Фридман, Хаббл), от предельно плоских (Евклид) локальных областей к предельно искривленным областям — черным дырам (Лаплас, Оппенгеймер, Снайдер, Пенроуз, Хокинг).
Физика термодинамических систем
1. а) внутренняя энергия систем в основном зависит от температуры и может совершать работу (Карно, Майер, Джоуль, Ленд, Гельмгольц) либо б) работа систем возможна за счет понижения температуры.
2. а) мера неупорядоченности (хаоса) системы, энтропия, остается неизменной только для обратимых процессов, возрастая при всех остальных (Клаузиус, Больцман) либо б) мера хаоса (энтропия) в системе нарастает в результате обмена с внешней средой, порождая необратимость движения и времени.
3. а) энтропия систем стремится к нулю при стремлении к нулю абсолютной температуры (Нернст) либо б) наивысший порядок в системе может быть достигнут при абсолютном нуле температуры.
4. Производство энтропии системой минимально в стационарном состоянии (Пригожин).
5.7. Физическое естествознание как целостная система знаний
Со времени Галилея и по настоящее время, физика, как правило, строится и излагается индуктивно, т. е. из огромного множества наблюдений и опытных фактов выбирается некоторое число свойств, их наиболее полно характеризующих, и вырабатываются основные понятия, в терминах которых формулируется физическая теория. Так, например, в физике Ньютона возник универсальный математический язык, получивший название гамильтонов формализм. На его основе были построены теория электромагнитного поля, общая теория относительности или теория гравитации Эйнштейна. Другими математическими средствами (на основе лагранжева формализма) и на другой физической основе, но также индуктивно, была обнаружена единая структура слабых и электромагнитных взаимодействий — электрослабое взаимодействие Вайнберга-Салама-Глэшоу.
Другой возможный путь построения физических теорий — дедуктивный, получивший в работах русского физика Ю. И. Кулакова и коллег название «теория физических структур».
Как известно, Н. Бурбаки (широко известный псевдоним знаменитой группы французских математиков) предложили программу построения математики как целостной системы знаний. Ими было показано, что в основании математики лежат три независимые порождающие структуры — алгебраическая, топологическая и структура порядка. Аналогичная проблема «бурбакизации» может быть поставлена и в физике. Смысл ее состоит в том, чтобы свести все многообразие фундаментальных физических величин, понятий и законов к одной универсальной физической структуре, раскрывающей скрытые симметрии мира физических объектов.
Физика была построена как сложная иерархическая система фундаментальных физических величин, понятий, законов, основных уравнений, общефизических принципов и т. п. Главные достижения физики мы видели всегда в уравнениях соответствующих ее разделов: в механике — уравнения Ньютона, в гидродинамике — уравнения Эйлера и Навье-Стокса, в электродинамике — Максвелла, в теории пространства-времени и тяготения — Эйнштейна, в квантовой механике — Щредингера и Дирака и т. д. Однако, сводя содержание различных разделов физики к соответствующим уравнениям, мы, сами того не замечая, рискуем лишить физику ее подлинного содержания. Главное содержание физики, как теперь выясняется, как было совсем недавно замечено Ю. Кулаковым, необходимо искать не на уровне уравнений, а на другом, высшем уровне, порождаемом особыми видами симметрий систем физических объектов.
Так, например, развитие теории элементарных частиц (физики высоких энергий) в последние 45 лет (с 1961 г.) обратило, в известном смысле, соотношение между уравнениями движения и группами симметрии. Теперь симметрия выступает на передний план как несущая самую фундаментальную информацию о системе. Таким образом, симметрия оказывается первичным, наиболее глубоким инструментом для физического описания природы.
В физике сегодня поставлен вопрос, который был задан Н. Бурбаки по отношению к математике: «Является ли это обширное разрастание развитием крепко сложенного организма, который с каждым днем приобретает все больше и больше согласованности и единства между своими вновь возникающими частями, или, напротив, оно является только внешним признаком тенденции к идущему все дальше и дальше распаду, обусловленному самой природой математики... Одним словом, существует в настоящее время одна математика или несколько математик?» Этот вопрос вправе может быть задан и физике.
6. Космологические и космогонические концепции естествознания о Вселенной
6.1. Вселенная как понятие и объект познания
Хотелось бы прежде обратиться к понятию «Вселенная». Уже отмечалось, что это и «универсум», и место «вселения» человека. В английском языке слово «Вселенная» (Universe) имеет ту же этимологию, что и «единство» (unity) или «единица» (one). Буквально оно означает единство, общность всех вещей, рассматриваемых как целое. Любопытно, что слово «целый» (whole) имеет один корень со словом «святой» (holy), что отражает, как пишет об этом один из самых известных современных популязаторов науки англичанин Поль Девис, глубоко таинственные и метафизические связи, с которыми имеет дело космология. Вплоть до XX века познание Вселенной как целого было прерогативой религии.
Многие ранние традиции, религии (иудейская, христианская и исламская) считали, что Вселенная создалась довольно недавно. Например, в 1658 г. архиепископ Джеймс Ушер из Англиканской церкви вычислил, что 8 часов утра 22 октября 4004 г. до н. э. — точная дата создания Вселенной. Он пришел к этой дате, складывая возраст людей и событий, упомянутых в Ветхом Завете (времена правления царей, период от Исхода евреев из Египта до посвящения храма Соломона, времена патриархов, рожденных до и после Великого потопа). Отцы и теологи Греческой православной церкви относят эту дату к 5508 г. до нашей эры. В таком случае две последние даты библейского создания Вселенной не так далеки от даты конца последнего ледникового периода, когда появился первый современный человек. Первые сомнения в этих датах были научно обоснованы в 1785 г. шотландским натуралистом Джеймсом Хаттоном в книге «Теория Земли» и в 30-х гг. XIX в. выдающимся английским геологом Чарльзом Лайелем (почитавшимся самим Чарлзом Дарвиным) в трехтомном трактате «Принципы геологии» (с этого времени, кстати, ведется отсчет существования самой геологии).
С другой стороны, Гераклит, Аристотель, Декарт, Галилей, Ньютон не признавали идею о том, что Вселенная имела начало. Они чувствовали, что это могло бы иметь место и время, но полагали, что Вселенная существовала всегда и будет существовать всегда, т. е. вечно и бесконечно. Иначе думал великий немецкий философ и космолог Иммануил Кант (автор первой в истории небулярной, т. е. из туманности, гипотезы образования Солнечной системы), когда говорил, что существуют два одинаково правильных довода, оба принимаемых на веру: один, что Вселенная имела начало, и другой, что его не было. И доводы эти основываются не на наблюдениях Вселенной, поскольку она, по существу, не меняющаяся во времени, вряд ли представляет интерес для наблюдений. Таким образом, перед учеными вставала проблема выбора между верой в Бога и материальной верой.
Эти и прочие банальные рассуждения о Вселенной оттеснили на второй план, пожалуй, самый сакраментальный вопрос космологии — имеет ли понятие Вселенной вообще смысл? Можно ли рассматривать все сущее как некое единое целое? На этот глубокий философский и натурфилософский вопрос может быть дан только экспериментальный ответ, который впервые был получен при наблюдении падения тел с Пизанской башни Г. Галилеем (это скорее легенда, но красивая легенда), в конкретных земных условиях, в весьма ограниченной области пространства. Повторить опыты Галилея где-либо еще во Вселенной нам вряд ли удастся (по крайней мере, в ближайшем будущем). Отсюда возникает весьма принципиальный вопрос: насколько применимы научные выводы к Вселенной как целому?
На практике в космологии прибегают к экстраполяции, т. е. к перенесению законов, выведенных из наблюдений, экспериментов и обобщений над отдельными частями Вселенной, за пределы этих частей, перенесению их ко всей Вселенной в целом. Почему мы уверены в правильности такой экстраполяции?
Универсальность физических систем вселяет в нас эту уверенность. Действительно, мы убеждаемся из наблюдений, что звезды очень похожи на наше Солнце, другие галактики напоминают нам нашу Галактику (Млечный Путь) как по размерам, так и по структуре, хотя, конечно, не все галактики оказываются спиральными, как наша Галактика. Удаленные от нас космические объекты состоят из тех же атомов, что и наша планета Земля и Солнечная система; совершенно неотличимы друг от друга атомы в любой части Вселенной. Астрофизики полагают, что процессы в самых удаленных областях космоса и в ближнем космосе идентичны, а происходящие взаимодействия универсальны, что подтверждается экспериментально, по спектрам, например, электромагнитных волн в оптическом, рентгеновском, гамма-диапазоне и диапазоне радиоволн.
Проникая в космос все дальше и дальше (на начало XXI века — до расстояний в 13,7 млрд световых лет, почти до Космологического Горизонта), мы видим практически одно и то же, с небольшими отклонениями. Можно согласиться с тем, что это и странно и не так уж ясно. Еще с античных времен люди считали, что Земля — центр мироздания (и все религии с этим охотно соглашались), уникальный по своему местоположению и форме. Эти представления разрушили поляк Николай Коперник и итальянец Джордано Бруно: Земля — типичная планета в типичной галактике, расположенная в типичной области Вселенной, и, вообще, Вселенная состоит из огромного числа более или менее типичных областей или структур космоса (о них речь пойдет в п. 6.2).
Самый важный «космологический принцип» состоит в том, что ближний космос — типичный образец Вселенной в целом, так что фундаментальной чертой Вселенной является одинаковость ее областей и направлений. Современная астрофизика и космология дают нам картину однородной, изотропной, самосогласованной и регулярной в больших масштабах Вселенной. Вот эти указанные обстоятельства, эти особенности и позволяют расценивать Вселенную как единое целое.
6.2. Планеты, звезды, галактики и их структуры во Вселенной
Как же выглядит Вселенная в настоящий момент? Практически все видимое вещество заключено в галактиках — гравитационно связанных звездных системах размерами в десятки и сотни тысяч световых лет (5-50 кпк, где кпк — килопарсек, парсек равен около 3,26 световых года или 1013 км), содержащих от 106 до 1013 звезд (в среднем около 100 млрд звезд), а также облака газа и пыли. Современной астрономии доступно для изучения более 10 млрд галактик. Галактики объединяются в группы галактик (с числом менее 100 галактик), скопления и сверхскопления. Встречаются также одиночные, двойные и кратные галактики. Средние расстояния между галактиками в группах (например, наша Галактика находится в Местной группе галактик) и в скоплениях составляют 100-500 кпк, что в 10-20 раз больше размеров крупнейших галактик. Расстояния между одиночными, кратными системами и группами галактик составляют 1-2 Мпк (Мпк — мегапарсек). Таким образом, галактики заполняют внут-ригалактическое пространство с большей относительной плотностью, чем звезды, так как расстояния между звездами в среднем в 20 миллионов раз больше их диаметров.
Сверскопления или суперкомплексы галактик — крупнейшие неоднородности во Вселенной, расположенные обычно в узлах ее ячеистой крупномасштабной структуры, в которых сходятся по несколько цепочек сверхскоплений галактик. Их размер может достигать порядка десятков-сотни миллионов световых лет (15-80 Мпк). В масштабах многих сотен миллионов и миллиардов световых лет Вселенная ячеисто-однородна. Средние расстояния между сверхскоплениями составляют сотни мегапарсек; на сегодняшний день известно около 50 сверхскоплений. Местное сверхскопление, в которое входит и наша Галактика, имеет размер около 60 Мпк и содержит около двадцати тысяч галактик (исключая карликовые). Следующий структурный элемент галактик — скопления галактик, плотные супергалактические образования, в которых выделяют, помимо собственно галактик, еще диффузную компоненту — горячий ионизированный газ и невидимое вещество (вещество ли?), или так называемую скрытую массу. Размеры скоплений галактик — от 1,5 до 3 Мпк — отвечают размерам первичных неоднородностей, способных эволюционировать в космические объекты согласно существующим теориям. Скопления галактик содержат от сотен до десятков тысяч галактик. Расстояния между скоплениями — десятки мегапарсек. Кроме галактик, во Вселенной присутствует равномерно заполняющее ее реликтовое электромагнитное излучение, небольшое количество очень разреженного меж-галактичекого обычного вещества и неизвестное количество пока не поддающейся наблюдению, но проявляющей себя в некоторых гравитационных эффектах субстанции, называемой скрытой массой и скрытой энергией. Их доля в космосе сейчас оценивается в 95-97%!
Основной элемент Вселенной — галактика. Основной элемент галактики — звезда — массивный плотный газовый (точнее, плазменный) очень горячий шар (с температурами внутри до миллиардов градусов), излучающий в окружающее пространство огромную энергию в основном в виде электромагнитного излучения. Во всех галактиках большая часть вещества заключена в звездах — в крупнейших, так называемых эллиптических, галактиках на звезды приходится свыше 95 процентов массы. В спиральных галактиках, таких, как наша (точнее, Млечный путь является типичным представителем спиральных галактик с перемычкой, или пересеченных галактик — класс SB), доля газа и пыли значительно больше 5%, но все же гораздо меньше, чем доля звезд.
6.3. Начало космологии, фридмановские космологические модели, разбегание галактик и расширение Вселенной
Изучение состава близких к нам галактик показало, что они, как и наша Галактика, состоят из таких же объектов — звезд, звездных скоплений, туманностей. Это подтверждает вывод, что в «малых» масштабах физические законы, управляющие развитием звезд и звездных систем, в наблюдаемой части Вселенной одинаковы. К тому же, на каждом этапе своего развития, наука просто не может обойтись без определенных «рабочих» моделей (которые всегда подлежат уточнению и заменам), независимо от того, идет ли речь о Вселенной, квазарах или обычных звездах.
Общие закономерности развития и структуры Вселенной изучаются путем построения космологических моделей. Это делается на основании общей теории относительности, созданной Эйнштейном в 1915 г., основные принципы (постулаты) и положения которой были рассмотрены нами в п. 4.2. Впрочем, позже было установлено, что основные характеристики космологических моделей можно получить, исходя из ньютоновых классических представлений (это в наше время показали космологи Э. Милн и В. Маккри).
Построить или создать космологическую модель Вселенной, полагая, что это некоторое геометрическое размерное пространство, — значит получить зависимость для так называемого масштабного фактора от времени, т. е. выяснить, как зависит от времени расстояние (масштаб) между двумя его точками (например, между галактиками). При постановке этой задачи обычно исходят из предположения, что свойства Вселенной для каждого заданного момента времени одинаковы во всех ее точках (свойство однородности пространства) и во всех направлениях (свойство изотропии пространства). Этот космологический принцип однородности и изотропии Вселенной подтверждается наблюдениями: в сверхбольших масштабах в распределении сверхскоплений галактик и в самом деле не обнаружено отклонений от однородности и изотропии.
Итак, в начале прошлого века, после того как Эйнштейн создал теорию тяготения, родилась современная космология, первым автором которой безоговорочно признается наш великий соотечественник Александ Александрович Фридман (1888-1925), а дата отсчитывается от времени публикации первой статьи Фридмана «О кривизне пространства» в 1922 году. В статьях (1922-1924) гг. Фридманом была показано, что наблюдаемая Вселенная в принципе не может быть стационарной — составляющая ее материя при бесконечном времени существования должна была либо разлететься, либо собраться в одном месте. Этот вывод был получен в науке так поздно только из-за глубокой подсознательной убежденности всех исследователей в «неизменности» существующего мира (как уже отмечалось, все великие ученые прошлого — Аристотель, Ньютон, даже Эйнштейн, который сначала не признал работу Фридмана, верили в стационарность мира). В этом были убеждены и материалисты, отрицавшие акт творения, и верующие, считавшие, что мир был сотворен Богом, но такое убеждение не было основано на фактах.
Темп удаления галактик друг от друга, как показывает решение Фридмана, может меняться с течением времени (правда, заметить это на наших «земных» промежутках времени практически невозможно, заметное изменение скорости разбегания галактик происходит за миллиарды лет). Возможны несколько вариантов моделей расширения Вселенной, но пока представим три наиболее характерных варианта расширения Вселенной.
Первые две модели описывают неограниченное во времени расширение Вселенной, и разница между ними в названии кривых, которыми описываются законы этих расширений: первая — гипербола, вторая — парабола. Третья модель расширения соответствует циклоиде. Эти варианты эволюции Вселенной обусловлены соотношением между средней плотностью Вселенной 'р и некоторой критической плотностью р которая впервые была определена Фридманом. Если 'р < ркр , то расширение идет по закону, описываемому гиперболой, если 'р = ркр, получим параболу, и если 'р > ркр, то процесс расширения когда-то (через два — три десятка миллиардов лет) сменится сжатием, это описывается циклоидой. Как замечаем, фундаментальное значение имеют две величины — средняя плотность Вселенной 'р и некая критическая плотность ркр . Как показали многочисленные измерения внутри- и межгалактической плотности, средняя плотность 'р = 10-30 г/см3. Что касается критической плотности ркр, то мы к ней вернемся после освещения истории экспериментального открытия расширения Вселенной в 1929 году Эдвином Хабблом. Наиболее полно характерные космологические модели, которые в различное время предлагались для объяснения свойств нашей Вселенной, представлены ниже:
1. Пульсирующая модель. В этой модели в некоторый «нулевой» момент космологического времени масштабный фактор равен нулю, то есть Вселенная представляет собой некоторую сингулярную точку. С нулевого момента он начинает возрастать, достигает максимального значения и снова уменьшается до нуля. Так же изменяется и расстояние между галактиками во Вселенной, соответствующей этой модели.
2. Закрытая модель: масштабный фактор увеличивается от нуля до определенного максимального значения, достигаемого в бесконечно удаленном будущем.
3. Модель Лемэтра: масштабный фактор увеличивается от нуля неограниченно, однако на протяжении долгого времени он остается почти постоянным.
4. Модель Эйнштейна — де Ситтера: начавшееся однажды расширение продолжается неограниченно (это расширение происходит с замедлением).
5. Замкнутая Вселенная, в которой возможны еще два других варианта эволюции Вселенной: а) «стационарный мир» Эйнштейна и б) модель Эддингтона-Леметра, масштабный фактор которой равен определенному конечному значению в бесконечно удаленном прошлом и неограниченно возрастает в будущем.
6. И, наконец, отметим еще так называемую модель де Ситтера: в данном случае масштабный фактор является экспоненциальной функцией времени. Эта модель «стационарной Вселенной», в которой, несмотря на расширение, плотность поддерживается постоянной за счет непрерывного «творения» вещества из особого «энергетического поля». Эта модель много лет развивалась английским астрофизиком Фредом Хойлом.
Теоретически, на основании уравнений теории Эйнштейна, можно построить около двух десятков моделей Вселенной, но какая же на самом деле из моделей реализуется, астрофизикам пока не удалось выяснить. Но история этого вопроса уже почти столетняя по времени. В 1912 г. американский астроном Весто Слайфер начал измерять лучевые скорости спиральных туманностей, руководствуясь следующими соображениями. Если эти туманности находятся за пределами Галактики, то они не принимают участия в ее вращении, а поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца в Галактике. На протяжении нескольких лет Слайфером и тоже американским астрономом Эдвином Хабблом, проводившим независимые измерения, были получены спектры 41 объекта. Оказалось, что в 36 случаях линии в спектрах туманностей смещены в красную сторону.
Представлялось наиболее естественным (это была мысль Хаббла) объяснить этот сдвиг эффектом Доплера — движением туманностей от наблюдателя. В самом деле, в данном случае отношение прироста длины волны к самой длине волны связано со скоростью движения туманности. Следовательно, туманности удаляются от наблюдателя и их скорости, измеряемые тысячами и десятками тысяч км/с, значительно превышают скорость Солнца вокруг центра Галактики, равную всего 250 км/с. Хотя этот факт наблюдают асторономы на нашей Земле, в нашей Солнечной системе, в нашей Галактике, но это вовсе не значит, что мы расположены в центре Вселенной — от любой другой точки Вселенной галактики разбегаются точно так же. Разбегание — результат общего расширения Вселенной. Убедиться в этом можно на весьма простом примере. Возьмем резиновую нить и завяжем на ней узлы. Растянем нить вдвое. В результате этого и расстояния между каждыми соединенными узлами также увеличится вдвое. При этом каждый из узлов является равноправным, и по отношению к нему скорость других узлов при растягивании нити была бы тем больше, чем дальше они находились бы друг от друга. Другой пример — с раздувающимся резиновым шариком, на поверхность которого равномерно нанесены выделяющиеся на его фоне точки. При разрастании объема шарика скорость разбегания точек друг от друга будет тем больше, чем больше между ними расстояние. Кстати, на поверхности такого шарика, как модели Вселенной, невозможно найти и центр, его попросту нет. Аналогичным образом ведет себя и мир галактик. Разница лишь в том, что он трехмерный, тогда как нить или поверхность шарика имеет всего одно или два измерения.
Теперь можно снова вернуться к возможному сценарию дальнейшей судьбы нашей Вселенной, которая зависит от величины средней плотности вещества во Вселенной и которую оказалось возможным оценить после открытия Хабблом закона разбегания галактик. Им был установлен следующий закон, связывающий скорости и расстояния между галактиками: v = HR. В этом законе и — скорость разбегания галактик, R — расстояние между галактиками, коэффициент пропорциональности между ними Н принято называть постоянной Хаббла. Ее современное среднее значение Н = 65 км/с/Мпк. Численная величина постоянной Хаббла имеет принципиальное значение для определения критической плотности вещества и при указанной выше величине она оказывается равной 
Видим, что средняя плотность вещества во Вселенной численно меньше критической, так что, если бы не существовало никаких не обнаруженных форм материи во Вселенной, а о них мы сегодня говорим, тогда «наш сценарий» эволюции Вселенной определялся бы гиперболой, т. е. Вселенная расширялась бы неограниченно долго. Но сейчас следует воздержаться от таких категоричных заявлений.
Парадокс красного смещения. На протяжении нескольких десятилетий во второй половине XX века некоторые астрономы и физики стремились найти какое-то другое объяснение красному смещению. В частности, они усматривали в этом проявление каких-то еще неизвестных сегодня закономерностей. Так, отец антимира Поль Дирак предположил, например, что эффект красного смещения мог бы иметь место, если бы во Вселенной существовало вековое изменение абсолютной длительности единицы времени. Речь идет, конечно, не об изменении длительности привычной для нас секунды, связанной со скоростью вращения Земли вокруг своей оси. Имеется в виду изменение ритма всех процессов во Вселенной — скоростей термоядерных реакции в звездах, радиоактивного распада и т. д. Красное смещение в спектрах галактик могло бы иметь место и при изменении со временем величины скорости света, а также при уменьшении энергии кванта в процессе его путешествия в межгалактическом пространстве. Но если энергия кванта в процессе этого движения не передается ничему, то ее уменьшение (увеличение длины волны) может иметь место лишь при нарушении закона сохранения энергии. Если же квант теряет часть своей энергии, передавая ее другим фотонам или частицам среды, то при этом акте направление его движения изменится. Поэтому изображения других галактик должны быть тогда размытыми (расплывчатыми), и тем более размытыми, чем дальше эта галактика находится. На самом же деле изображения как близких, так и далеких галактик достаточно четкие. Поэтому гипотеза «старения квантов» была отвергнута (вспомним, что, согласно Попперу, наука это исключение фальшивых гипотез). Упомянутые две другие возможности (изменение ритма времени или скорости света) вообще не могут быть проанализированы всерьез в рамках сегодняшней теоретической физики. Что есть или что такое время? Почему скорость света в вакууме является постоянной и максимальной из всех возможных? Существует ли какая-нибудь связь между гравитацией и электромагнитными свойствами вещества? Это все глобальные проблемы современности. Все они, очевидно, будут решены лишь в будущих, более совершенных теориях пространства, времени и взаимодействий.
Сегодня «разбегание» галактик принимается как реальный факт. На этой основе можно построить общую картину развития наблюдаемой Вселенной. Огромное большинство галактик светит настолько слабо, т. е. они так далеки, что никаких отдельных объектов в них различить нельзя. Но наблюдения показывают, что увеличение красного смещения галактик сопровождается уменьшением их яркости. Это является доказательством того, что в действительности происходит расширение наблюдаемой нами Вселенной. Но здесь речь идет, скорее, не о движении галактик в пространстве, а о расширении, творении самого пространства. Расстояния до галактик измеряются миллионами и миллиардами световых лет. Это значит, что мы видим их не такими, какими они являются сейчас, а какими они были миллионы и миллиарды лет назад. Углубляясь все дальше и дальше в пространство Вселенной, астрономы тем самым встречаются с все более и более молодыми объектами! Мы тем самым, по существу, видим прошлое вещества, прошлые эпохи Вселенной.
Парадоксы расширяющейся Вселенной. Парадоксальным является, прежде всего, само красное смещение, так как его космологическая природа не столь очевидна, какой она представляется в земных условиях. Выше указывались возможные причины объяснения этого интересного эффекта, но они обычно отвергаются на том основании, что их природа физически гипотетична, как и сам феномен взаимодействия космологического излучения с другими видами материи.
Так, по данным наблюдения квазаров, красное смещение, выражаемое в относительной величине, достигает аномально высоких значений (2,5-2,8), хотя, по сути, оно не могло бы быть больше 1. Это потому, что если эту аномалию объяснять только эффектом Доплера, то скорость квазаров превосходит скорость света на указанные величины. Ясно, что это вступает в противоречие с постулатами специальной теории относительности. Чтобы исключить его, часть красного смещения надо списать на гравитацию (а гравитация, как мы видели в п. 4.2, обеспечивает красное смещение тоже). Однако здесь не ясно, на какую из возможных гравитаций — либо на локальную (т. е. гравитацию самого квазара), либо на вселенскую, встречающуюся на пути луча к нам, или на ту и другую вместе следует ориентироваться в этом вопросе. Безупречных теоретических подсказок здесь нет. А сами галактики, обнаруженные в глубинах Вселенной, движущиеся со скоростями около половины Скорости света и более, откуда они приобрели такую чудовищную кинетическую энергию, сопоставимую с энергией их массы покоя, рассчитываемую по эйнштейновской формуле Е = тс2?
Не столь физически прозрачен и феномен перехода всей материи в единственную точечную сингулярность, из которой якобы произошел «большой взрыв». Кроме того, английский физик и космолог Стивен Хокинг в 1974 г. показал возможность «испарения» черных дыр в результате туннельного просачивания (туннелирования) частиц во внешнее пространство через потенциальный барьер. Возникают противоречия при объяснении самого феномена расширения Вселенной, о котором мы уже знаем. Если расширение — действительный физический процесс (т. е. наглядный, как бы нам хотелось), то оно происходит либо за счет «вторжения» в вакуум типа псевдоевклидова пространства Минковского, либо в пространство других космических систем Вселенной (мы-то свою наблюдаемую Вселенную называем Метагалактикой). Существование абсолютного вакуума (не физического вакуума, понятие о котором мы обсуждали ранее) нельзя допускать, ибо пространство есть атрибут (неотъемлемая принадлежность) материи и вне нее не существует. Остается допустить вторжение во внутренние пространства других систем, которые сами могут как сжиматься, так и расширяться, развиваясь по собственным законам.
Если же встать на точку зрения, что само пространство как бы создается в процессе расширения (процессе «разбухания», как иногда говорят и пишут), в том смысле, что с течением времени увеличивается расстояние между любыми точками и изменяется геометрия пространства, то мы опять приходим к противоречию. Именно все это должно было бы сопровождаться увеличением размеров всех материальных систем: элементарных частиц, атомов, планет, звезд, галактик, всех в равных пропорциях. Вот этого-то и не замечено пока экспериментально, слишком малы эффекты. Так что проблемы есть, не разрешены современной наукой и остаются как «подарок» будущим поколениям ученых.
6.4. Космогоническая гипотеза Леметра, гипотеза Гамова «горячей сингулярности», «большой взрыв» и ранние эпохи образования Вселенной
Как уже отмечалось, наша Метагалактика нестационарна, поскольку непрерывно изменяется, в прежние времена (если кому было наблюдать) она выглядела иначе, и не будет находиться в нынешнем виде вечно — она имела начало и должна иметь конец своего, существования (таковы современные представления об эволюции Вселенной).
Около двадцати или десяти миллиардов лет назад (где-то в этом интервале времен) вещество, из которого сегодня состоят галактики, было сконцентрировано до очень больших плотностей в некоторой, так называемой, покоящейся сингулярной точке. В современную эпоху наблюдаемые скорости тогда образовавшихся галактик достигают и сотен, и двух сотен тысяч км/с, т. е. скорости их движения оказываются сравнимыми со скоростью света. Создается впечатление, что когда-то в те давние времена произошел гигантский по мощи взрыв этой сингулярной области (говорят об этом совершенно в условном смысле, а не в прямом толковании взрыва), который и явился началом развития Метагалактики (если угодно, Вселенной) к ее современному состоянию. Такой взгляд на начало мира оказался приемлемым многим ученым, гипотеза эта получила всеобщее признание и была названа гипотезой Большого взрыва (по англ. — Big Bang). В варианте холодной сингулярности она принадлежит французскому космологу аббату Жоржу Лемэтру (1894-1966), ставшему впоследствии президентом Ватиканской академии наук, а в варианте горячей сингулярности — великому русскому ученому Георгию Гамову (1904-1968).
Вопрос о том, в каком состоянии была сингулярность тогда, далеко не праздный. От физического состояния вещества существенно зависит возраст Вселенной. Кроме того, при высоких температурах (миллионах и миллардах градусов) могут протекать термоядерные реакции. Поэтому химический состав «горячей» Вселенной может быть существенно другим, чем «холодной». А от химического состава зависят размеры и светимость звезд, темпы их эволюции. На протяжении нескольких десятилетий обе модели (холодная и горячая) существовали в космологии равноправно. Каждая из них имела свои привлекательные стороны и свои недостатки, своих сторонников и своих критиков. Не хватало лишь подтверждения наблюдениями. Так вот, подтверждения такие последовали, и о них мы будем писать в следующем пункте.
Итак, по современным воззрениям, Вселенная возникла в результате стремительного расширения, если угодно, взрыва, сверхплотного горячего вещества, обладавшего сверхвысокой температурой. Это был не обычный взрыв, который начинается из определенного центра и затем захватывает другие области пространства. По образному выражению нобелевского лауреата, американского физика Стивена Вайнберга (соавтора теории электрослабого взаимодействия), взрыв произошел одновременно везде, «причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы». Другого пространства, кроме того, которое было первоначально занято исходным веществом, не существовало, т. е. тогда это была вся, именно вся Вселенная. И начальный Большой взрыв (Big Bang) был не расширением материи в окружающее пространство, а расширением самого пространства. Big Bang произошел 13-17 млрд лет назад (по оценкам из закона Хаббла).
Проследим за динамикой развития Вселенной после взрыва. Чем дальше мы уходим в прошлое, тем больше температура, все ближе и ближе сингулярность — загадка взрыва Вселенной. Современная наука позволяет в мысленном путешествии во времени подойти к сингулярности вплотную. Вернемся опять к использованию простейших математических формул, которые позволят с большей наглядностью проиллюстрировать это путешествие. Связь температуры Т и времени t, прошедшего от начала расширения такова: 
где Т задается в градусах Кельвина, t — в секундах. Начальная температура, по предположению Гамова, была порядка 1032 градусов Кельвина. Это так называемая планковская температура, составленная из планковских единиц длины, времени и массы. Начиная с этого момента (с нуля времени!), Вселенная начала расширяться, температура ее стала понижаться, а объем Вселенной начал расти. Опять же, через планковское время, которое оценивается величиной около 10-43 с, после рождения классического пространства-времени, во Вселенной наступила инфляционная эпоха. Она характеризуется предельно сильным отрицательным давлением (его иногда называют состоянием фальшивого вакуума), при котором меняются законы обычной гравитационной физики. Вещество становится не источником притяжения, а источником отталкивания. Во время этой эпохи объем Вселенной увеличивается на много-много порядков от первоначального объема, вплоть до ста порядков, т. е. практически до размеров почти современной Вселенной, в результате чего вся современная Вселенная оказывается в одной причинно-следственной области, уравнивается кинетическая энергия расширения и ее потенциальная энергия. Из-за действия сил отталкивания Вселенная «разгоняется» и приобретает большую кинетическую энергию, которую в дальнейшем, в последующие эпохи, мы наблюдаем в виде хаббловского расширения по инерции.
Через одну секунду после взрыва температура настолько понизилась, что была уже всего 10 млрд градусов. При такой все еще огромной температуре происходят процессы рождения и аннигиляции (превращения в свет, в фотоны) элементарных частиц. Например, процессы рождения пар электрон-позитрон при столкновении фотонов и обратная реакция, аннигиляция пар электрон-позитрон с превращением в фотоны.
При еще более высокой температуре, следовательно, еще ближе к моменту «взрыва», возможны были рождение и аннигиляция более тяжелых частиц и античастиц, причем непрерывно происходило быстрое их взаимное превращение. В этом первоначальном и «кипящем бульоне» из элементарных частиц, частиц примерно было столько же, сколько фотонов. В настоящее время фотонов в миллиард раз (109) раз больше, чем частиц (протонов). Очевидно, объяснить такое соотношение между числом фотонов и числом частиц в прошлом и настоящем можно, если только предположить, что в «кипящем планковском бульоне», в прошлом, на каждый миллиард античастиц приходился миллиард плюс одна частица, т. е. существовала мизерная ассиметрия между частицами и античастицами. (Если бы ассиметрия была в другую сторону, то нынешняя Вселенная состояла бы из антивещества). Возникает множество вопросов: почему разница между количеством частиц и античастиц так мала? и т. д. Оставим в стороне пока эти вопросы и вернемся к ситуации, возникшей через одну секунду (!) после взрыва. В это время от всего разнообразия частиц остались только фотоны, электроны и позитроны, нейтрино и антинейтрино. Нейтрино и антинейтрино вырвались из равновесного состояния, из «кипящего бульона», примерно через 0,2 сек. после взрыва (в отличие от фотонов, оторвавшихся примерно через миллион лет).
Как уже, наверное, обратили внимание наши читатели, анализ «большого взрыва» свелся к обсуждению проблем, связанных с элементарными частицами. За последние годы в физике элементарных частиц произошли большие изменения. Сейчас логически последовательное описание Big Bang невозможно без элементарных частиц. Стало ясно, и это мы показали раньше, что такие, например, элементарные частицы, как протон и нейтрон, не являются «кирпичиками мироздания», а являются сложными системами, состоящими из более элементарных объектов — кварков. Если условно мы подразделяем наш мир на три состояния по своим, в общем-то отличительным друг от друга, законами (микромир, макромир и мегамир), то в момент «большого взрыва» произошло слияние микро — и мегамира. Такое состояние Вселенной в то ушедшее время получило название микрокосмоса.
Все тяжелые частицы, адроны, состоят из кварков. Соединение кварков осуществляется посредством элементарных переносчиков сильного взаимодействия — глюонов. Но самое поразительное заключается в том, что на взаимодействие элементарных частиц, на сложные процессы, проходящие в «кипящем бульоне», оказывает влияние пустота — физический вакуум. Этот особый вакуум (так считает современная наука) является сложным состоянием, необычной пустотой, от которого зависят свойства пространства-времени и материи. Физический вакуум — зто сложнейшее состояние «кипящих» виртуальных частиц всевозможных сортов (см. пред. главу 5).
Следует также вспомнить о видах взаимодействия, известных нам. Таких видов взаимодействий, как уже указывалось, всего четыре: гравитационное, электромагнитное, слабое и сильное. Переносчиком электромагнитного взаимодействия являются фотоны — кванты электромагнитного поля, не имеющие массы покоя и двигающиеся всегда только с одной скоростью — со скоростью света. Слабое взаимодействие проявляется лишь на очень малых расстояниях — порядка 10-16 см (радиус электромагнитного и гравитационного взаимодействия, по существу, бесконечен). Переносчиками слабого взаимодействия являются бозоны, которых имеется три сорта: W+, W", Z°. При высокой температуре Т > 1015К различие между слабым и электромагнитным взаимодействием пропадает, при этой температуре (можно пересчитать, в какой момент времени после взрыва это происходит) существует единое электрослабое взаимодействие. За разработку единой теории электромагнитного и слабого взаимодействий, т. е. электрослабого взаимодействия, С. Вайнберг, Ш. Глэшоу и А. Салам были в 1979 году удостоены Нобелевской премии.
Частицы, подверженные слабому взаимодействию, как указывалось ранее, называются лептонами. При температурах Г >> 1015К, когда возникает единое электрослабое взаимодействие, существует симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействием, а поле, осуществляющее электрослабое взаимодействие, называется полем Хиггса.
Упомянутые выше кварки являются кирпичиками тяжелых частиц — адронов, их существование убедительно экспериментально доказано. Но парадоксальным в данном случае является то, что кварки в свободном состоянии не обнаружены, они просто не могут существовать в свободном состоянии. У кварков есть характеристика, величина, аналогичная электрическому заряду у «обычных» элементарных частиц. Эта величина называется «цветом». Сильное взаимодействие еще иначе называют цветной силой. Так вот, при температурах, значительно более высоких, чем 1015К (этой температуре соответствует энергия 102 Гэв, Гэв — гигаэлектронвольт, гига означает 109), возможно объединение электрослабого и сильного взаимодействия. Это объединение, носящее название Великого, наступает при энергиях 1014 Гэв. Для сравнения можно напомнить, что самые мощные в мире ускорители элементарных частиц разгоняют элементарные частицы до порядка 102 Гэв, таким образом, в обозримом будущем взаимодействие Великого объединения в лабораторных условиях наблюдать невозможно. Такие состояния может создать только сама Природа, в частности, вблизи «большого взрыва» такие состояния возможны. Не исключена возможность такого состояния и в локальных объектах Вселенной, например, в «черных дырах». Это состояние может возникнуть, например, со звездой при гравитационном коллапсе.
Почему мы здесь об этом говорим и пишем? Да потому, что правильность теоретических представлений о взаимодействии Великого объединения можно проверить по исследованиям и анализу процессов в сегодняшней Вселенной, ведь в сегодняшней Вселенной должны существовать следы тех грандиозных событий, которые происходили вблизи «большого взрыва». Кстати, если подсчитать момент времени t, соответствующий температуре Т, когда энергия 1014 Гэв (тогда Т=1027 К), то получится t=10-24с.
На наших глазах происходит осуществление научной мечты Эйнштейна — мечты об объединении всех сил природы. Итак, при температурах Т=1027К происходит объединение трех сил: электромагнитной, слабой и сильной. Остается в стороне только одна сила — гравитационная. Казалось бы, осталось сделать только один шаг, но этот последний шаг до сих пор не удается сделать пока никому.
Напомним, что специальная теория относительности объединила пространство и время. Общая теория относительности, являющаяся современной теорией гравитации, исходит из того, что гравитация — это проявление искривления четырехмерного пространства- времени. Массивные тела искривляют пространство-время, и эти тела движутся «свободно» в искривленном пространстве-времени по геодезическим линиям. Эйнштейн по существу показал следующее: природа гравитационного поля по существу геометрическая — это кривизна пространства- времени. Эйнштейн был убежден, что и электромагнитное поле должно иметь геометрическую природу. До самой смерти (он умер в 1955 году) Эйнштейн работал над теорией, объединяющей гравитацию и электромагнетизм. Сейчас, когда мы знаем о наличии еще слабого и сильного взаимодействия, мы понимаем тщетность усилий Эйнштейна.
Теперь мы снова обращаемся к идее объединения всех сил с гравитацией. Оценка энергии, при которой должно произойти объединение всех сил природы, равна 1019Гэв, что соответствует температуре Т=1032К, т. е. начальной температуре в сингулярности. В результате этого суперобъединения нет отдельных четырех взаимодействий, есть только одно универсальное супервзаимодействие. При разработке теорий, в которых существует единое универсальное взаимодействие, ученые с неизбежностью приходят к рассмотрению абстрактных пространств с большим, чем четыре, числом измерений. Есть варианты теорий, в которых рассматриваются 10, 11 и даже 26 измерений вместо обычных четырех. Почему же мы на практике не обнаруживаем этих дополнительных измерений? Как утверждают ученые, все дополнительные измерения компактно «сворачиваются» на расстояниях порядка 10-23см — это так называемая планковская длина волны. На этих расстояниях необходимо учитывать квантовые эффекты -здесь уже не «работает» классическая общая теория относительности. Квантовой же теории гравитации в признанном всеми варианте пока еще не существует.
Вернемся к нашему путешествию во времени к точке «большого взрыва». Мы говорили о том, что в нашей Вселенной должны сохраниться «следы» тех процессов, которые протекали вблизи сингулярного состояния. К таким «следам» относятся самые фундаментальные свойства нашего мира, а именно, тот факт, что пространство имеет три измерения, а время — одно измерение, тоже обусловлено теми, далекими для нас, процессами. Тот факт, что во Вселенной есть вещество, также обусловлен теми процессами. Вообще Вселенная вблизи «большого взрыва» напоминает суперген (если использовать биологическую терминологию), в котором заложена вся информация о будущем Вселенной. Недаром католической церкви понравился Big Bang.
Однако продолжим анализ начала и последующих моментов после взрыва. Прошло три-пять минут после начала расширения, и температура во Вселенной упала ниже одного миллиарда градусов. При этой температуре возможно соединение протона и нейтрона в ядро дейтерия. В результате реакций синтеза при температуре ниже миллиарда градусов начинают возникать ядра гелия. На этом ядерные реакции в ранней Вселенной прекращаются. Расчеты показывают, что в первичном веществе должно образоваться около 25% гелия по массе, а остальное вещество (75%) — это ядра атомов водорода (протоны). Наблюдения показывают, что первые звезды во Вселенной образовались из вещества, химический состав которого соответствует предсказаниям теории горячей Вселенной. Все другие химические элементы образовались при дальнейшей эволюции Вселенной главным образом в недрах звезд, а за образование тяжелых элементов ответственны в первую очередь процессы в сверхновых звездах. (Таким образом, атомы, которые есть в нашем организме, когда-то были рождены в недрах какой-то сверхновой звезды!).
После рекомбинации атомов вещество, заполняющее Вселенную, представляло собой газ, который вследствие гравитационной неустойчивости стал собираться в сгущения. Результаты этого процесса мы видим в виде скоплений галактик, галактик и звезд. Структура Вселенной весьма непроста, и изучение механизма ее образования — это одна из самых интересных задач настоящего времени. Как ни странно, она далека от решения — мы более ясно представляем себе, что происходило в первые секунды после «большого взрыва», чем в период от миллиона лет до нашего времени.
Есть много загадок в космологии, которые человечество еще не разгадало. Например, почему наша Вселенная является однородной? (Конечно, в больших масштабах). Почему средняя плотность вещества во Вселенной очень близка к критической плотности? И самая главная загадка: что могло быть причиной начала расширения?
Русские физики А. Д. Линде и А. А. Старобинский показали, что состояние с огромным отрицательным давлением, как у вакуума, во Вселенной могло возникнуть в результате квантовых эффектов в гравитационном поле. Это огромное отрицательное давление могло возникнуть при температуре «кипящего бульона», равной Т=1032К, т. е. при этой температуре происходит суперобразование (взаимодействие Великого объединения и гравитационное взаимодействие сливаются в одно взаимодействие). Соответствующий момент времени tn=3 х 10-44с, плотность материи в этот момент r=1094г/см3. Возможно, что возникновение состояния с огромным отрицательным давлением в этот момент и послужило первотолчком к расширению Вселенной.
Сейчас ясно одно: чем ближе к «началу», тем более экзотичней становятся законы природы, тем больше возникает вопросов. В заключение приведем таблицу эпох расширения Вселенной с указанием только ключевых процессов.
6..5. Реликтовое излучение Гамова
В 1965 г. американские радиоинженеры А. Пензиас и Р. Вилсон, испытывая новый радиотелескоп с рупорной антенной, неожиданно зарегистрировали космическое излучение, интенсивность которого не зависела от направления и которое нельзя было приписать известным дискретным радиоисточникам — радиогалактикам и квазарам. После проведения соответствующих измерений и вычислений, был сделан вывод: радиотелескоп регистрирует космическое излучение, распределение интенсивности по длинам волн которого соответствует тепловому излучению с абсолютной температурой Т = 2,7 К. (В 1978 году Пен-зиас и Вильсон за открытие «реликтового» излучения получили Нобелевскую премию). Так было доказано, что все межгалактическое пространство заполнено квантами низкой частоты. Вспомним, что в процессе расширения Вселенной энергия каждого кванта уменьшается. Из этого следует, что на раннем этапе расширения частота этих квантов могла быть сколько угодно большой. Отсюда вывод: в далеком прошлом Вселенная была горячей. Это открытие позволило сделать выбор между двумя гипотезами происхождения Вселенной в пользу «горячей», высказанной Г. Гамовым.
Кроме теории расширяющейся Вселенной А. Фридмана, затем также теоретической модели «горячей» Вселенной Г. Гамова, надежно установленного экспериментального закона Хаббла, есть прямая экспериментальная информация, подтверждающая Big Bang: это предсказанное в 1947 г. и открытое в 1965 г. реликтовое излучение.
Многократные измерения показали, что этот космический электромагнитный фон является изотропным, т, е. интенсивность его излучения одинакова по всем направлениям. Исследование физических характеристик реликтового излучения показало, что первоначальная плазма обладала чрезвычайно высокой температурой. (Согласно развитой теории «горячей» Вселенной, реликтовое излучение возникло несколько позже Big Bang, примерно через миллион лет после взрыва, следовательно, в момент взрыва температура была еще выше, или, как принято говорить в математике, была бесконечно большой).
Согласно общей теории относительности, у электромагнитного излучения существовал бы сдвиг спектра в «красную» сторону по некоторым направлениям, если бы по этим направлениям в космическом пространстве существовали сгущения материи.
Изотропия реликтового излучения, таким образом, свидетельствует об однородности распределения вещества во Вселенной в больших масштабах. Кстати, парадоксальная на первый взгляд гипотеза об однородном и изотропном распределении материи во Вселенной была сделана А. Фридманом при решении уравнений Эйнштейна. Масштаб однородности Вселенной составляет приблизительно сто миллионов световых лет, т. е. в меньших масштабах Вселенная является неоднородной (звезды, галактики, межзвездные облака и т. д.).
6.6. Космологический Горизонт и крупномасштабная (ячеистая) структура Вселенной
Итак, два важнейших наблюдательных факта, лежащих в фундаменте современной космологии, мы уже отметили - фридмано-хаббловское расширение Вселенной и гамовское реликтовое излучение. Их сопоставление ведет к логическому выводу о существовании некоего Космологического Горизонта, «заглянуть» за который и получить какую-то информацию об объектах, находящихся далее, и о структурах, превосходящих по размеру расстояние до Космологического Горизонта, человечеству не дано (по крайней мере, в современную технологическую эпоху).
Пока человек является обитателем Местного сверхскопления галактик, эффект красного хаббловского смещения для источника света, удаленного на расстояние R > 1,4 Гпк, приводит к тому, что этот объект станет неразличим на фоне микроволнового (реликтового) излучения.
Третьим наблюдательным фактом следует считать открытие и исследование крупномасштабной структуры Вселенной. До этого открытия самыми крупными объектами во Вселенной считались гигантские галактики и скопления галактик. Открытие сверхскоплений галактик (крупномасштабной структуры) произвело неизгладимое впечатление на космологов.
Крупномасштабная структура Вселенной была предсказана российскими космологами и астрофизиками во главе с академиком Яковом Борисовичем Зельдовичем. Теоретически анализируя законы эволюции малых возмущений плотности в расширяющейся Вселенной, Зельдович обнаружил любопытное явление: образующиеся объекты не обладали сферической формой (тогда как сами звезды, планеты — сферы, есть и шаровые галактики). Это были структуры объемные, неравные по трем направлениям, весьма похожие на обычные блины. Зельдович так и назвал свою теорию теорией блинов (Бог, если это он испек Вселенную, не чужд обыденности!). Теория предсказывала существование в глубоком космосе пустот, теперь их называют войды (от англ. void — пустота, пустое место).
Чтобы быть совсем точным, надо сказать, что самый крупный объект во Вселенной - Метагалактика, за пределами которой нам мир не виден. Крупномасштабная структура Метагалактики выявлена для шкалы расстояний от нескольких мегапарсек до нескольких сотен мегапарсек. С. Шандарин, Р. Киршнер и др., которые в 1981-82 гг. открыли крупномасштабную структуру, наблюдали далекие галактики в телескоп на трех полях галактик, отстоящих друг от друга на угловые расстояния в 5 градусов. В каждом из полей они сосчитали галактики, измерили их красные смещения и построили гистограмму (графическую столбчатую диаграмму), в плоскости которой отложили то что считали и измеряли: число галактик N — красное смещение z. На гистограмме выявились два пика, разделенные почти пустым пространством. Их интерпретация была предельно проста: мы видим два блина крупномасштабной структуры Вселенной, а между ними пустое поле.
Дальнейшие исследования показали, что самые крупные пространственные неоднородности в распределении галактик имеют форму волокон, или филаментов (англ. filament — нить, волокно), которые образуют стенки ячеек — войдов. Внутри каждого войда галактик нет, они сосредоточены, в волокнах, образующих стенки войда (так можно себе представить трехмерную паучью паутину). Размеры войдов около 100 Мпк, толщина волокон около 10 Мпк. Эта крупномасштабная ячеистая структура Метагалактики, как принято считать, не образует более крупных структур, поэтому в данных мегамасштабах Метагалактика однородна и изотропна. Конечно, абсолютная категоричность здесь неуместна. Планируется построить полное трехмерное распределение галактик в Метагалактике на глубину, превышающую сотню мегапарсек.
Это мы говорили о структуре, а теперь о механизмах образования этих структур. После «большого взрыва» образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газово-пылевое облако и электромагнитный фон. В результате взаимопритяжения частиц пыли и газа (главным образом водорода) образовались первые поколения звезд. После того как возникли первые звезды, оставшийся газ, ввиду наличия у него внутреннего момента движения, собрался в тонкий диск (блин), и в этом диске сформировалось из газа второе поколение звезд. Наиболее массивные звезды быстро эволюционировали с образованием тяжелых металлов, которые выбрасывались в межзвездный газ. Некоторые из тяжелых металлов конденсировались в крошечные крупинки — межзвездную пыль.
Когда в центральной плоскости галактики было сформировано достаточное количество звезд, неустойчивость движения заставила их временно объединиться в скопления, из которых были сформированы спиральные рукава. Рукава представляют собой протяжные образования, которые вращаются вокруг центра галактики. Вещество, из которого они состоят, испытывает изменения. Некоторые звезды могут переходить из одного рукава в другой. Подобно звездам, межзвёздный газ и пыль также находятся в рукавах. В межзвездном газе в результате вспышек сверхновых звезд возникает разница в давлении. Газ оттекает из области высокого давления в область низкого давления, образуются облака неионизированного газа высокой плотности. Силы тяготения стремятся сжать такое облако в более компактное образование. Однако сжатию препятствует внутреннее давление, которое стремится заставить облако расшириться. Обычно внутреннее давление больше гравитационного. Но иногда внешнее давление внезапно повышается из-за происходящих неподалеку бурных событий: например, вспышка сверхновой звезды, образование массивной звезды или крупномасштабная перестройка межзвездного магнитного поля. Облако может сжаться до плотности гораздо больше типичной. Тяготение может преодолеть внутреннее давление, вследствие чего облако начинает катастрофически сжиматься, и образуются звезды. По мере сжатия межзвездные пылинки защищают внутренние области облака от нагрева излучением звезд, находящихся снаружи. Температура облака падает, а с ним внутреннее давление в облаке. В результате облако распадается на части, а те, в свою очередь, на еще меньшие образования. В звездах в результате сжатия водород превращается в гелий. Поскольку в центре давление выше, то и гелий образуется в центре, образуется гелиевое ядро.
Ядро еще больше сжимается и разогревается. В слоях, прилегающих к ядру, из-за огромной температуры также начинает образовываться гелий. Когда температура внутри звезды достигает 1,5 X 107К, гелий превращается в углерод, с последующим образованием все более тяжелых химических элементов. В результате образуются красные звезды, сверхгиганты. Заключительный этап жизни звезды зависит от ее массы. При малой массе внешние слои постепенно расширяются и, в конце концов, покидают ядро звезды; на месте гиганта остается горячий маленький карлик с белым свечением, который затем постепенно остывает и становится потухшей звездой. Если масса звезды примерно вдвое превышает массу Солнца, то такие звезды на последнем этапе эволюции теряют устойчивость и могут взорваться, как сверхновые, обогащая межзвездную среду тяжелыми химическими элементами, а затем сжаться, превратившись в нейтронные звезды с диаметром в несколько километров.
Внутри звезд в ходе термоядерных реакций образуется до 30 химических элементов, а во время взрыва и все остальные известные на Земле химические элементы.
Обогащенная тяжелыми элементами межзвездная среда образует звезды нового поколения. Возраст звезд по этому можно определить методом спектрального анализа. Есть звезды-сверхгиганты, намного превышающие массу Солнца. Они либо превращаются в нейтронную звезду, либо в процессе неограниченного сжатия превращаются в «черную дыру», т. е. в объект, обладающий гигантским по своей величине полем тяготения, не выпускающий за свои пределы никакое излучение. Их можно обнаружить косвенно, по их гравитационному воздействию на окружающие тела. Межзвездный газ или газ соседней звезды, притягиваясь и падая на «черную дыру» (этот процесс называется аккрецией), образует вокруг нее шлейф. Напрашивается вывод: звезды и галактики подчиняются всеобщим законам диалектики: рождаются, живут и умирают. И процесс этот продолжается до наших дней.
Резюме
Решение уравнений ОТО (теории тяготения Эйнштейна), осуществленное Александром Фридманом, привело к открытию фундаментального свойства Вселенной — ее нестационарности.
Экспериментальное доказательство нестационарности Вселенной в виде ее расширения появилось в 1929 году с открытием американским астрономом Э. Хабблом эффекта красного смещения линий в спектре галактических атомов водорода, интерпретированного как знаменитый закон Хаббла — закон разбега-ния галактик. Оценка величины постоянной Хаббла позволяет оценить возраст Вселенной (Метагалактики) в 13-17 млрд лет.
С открытием факта расширения Вселенной возникла проблема «начала» Вселенной. Данная проблема разрешена на сегодняшний день в виде гипотезы Лемэтра о «большом взрыве» и гипотезы Гамова о начальной горячей сингулярности. Проявлением Большого взрыва является предсказанное Гамовым и экспериментально обнаруженное реликтовое излучение. Современная наблюдательная астрономия практически достигла Космологического Горизонта, за которым Вселенная не видна.
7. Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы
7.1. Планетная космогония
Теперь рассмотрим проблемы планетной космогонии, т. е. проблемы образования планет и планетных систем, на примере нашей Солнечной системы. Надо ответить на несколько непростых вопросов. Как образовались планеты Солнечной системы и почему? Насколько распространены планетные системы во Вселенной? Распространены ли во Вселенной системы, подобные Солнечной, с планетами, подобными Земле?
Решение этих проблем можно начать с рассмотрения стадий рождения звезд. На начавшееся спонтанно сжатие газового облака и на дальнейшую судьбу звезды оказывают влияние, кроме тяготения, еще много факторов. Один из важнейших — возникающий во вращающемся газово-пылевом диске момент количества движения (вращательный момент). При сжатии диска во много раз момент вращения сохраняется неизменным, а момент инерции уменьшается пропорционально квадрату степени сжатия, и, значит, во столько же раз должна возрасти скорость вращения.
Высокая скорость вращения препятствует сжатию в сферу. По этой причине большинство галактик имеют дискообразную форму, но звезды, как правило, — более шары, чем какое-либо другое тело, они как-то умудряются избавляться от своего момента. Следует отметить, что сейчас установлено совершенно точно, что вдоль оси вращения звезды они несимметричны — в верхней части вытянуты, а в нижней сплюснуты. Наблюдения за газовыми дисками (туманностями) указывают на два возможных варианта сценария: первый — образование двойных звезд; второй — образование планетных систем. В первом случае момент вращения облака переходит в момент вращения звезд вокруг общего центра тяжести; во втором — передается планетам, вращающимся вокруг центральной звезды. В нашей Солнечной системе на планеты приходится всего 0,13% массы, но у них сосредоточен почти весь вращательный момент системы — примерно 98%, что пока убедительно не удалось объяснить никому.
Двойные звезды удалось получить в компьютерных моделях, пути их образования довольно ясны, и наблюдения показали, что по крайней мере 70% всех звезд — двойные или еще большей кратности — тройные, четверные и т. д. (максимум, что наблюдалось, — семерная).
Существование планет надежно, прямыми наблюдениями, удалось на начало 2006 г. доказать у более чем ста звезд в нашем ближайшем окружении. Это, как правило, планеты, превосходящие по массе Юпитер, но можно предполагать, что большинство одиночных звезд (которых в нашей Галактике многие миллиарды) должны иметь планетные системы и среди них должны быть (могут быть) и планеты, подобные Земле.
Относительно механизма образования планетных систем (конкретнее — нашей Солнечной системы) до сих пор нет окончательно сформированного мнения. Есть довольно продуктивные современные гипотезы и теории, восходящие к небулярной (из газопылевого облака, из туманности, ибо nebula это с лат. — туман) гипотезе Канта и Лапласа. Это теории Ф. Мультона и Т. Чембер-лена, Дж. Койпера, X. Альвена, Ф. Хойла, О. Шмидта, С. Всехсвятского и др. Но ни одна из них не может объяснить всех фактов, относящихся к планетам. В настоящее время можно считать достаточно точно установленными следующие два положения:
1) Планеты образовались приблизительно одновременно с Солнцем из материала того же газо-пылевого облака.
2) Образование планет происходило из холодной материи, и планеты никогда не проходили через стадию полного расплавления (хотя расплавление большей части вещества на ранних стадиях жизни некоторых планет вероятно).
Исходя из этих положений, строятся основные теории образования и начальной эволюции планет. В общих чертах их образование началось в газо-пылевом или протопланетном (допланетном) облаке. Протопланетные облака должны были иметь или принять уплощенную, дискообразную форму, поскольку траектории (орбиты) планет практически лежат в одной плоскости. Допланетное облако значительно превышало пределы самой далекой из планет — Плутона, который удален почти на 40 а. е. (а. е. — астрономическая единица, равна среднему расстоянию Земли от Солнца — 149,5 млн км). Планеты образовались из твердых тел — планетезималей. Планетезима-ли (англ. planetesimal от planet — планета, infinitesimal — бесконечно малая величина) — название мелких твердых частичек, так называемых допланетных тел, образовавшихся в допланетном облаке в результате конденсации вещества, согласно космогонической гипотезе американских асторономов Ф. Мультона и Т. Чемберлена. Первоначальный состав облака был свойственен обычным межзвездным туманностям — 99% газа (водород и гелий) и 1% пыли. В результате гравитационного коллапса газа и пыли к центральной части облака образовалось протосол-нце (протозвезда в других случаях), температура которого первоначально была десятки тысяч градусов. Это способствовало испарению пылевых частиц из протосолнца. Про-топланетное облако, в основном с газовой составляющей, оказалось подверженным вихревому движению газов. Облако остывало, в нем вновь появились твердые частички пыли. Через какое-то время в нем образовался тонкий пылевой диск, который начал расслаиваться на отдельные сгущения. В облаке участились столкновения и слипания отдельных пылинок, вот только на этом этапе началось образование планетезималей. По мере возрастания масс планетезималей и достижения ими километрового размера, у них появилась способность удерживать близ-находящиеся частички за счет тяготения. Далее уже происходило образование планет.
Образование планетезималей длилось, согласно расчетам, десятки тысяч лет. Образование протопланетных тел из планетезималей длилось несколько сот миллионов лет. В протопланетном рое протезималей их было несколько размеров. Больше мелких, меньше средних, крупных, таких, как Луна или Меркурий, совсем немного — единицы. Со временем орбиты крупнейших тел стали приближаться к круговым, а сами они становились центрами притяжения всего окружающего их вещества, явившись зародышами планет. Все это длилось около 100 млн лет.
В нашей Солнечной системе сейчас насчитывают 9 больших планет (все настойчивее заявляют астрономы об открытии 10-й планеты, названия которой пока нет, но предварительно говорят Плуто либо Цербер). Из них 4 планеты образуют «земную группу» — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Эти планеты имеют твердую оболочку и медленно вращаются вокруг своей оси. Наибольшая из этих планет наша Земля. Группу планет-гигантов также составляют 4 планеты — Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун. 9-ю планету, Плутон, обычно рассматривают отдельно от других, поскольку по своим характеристикам она относится, скорее, к планетам земной группы. Особенность ей придает необычная форма ее орбиты — сильно вытянутый эллипс. В результате Плутон периодически подходит к Солнцу даже ближе, чем Нептун, поскольку заходит внутрь его орбиты. Американский астроном Дж. Койпер, открывший знаменитый пояс астероидов Койпера, высказал даже гипотезу в середине XX века, что Плутон — астероид. Масса Плутона всего 0,002 массы Земли.
Далее, к Солнечной планетной системе относится большое число так называемых «малых планет», или астероидов, расположенных в основном между Марсом и Юпитером, а также значительное число относительно «крупных» малых планет (200-500 километров диаметром), расположенных за Нептуном, в поясе Койпера. К Солнечной системе относится множество комет, образующих так называемое облако Оорта, расположенное за орбитой Плутона, и многочисленные спутники больших планет.
Планеты земной группы расположены ближе к Солнцу и представляют собой твердые шары, состоящие в основном из силикатов с относительно тонкими газовыми атмосферами. По-видимому, у всех этих планет присутствует железное или железно-никелевое ядро различного размера (относительно наибольшее у Меркурия). Атмосферы планет сильно различаются по плотности и составу. У Меркурия примерно на 10 порядков менее плотная, чем земная, атмосфера состоит в основном из гелия, поставляемого солнечным ветром; у Марса и Венеры преобладающим компонентом (свыше 95%) атмосферы является углекислый газ, а вот плотность атмосферы Марса в 160 раз меньше, чем Земли, а Венеры — в 90 раз больше.
Земля единственная из всех планет обладает кислородной атмосферой и гидросферой — жидкой водой на поверхности. Не исключено, что когда-то жидкая вода была и на Марсе, а сейчас она присутствует в виде захороненного под пылью льда.
Внутреннее строение планет изучено весьма слабо. Больше всего мы знаем о Земле, о которой дальше будет сказано особо. Модели внутреннего строения для остальных планет земной группы строятся по аналогии с Землей.
Планеты-гиганты представляют собой огромные газовые шары, возможно, чаще всего жидкие, т. е. не имеющие твердой поверхности, как у планет земной группы. Из-за своих больших масс и достаточной удаленности от Солнца, гиганты удержали почти полностью легкие газы, преобладавшие в протопланетном облаке, — водород и гелий, из которых и состоят, в основном, их необычайно мощные атмосферы. В горячих глубоких недрах планет-гигантов (до 20 тыс. градусов), вероятно, все же присутствуют твердые ядра, составляющие очень небольшую часть каждой планеты по массе.
Причина различий в строении планет земной группы и планет-гигантов, не исключено, связана с их расстоянием от Солнца. Так, самая удаленная планета земной группы — Марс, находится всего в 1,52 а. е. от Солнца, тогда как ближайший гигант — Юпитер, в 5,20 а. е. Вблизи Солнца большая часть легких газов из атмосфер планет была «выметена» солнечным излучением в более далекие области, в открытое космическое пространство.
7.2. Геосферы и эволюция Земли
Теперь конкретно о Земле. Непосредственные наблюдения показывают, что Земля представляет собой твердое тело, окруженное водной и газовой оболочками — гидросферой и атмосферой. Две последние обычно объединяются в географическую оболочку (см. п. 7.3).
Средний радиус Земли — 6371 км, плотность — 5517 кг/м3, масса — 5,973 • 1024 кг, на гидросферу приходится около 1,4 • 1021 кг (чуть менее 0,025% ) и на атмосферу — 5,16 • 1018 кг (около одной миллионной полной массы). Земля имеет почти сферическую форму, слегка сплюснута с полюсов и состоит из трех основных концентрических слоев или сфер: ядра, мантии и коры. Около 70% поверхности Земли покрыты водой, включая обе полярные ледяные шапки. Средняя скорость движения вокруг Солнца — 30 км/сек. Ось вращения Земли наклонена по отношению к плоскости орбиты на 23,5 градуса, что является причиной смены времен (сезонов) года.
Поверхность Земли сильно неоднородна. Прежде всего бросаются в глаза такие ее крупнейшие образования, как океаны и материки. Затем — неровность поверхности самих этих образований и их вещественная неоднородность (в основном на материках). Твердое тело Земли изучает геология, которая начиналась как прикладная наука, призванная разрабатывать методы поиска полезных ископаемых.
Геологи довольно быстро установили, что земная твердь отнюдь не незыблема. Эрозия понижает высокие горы, в среднем, где-то на несколько десятых долей миллиметра в год. То есть на несколько сотен метров за миллион лет. Это большая скорость. Даже если она была бы в 10 раз меньше, первых сотен миллионов лет хватило бы, чтобы разровнять любые горы в плоскогорья. А Земля существует, по современным оценкам, примерно 4,65 миллиарда лет. Следовательно, горы не только разрушаются, но и растут, так же, как образуются и месторождения полезных ископаемых.
Все геологические структуры являются диссипативными структурами, которые возникают и поддерживаются за счет диссипации внутренней энергии Земли и одновременно изменяются за счет поглощения и рассеяния энергии Солнца.
Внутренняя энергия Земли образовалась благодаря многим процессам, выделим два из них — аккрецию и радиоактивность.
Предполагается что большая часть массы Земли связалась воедино за сравнительно короткое время (порядка миллионов лет), в основном, как уже отмечалось выше, за счет образования и последующего объединения (слипания) планетезималей в крупные образования. После того, как масса Земли достигла почти современной массы, но еще не приобрела атмосферы, беспрепятственное падение метеорных и астероидных тел на ее поверхность (аккреция) приводило к выделению значительной гравитационной энергии и нагреву. При этом доля тепла, идущая на нагрев недр молодой планеты, была тем больше, чем крупнее были падающие тела. Сильные удары приводили к частичному плавлению вещества в ограниченной области, но, в целом, температура растущей Земли не достигала температуры плавления, а оказалась не выше 600-800 градусов Цельсия. Примерно через 400-500 млн лет образовалась атмосфера и температура Земли снизилась почти до современной.
Среди признаваемых современных гипотез об образовании Солнца есть и та, что Солнце — звезда второго поколения, то есть оно образовалось не из первичного газа, а в значительной степени из вещества, выброшенного взрывами сверхновых звезд первого поколения, обогащенного тяжелыми элементами, в том числе и радиоактивными. Причем, кроме известных нам долгоживущих радиоактивных элементов — урана, тория и калия (который уже практически весь распался), в нем присутствовали и короткоживущие радиоактивные элементы (с периодом полураспада порядка десятков миллионов лет). Оценки показывают, что радиоактивного тепла могло быть достаточно для сильного разогрева и расплавления значительной части внутреннего объема планеты.
Разогрев и расплавление способствовали ускорению дифференциации недр планеты. Гравитационная дифференциация привела к расслоению вещества, в соответствии с плотностью тех или иных химических соединений. Тяжелые, нелетучие компоненты тонули, а легкие, летучие всплывали (возможно, что так, в частности, возникло железное ядро в центре и атмосфера с гидросферой на поверхности). Дифференциация также приводила и к дополнительному выделению гравитационной энергии.
Сейчас выделение радиоактивного тепла продолжается только за счет трех долгоживущих радиоактивных элементов, и оно примерно уравновешивает потери в окружающее пространство. Возможно, оно несколько меньше этих потерь (и Земля понемногу остывает), хотя точно этого утверждать нельзя. Во всяком случае, несмотря на довольно эффективное расслоение, Земля еще далека от равновесия и продолжает жить и совершенствовать свою геосферную структуру.
Сведения о внутренней структуре Земли нам дают сейсмологические, гравиметрические, электрические и магнитные измерения в сочетании с лабораторным исследованием вещества при высоких температурах и давлениях.
В самом грубом приближении строение Земли можно представить в виде концентрических слоев — геосфер. Сверху до глубины в несколько десятков километров простирается земная кора. Толщина ее неравномерна: максимальна под горами - до 70 км, и минимальна под океанами — 5-10 км. Подошва коры определяется как граница раздела, на которой скорость сейсмических волн скачком увеличивается на 1,5-2 км/с. Это увеличение связано с изменением плотности, которое, в свою очередь, скорее всего, связано с изменением химического состава вещества.
Кора, в свою очередь, также подразделяется на несколько сфер. Самый верхний — осадочный, состоит из плохо консолидированных осадков — продуктов разрушения коренных пород, затем следует «гранитный» или «гранито-метаморфический» слой (скорости сейсмических волн соответствуют таковым в гранитах) и нижний «базальтовый». Толщины этих сфер (слоев) варьируются очень сильно. По всей поверхности планеты присутствует лишь самый нижний — «базальтовый» слой; «гранитный* слой практически отсутствует в океанах, то есть на большей части поверхности Земли; осадочный слой может превышать по толщине 10 километров в областях длительного прогибания земной коры и вообще отсутствовать в областях поднятий.
Под корой расположена мантия, для которой предполагается так называемый ультраосновной состав (меньше, чем в базальтах, кремния и алюминия и больше железа и магния). Кора вместе с самой верхней частью мантии образует литосферу — состоящую из жесткого непластичного материала сферу, толщиной около 100 км, покрывающую Землю. Ниже находится астеносфера (ослабленная сфера) — слой с пониженной по сравнению с литосферой вязкостью и скоростью сейсмических волн. Астеносфера выполняет демпфирующую роль для поднимающейся из недр верхней мантии, не позволяя ей разрывать поверхность земной коры. Глубже 250 км скорость волн и вязкость снова нарастают.
Мантия Земли отделена от земной коры поверхностью или границей Мохоровичича. Мантия разделяется на верхнюю, толщиной 630 км, и нижнюю, толщиной 2290 км. Температура мантии составляет 1500-2000 градусов Цельсия. Простирается она до глубины 2900 км, где проходит ее граница Гутенберга с ядром. Внешнее ядро Земли расплавленное, жидкое, толщиной 2200 км, распространено до глубины 5000-5100 км и состоит в основном из железа и никеля. Глубже находится внутреннее твердое ядро диаметром 2500 км, по-видимому, того же состава, что и внешнее ядро. Его твердое состояние говорит о том, что рост температуры плавления, обусловленный ростом давления, на этой глубине опережает увеличение температуры. Его же температура достигает 5000 градусов Цельсия. (Есть, однако, гипотеза геолога Ю. А. Колясникова, что ядро может быть твердым водородно-гелиевым, в чем нет особой интриги, поскольку образование и звезд и планет происходило всегда из водород-гелиевых облаков, но гипотеза эта малоизвестна).
Все наблюдаемые на поверхности Земли крупные тектонические процессы — поднятия гор, опускания котловин, перемещения крупных блоков земной коры, связаны с процессами в мантии Земли, а точнее, по-видимому, лишь в упоминавшейся верхней мантии. Первопричиной тектонических движений является конвекция в мантии, обусловленная диссипацией внутренней энергии Земли.
Общую структуру этих движений по современным воззрениям следует описывать в рамках так называемой «новой глобальной тектоники» или «тектоники плит» (гипотеза немецкого геофизика Альфреда Вегенера, получившая развитие в середине XX века). Согласно этой теории, литосфера разбита на сравнительно небольшое число независимых жестких блоков — литосферных плит, и все изменения, происходящие на поверхности планеты, связаны с движением по ней этих плит. Плиты могут двигаться поступательно, разворачиваться, сталкиваться и расходиться. Они могут нырять одна под другую и тонуть в мантии, в так называемых зонах субдук-ции, и могут вновь создаваться из мантийного вещества, поднимающегося к поверхности в зонах спрединга, зонах раздвигания морского дна. Рождение плит и их уход обратно в мантию происходит в океанах. Зоны спрединга расположены вдоль срединноокеанических хребтов, а зоны субдукции — по границам океанов, они отмечены узкими и глубокими впадинами — глубоководными желобами и островными дугами. У наших российских дальневосточных берегов такой зоной является Курило-Кам-чатская островная дуга.
Почти все эти движения плит сейчас подтверждены непосредственными измерениями, с использованием методов высокоточной астрономической и спутниковой геодезии. Сейчас измерены их скорости, которые составляют сантиметры и даже миллиметры в год, но окончательной точной модели структуры мантийной конвекции, их порождающей, пока еще нет. Тем не менее, независимо от деталей механизма, порождающего изменения лика Земли, установлено твердо, что этот лик непрерывно меняется, причем глобально. Главным открытием последнего времени явилась нестабильность и относительная молодость океанов. Возраст Атлантического океана находится в пределах первых сотен миллионов лет. Он моложе многих горных систем, моложе многих рек. (Крупные реки, кстати, как правило, — весьма старые объекты: река Ганг, например, гораздо старше Гималайских гор, которые она прорезает). Такие крупные перестройки, как изменение конфигурации материков и океанов, очень сильно влияют на все процессы в верхних оболочках Земли, в частности, на атмосферные процессы и на климат.
7.3. Геохронологическая и стратиграфическая шкалы
В геологии существует понятии геологического времени или геохронологии, которое охватывает всю историю Земли, от момента зарождения до наших дней. За последние 200 лет было накоплено, проанализировано и упорядочено огромное количество геологических фактов. Результатов работы многих поколений геологов стала стратиграфическая (палеонтологическая или биохронологическая) шкала — геологическое летоисчисление, фиксирующее относительную хронологическую последовательность формирования горных пород, слагающих литосферу Земли. Поскольку до сих пор нет единой международной стратиграфической шкалы, мы ограничимся одним из ее вариантов. Геологи уже давно классифицируют понятие геохронологии, выделяя в ней такие временные градации или геохронологические единицы как эон, эра, эпоха иногда период, отдел, время и хрон. Породы, представляющие интервал геологического времени, называются хроностратиграфическими единицами. Каждый геохронологический термин имеет хроностратиграфический эквивалент. Например, горная порода, образованная во время зона, является представителем эонатема, а во время эры — эратема. Хроностратиграфическими эквивалентами периода, эпохи, времени и хрона являются система, серия, фаза и хронозон соответственно.
Самое крупное подразделение геохронологической (и, соответственно, стратиграфической) шкалы, отвечающее длительному этапу развития Земли — эон (объединяющий несколько меньших по временным масштабам эр (эра-тем)), в течение которого формируется эонотема. Древнейший эон (эонотема) — криптозой, этап скрытой жизни, он же докембрий, начало которого относят на 4 млрд лет назад, имеет общую продолжительность около 3,5 млрд лет. До криптозоя выделяют эон галес и его эру — катархей, начавшиеся с момента образования Земли, продолжительностью в 600 млн лет. Криптозой включает в себя эры. археозой (продолжительностью около 1,5 млрд лет) и протерозой (продолжительностью не менее 2 млрд лет). Последующие три эры (эратемы), палеозой, мезозой и кайнозой, образуют эон (эонотему) фанерозой — этап явной, наблюдаемой жизни длительностью в 570 млн лет.
Особую значимость в эволюции Земли имеют три последние указанные эры. Их длительность такова: палеозой — 340 млн лет, мезозой — 169 млн лет; кайнозой — 66 млн лет. Они подразделяются, в свою очередь, на 12 эпох (в некоторых шкалах, как указывалось выше, их также называют периодами или системами). Начала этих эпох и их продолжительность в млн лет такова: палеозой — кембрий (570/80), ордовик — (490/65), силлур — (435/30), девон — (400/55), карбон (он же каменноугольный) — (345/65), пермь — (280/45). Мезозой — триас (235/50), юра (юрский) — (185/53), мел — (132/66). Кайнозой — палеоген — (66/41), неоген — (25/25), антропоген (он же часто именуется как четвертичный) — (от 0,6 до 3,5 млн лет). Кстати, для запоминания последних 12-ти эпох студенты-геологи придумали нескольких шуточных стихов, восстанавливая названия эпох по первым буквам слов стиха: «Когда одна стипендия, дуй квас пенистый, только юмора мало, пытайся найти аналог».
Укажем еще отделы двух последних эпох — неогена и антропогена, поскольку в это геологическое время произошло формирование современной фауны и флоры, а в конце неогена появились древнейшие люди. Неоген состоит из отделов миоцена и плиоцена, антропоген из отделов плейстоцена и голоцена. Время этих отделов в млн лет таково: миоцен — (25-9), плиоцен — (9-1,8 (2)), плейстоцен (1,8-0,01) и голоцен (0,01-0). Антропоген — это век человека, время эволюции рода Homo.
7.4. Географическая оболочка Земли
Верхняя часть, прежде всего поверхность земной коры, включающая гидросферу и атмосферу, образует географическую оболочку — особую глобальную структуру, жизнь и развитие которой определяется как результатами диссипации внутриземной энергии, так и преобразованием потока энергии, получаемой от Солнца (и в малой степени воздействием других планет и дальнего космоса). Географическая оболочка — это та окружающая среда, в которой происходит жизнь человека. Поэтому изучение ее, глубокое понимание всех происходящих в ней процессов — жизненно важная задача.
Географическая оболочка представляет собой сложнейшую динамическую систему, относительная стабильность которой поддерживается системой обратных связей, обеспечивающих баланс конструктивных и деструктивных процессов. Неоднородности поверхности Земли я внутренней структуры самого верхнего ее слоя, входящего в географическую оболочку, создаются в основном внутренними тектоническими — эндогенными — силами, возникающими за счет диссипации внутренней энергии планеты. Эти неоднородности разрушаются и сглаживаются, в основном, за счет внешних, экзогенных, факторов — действия перепадов температуры, текучей воды, ветра, живых организмов. Экзогенные факторы действуют за счет энергии солнечного излучения. В основном это факторы деструктивные, однако они не только разрушают, но и создают. Результат действия экзогенных сил — разнообразные осадочные горные породы, специфические формы рельефа и, в значительной степени, такой созидающий и разрушающий фактор как жизнь.
Итак, в географическую оболочку входит не вся земная кора, а лишь верхняя ее часть, толщину которой точно определить затруднительно. Можно сказать, что это та часть коры, вещество которой непосредственно участвует в круговороте, непрерывном взаимном обмене с другими компонентами — гидросферой и атмосферой, — обеспечивающем стабильность географической оболочки. Это несколько верхних километров. Прежде всего это горы и горные массивы, имеющиеся на всех континентах.
Поднимающиеся горы сразу начинают разрушаться экзогенными силами, а прогибающиеся впадины — заноситься продуктами этого разрушения, образующими слои осадков. Поэтому высота гор и глубина впадин не превышает нескольких километров. Высота гор, кстати, ограничивается и предельной твердостью слагающих их пород, поскольку на основание гор давит вся над ними возвышающаяся масса, под действием которой твердые породы начинают течь. Расчеты показывают, что предельная высота гор не может быть по этой причине больше 9 км. В то же время толщина слоя осадков, заполняющих внешне неглубокую впадину, может достигать 20 км, а на вершине горы могут оказаться породы, сформировавшиеся на глубине во много километров. Слежавшиеся, сцементированные осадки образуют осадочные горные породы. На большой глубине под действием высоких температур и давлений осадочные породы сильно изменяют свой облик и превращаются в так называемые метаморфические породы. Исходные материалы метаморфических пород до метаморфизма — это сланцы с несколькими минералами, песчаники с кварцем и известняк с кальцитом. Превращаются они, последовательно, на глубинах от 15 до 30 км в аспидный и кристаллический сланец, в гнейсы и филлиты; песчаники — в кварцит, а известняк — в мрамор. Слабо метаморфизованные породы не очень сильно отличаются от осадочных, а сильно метаморфизованные очень похожи на магматические. Магматические породы представляют собой поднявшиеся из глубины и застывшие расплавы. Такие расплавы пронизывают метаморфические и осадочные толщи, они могут останавливаться и застывать, не достигнув дневной поверхности, и образовывать плутонические тела, а могут изливаться на поверхность при вулканизме, в виде лавы. Вертикальные движения земной коры обычно знакопеременны — глубокое погружение сменяется поднятием столь же большой амплитуды.
Таким образом, поверхность Земли слагают три основных типа горных пород: магматические, осадочные и метаморфические. Последние — результат переработки осадков действием высоких температур и давлений.
Атмосфера — воздушная оболочка Земли, имеющая примерно такой состав: азот — 78%, кислород — 21%, благородные газы (в основном аргон) — 1% и сотые доли процента составляет углекислый газ. Состав атмосферы Земли не похож на состав атмосфер других планет солнечной системы, так как на Земле он в основном обусловлен наличием жизни. Вся атмосфера Земли, кроме 1%, лежит в узком приповерхностном слое, ограниченном высотой 30 км. Температура атмосферы сильно меняется с высотой. По этому признаку образуются слои, которые называются тропосферой, стратосферой, мезосферой и термосферой. Температура в этих слоях колеблется от -100 до + 100 градусов Цельсия. На высотах выше 200 км температура днем достигает 1500 градусов.
Гидросфера включает воду морей и океанов, рек и озер, ледников полярных и горных, грунтовые воды, лед вечной мерзлоты, водяной пар атмосферы. Таким образом, гидросфера пересекается с литосферой и атмосферой: лед, особенно лед вечной мерзлоты — это, по существу, нормальная горная порода, а водяной пар — один из компонентов атмосферных газов. И все же всю воду выделяют в отдельную оболочку, так как только она способна в пределах географической оболочки одновременно существовать во всех трех фазах — твердой, жидкой и газообразной — и играет в ней такую исключительную роль. Географическая оболочка Земли практически совпадает с биосферой — областью распространения жизни. Жизнь не только располагается в этой зоне Земли, но является ее неотъемлемым компонентом, в значительной степени определяющим весь ее состав и структуру. Состав атмосферы Земли, в основном, сформирован жизнью, и ею же создана значительная часть горных пород (например, известняки). Полностью обязан жизни и такой важный компонент географической оболочки как почва. На огромную геологическую роль живого вещества впервые указал великий русский геохимик и мыслитель Владимир Иванович Вернадский.
Резюме
Проблема происхождения планеты Земля восходит к катастрофической гипотезе французского биолога Ж. Бюффона, затем к небулярным гипотезам французского математика, физика и философа Лапласа и великого немецкого философа Канта. В последующие века были высказаны гипотезы американцами Мультоном и Чемберленом, предложившим понятие планетезимали, англичанином Джинсом, нашим соотечественником Отто Шмидтом и многими другими, но так до сих пор эта проблема и не решена.
Проблема строения Земли решается, в основном, геоэлектрическими, радиофизическими и электромагнитными методами и пока считается достаточно удовлетворительной, хотя данные глубокого бурения на Кольском полуострове поставили под сомнение многие результаты по структуре и строению Земли.
8. Концепции и принципы химического естествознания
8.1. Эволюция звезд, происхождение химических элементов и планетная химическая эволюция
Процесс образования химических элементов во Вселенной неразрывно связан с эволюцией Вселенной. Мы уже познакомились с процессами, происходящими вблизи «Большого взрыва», знаем некоторые детали процессов, происходивших в «первичном бульоне» элементарных частиц. Первые атомы химических элементов, находящиеся в начале таблицы Д. И. Менделеева (водород, дейтерий, гелий), начали образовываться во Вселенной еще до возникновения звезд первого поколения. Именно в звездах, их недрах, разогретых снова (после Big Bang температура Вселенной начала стремительно падать) до миллиардов градусов, и были произведены ядра химических элементов, следующих за гелием. Учитывая значение звезд как источников, генераторов химических элементов, рассмотрим некоторые этапы звездной эволюции. Без понимания механизмов звездообразования и эволюции звезд невозможно представить процесс образования тяжелых элементов, без которых, в конечном счете, не возникла бы жизнь. Без звезд во Вселенной так бы вечно и существовала водородо-гелиевая плазма, в которой организация жизни, очевидно, невозможна (на современном уровне понимания этого явления).
Ранее мы отметили три наблюдательных факта или теста современной космологии, простирающихся на сотни парсек, теперь укажем четвертый — распространенность легких химических элементов в космосе. Необходимо подчеркнуть, что образование легких элементов в первые три минуты и распространенность их в современной Вселенной впервые была рассчитана в 1946 г. международной троицей выдающихся ученых: американцем Альфером, немцем Гансом Бете и русским Георгием Гамовым. С тех пор физики, занимающиеся атомной и ядерной физикой, неоднократно рассчитывали образование легких элементов в ранней Вселенной и распространенность их сегодня. Можно утверждать, что стандартная модель нуклеосинтеза хорошо подтверждается наблюдениями.
Эволюция звезд. Механизм образования и эволюции основных объектов Вселенной — звезд, изучен наиболее xoponio. Здесь ученым помогла возможность наблюдать огромное количество звезд на самых разных стадиях развития — от рождения до смерти, — в том числе множество так называемых «звездных ассоциаций» — групп звезд, родившихся почти одновременно. Помогла и сравнительная «простота» строения звезды, которое довольно успешно поддается теоретическому описанию и компьютерному моделированию.
Звезды образуются из газовых облаков, которые, при определенных обстоятельствах, распадаются на отдельные «сгустки», которые дальше сжимаются под действием собственного тяготения. Сжатию газа под действием собственного тяготения препятствует повышающееся давление. При адиабатическом сжатии должна повышаться и температура — в виде тепла выделяется гравитационная энергия связи. Пока облако разреженное, все тепло легко уходит с излучением, но в плотном ядре сгущения вынос тепла затруднен, и оно быстро разогревается. Соответствующее повышение давления тормозит сжатие ядра, и оно продолжает происходить только за счет продолжающего падать на рождающуюся звезду газа. С ростом массы растет давление и температура в центре, пока наконец последняя не достигает величины 10 миллионов Кельвинов. В этот момент в центре звезды начинаются ядерные реакции, превращающие водород в гелий, которые поддерживают стационарное состояние вновь образовавшейся звезды миллионы, миллиарды или десятки миллиардов лет, в зависимости от массы звезды.
Звезда превращается в огромный термоядерный реактор, в котором устойчиво и стабильно протекает, в общем, та же реакция, которую человек пока научился осуществлять только в неуправляемом варианте — в водородной бомбе. Выделяемое при реакции тепло стабилизирует звезду, поддерживая внутреннее давление и препятствуя ее дальнейшему сжатию. Небольшое случайное усиление реакции слегка «раздувает» звезду, и соответствующее уменьшение плотности приводит снова к ослаблению реакции и стабилизации процесса. Звезда «горит» с почти неизменной яркостью.
Температура и мощность излучения звезды зависит от ее массы, причем зависит нелинейно. Грубо говоря, при увеличении массы звезды в 10 раз мощность ее излучения увеличивается в 100 раз. Поэтому более массивные, более горячие звезды расходуют свои запасы топлива гораздо быстрее, чем менее массивные, и живут относительно недолго. Нижний предел массы звезды, при котором еще возможно достижение в центре температур, достаточных для начала термоядерных реакций, составляет примерно 0,06 солнечной. Верхний предел — около 70 солнечных масс. Соответственно, самые слабые звезды светят в несколько сот раз слабее Солнца и могут так светить сотню миллиардов лет, гораздо больше времени существования нашей Вселенной. Массивные горячие звезды могут светить в миллион раз сильнее Солнца и живут лишь несколько миллионов лет. Время стабильного существования Солнца примерно 10 миллиардов лет, и из этого срока оно прожило пока половину.
Стабильность звезды нарушается, когда выгорает значительная часть водорода в ее недрах. Образуется лишенное водорода гелиевое ядро, а горение водорода продолжается в тонком слое на его поверхности. При этом ядро сжимается, в центре его давление и температура повышается, в то же время верхние слои звезды, расположенные выше слоя горения водорода, наоборот, расширяются. Диаметр звезды растет, а средняя плотность падает. Благодаря росту площади излучающей поверхности, медленно растет также ее полная светимость, хотя температура поверхности звезды падает. Звезда превращается в красного гиганта. В какой-то момент времени температура и давление внутри гелиевого ядра оказываются достаточными для начала следующих реакций синтеза более тяжелых элементов — углерода и кислорода из гелия, а на следующем этапе и еще более тяжелых. В недрах звезды могут образоваться из водорода и гелия многие элементы Периодической системы, но только вплоть до элементов группы железа, обладающего наибольшей энергией связи, приходящейся на одну частицу. Более тяжелые элементы образуются в других более редких процессах, а именно при взрывах сверхновых звезд и частично новых, и поэтому в природе их мало.
Отметим интересное, парадоксальное, на первый взгляд, обстоятельство. Пока вблизи центра звезды идет горение водорода, температура там не может подняться до порога гелиевой реакции. Для этого необходимо, чтобы горение прекратилось, и ядро звезды начало остывать! Остывающее ядро звезды сжимается, при этом повышается напряженность поля тяготения и выделяется гравитационная энергия, которая нагревает вещество. При повышенной напряженности поля необходима более высокая температура, чтобы давление могло противостоять сжатию, и гравитационной энергии оказывается достаточно, чтобы обеспечить эту температуру. Аналогичный парадокс мы имеем при снижении космического аппарата: чтобы перевести его на более низкую орбиту, его надо притормозить, но при этом он оказывается ближе к Земле, где сила тяжести больше, и скорость его возрастет. Остывание увеличивает температуру, а торможение увеличивает скорость! Такими кажущимися парадоксами полна природа, и далеко не всегда можно доверяться «здравому смыслу».
После начала горения гелия расходование энергии идет очень быстрыми темпами, так как энергетический выход всех реакций с тяжелыми элементами намного ниже, чем при реакции горения водорода и, кроме того, общая светимость звезды на этих этапах значительно возрастает. Если водород горит миллиарды лет, то гелий миллионы, а все остальные элементы — не более тысяч лет. Когда в недрах звезды все ядерные реакции затухают, ничто уже не может препятствовать ее гравитационному сжатию, и оно происходит катастрофически быстро (как говорят, коллапсирует). Верхние слои падают к центру с ускорением свободного падения (величина его на многие порядки превосходит земное ускорение падения из-за несопоставимой разности масс), выделяя огромную гравитационную энергию. Вещество сжимается. Часть его, переходя в новое состояние высокой плотности, образует звезду-остаток, а часть (обычно большая) выбрасывается в пространство в виде отраженной ударной волны с огромной скоростью. Происходит взрыв сверхновой звезды. (Помимо гравитационной энергии в кинетическую энергию ударной волны вносит свой вклад и термоядерное догорание части оставшегося во внешних слоях звезды водорода, когда падающий газ сжимается вблизи звездного ядра -происходит взрыв грандиозной «водородной бомбы»).
На какой стадии эволюции звезды остановится сжатие и что будет представлять собой остаток сверхновой, все эти варианты зависят от ее массы. Если эта масса менее 1,4 солнечной, это будет белый карлик, звезда с плотностью 109 кг/м3, медленно остывающая без внутренних источников энергии. От дальнейшего сжатия ее удерживает давление вырожденного электронного газа. При большей массе (примерно до 2,5 солнечной) образуется нейтронная звезда (их существование предсказано великим советским физиком, нобелевским лауреатом Львом Ландау) с плотностью примерно равной плотности атомного ядра. Нейтронные звезды были открыты как так называемые пульсары. При еще большей исходной массе звезды образуется черная дыра — безудержно сжимающийся объект, который не может покинуть ни один объект, даже свет. Именно при взрывах сверхновых происходит образование элементов тяжелее железа, для которых нужны чрезвычайно плотные потоки частиц высокой энергии, чтобы были достаточно вероятны многочастичные столкновения. Все материальное в этом мире является потомками сверхновых, в том числе и люди, поскольку атомы, из которых мы состоим, возникли когда-то при взрывах сверхновых.
Таким образом, звезды являются не только мощным источником энергии высокого качества, рассеяние которой способствует возникновению сложнейших структур, включающих и жизнь, но и реакторами, в которых производится вся таблица Менделеева — необходимый материал для этих структур. Взрыв заканчивающей свою жизнь звезды выбрасывает в пространство огромное количество разнообразных элементов тяжелее водорода и гелия, которые смешиваются с галактическим газом. За время жизни Вселенной закончили свою жизнь очень многие звезды. Все звезды типа Солнца и более массивные, возникшие из первичного газа, уже прошли свой жизненный путь. Так что сейчас Солнце и ему подобные звезды — это звезды второго поколения (а может быть, и третьего), существенно обогащенные тяжелыми элементами. Без такого обогащения вряд ли около них могли бы возникнуть планеты земного типа и жизнь.
Приведем информацию о распространенности некоторых химических элементов во Вселенной:
| Относительное | Относительное | ||
| Атомы | содержание числа | Атомы | содержание числа |
| атомов | атомов | ||
| Водород | 10000 000 | Натрий | 17 |
| Гелий | 1400000 | Магний | 290 |
| Литий | 0,003 | Алюминий | 19 |
| Углерод | 3000 | Фосфор | 3 |
| Азот | 910 | Калий | 0,8 |
| Кислород | 6800 | Аргон | 42 |
| Неон | 2800 | Кальций | 17 |
| Железо | 80 |
Как видим из этой таблицы, преимущественными химическими элементами и в настоящее время являются водород и гелий (почти 75% и 25% каждый). Относительно малого содержания тяжелых элементов, впрочем, оказалось достаточным для образования жизни (по крайней мере, на одном из островков Вселенной вблизи «рядовой» звезды, Солнца — желтого карлика). Помимо уже указанного нами ранее, надо помнить, что в открытом космическом пространстве присутствуют космические лучи, по сути являющиеся потоками элементарных частиц, в первую очередь, электронов и протонов разных энергий. В некоторых областях межзвездного пространства имеются локальные области повышенной концентрации межзвездного вещества, получившие название межзвездных облаков. В отличие от плазменного состава звезды, вещество межзвездных облаков уже содержит (об этом свидетельствуют многочисленные астрономические наблюдения) молекулы и молекулярные ионы. Например, обнаружены межзвездные облака из молекулярного водорода Н2, очень часто присутствуют в спектрах поглощения такие соединения, как ион гидроксила ОН, молекулы СО, молекулы воды и др. Сейчас число обнаруженных в межзвездных облаках химических соединений составляет свыше ста. Под действием внешнего облучения и без него в облаках происходят разнообразные химические реакции, зачастую такие, которые невозможно осуществить на Земле по причине особых условий в межзвездной среде. Вероятно, примерно 5 миллиардов лет назад, когда образовалась наша солнечная система, первичным материалом при образовании планет были такие же простейшие молекулы, которые сейчас мы наблюдаем в других межзвездных облаках. Другими словами, процесс химической эволюции, начавшийся в межзвездном облаке, затем продолжился уже на планетах. Хотя сейчас в некоторых межзвездных облаках обнаружены достаточно сложные органические молекулы, вероятно, химическая эволюция привела к появлению «живого» вещества (т. е. клеток с механизмами самоорганизации и наследственности) уже только на планетах. Очень трудно представить организацию жизни в объеме межзвездных облаков.
Планетная химическая эволюция.
Рассмотрим процесс химической эволюции на Земле. Первичная атмосфеpa Земли содержала в основном простейшие соединения водорода Н2, H2О, NH3,CH4. Кроме этого, атмосфера была богата инертными газами, прежде всего гелием и неоном. В настоящее время обилие благородных газов на Земле ничтожно мало, что означает, что они в свое время диссонировали в межпланетное пространство. Наша современная атмосфера имеет вторичное происхождение. Первое время химический состав атмосферы мало отличался от первичной. После образования гидросферы из атмосферы практически исчез аммиак NH3, растворившийся в воде, атомарный и молекулярный водород улетучился в межпланетное пространство, атмосфера была насыщена преимущественно азотом N. Насыщение атмосферы кислородом происходило постепенно, сначала благодаря диссоциации молекул воды ультрафиолетовым излучением Солнца, затем, и главным образом, благодаря фотосинтезу растений.
Не исключено, что некоторое количество органических веществ было принесено на Землю при падении метеоритов и, возможно, даже комет. Например, в кометах присутствуют такие соединения, как N, NH3, CH4 и др. Известно, что возраст земной коры примерно равен 4,5 млрд лет. Имеются также геологические и геохимические данные, указывающие на то, что уже 3,5 млрд лет назад земная атмосфера была богата кислородом. Таким образом, первичная атмосфера Земли существовала не более 1 млрд лет, а жизнь возникла, вероятно, даже раньше.
В настоящее время накоплен значительный экспериментальный материал, иллюстрирующий, каким образом такие простые вещества, как вода, метан, аммиак, окись углерода, аммонийные и фосфатные соединения превращаются в высокоорганизованные структуры, являющиеся строительными кирпичиками клетки. Американские ученые Кельвин, Миллер и Юри провели ряд опытов, в результате которых было показало, как в первичной атмосфере могли возникнуть аминокислоты. Ученые создали смесь газов — метана СН4, молекулярного водорода Н2, аммиака NH3 и паров воды Н2O, моделирующую состав первичной атмосферы Земли. Через ату смесь пропускали электрические разряды, в результате в исходной смеси газов были обнаружены глицин, аланин и другие аминокислоты. Вероятно, существенное влияние на химические реакции в первичной атмосфере Земли оказывало Солнце своим ультрафиолетовым излучением, которое не задерживалось в атмосфере в связи с отсутствием озона.
Немаловажное значение на химическую эволюцию оказали не только электрические разряды и ультрафиолетовое излучение Солнца, но и вулканическое тепло, ударные волны, радиоактивный распад калия К (доля энергии распада калия примерно 3 млрд лет назад на Земле была второй, после энергии ультрафиолетового излучения Солнца). Например, газы, выделяющиеся из первичных вулканов (O2, СО, N2, Н2O, Н2, S, H2S, СН4, SО2), при воздействии различных видов энергии реагируют с образованием разнообразных малых органических соединений, типа: цианистый водород HCN, муравьиная кислота HCO2H, уксусная кислота H3CO2H, глицин H2NCH2CO2H и т. д. В дальнейшем, опять же при воздействии различных видов энергии, малые органические соединения реагируют с образованием более сложных органических соединений: аминокислоты
Таким образом, на Земле были условия для образования сложных органических соединений, необходимых для создания клетки.
В настоящее время еще нет единой логически последовательной картины, как из первичной «суперкапли материи» под названием Вселенная после Большого Взрыва возникла жизнь. Но уже многие элементы этой картины ученые представляют и считают, что так все и происходило на самом деле. Одним из элементов этой единой картины эволюции является химическая эволюция. Пожалуй, химическая эволюция - это один из аргументированных элементов единой картины эволюции хотя бы потому, что допускает экспериментальное моделирование химических процессов (чего, например, нельзя сделать в отношении условий, аналогичных тем, что были вблизи «большого взрыва»). Химическая эволюция прослеживается вплоть до элементарных кирпичиков живой материи: аминокислот, нуклеиновых кислот.
Резюме
В настоящее время еще нет единой логически последовательной картины, как во Вселенной после «большого взрыва» возникла жизнь. Но уже многие элементы этой картины ученые представляют и считают, Что так все и происходило на самом деле. Одним из элементов этой единой картины эволюции является химическая эволюция. Положения химической эволюции выступают как один из аргументированных элементов единой картины эволюции хотя бы потому, что допускают экспериментальное моделирование химических процессов (чего, например, нельзя сделать, т. е. создать опытным путем условия, аналогичные тем, что были вблизи «большого взрыва»). Химическая эволюция прослеживается вплоть до элементарных кирпичиков живой материи: аминокислот, нуклеиновых кислот.
Вопросы для обсуждения
1) Звезды как источники тяжелых химических элементов.
Особенно интересно рассмотреть процесс взрыва сверхновой. Вероятно, что атомы, из которых состоит «живая» материя, в том числе и мы с вами, когда-то были в недрах какой-либо (или каких-либо) сверхновой.
2) Химические реакции в межзвездных облаках.
3) Химическая эволюция на Земле.
Влияние различных энергетических факторов на ход химических реакций (электрические разряды молний, ультрафиолетовое излучение, радиоактивный распад, удары метеоритов, вулканизм).
8.2. Донаучный этап химии — ремесленная химия и алхимия античности и средневековья
В предыдущем пункте было рассказано о том, как происходила естественная химическая эволюция в недрах звезд, космическом пространстве и на нашей планете, теперь надо рассмотреть, как происходила эволюция взглядов людей на познание сущности химических элементов и превращения вещества. Так же, как и в познании физического устройства мира, следует различать два этапа этой эволюции — первый донаучный, идущий из давних времен, и второй — научный, возникший в Новое время, как и вся современная наука.
Первый донаучный этап химии известен под названием алхимия, пришедший к нам (к западноевропейцам) от арабов, а к ним от греков (эллинов античных времен), а к грекам от египтян, в результате преобразования египетского слова «хеми» в «аль-химия», с последующей транскрипцией в европейских языках в слово «алхимия».
Таким образом, совершенно прозрачно выделяются три основных периода в развитии алхимии: египетско-греческий, арабский и западно-европейский.
Алхимия (от позднелат. alchymia, alchimia, через араб, аль-кимия, возможно, от греч. chymeia, chemeia — искусство выплавки металлов, или chyma — жидкость, литье, или от Хемия (греч. Chemia) — одно из названий Древнего Египта, от древнеегипетского хам, хаме — черный, буквально — черная страна, страна черной земли), наряду с другими, тайными, оккультными науками (астрологией и каббалой) явление культуры, сопутствующее на протяжении более 1,5 тысяч лет различным эпохам (эллинизм, европейское средневековье, Возрождение). Алхимия связывается с попытками получить совершенные металлы (золото, серебро) из металлов несовершенных, т. е. с идеей трансмутации (превращения) металлов с помощью гипотетического вещества — «философского камня» или эликсира. Цель алхимии, в период II-XI вв., не утилитарная, а глобальная, направленная на построение особой Вселенной, выраженная в специфических образах — понятиях, таких как «философский камень», целительные панацеи, алкагест — универсальный растворитель, гомункул — искусственный человек. Она осуществляет тем самым единение микро- и макрокосмоса, соотнося духовное и природное, вселенское и человеческое на пути к знанию. В период средневековья и позднее, во взаимодействии с умозрительным природознанием и химическим ремеслом, алхимия постепенно трансформируется в научную химию.
В античное время делаются первые попытки объяснить происхождение свойств веществ. Одна из наиболее значимых попыток — атомистическая натурфилософия Демокрита, вводившая атомы, различающиеся по величине, форме, положению, а отсюда и мощное разнообразие веществ. Напротив, Эмпидокл и Аристотель исходили из антиатомистической концепции и объясняли все видимое разнообразие тел посредством сочетания в них различных элементов: стихий или первоэлементов; свойств, таких как тепла и холода, влажности и сухости и пр. Однако успеха это не принесло, так как натурфилософия и ремесленная химия существовали раздельно.
Несколько позднее, уже в Древнем Египте (III-IV века до н. э.), были известны способы производства металлов и сплавов семи известных к тому времени металлов: золота, серебра, меди, железа, свинца, олова и ртути. Наибольшей ценностью обладало, конечно, золото, получение которого из других металлов стало одной из главных целей алхимии, наряду с поисками «магистерия», создания «эликсира жизни», дававшего бессмертие, и универсального растворителя. Фактически полагалось, что все эти функции может выполнить просто некий камень — эликсир, получивший у европейцев название «философский камень».
У арабов же это предопределило два пути развития алхимии: поиски трансмутаций золота и поиска эликсира жизни. На каждом из этих направлений были достигнуты большие успехи в познании химических превращений.
Проникновение алхимии в Европу стало возможным благодаря Крестовым походам (1096-1270 гг.) на Ближний Восток (в Сирию, Палестину, Северную Африку), организованным западноевропейскими феодалами и католической церковью под знаменем борьбы против «неверных» (мусульман), освобождения гроба Господня и Святой земли (Палестины). Европейская алхимия находилась в этот начальный период под покровительством астрологии, в связи с чем приобрела характер тайной науки, впрочем, такой же она была и у египтян. В конечном итоге развитие алхимии выразилось в открытии или усовершенствований (в процессе поиска чудодейственных средств) способов получения практических ценных продуктов (минеральной и растительной краски, стекла, эмали, металлических сплавов, кислоты, щелочи, соли), а также в разработке некоторых приемов лабораторной техники.
8.3. Главная задача химии и основные этапы ее развития
Все отмеченное выше и в главе 2 подготовило соответствующие условия для исследования химических соединений, их применение в медицине, в практической науке и предопределило возникновение научной химии. С этого момента, примерно с 60-х годов XVII столетия, химия определилась в своей главной задаче, породила и пережила к настоящему времени, к началу XXI столетия, четыре концептуальные системы.
Наш великий химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907), называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ», и т. д. По- видимому, все эти определения правильные, так что можно согласиться и с таким, наиболее полным: «химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».
Химия, а точнее химики, всегда ставили своей главной практической целью получать из природных веществ по возможности все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горюче-смазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и материалы для электроники с заданными свойствами. Это определяет главную задачу химии — задачу получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии: 1. Получение веществ с заданными свойствами как производственная, практическая задача; 2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.
Решение этих проблем осуществлялось в четыре основных этапа, породив соответствующие четыре концептуальные системы в развитии химии с XVII века по настоящее время.
Первая концептуальная система началась с трудов Роберта Бойля (1627-1691 гг.) изучением химических элементов и в определенной степени завершилась созданием Периодической таблицы элементов Д. И. Менделеева в 1869 г. Эта система дала элементный состав вещества.
Вторая концептуальная система познания химических свойств вещества позволила установить их структуру и определила развитие структурной химии примерно с конца XVIII столетия.
Третья концептуальная система — детище середины XX столетия, установила особенности протекания химических реакций, позволила создать основы крупномасштабных химических технологий.
Четвертая концептуальная система развивается последние 25-30 лет, связана с глубоким и всесторонним изучением природы реагентов, роли катализаторов в химических реакциях. Эта система получила название эволюционная химия и в своих простейших проявлениях дает нам примеры самоорганизации и саморазвития, предопределившие начало предбиологической эволюции как основы зарождения жизни.
8.4. Концепции химии об элементах и периодический закон Менделеева химических элементов
Представление о химических элементах возникает при попытках установить состав вещества. Простейшей процедурой для этого является химическое разложение или химический анализ, в результате которого получаются вещества, не подвергающиеся дальнейшему разложению. Эти вещества и есть химические элементы, первоначально называвшиеся «простыми телами», в отличие от «сложных тел», состоящих из нескольких простых тел. Решающее значение в химии элементов сыграло открытие кислорода, в результате чего была опровергнута бытовавшая до того гипотеза о флогистоне — некотором «невесомом теле». Постепенно химикам стали известны, наряду с уже известными алхимикам семи металлами, также водород, азот, сера, фосфор, углерод, а Д. И. Менделееву к 1869 г. были известны уже 62 элемента. В эти же годы параллельно решалась другая, не менее важная проблема, проблема химического соединения. Первым начал решать ее немецкий химик Иеремий Рихтер, открывший в результате законы стехиометрии и введший понятия эквивалентов и эквивалентного веса. Замечательный французский химик Ж. Пруст первым в 1801-1808 гг. установил закон постоянства состава вещества, согласно которому любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом и тем самым отличается от смесей. Точная его современная формулировка такова: всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав. Теоретически обосновал этот закон Пруста и установил в 1803 г. другой, не менее важный закон, закон кратных отношений, английский химик и физик, фактический создатель химического атомизма Дж. Дальтон. (Он же первым описал дефект зрения, которым страдал сам и который получил позже название дальтонизм). Закон кратных отношений Дальтона гласит: если определенное количество одного элемента вступает в соединение с другим элементом в нескольких весовых отношениях, то количества первого и второго элементов относятся между собой как целые числа. После трудов Берцелиуса, Гей-Люссака и Либиха этот закон стал одним из самых фундаментальных законов химии. Дальтон ввел в химию такое, как оказалось, основополагающее понятие как атомный вес, которое сыграло во многих случаях решающую роль. Так, например, его роль в поисках системообразующего и системоупорядочивающего факторов в проблеме элементов, предпринимаемых в течение столетия со времени открытия кислорода англичанином Дж. Пристли, шведом К. Шееле и французом А. Л. Лавуазье, оказалась решающей и удалась великому русскому химику Д. И. Менделееву.
В качестве системного фактора он установил именно атомный вес, который упорядочивает химические элементы в периодический закон. Исследование этого периодического закона, или периодической таблицы элементов, через 70 лет после Менделеева уже в квантовой механике, показало, что индивидуальные свойства и положение каждого из элементов в таблице определяются, на самом деле, не атомным весом, а электрическим зарядом атомного ядра. Кроме того, оказалось, что атомов одного и того же элемента, например, хлора, может быть два, различающихся по атомному весу, но имеющих один и тот же ядерный заряд. Такие различающиеся по массе элементы стали называть изотопами. Всего же разных элементов к началу XXI столетия известно 118. Распространенность же элементов различна. Так, установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится приблизительно 49,5% — кислорода, 25,3% — кремния, 7,5% — алюминия, 5,1% — железа, 3,4% — кальция, 2,6% — натрия, 2,4% - калия, 1,9% — магния, 0,9% — водорода, остальных же элементов менее 1%. В этом последнем проценте скрыта и доля углерода, основы жизни на Земле.
Из элементов, указанных выше, человечество особо интенсивно использует металлы и керамики, изготавливаемые на основе кремния. Предполагается, что в недалеком будущем основными материалами станут керамики, а также элементоорганические соединения, использующие в своем синтезе редко распространенные, а потому дорогие такие элементы, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и ряд редкоземельных элементов.
8.5. Концепции структуры химических соединений (структурной химии)
Концепции структурной химии основываются на концепции атомистики, возрожденной англичанином Дж. Дальтоном, на учении шведа Йенса Берцелиуса, позднее подробно разработанных и уточненных немецким химиком Ф. Кекуле и нашим выдающимся соотечественником А. М. Бутлеровым. Берцелиуса интересовал вопрос об упорядоченности или произволе в объединении атомов в молекулах, на путях решения которого он разработал новую теорию строения химического вещества, а также произвел такое точное измерение атомных весов элементов, что они практически совпадают с современными данными. Символика химических элементов, формулы соединений и химических уравнений также предложены Бер-целиусом в 1814 г. В качестве символа элемента он предложил принимать первую букву его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда элементы начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Берцелйус предложил все вещества разделить на органические и неорганические.
Но главное, что необходимо знать, так это то, что Берцелиус выдвинул гипотезу, согласно которой все атомы химических элементов обладают различной электроот-рицателъностью и, объединяясь между собой в молекулы, не компенсируют полностью свои заряды, оставаясь электрозаряженными. Так были заложены основания понятия «структура» и «электрохимия».
Дальнейшее развитие теория Берцелиуса получила в работах немецкого химика Ф. Кекуле. Он сформировал основные положения теории валентности, обосновал наличие для углерода четырех единиц сродства, а для азота, кислорода и водорода соответственно трех, двух и одной. Впоследствии, через несколько десятилетий, в квантовой механике все это получило объяснение. Число единиц сродства, присущее атому того или иного элемента, получило название «валентность». Объединение атомов в молекулу происходит в результате замыкания свободных единиц сродства (валентности). Так образуются простейшие молекулы вроде молекул водорода, воды, и так же образуются очень важные в органике углерод-углеродные цепи. Комбинируя атомы разных элементов, можно создать структуры (структурные формулы) любого химического соединения. Но не каждая из формул, которая может быть записана, осуществляется в природе.
Заслугой теории валентности Кекуле стало представление об атомной структуре сначала углеводородов, а затем и для других органических соединений. Несколько позднее, в 1874 г., датский химик Я. Г. Вант-Гофф выдвинул смелое предположение, согласно которому четыре связи атома углерода направлены к вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом. Так в химии возникли и стали укрепляться пространственные модели молекул, после чего началось бурное развитие структурной химии.
Русский химик А. М. Бутлеров показал, что необходимо учитывать, помимо методики составления формул по Кекуле, еще так называемую химическую активность реагентов. Идеи Бутлерова блестяще подтвердились квантовой механикой, так что, согласно современным воззрениям, структура молекул — это пространственная и энергетическая упорядоченность системы, состоящей из атомных ядер и электронов. Главное, чему способствовали учения Кекуле и Бутлерова, так это синтезу сначала простейших, а затем и более сложных углеводородов. Но, вместе с тем, структурная химия не смогла решить проблемы получения этилена, бензола, ацетилена, дефи-нила (необходимого при производстве каучука) и других углеводородов с цепочкой из четырех атомов углерода. Решение этой проблемы требовало нефтехимическое производство, и оно оказалось возможным в третьей из указанных нами концептуальных химических систем, посредством химической кинетики и термодинамики. Другими крупными недостатками органического синтеза являются низкие выходы продуктов, большие побочные отходы, но особенно использование дорогостоящего сырья сельскохозяйственного производства — зерна, жиров, молочных продуктов.
8.6. Концепции и законы химических процессов (реакций)
Третья концептуальная система в химии возникла на стыке химии, физики и открывает пути к пониманию биологических систем. Химический процесс в этой концепции — это мост от объектов физики к объектам биологии, так как возникает возможность последовательно проследить путь от простых микрообъектов, таких как электрон, протон, атом, молекула и полимер, в конечном итоге к биополимеру, к клетке, в которой совершаются немыслимые химические реакции.
Течение многих химических реакций весьма сложно, а иногда попросту трудноуправляемо: одни из них почему-то невозможны, другие невозможно или сложно остановить (горение, взрыв), третьи ветвятся и т. п. Методы управления химическими реакциями подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых главенствующую роль играют те или иные катализаторы.
Каждая химическая реакция обратима. Обратимость служит основанием равновесия между прямой и обратимой реакциями. В зависимости от природы реагентов и условий процесса, равновесие может смещаться в прямую либо в обратную сторону изменением температуры, давления и концентрации реагентов. Подобрать, однако, условия осуществления тех или иных, на первый взгляд простых, реакций, иногда не удавалось в течение ста и более лет. Такой реакцией оказалась реакция синтеза аммиака из молекулярных азота и водорода, впервые успешно осуществленная в 1913 г., после открытий Я. Вант-Гоф-фом и А. Ле Шателье принципа, получившего их имена. Согласно этому принципу любое изменение одного из условий равновесия вызывает смещение системы в таком направлении, которое уменьшает первоначальное изменение. Оказалось, что аммиак может синтезироваться в присутствии металлоорганического катализатора (первоначально специально обработанного железа) при высоком давлении и нормальной температуре.
Термодинамическое воздействие оказывает влияние на направленность реакции, а вот функции управления скоростью химической реакцией выполняет химическая ки-нетика, ускоряя или замедляя реакции с помощью катализаторов и ингибиторов, соответственно. Химический катализ был открыт в 1812 г. русским химиком Константином Кирхгофом (не путать с немецким физиком Густавом Кирхгофом, установившим законы для электрической цепи, первооткрывателем спектроскопии вместе с Р. Бун-зеном и т. д.). Среди катализаторов особая роль принадлежит ферментам, своеобразным живым катализаторам, сыгравшим ключевую роль в возникновении жизни.
8.7. Концепции и принципы эволюционной химии и самоорганизации эволюционных химических систем
Система и концепции эволюционной химии стали формироваться в 60-70-е годы XX века и в своей основе отвечают давней мечте химиков освоить и перенять опыт лаборатории живого организма, понять, как из неорганической (косной) материи возникает органическая, а затем и живое вещество — жизнь. Здесь опять можно упомянуть И. Берцелиуса, а дополнительно немца Ю. Либиха, француза М. Бертло.
Наш выдающийся химико-физик, Нобелевский лауреат по химии Николай Николаевич Семенов представлял химические процессы в тканях растений и животных как химическое производство живой природы, как производство неких «молекулярных машин» совершенно исключительной точности, быстроты и необычайного совершенства. Это подтверждается открытым недавно синтезом больших белковых молекул со строгим чередованием аминокислот. Клетки имеют в своем составе субмикроскпические «сборные заводики» — рибосомы, содержащие рибонуклеиновые кислоты (РНК), как сборные «машины». Каждый вид коротких молекул транспортных РНК захватывает один определенный вид аминокислот, несет их в рибосому и ставит каждую аминокислоту на свое место согласно информации, содержащейся в молекулах РНК. Тут же к аминокислотам подходят катализаторы-ферменты и осуществляют «сшивку» аминокислот в одну молекулу белка со строгим чередованием. Это настоящий природный завод, строящий молекулу по плану, выработанному организмами в процессе эволюции. Вот эти планы живых организмов и предполагается использовать в новой эволюционной химии.
А начиналось это направление в трудах великого французского биолога Луи Пастера при исследовании процесса брожения, осуществляемого деятельностью молочнокислых бактерий. Из своих наблюдений Пастер сделал вывод об особом уровне материальной организации ферментов, что в конечном итоге привело к созданию такой науки, как ферментология, к успехам эволюционного катализа и молекулярной биологии. Так было установлено, что состав и структура биополимеров имеют единый набор для всех живых организмов и что одни и те же физические и химические законы управляют как абиогенными процессами, так и процессами жизнедеятельности. Кроме того, была доказана уникальная специфичность живого, проявляющаяся не только на высших уровнях организации клетки, но и в поведении фрагментов живых организмов на молекулярном уровне, на котором также действуют закономерности других уровней.
Специфика молекулярного уровня живых и неживых систем — в существенном различии принципов действия ферментов и катализаторов, в различии механизмов образования полимеров и биополимеров. Структура указанных полимеров определяется только генетическим кодом (сегодня точно известным науке), и, наконец, в таком поразительном факте, что многие химические реакции окислительно-восстановительного характера могут происходить в клетке без непосредственного контакта между реагирующими молекулами. Таким образом, в живых организмах могут происходить и происходят такие химические превращения, которые, казалось бы, невозможно было встретить в неживой природе. Но постепенно они стали доступны химикам, когда удалось освоить каталитический опыт природы, живой клетки.
Факт того, что ферментный катализ играл решающую, фундаментальную роль в процессе перехода от химических систем к системам биологическим, т. е. на предбиоло-гической стадии эволюции, в настоящее время подтверждается многими данными. Исключительно важную роль сыграла реакция по самоорганизации химических систем, проведенная выдающимся советским биохимиком Борисом Павловичем Белоусовым, затем тщательно изученная А. М. Жаботинским, вошедшая в арсенал современной эволюционной химии под названием реакции Белоусова -Жаботинского. Эта реакция сопровождается образованием специфических пространственных и временных структур (например, периодическое чередование цвета жидкости) за счет поступления новых и удаления использованных химических реагентов. Вот в этих реакциях самоорганизации как раз решающая роль принадлежит именно каталитическим процессам.
Понятие «самоорганизации» (более подробно см. в гл. 12) означает упорядоченность существования материальных динамических, качественно изменяющихся систем. Роль каталитических процессов в них усиливается по мере усложнения состава и структуры химических систем. Отрадно, что определяющее значение в исследовании этого плана сыграли работы отечественных ученых И. В. Березина, А. А. Баландина и особенно А. П. Руденко, создавшего в 1964-1969 гг. единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации и иерархии химических систем как следствия эволюции. Сущность теории Руденко состоит в утверждении и обосновании принципа того, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие открытых каталитических систем, и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакций происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью.
Александр Прокопьевич Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности.
Следует также отметить, что эволюционный процесс предполагает особый дифференцированный отбор лишь тех химических элементов и соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. В связи с этим достаточно упомянуть, что более чем из ста химических элементов лишь шесть — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера — общая весовая доля которых в организмах составляет 97,4%, получивших название органо- или биогенов, служат основой для построения живых систем.
Резюме
Менделеев называл химию «наукой о химических элементах и их соединениях»; другие определяют ее как «науку о веществах и их превращениях» либо как «науку, изучающую процессы качественного превращения веществ» и т. д., наиболее полное определение: «химия — наука, изучающая свойства и превращения веществ, сопровождающиеся изменением их состава и строения».
Главная задача химии — задача получения веществ с необходимыми свойствами. Эта задача и научная и производственная, что определяет основную, можно сказать, двуединую основную проблему химии: 1. Получение веществ с заданными свойствами как производственная, практическая задача; 2. Выявление способов управления свойствами веществ как задача научно-исследовательская.
Решение этих проблем породило четыре основных этапа (концептуальные системы) в развитии химии с XVII века по настоящее время.
Первая концептуальная система — учение об элементном составе веществ, вторая — о структуре химических соединений, третья — учение о химических процессах и последняя, четвертая концептуальная система, — эволюционная химия.
Последняя, четвертая система, представляет собой единую теорию химической эволюции и биогенеза. Эта теория решает в комплексе вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т. е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, уровне химической организации, иерархии химических систем как следствие эволюции.
Вопросы для обсуждения
1. Сформулируйте основные положения учений Дальтона и Берцелиуса. Чем разрешилась проблема о химическом элементе?
2. Какие проблемы охватывает учение о химических процессах?
3. В чем сущность обратимости химических реакций и в чем состоит роль температуры и давления для течения реакции?
4. Какова сущность катализа, катализаторов и ингибитаров?
5. В чем состояли идеи Луи Пастера при исследовании процесса брожения?
6. Какова роль ферментов в живой клетке?
7. В чем заключается естественный отбор химических элементов для образования живых организмов? Чем определяется основополагающая роль углерода для жизни?
8. Как возникает самоорганизация эволюционных систем? Охарактеризуйте реакцию Белоусова-Жаботинского.
9. Концепции и принципы биологического естествознания
9.1. Объекты биологического познания и структура биологических наук
Исторически биология развивалась как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях растительного и животного мира. Это позволяет в начале XXI века определить ее как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает закономерности, возникающие в живых системах во всех их проявлениях (метаболизм или обмен веществ, наследственность, изменчивость, рост, раздражимость, подвижность, приспособляемость и др.).
В биологии, как ни в какой другой науке, важнейшую роль играли и играют методы анализа, систематизации и классификации эмпирического материала, заложенные впервые Аристотелем, затем продолженные К. Линнеем (1707-1778 гг.), Ж. Бюффоном (1707-1788 гг.), Ж. Ламарком (1744-1829 гг.), Э. Сент-Илером (1772-1844 гг.) и великим Ч. Дарвином (1809-1882 гг.). Структуру биологии как науки, как обширной совокупности наук сегодняшнего дня, можно рассматривать с нескольких точек зрения классификации и систематизации: по объектам, по свойствам, по уровням организации живого, выделять в ней основные этапы и биологические парадигмы.
По объектам исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.
По свойствам, проявлениям живого допускается следующая классификация биологических наук: морфология — наука о строении живых организмов; физиология — наука о функционировании организмов; молекулярная биология — наука о микроструктуре живых тканей и клеток; биоэкология — наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; генетика — наука о наследственности и изменчивости.
По уровню организации живых организмов выделяют: анатомию - науку о макроскопическом строении животных и человека; гистологию — науку о строении тканей; цитологию — науку о строении живых клеток.
Исторически в биологии свершились три этапа: 1-й — систематики (К. Линней); И-й — эволюционный (Ч. Дарвин); III-й — биологии микромира (Т. Мендель, 1822-1884 гг.), каждый из которых порождал соответствующую биологическую парадигму (научно-исследовательскую программу).
Выявленные в ходе изучения живого масштабы позволяют дать следующую иерархию (структуру) уровней организации живых систем, в которой отражены их сложность и закономерности функционирования:
1. Биосферный — рассматривающий целостность всех живых организмов и окружающей среды, порождающий глобальную экологию планеты.
2. Уровень биогеоценозов — структурный уровень единства флоры и фауны (биоценоза) с населяемой географической областью планеты.
(Данное определение биогеоценоза предложил выдающийся советский биолог В. Н. Сукачев; употребляется как синоним экосистемы)
3. Популяционно-видовой уровень — образующийся свободно скрещивающимися между собой особями одного и того же вида.
4. Организменный или органо-тканевый уровень — все об отдельных особях: строение; физиология; поведение; функции органов и тканей.
5. Клеточный и субклеточный уровни — отражающие особенности функционирования и специализацию клеток, внутриклеточных особенностей.
6. Молекулярный уровень, на котором решаются проблемы генетики, генной инженерии и биотехнологий.
Не имея возможности осветить все аспекты биологических структур и концепций, остановимся лишь на особо значимых.
9.2. Гипотезы возникновения жизни и генетического кода
Первыми поставили как научную проблему и выдвинули гипотезу абиогенного синтеза органических соединений в условиях первобытной Земли русский биохимик А. И. Опарин (1894-1980 гг.), английский физиолог Дж. Холдейн (1860-1936 гг.) и английский физик Дж. Верная (1901-1971 гг.). Сложность проблемы самой жизни, непонимание многих факторов и явлений, имеющих место на уровне клеток и организмов (возникновение матричного механизма, универсальность генетического кода при отсутствии универсальности белков, особенности структуры ДНК и др.)» заставила многих ученых зачастую обращаться к фантастическим гипотезам и теориям происхождения жизни. Так возникли гипотезы типа: жизнь создана Богом; занесена на Землю из космоса; внеземное послание других цивилизаций; генетический код как реликт, попавший на Землю от живых систем предыдущего цикла Вселенной, и т. д.
В проблеме происхождения жизни есть трудно разрываемая круговая проблема; для саморепродукции нуклеиновых кислот — основы генетического кода (будем считать этот факт хорошо известным каждому) — необходимы ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты; вот круг и замкнулся. Что первично: белки или нуклеиновые кислоты, «курица или яйцо»? Все существующие концепции происхождения жизни разделяются на две — голобиоз и генобиоз. Голобиоз основывается на первичности структур типа клеток, способных к элементарному обмену. Это концепция Опарина и его последователей. Генобиоз, напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Это концепция Дж. Холдейна, гипотеза так называемого «голого гена». Проблема противостояния концепций сводится к вопросу первичности или старшинства — генетической репродукции перед метаболизмом или, наоборот, метаболизма перед генетической репродукцией. Но как бы ни разрешилась эта проблема в будущем, сейчас надо принимать во внимание твердо установленные факты: диссимметрию или хиральность нуклеиновых кислот ДНК и РНК как фундаментальный признак живой материи, первичность молекулы РНК (сейчас уже под глубоким вопросом), наличия у нее автокаталитической способности, совмещения в ней черт фенотипа и генотипа. Но поиск ответов на вопрос надо вести и в других направлениях, особо принимая во внимание, что хиральность и первичность РНК не могли возникнуть в ходе длительной эволюции, а, скорее всего, возникли скачком, сразу, вдруг, за конечное время, в считанные годы, месяцы, сутки или, может быть, даже часы!
Одна из последних гипотез, переросшая к началу XXI века в теорию о происхождении жизни, основана на идее Н. К. Кольцова о матричном синтезе протоклеток и их структурных элементов на кристаллах апатита. Предложена она была четверть века тому назад владивостокскими учеными биологом Э. Я. Костецким и геологом В. В. Чернобровкиным. Они обратили внимание на следующие эмпирические факты: присутствие минерала апатита в живых системах в составе зубов и костей, наличие сходства периодичности в 3,4 А0 (1 А0 = 10-8 см, величина примерно равная размерам атома, получившая название ангстрем в честь шведского физика Ангстрема) в элементарной ячейке апатита и двойной спирали ДНК. Это дало основание выдвинуть гипотезу и затем построить теорию абиогенного синтеза нуклеиновых кислот, белков, нуклепротеидов и полисахаридов ни матрице апатита как основном источнике неорганического фосфата.
Гипотеза Костецкого и Чернобровкина учитывает также тот фундаментальный факт, что все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими гомеостатическими структурами. Исходя из сказанного, можно вести речь о реальных механизмах возникновения жизни, основываясь на твердофазных эффектах в минеральных и жидких кристаллах. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его закономерным, а время процесса весьма кратким (за конечное время, но никак не за многие миллионы или миллиарды лет). В клетках, какими мы их знаем сегодня, все элементы системы так тесно связаны друг с другом, самоорганизованы, что отсутствие даже одного из них, нарушает работу всей системы.
Первичные пробионты, по-видимому, должны были представлять собой хорошо упорядоченные образования. Возникает вопрос: а не были ли предшественники первичных протоклеток органическими кристаллами? Ведь кристаллы - это образования, способные к самосборке (о самосборке в живых организмах говорил и академик Николай Семенов), кроме того, в них имеется некоторая характерная периодичность, нарушаемая дефектами. Последние (дефекты) делают кристаллы потенциально высокоинформационными, поскольку могут приводить к образованию множества стабильных альтернативных конфигураций, что является необходимым условием для хранения информации. Кстати, американский физик Ф. Типлер как-то заявил: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». Предполагаемый механизм синтеза первичных про-бионтов, а кроме того, и их компонентов, также объясняет теория Э. Костецкого. Рассмотрим этот механизм.
Как мы уже отмечали ранее, возраст Земли (4,6 млрд лет) почти не отличается от возраста живых систем и оценивается в 4,2-4,0 млрд лет. При этом считается, что эукариотические (т. е. клетки с ядром) и прокариотические (т. е. клетки без ядра) клетки имеют близкий возраст. Время возникновения жизни совпадает с прогрессивным метаморфозом базальтовой коры, формированием гранитной оболочки и уходом плотной первичной атмосферы. Поверхность Земли тогда была нагрета до 600-700°С, а из недр Земли шло активное выделение элементов восстановительной газовой фазы в виде свободных радикалов. В этот момент из остаточного магматического расплава шло формирование пегматитов (апатит, кальцит, слюда, кварц, полевой шпат и др.). Апатит обычно сокристаллизуется с этими минералами. Его решетка в этот период достаточно подвижна, в кристалле происходит диффузное замещение элементов решетки свободными радикалами элементов газовой фазы, чему способствуют атомные радиусы основных элементов решетки апатита, превосходящие размеры атомов газовой фазы в 3-5 раз. В явлениях диффузного замещения ключевая роль принадлежит температуре, космическим, ядерным и ультрафиолетовым излучениям, действующим на кристалл сверху, и полю напряжений, создаваемому газовой фазовой, действующему на кристалл снизу.
Все эти факторы ослабляют кристаллическую решетку и усиливают миграцию ее элементов и облегчают проникновение внутрь кристалла малых атомов газовой фазы. Синтез, по-видимому, происходил при температурах около 200°С в безводной среде. В силу того, что в одной элементарной ячейке апатита есть несколько каналов проникновения газовых частиц, одновременно могло синтезироваться несколько органических молекул и между ними могли возникать взаимодействия. Нельзя исключать того, что вокруг одной ячейки могли синтезироваться сразу несколько, вплоть до 6 пар, цепей ДНК с белком, т. е. мог реализовываться вариант появления в одной протоклетке разного числа хромосом. В ходе однонаправленного синтеза (снизу-вверх), возникающий органо-минеральный комплекс будущей пробиотической системы получает в наследство от минерального кристалла все его естественные параметры, определяюшие и составляющие диффузный процесс в кристалле, а именно: воздействие сложнейшей и одновременной системы квантов света, электронов, протонов, ядерных излучений, рН, тепла и пр., т. е. основы будущего метаболизма и гомеостаза в клетке. Шла, как это можно образно отметить, естественная тренировка будущей клетки.
Гомеостаз позволял избежать высокой дефективности в решетке, а значит и в будущей пробиотической системе, после ее перехода из кристаллического состояния в жидкокристаллическое. Структурные элементы будущих про-токлеток полностью повторяют особенности кристаллической решетки, ее дефекты, изоморфизм, наличие включения других минералов. Так, предполагается, что бездефектные области решетки апатита соответствуют неинформативной части ДНК (в основном сателитной, баластной) — вот естественное объяснение известного факта; дефектная же область соответствует информативной зоне ДНК. Места повышенной дефективности и сокристаллизации в апатите (см. выше) предпочтительны для формирования матричного механизма будущих протоклеток, которое, в отдельных случаях, не порождает двойной спирали ДНК, но и не запрещает формирование цепей РНК (считается, что они возникли первыми), нуклеотидных фрагментов типа АТФ, белков, так или иначе связанных с КНК или с их фрагментами (будущих ферментов).
Предложенный Э. Костецким механизм формирования органо-минеральных комплексов будущих протоклеток позволяет ответить на некоторые непростые вопросы, стоящие в проблеме возникновения жизни. Например, сами по себе отпадают вопросы:
1.0 синтезе биополимеров в воде.
2. О создании упорядоченной живой системе, действующей против законов термодинамики, особенно против ее второго начала, — часть энергии отдается вовне за счет смены типов связей в решетке и замены решетки на жидкокристаллическую.
3.0 возникновении структурной асимметрии (хираль-ности) биомолекул.
4.0 возникновении матричного механизма синтеза пробионтов.
5. О возникновении универсального генетического кода (из-за синтеза на единой матрице апатита), при отсутствии универсальности в строении других структур из-за сокри-сталлизации с другими минералами и их различной дефективностью.
6. Об особенностях структуры ДНК эукариот (сателитность, умеренная повторяемость, уникальность) из-за особенностей решетки апатита, и не позволяющей живым системам избавляться в течение миллиардов лет от балластной ДНК, в силу необходимости поддержания гомеоста-тического состояния возникших на кристалле живых систем, и некоторые другие, не менее важные вопросы об особенностях происхождения жизни.
Движущей силой дальнейшей эволюции проток леток, по-видимому, были, прежде всего, такие изменяющиеся факторы внешней среды Земли, как рН, температура и, в связи с этим, качество энергии (ее слабовыраженная энт-ропийность, роль которой мы отмечали в главе 3), кон-центрация ионов и кислорода в морской воде, наличие органического материала, симбиотические процессы и катастрофы на Земле.
Хотелось бы отметить еще одну современную гипотезу о происхождении жизни, высказанную русским геологом Ю. А. Колясниковым, основанную на особой роли воды. Многие разделяют мнение, что вода — главный минерал мироздания, имеющий уникально простой состав, но загадочную структуру, до конца пока не познанную. Использование воды, точнее, ее структурных сверхсжатых тетра-меров (особых образований из четырех молекул воды), обусловлено наличием в них распределенных поровну правых и левых Н-связей (водородных связей), т. е. обусловлено хиральностью тетрамеров. Еще давно П. Кюри, Л. Пастер и В. Вернадский полагали, что хиральность живого вещества есть следствие диссиметрии окружающей среды, в данном случае — воды. Доказано в последнее время, что в концентрированных растворах кремнезема и биополимеров тетрамерная вода образует правые и левые спиральные цепочки, в которых, благодаря электрической дипольности входящих в их состав молекул воды, может быть записана некая информация. Используя такие уникальные свойства воды, Ю. Колясников обосновывает свою гипотезу биопоэза, в которой первоначально синтезируется левовращающая, т. е. хиральная, аминокислота, а затем идет синтез Сахаров — основы нуклеиновых кислот, на правых спиральных цепочках. Такой синхронный синтез полипептидов и полинуклеотидов сопровождался генерацией водных димеров и неумолимо вел к образованию сложных нуклепротеидных комплексов, с записью в их примитивной РНК возникающего однозначного генетического кода.
Помимо этих гипотез, необходимо упомянуть также о гипотезе академика Эрика Галимова, изложенной им в книге «Феномен жизни» в 2001 году, в которой началом жизни признается появление бескислородной молекулы аденина. Отмечается, что ферментативный катализ и репликация кодирующих молекул являются непременными свойствами живых систем. Поэтому искать надо модели изначального возникновения автокаталитических и самореплицирующих систем. Начало биогенеза тогда следует связывать с возникновением элементарной стационарной химической ячейки. Первым шагом в этом направлении является появление молекулы или молекулярной системы, которая бы обеспечила трансформацию энергии внешней среды в химическую энергию. Далее необходимо, чтобы с химической реакцией, доставляющей энергию, могли сопрягаться химические реакции, способные к созданию низкоэнтропийного продукта, т. е. реакции, идущие с усложнением организации. Молекулой № 1 в этой гипотезе признается аденозинтрифосфат (АТФ) и молекулой № 2 транспортная РНК t-PHK), которые, однако, возникают в разное время и в разных условиях (местах), что делает их объединение проблематичным.
Нельзя не указать и на идеи, изложенные американским физиком и биофизиком Ф. Дайсоном в его книге «Происхождение жизни». В ней он, основываясь на анализе обширного материала, пришел к выводу, что очередность в возникновении биополимерных структур могла быть иной, чем ее предлагают другие авторы. По Дайсону, сначала возникла примитивная клетка, затем ферменты и только потом гены. Дайсон полагает, что: 1) на первых этапах живые организмы представляли собой метаболические ячейки без механизма репликации; 2) огромное разнообразие живых организмов возникло на основе сравнительно небольшого ассортимента молекул органических веществ; 3) «центральная догма» современной биологии (ДНК — РНК — белки) о ключевом положении нуклеиновых кислот и их первичном возникновении полностью несостоятельна.
Как видим, гипотез и мнений о начале происхождения жизни много. Но мы будем считать, как данность, что необходимая нам клетка, как элементарная единица жизни, возникла. В процессе эволюции обмена веществ (метаболизма) в клетке и выработки ею энергии, можно выделить 4 этапа или фазы. Первый — ферментация, побочным продуктом которой является углекислый газ. Второй этап — гексозомонофосфатный цикл, в ходе которого выделяется водород и углекислый газ и который является одним из первых примеров метаболического расщепления воды в физиологическом процессе, дающем клетке необходимую ей энергию. Третий этап — фотофосфорилирование, т. е. непосредственное использование солнечной энергии для выработки фосфатов, в том числе, таких, как аденозинтрифосфат (АТФ), обладающих высокой энергией. На этом этапе развития одноклеточные организмы научились вырабатывать пигмент — хлорофилл, с помощью которого образуется энергия света. Это привело к четвертому, самому важному и фундаментальному этапу, — этапу фотосинтеза. Клетка начала поглощать солнечный свет для синтеза глюкозы, выделяя в качестве побочного продукта молекулярный кислород. Таким образом, кислород начал попадать в атмосферу.
Существует, однако, одна необычная гипотеза о появлении кислорода в атмосфере, высказанная русским геофизиком О. Сорохтиным. Он полагает, что первый кислород в атмосфере появился и продолжает появляться в нашу эпоху из-за расплавления окислов, в основном окислов железа, достигших, при опускании вместе с мантией, границы ядра Земли. Освободившись из окисла, кислород идет вверх, встречает снова неокисленное железо, захватывается им, идет опять вниз к границе мантии, расплавляется, снова освобождается и так до тех пор, пока путь вверх к поверхности Земли и далее, в атмосферу, не становится свободным! Кстати, как полагает автор гипотезы, когда все процессы в недрах Земли закончатся, примерно через 2 млрд лет, весь кислород, постепенно, конечно, выйдет наружу, и тогда давление в атмосфере достигнет значений 1-2 тысяч атмосфер!
9.3. Концепции начала и эволюции жизни
Поскольку жизнь появилась наверняка, когда появилась первая клетка, то отсчет жизни необходимо вести от клетки. Жизнь клеток формировала окружающую среду и самих клеток, так утверждает основная гипотеза в учении о биосфере В. И. Вернадского. Клетки, первоначально примитивные и недифференцированные по возможностям и способностям, все же немного (флуктуационно, как это положено для возникновения всего нового и необычного) по этим функциям, т. е. способностям и возможностям, отличались.
В первобытную эпоху атмосфера Земли состояла из вулканических газов, отравленных метаном и аммиаком, не было тогда ни кислорода, ни углекислого газа — ничего иного, что необходимо для поддержания жизни (подробности см. в книге академика Э. М. Галимова. «Феномен жизни», 2001). Без риска ошибиться, можно утверждать, что только в океане могла развиться жизнь, в котором она представлена неисчислимым разнообразием форм, начиная с появившихся, по меньшей мере, 4,2-4,0 млрд лет назад и кончая сегодняшними, находящимися в единстве с прошлым.
Океан того времени представлял собой что-то вроде органического бульона, в котором могло происходить все то, что привело в конечном итоге к образованию клетки. Но жизнь навеки осталась связанной с океаном. В организмах большинства морских беспозвоночных циркулирует раствор ионов, который, по существу, является морской водой. Кровь позвоночных по ионному составу близка морской воде, разведенной в 3-4 раза, что, по предположению ряда ученых, соответствует составу морской воды далекого прошлого, того, когда у наших предков образовалась закрытая система кровообращения.
Планктон, прежде всего сине-зеленые водоросли (первые одноклеточные организмы), которые существуют и поныне, в допалеозойскую эру наполнил атмосферу кислородом (но не исключаем, что кислород мог поступать из недр Земли, в соответствии с гипотезой российского геофизика О. Сорохтина, как мы укажем в следующем пункте) в количестве, достаточном для эволюции многоклеточных уже за 10 млн лет до кембрийского периода, т. е. 600-650 млн лет назад. Скелеты и раковины мельчайшего одноклеточного планктона — радиолярии и форамини-феры — сформировали в тот период дно Мирового океана.
Следующим шагом в эволюции многоклеточных организмов следует считать возникновение растений и животных. Это происходило в несколько этапов. На первом этапе клетки просто объединялись в колонии, в которой каждая клетка оставалась относительно самостоятельной. В колонии, например, в португальском кораблике, возникла специализация клеточных организмов. По крайней мере, в португальском кораблике таких разновидностей специальных организмов четыре: первый выполняет функции плавника, второй щупальца — орудия лова, третий — пищеварительного тракта, и четвертый отвечает за функцию размножения.
По мере дальнейшей «специализации» живые организмы, входящие в состав более крупного организма, утратили свою индивидуальность. У него стала образовываться полая сфера, имеющая два слоя: энтодерму (внутренний слой) и эктодерму (наружный слой), и ротовое отверстие, ведущее в центральную, пищеварительную, полость. Такова элементарная структура, являющаяся основой строения тела всех кишечно-полостных, например, медуз.
Структура животных совершенствовалась, образовывался средний слой — мезодерма, и сформировалась полость тела (как у червей). Позднее из эктодермы образовались нервная система и другие органы. Сначала же произошла его перестройка, а именно, возник слой, защищающий мягкие тела животных (кишечнополостных), но не приведший к образованию ненужных им в водах океана тканей. Это произошло позднее и при участии мезодермы: когда началась миграция живых существ из океана, тогда развился внутренний скелет (появились хордовые, позвоночные).
Всю историю, эволюцию организменной жизни, можно проследить в трех измерениях. Во-первых, в диахрон-ном, или временном, измерении. Во-вторых, в синхронном измерении, полагая, что все или почти все формы жизни, которые когда-либо существовали, существуют и теперь. И, в-третьих, в минрохронном измерении, что обусловлено рекапитуляцией (повторением) предковых форм в индивидуальном развитии эмбрионов большинства ныне живущих организмов.
В первом измерении жизнь предстает по вертикали, во временной шкале, во втором измерении жизнь предстает как бы по горизонтали, начиная путь от простейших организмов к наиболее сложным, а вот третье измерение сжимает все эти эпохи жизни до периода вынашивания плода.
Биологические науки точно установили, что в первом, в диахронном измерении, в палеозойскую эру, в докемб-рийский период (эпоху) (не ранее 600 млн лет назад) появились губки; в кембрийский (500-600 млн лет назад) — трилобиты, моллюски и первые ракообразные; в ордовик (425-500 млн лет назад) — двустворчатые моллюски, на-утилонды и первые позвоночные, первые рыбы; в силурийский период (405-425 млн лет назад) — коралловые рифы; в девон (345-405 млн лет назад) — многочисленные рыбы и земноводные, появление насекомых; в каменноугольный период (280-245 млн лет назад) — гигантские насекомые; в пермский период (230-280 млн лет назад) вымирают трилобиты, процветают пресмыкающиеся. В мезозойскую эру в триасе (181-230 млн лет назад) — появляются первые млекопитающие; в юр и мел (63— 181 млн лет назад) — время расцвета и вымирания динозавров. И, наконец, в кайнозойскую эру в третичном периоде (1-63 млн лет назад) млекопитающие распространились на суше, и в раннем четвертичном периоде появился человек (около 5-1 млн лет назад), переживший четыре ледниковых периода в эти годы становления и возмужания.
Можно отметить два выдающихся момента в указанной эволюции. Первый — происхождение позвоночных от простых сидячих (неподвижных) форм, появившихся путем фильтрации, и второй момент — переход от рыбы к земноводному. Тела сидячих организмов, практически пищеварительная система, прикреплялись ножкой к морскому дну, тогда как другие ножки направляли плавающие пищевые частицы в ротовое отверстие. В ходе эволюции совершенствовался их аппарат фильтрационного питания, так что, в конце концов, он превратился в ряд жаберных щелей, первичной функцией которых было не дыхание, а питание. В какой-то момент эволюции после почкования и образования личинок, передвигаясь в поисках подходящего места, личинка с крупной головой с жабрами и мускулистым хвостом, усиленным продольной желеобразной хордой — нотохордой (прообразом позвоночника), быстро переходила во взрослую форму оболочника, которая не всегда сопровождалась сидячей стадией, а иногда заменялась на свободно плавающую.
Связующим звеном между рыбами и земноводными является целакант (родственник кистеперых рыб). У целакантов из парных плавников развились конечности, тогда же образовалось что-то вроде легких, в результате чего они приспособились для дыхания и передвижения на суше, поэтому и смогли развиться земноводные.
Во втором, «синхронном» измерении эволюции, можно взять, например, сложную, с ответвлениями пищевую цепь. Тогда мы увидим, как мельчайшие растения, диа-томные водоросли и всевозможные жгутиковые, которые и составляют фитопланктон, плавают в поверхностных водах, как мельчайшие животные — веслоногие рачки, криль или личинки крабов — поедают этот фитопланктон. А их, в свою очередь, поедают более крупные рыбы, например, скумбрия или сельдь, заканчивающие свое существование в желудках еще более крупных рыб, таких как тунец или меч-рыба. Вообще, только одна рыба из 10 000 не заканчивает свою жизнь в пасти другой. Можно также, в синхронном измерении, расположить все живые существа в зависимости от места обитания и т. д.
В третьем, микрохронном измерении, наиболее впечатляющим является развитие зародыша человека. Зародыш проходит все стадии мельчайшего существа, похожего на головастика, хордового, хрящевого анималькуля, прежде чем станет позвоночным, и стадии организма, дышащего жабрами, прежде чем появятся легкие. У каждой из стадий этого быстрого развития имеется соответствующая прошлому пространственно-временная точка (прямо можно сказать — мировая точка в пространстве Минков-ского). Так, например, у плода человека сердце развивается как простое расширение главного кровеносного сосуда. Расширенный участок разделяется на четыре части, расположенные одна за другой. Затем сосуд перекручивается назад и приобретает шаровидную форму (шар наиболее совершенная симметричная форма из пространственных), причем два отдела складываются (ушки предсердий) над двумя другими (желудочками). Это и есть сердце.
Такую же сложную, из трех измерении, модель можно построить и для всей биосферы, включая океаны, где жизнь зародилась, пресноводные водоемы, где она развилась так мощно.
Развертывание жизни. Дарвинизм и неодарвинизм. Первая теория эволюции была сформулирована в начале XIX века Жаном Батистом Ламарком — выдающимся натуралистом-самоучкой, введшим термин «биология». Ламарк оказал сильное влияние на Чарлза Дарвина. Но это влияние уже практически отсутствовало, когда Дарвин опубликовал свою теорию в 1859 г. в фундаментальной работе «Происхождение видов путем естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за выживание». Кстати, в другом варианте дополнение к первому, главному названию переводится так: «Сохранение избранных рас в борьбе за выживание» (с латыни раса переводится как род, порода). Следует отметить, что одновременно с этой книгой была опубликована также статья другого англичанина Альфреда Уоллеса «О стремлении разновидностей бесконечно удаляться от первоначального типа», в которой излагались взгляды, абсолютно сходные с взглядами Дарвина, однако без всяких претензий Уоллеса на приоритет, который он безоговорочно отдавал своему более именитому соотечественнику. Теория Дарвина основывалась на двух идеях: случайные мутации и естественный отбор. Центральная мысль дарвинизма заключается в том, что все живые организмы имеют общее начало, общее происхождение. Различие между классической теорией эволюции (дарвинизм) и новыми теориями (неодарвинизм) заключается в разном подходе к рассмотрению динамики эволюции. Согласно утверждениям Дарвина, наследственные характеристики передаются потомкам от их родителей по 50% поровну в первом поколении; таким образом, во втором поколении наследуется только 25% характерных признаков и т. д. В этом отношении классическая теория Дарвина имела явный изъян (называемый «кошмар Дженкинса», по имени английского инженера Дженкинса, обратившего на него внимание ученого мира), не согласовываясь с реальной жизнью. Проповедниками дарвинского учения стали Эрнст Геккель и Герберт Спенсер, особенно последний закрепил в нем термин эволюция, хотя сам Дарвин предпочитал это понятие не употреблять.
Решение последней проблемы пришло вместе с открытием Менделем в 1866 году механизма передачи наследственных признаков (но, как известно, работа Менделя и его законы оставались незамеченными в последующие 40 лет, до их переоткрытия). Комбинация идей Дарвина о постепенных эволюционных изменениях живых организмов с генетическим механизмом Менделя и происходит в теории, носящей сейчас название неодарвинизм, или синтетическая теория эволюции. И у дарвинизма, и у неодарвинизма есть слабое звено в их теоретических построениях — долженствование постепенного непрерывного изменения живых организмов.
Как показывают исследования ископаемых организмов, в истории жизни существовали периоды длительностью в сотни тысяч лет и более, на протяжении которых не наблюдались изменения организмов. Период бурного изменения живых организмов на Земле начался примерно 1 миллион лет назад. В связи с этим появилось новое направление в теории — системные представления эволюции. В этой теории возможно спонтанное образование новых форм живых структур. Джеймс Ловлок и Линн Маргулис развили теорию Гея — Земли (ГЗ), которая в общих чертах заключается в том, что нельзя рассматривать развитие живых организмов в отрыве от развития, изменчивости окружающей среды. Согласно ГЗ — теории, нет отдельных живых организмов, есть в целом глобальная система, которая живет, развивается, эволюционирует.
Эволюция через симбиоз. В микробиологии считается, что фундаментальное деление форм жизни заключается не в делении на животные и растительные формы, а деление этих форм по виду клеток — ядерные (эукарио-ты) и безъядерные (прокариоты). Бактерии, простейшие формы жизни, не имеют клеточного ядра и поэтому называются прокариотами, тогда как клетки, содержащие ядра, называются эукариотами. Одной из ключевых гипотез современной теории эволюции является гипотеза Линн Маргулис о симбиозе. Симбиоз — это тенденция различных организмов жить в тесном содружестве с другими организмами и часто жить внутри других организмов (как, например, это делают бактерии). Согласно гипотезе Л. Маргулис, митохондрии в клетках были в давние времена отдельно существующими бактериями, внедрившимися когда-то вовнутрь клеток другого организма. Предложенный Маргулис эволюционный механизм путем симбиоза, может быть, был более важным и предпочтительным, чем стандартный путь эволюции по Дарвину, который сегодня никак нельзя считать безупречным и безальтернативным другим предлагаемым механизмам.
9.4. Системная иерархия организации живых организмов и их сообществ
Все живые существа (как животные, так и растения) состоят из клеток. Из клеток строятся ткани, из тканей — различные органы и их системы. Клетки животных и растительных организмов имеют примерно одинаковое строение. Важнейшей их частью является ядро. Оно контролирует всю жизнедеятельность клетки: обмен веществ, рост и размножение. Удаление ядра из клетки приводит к ее гибели.
Ядро клетки окружено полужидкой субстанцией — цитоплазмой. Цитоплазма почти всех растений содержит небольшие белковые тельца — пластиды. В пластидах заключен хлорофилл — вещество, которое придает растениям зеленую окраску. Благодаря наличию хлорофилла, растения способны осуществлять процесс, называемый фотосинтезом. В ходе фотосинтеза растения, используя энергию солнечного света, превращают в органическое вещество громадное количество углерода (по подсчетам ученых, около 200 миллиардов тонн ежегодно).
Каждая клетка животных и растений окружена плазматической мембраной. Мембрана играет чрезвычайно важную роль в регулировании содержимого клетки: через нее проходят все питательные вещества и все отходы (продукты секреции) клетки. Растительные клетки, кроме мембраны, снабжены еще плотной клеточной стенкой. Она во многих местах имеет мельчайшего размера отверстия, через которые вещество одной клетки переходит в другую. Клеточная стенка служит опорой растительного организма.
Основные структурные различия между животными и растительными клетками немногочисленны. Во-первых, животные клетки, в отличие от растительных (исключая низшие растения), содержат небольшие тельца — центри-оли, расположенные в цитоплазме. Во-вторых, как уже говорилось, клетки растений имеют в своей цитоплазме белковые образования — пластиды, которых нет у животных. И, в-третьих, клетки растений обладают упомянутой ранее клеточной стенкой, благодаря которой они сохраняют свою форму. Животные клетки располагают лишь тонкой плазматической мембраной и поэтому способны двигаться и менять форму.
Все живые организмы, то есть растения и животные, характеризуются, в той или иной степени, определенными размерами и формой, обменом веществ, подвижностью, раздражимостью, ростом, размножением и приспособляемостью. Перечисленные выше свойства отличают живое от неживых объектов. Определить же, какие существа относятся к растениям, а какие к животным, совсем не просто, как может показаться на первый взгляд. Конечно, знакомые большинству людей такие представители животного мира, как домашние животные, а растительного — различные виды деревьев, кустарников и трав не вызывают особых затруднений.
Однако в природе существует ряд организмов, которые находятся как бы посреди двух царств — растений и животных. Для примера назовем простейшее одноклеточное существо эвглену зеленую. Она двигается как животное, а питается как растение. Таким образом, эвглена представляет собой как бы переходное звено между растительным и животным миром.
Какие же свойства и различия живых организмов позволяют нам относить одни к растениям, другие к животным? Мы уже их назвали при характеристике животных и растений. Повторим еще раз наиболее важные. Во-первых, различия в способе питания, во-вторых, различия в структуре клеток и их способности к росту (у растений, в отличие от животных, некоторые клетки сохраняют способность к активному росту на протяжении всей жизни растительного организма). И, в-третьих, различия в способности к движению: большинство растений прикреплено к одному месту, значительная же часть животных ведет подвижный образ жизни.
Распутать сложную сеть родства организмов, определить степень их родства — вот задача, которую естествоиспытатели стремились разрешить в первую очередь. В результате неустанных поисков ученых в XVII веке появилась классификация, систематика, живых существ, не потерявшая своего значения до сих пор. Ее предложил великий шведский ученый-систематик Карл Линней.
Линней решил дать названия всем растениям и животным, которые были известны в его время. Окончательное завершение эта работа получила в его сочинении «Система природы», опубликованном в 1735 году. Классификацией Линнея, предложенными им названиями растений и животных, до сих пор пользуются ботаники и зоологи всего мира. Самой маленькой систематической единицей у Линнея, а также во всех системах, которые создавались уже после него, стал вид, самой крупной — тип. Во всей сложности и подробностях систематику Линнея и других мы здесь рассматривать не будем, ограничимся минимумом сведений.
Вид — совокупность (популяция) сходных особей, имеющих одинаковое строение и функции. В природе особи одного вида скрещиваются только между собой. Близкородственные виды группируются в следующую, более высокую систематическую единицу — род.
Научное (латинское) наименование животных и растений состоит из двух слов. Это позволяет избежать путаницы при классификации. Двойные названия, первое из которых обозначает род, второе — вид, получили все растения и животные. Так домашнюю кошку (сиамскую, персидскую, абиссинскую и т. п.) Линней назвал Felis domestica. К этому же роду принадлежат «царь зверей» — лев (Felis leo), тигр (Felis tigris), леопард (Felis pardus).
Подобно тому, как виды объединяются в роды, близкие роды составляют семейства, семейства — порядки, или отряды, а последние — классы. Род кошек, род собак и человеческий — все относятся к классу млекопитающих. Классы объединяются в типы. И млекопитающие, и земноводные, и птицы, и рыбы — все принадлежат к типу позвоночных; как сильно они ни разнятся между собой, для всех них характерен один общий признак — позвоночник и костный скелет.
Сегодня ученым известно, что на нашей планете имеется 31 род бактерий; 150 родов (1400 видов) сине-зеленых водорослей (общее число видов водорослей достигает 40 тысяч); около 200 тысяч видов грибов; около 16 тысяч видов лишайников; мхов — свыше 18 тысяч видов. Количество всех видов растений достигает 500 тысяч. Причем не все еще виды растений удалось открыть, и кто знает, какие еще неожиданности ждут исследователей.
Еще больше на Земле животных. Простейших одноклеточных организмов сейчас известно около 15 тысяч видов; кишечно-полостных — от 5 до 9 тысяч; червей плоских — 6500 видов; червей круглых — от 5 до 8 тысяч; червей кольчатых — до 7600 видов; млекопитающих — 12540 видов; птиц — 16 тысяч; пресмыкающихся и земноводных — 9 тысяч; рыб — 20 тысяч видов. А всего видов позвоночных — около 70 тысяч; видов всех животных, населяющих Землю, — более полутора миллионов.
Ученые пока не установили, к какому виду или подвиду животных можно отнести некоторые группы обитателей нашей планеты. В свое время Линней заметил, что все не так просто укладывается в его систему. Невозможно было не обратить внимания на гибриды и помеси, возникшие, очевидно, намного позже «сотворения мира». И верующий, но принципиальный и честный ученый, каким был Линней, высказал крамольные, с точки зрения церкви, мысли о том, что сама природа перемешала и умножила существующие виды. Уже Линней понимал, что весь живой мир в своем существовании проходит несколько ступеней изменений. И хотя шведский ученый не считал себя сторонником эволюционного учения (во времена Линнея это была теория эволюции Ламарка), позже его систематика, многочисленными фундаментальными факторами, помогла Чарлзу Дарвину создать теорию эволюции.
Постепенно становилось очевидным, что всю живую природу можно было бы сравнить с иерархической «лестницей» существ. На нижних ее ступенях — простейшие одноклеточные организмы, на верхних — бесконечно сложные существа, растения, животные и, наконец, человек.
По мере того, как мы знакомимся с жизнью ныне существующих видов, становится ясно, что каждый вид зависит еще и от других живых существ, и от тех условий, в которых он обитает. Итак, жизнь любого вида зависит от многих сложных взаимосвязей, географических особенностей расположения материков и т. д
9.5. Экосистемы, экология и взаимоотношения живых существ
Закономерности взаимоотношений живых существ с окружающей средой изучает специальная наука — экология. В переводе с греческого языка слово «экология» означает; «изучение дома». Иногда «дом», место обитания, бывает самым неожиданным.
Все организмы, существующие на Земле, приспособились к определенному атмосферному давлению. Однако с помощью шаров-зондов удалось обнаружить споры бактерий и плесневых грибков на высоте 33 километров, где давление значительно ниже. Бактерии живут в радиоактивных урановых рудах, в сероводородной среде, даже в таком ядовитом веществе, как концентрированный раствор хлористой сулемы. Бактерии были обнаружены и на глубине 4 тысяч метров — в нефтеносных слоях, и в горячих источниках, богатых борной кислотой. Живые организмы существуют и при гигантских давлениях — на глубине более 10 километров, и в холоде вечных льдов Арктики и Антарктики.
И в знойной, казалось бы, совсем безжизненной Сахаре, где влажность достигает всего 0,5 процента, существует 98 видов бактерий, 28 видов грибов и 84 вида водорослей. Живые существа, некоторые, иногда могут долгое время обходится без воды. Обитающий в Северной Нигерии комар откладывает яйца в мельчайшие щели скал, заполненные водой. Когда маленькие лужицы высыхают, личинки комара приостанавливают свое развитие. Но стоит пройти новому дождю, и они, как ни в чем не бывало, оживают вновь.
Дрожжи и несколько видов бактерий способны существовать даже в бескислородной среде. Личинки комара хирономуса живут и развиваются в воде, содержащей в тысячу раз меньше кислорода, чем обычный воздух. В воде некоторых водоемов бывает в 2 тысячи раз меньше кислорода, чем в воздухе, но и там есть жизнь.
Все живые существа обладают колоссальным биотическим потенциалом, иначе говоря, способны размножаться с такой скоростью, что, если бы их размножению ничто не препятствовало, они наводнили бы собой всю биосферу.
Что же противодействует такому перенаселению? Почему, несмотря на удивительную приспособленность к неблагоприятным условиям, живые организмы все-таки гибнут?
Голод, несчастные случаи, стихийные бедствия, болезни, уничтожение одних видов другими — все, вместе взятые, причины такого рода называют сопротивлением среды. Каждый вид должен был выработать такие качества, которые бы позволяли ему преодолевать это сопротивление среды. На протяжении миллионов или даже миллиардов лет возникла адаптация — приспособленность к окружающим условиям, или та знаменитая «целесообразность», которая поражает воображение и кажется порой сверхъестественной.
Каждая из адаптаций появилась в результате того, что среда постоянно отсеивала неблагоприятные наследственные изменения, появляющиеся у всех без исключения видов растений и животных. Действие естественного отбора не прекращается ни на минуту — выживают только наиболее приспособленные.
Экологи изучают различные типы приспособляемости, и уже выявлены некоторые закономерности, помогающие понять это чудесное свойство всего живого. Известны три основных типа адаптации: структурные изменения -окраски, строения тела отдельных органов и т. п.; физиологические и поведенческие.
Группу организмов, относящуюся к одному или близким видам и занимающую определенную область, в экологии называют популяцией. Популяции входят в состав биоценозов — в совокупность растительных и животных организмов, населяющих участок среды обитания.
Прежде чем продолжить рассмотрение каких-либо конкретных экосистем, определим их основные элементы.
1. Абиотическая (неживая) среда — вода, минеральные вещества, газы, органические вещества неживой природы и гумус.
2. Продуценты (автотрофы) — производители первичной биологической продукции. К ним относят живые существа, способные строить себя из неорганических материалов (углекислого газа, воды, минеральных веществ) в процессе приобретенного и унаследованного с реликтовых времен фотосинтеза.
3. Консументы (они же гетеротрофы) — организмы, являющиеся в пищевой цепи потребителями органического вещества. Консументы первого порядка — растительноядные животные; консументы второго, третьего и т. д. порядков — хищники.
4. Редуценты (от лат. возвращающий, восстанавливающий), они же деструкторы, разлагатели — организмы (сапротрофы), разлагающие мертвое органическое вещество и превращающие его в неорганические вещества, которые в состоянии усваивать другие организмы — продуценты. Редуценты — это бактерии, грибы, прочие микроорганизмы, а также черви, личинки насекомых, другие мелкие почвенные организмы, способные превращать органическое вещество в минеральные соединения. Взаимодействие продуцентов, консументов и редуцентов обеспечивает биотический круговорот. Последний представляет собой непрерывный процесс создания и деструкции органического вещества. Все живое вещество биосферы обновляется в среднем за 8 лет. В океане циркуляция идет во много раз быстрее, например, масса фитопланктона обновляется каждый день, смена кислорода в атмосфере происходит за 2000 лет.
В природе взаимоотношения различных видов животных, растений крайне многообразны. Бывает так, что одни виды помогают другим: например, на панцирях многих крабов обитают кораллы или актинии, помогающие крабам маскироваться. Другой пример: простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы нормально переваривать древесину и расщеплять ее до сахаров.
Но далеко не все отношения между различными видами можно назвать добрососедскими. Они приобретают диаметрально противоположный характер, когда, например, плесневые грибы подавляют рост бактерий, хищник уничтожает жертву, а паразит губит хозяина. Однако и они не всегда вредны для вида в целом: под влиянием естественного отбора в природе устанавливается необходимое равновесие.
А если такое равновесие нарушается, это приводит к поистине поразительным результатам. Раньше к некоторым видам животных или растений было принято применять термин «вредный» или «полезный». Так, например, сорняк на поле, где растет пшеница, — «вредный», кошка, уничтожающая мышей, — «полезная» и т. п. Сейчас уже ни у кого не вызывает сомнения, что для нормального существования сообществ нужны различные их звенья, независимо от того, вредны они или полезны для человека.
Еще один показательный пример. На северном склоне Большого Каньона в Колорадо (США) уничтожили волков для того, чтобы увеличить количество оленей. Олени беспрепятственно размножались, и скоро их стадо возросло до 100 тысяч голов. Пищи для такого количества животных оказалась недостаточно, и олени стали гибнуть от голода. В конце концов, их поголовье уменьшилось в 10 раз. При выяснении причин гибели животных оказалось, что, когда в этом районе существовали волки, среди оленей поддерживалось устойчивое равновесие, при котором их число соответствовало запасам пищи.
Большинство сообществ беспрерывно меняется — и от сезона к сезону, и изо дня в день, и даже в каждую минуту. Сообщество может состоять в основном из животных или, наоборот, из растений. Изменения, происходящие с сообществом на любой стадии его развития, затрагивают большинство входящих в него организмов. Появление новых растений или животных сопровождается изменениями внешней среды, которые, как правило, благоприятны для новых видов и неблагоприятны для старожилов. Постепенно перестройка в биоценозе замедляется, и он достигает равновесия. Но достигнутое равновесие тоже временно.
«Даже коралловый риф — один из наиболее стабильных биоценозов, — и тот подвержен значительным изменениям. При каждом продолжительном поднятии или понижении уровня моря, при каждом медленном перемещении земной коры сам коралл, являющийся основанием гигантского биоценоза рифа, может полностью погибнуть. Поэтому точнее говорить не об общем равновесии в природе, а о великом множестве равновесий в мире живых существ», — писал Л. Фарб в «Популярной экологии».
Плодотворное исследование экологических закономерностей требует участия ученых различных специальностей. В последнее время мы все чаще слышим разговор о новых пограничных междисциплинарных областях знаний — биофизике, биохимии, физической химии и т. д. Эти науки возникают на стыке нескольких дисциплин: физики и биологии, например, биофизика. Одним из таких стыков естественных наук является биолого-математическое моделирование. Как известно, окружающий нас мир поддается количественному описанию. Перефразируя известное изречение выдающегося русского физиолога и мыслителя Ивана Михайловича Сеченова, можно сказать, что все: от блеска дальних звезд, шума океанского прибоя и полета пчелы до первого крика ребенка, вдохновенного танца балерины и творческой мечты ученого — можно описать количественно. Конечно, от этого «можно» до реального «описать* путь долгий и трудный, но вполне преодолимый современной научной и технической мыслью.
В наши дни биологи исследуют существование живого на различных уровнях — от небольших участков, где обитают отдельные виды растений и животных, и до биосферы Земли в целом.
Биосфера представляет собой, прежде всего, пленку жизни, покрывающую земной шар. Общая масса живых организмов, или, как говорят ученые, общая биомасса Земли, была примерно подсчитана В. И. Вернадским и его школой: она составляет свыше 300 млрд т сухого вещества. По сравнению с общей массой Земли это не очень много, но, тем не менее, это огромная масса живого вещества.
Биосфера — существеннейшая составная часть общей жизни Земли как планеты, энергетический экран между Землей и Космосом который превращает определенную часть космической, в основном солнечной, энергии, поступающей на Землю, в ценное высокомолекулярное органическое вещество. Поступление солнечной энергии — энергетический вход в биосферу.
В громадной биомассе протекают процессы обмена веществ, одни организмы отмирают, другие нарождаются, они питаются друг другом, продуктами друг друга и т. п. Происходит огромный, вечный, постоянно работающий биологический круговорот в биосфере, целый ряд веществ, целый ряд форм энергии постоянно циркулируют в этом большом круговороте биосферы.
9.6. Основные концепции этологии
Основы этологии, или науки о поведении животных, были заложены в XIX веке. После первых экспериментов Д. Сполдинга по изучению поведения животных, Ч. Уитмен, тщательно наблюдая за поведением животных разных видов, указал, что многие инстинкты, как врожденные реакции поведения, являются настолько константными, что, подобно морфологическим структурам (органам), могут иметь таксономическое или классификационное значение. Современная таксономия (от греч. taxis — расположение, строй, порядок и потов — закон) в биологии это раздел систематики, занимающийся принципами, методами и правилами классификации организмов. Так, например, сосущие движения, которые производят голуби во время питья, являются одним из самых характерных признаков семейства голубиных.
Существенным вкладом в развитие этологии явились исследования О. Хайнрота и У. Крейга. О. Хайнрот развивал учение о значении врожденных признаков поведения птиц (особенно утиных) для таксономической оценки вида. Ч. Крейг одним из первых указал, что поведение складывается не только из отдельных, вызванных соответствующими раздражителями реакций, а направляется внутренними потребностями животных. Они подразделили инстинкты на влечения, требующие удовлетворения, и поисковое поведение, с включением моторной активности и завершающего действия, которое осуществляется после того, как раздражитель найден. Совершение этого действия, по положению Крейга, приводит к снижению или полному прекращению влечения.
Исследования и положения Хайронта и Крейга в дальнейшем были уточнены и развиты главным образом Нобелевскими лауреатами австрийцем Конрадом Лоренцем, немцем Карлом фон Фришем и англичанином Николасом Тинбергеном. Эта школа развивалась в полемике с американской школой бихевиористов, которые старались объяснить все поведение животных приобретенными рефлексами, отрицая наличие врожденных факторов. Их представление оказалось неправильным, но длительная борьба школ помогла их представителям уточнить и углубить знания о поведении животных. При этом ученые в значительной мере исходили из положения великого физиолога Ивана Павлова и его школы о разделении поведения на условные и безусловные реакции.
Имя Конрада Лоренца (1903-1989 гг.), как одного из виднейших основателей этологии, широко известно. Предмет и задачи этологии — сравнительное изучение поведения животных с точки зрения его общебиологического значения, выявление роли поведения и приспособленности животных к условиям внешней среды и в эволюции животного мира. Но этологию также интересует эволюция самого поведения, его видоизменение на разных этапах эволюционного процесса, зарождение новых форм поведения. Говоря о самой науке, этологии, можно выделить ту ее главную особенность, которая состоит в том, что понятие «поведение» входит в весьма обширную группу понятий, находящих применение во многих, в ряде случаев весьма отдельных друг от друга областей знания, а также практической деятельности и обыденной жизни людей.
В наиболее общем виде понятие «поведение» определяется как «система внутренне взаимосвязанных действий, осуществляемых каким-либо сложным (обладающим некоторой организацией) объектом; эта система подчиняется определенной логике и направлена на реализацию той или иной функции, присущей данному объекту и требующей его взаимодействия с окружающей средой». Цель познания поведения, таким образом, состоит в раскрытии путей и закономерностей его формирования и реализации. Содержание понятия поведения, с одной стороны, определяется спецификой субъекта поведения, а с другой — отражает в своем развитии движение познавательного процесса, направленного на постижение его (поведения) сущности.
В качестве субъекта поведения в биологии (этологии) выступает, прежде всего, индивид (организм), который в то же время является объектом этологического исследования.
Распространение в современной биологии популяционистского стиля мышления, переход от исследования поведения отдельных особей к исследованию поведенческих закономерностей, складывающихся в различных по размерам и степени сложности группах особей, делают правомерным выделение популяционного и биоценотического уровней реализации поведения. Выход этологи-ческий исследований на надындивидуальные уровни организации (надорганизменные уровни) живого дает основания в качестве субъекта поведения рассматривать не только индивид, но и популяцию как основной способ существования вида.
Сложный многоуровневый характер формирования и регуляции поведения обуславливает и многоуровневый характер его познания, включающий соответственно биохимический, физический и психофизиологический, экологический и, возможно, другие аспекты исследования поведения, также включает в себя онтогенетический и эволюционный аспекты.
Изучение изменчивости, наследственности и наследственного осуществления свойств поведения, является важным вопросом в проблеме исследования животных и, в частности, их высшей нервной деятельности. Свойства поведения могут быть разбиты на три основные категории:
1. Специфические свойства поведения, как, например, злобность, пугливость собак, крыс и мышей. В основе этих специфических свойств поведения лежат, очевидно, сложные безусловные рефлексы поведения или Инстинкты.
2. Общие свойства нервной системы, которые могут быть охарактеризованы как степень общей возбужденности нервной системы, проявляющиеся в различной моторной активности животного.
3. Различная обучаемость животных (сюда должны быть отнесены работы по наследованию типов высшей нервной деятельности).
Важной задачей при этом является выявление элементарных единиц поведения. Сделанная в этологии попытка выделить такие единицы была продиктована необходимостью проводимого исследования.
1. В павловской школе основным объектом, единицей исследования являются рефлексы. Изучение высшей нервной деятельности, проведенное при помощи павловского метода, установило основные закономерности деятельности высших отделов нервной системы. Основной акцент в исследованиях И. Павлова сделан не на изучение закономерностей механизма рефлекторной деятельности, лежащей в основе поведения. Поведение животных не может быть отождествлено с рефлекторной деятельностью высших отделов нервной системы.
2. Изучение наследования и наследственного осуществления различных актов поведения по своему конечному выражению показывает, что акты поведения могут обуславливаться различными причинами. В одних случаях определенный акт поведения формируется на основе наследственных свойств; в других случаях он может формироваться в результате индивидуального опыта животного. Это только в крайних случаях. В большинстве же случаев формирование отдельных актов поведения происходит в результате тесного переплетения врожденных и индивидуально приобретенных компонентов, не дающих возможности отнести их ни к группе условных, ни к группе безусловных рефлексов.
3. Акты поведения, которые могут формироваться при различном сочетании условных и безусловных рефлексов, имеющих в то же время сходное внешнее выражения, должны быть обозначены каким-то иным термином, чем «условный» или «безусловный» рефлексы. Назовем их унитарными реакциями поведения. Под последними понимаются единые, целостные акты поведения, интегрированные условные и безусловные рефлексы. Унитарные реакции поведения рассматриваются как элементарные единицы поведения.
4. Унитарные реакции, объединяясь, конструируют более сложные этапы интеграции поведения, которые могут быть обозначены как биологические формы поведения. Под последними мы понимаем поведение, которое, будучи построено из отдельных унитарных реакций, связано с обеспечением основных жизненных отправлений организма. Соответственно этому выявляются следую щие, наиболее общие биологические формы поведенияживотных:
1) пищевая;
2) оборонительная;
3) половая;
4) форма поведения, связанная с заботой о потомстве;
5) форма поведения потомства по отношению к своим родителям.
Данные формы поведения являются наиболее общими, присущими почти всем позвоночным животным.
5. Биологические формы поведения, конструируясь как результат интеграции отдельных унитарных реакций, не являются простой суммой последних. Унитарные реакции поведения проявляются в зависимости от той формы по ведения, которая доминирует в данный момент в поведении животного.
9.7. Энергетические и энтропийные процессы (энергетика) жизни
Существует два мнения относительно применимости второго начала термодинамики (рассматривалось в главе 3) к живым системам. Одни ученые уверены в правомерности применимости, другие — нет. Первые утверждают это, не сомневаясь в том, что вообще физические законы достаточны для описания живых систем, поэтому, в частности, и второе начало вполне применимо к живым системам. Так, например, французский биолог, не физик, заметим, Ж. Моно отмечает, что «жизнь не следует из законов физики, но совместима с ними». Вторые отвергают применимость второго начала к живым системам, поскольку полагают, что это закон, регулирующий тепловые процессы, а в живом организме источником работы является не тепловая энергия.
Вероятно, для выяснения истины необходимо более широкое, чем термодинамическое или статистическое, определение энтропии. Поэтому-то мы рассматриваем этот вопрос здесь, в разделе биологических концепций.
Энтропия и эволюция. Вероятно, зарождение проблемы взаимосвязи между энтропией и эволюцией произошло в 1854 г., когда Гельмгольц и Больцман первыми обратили внимание на противоположные направленности закона возрастания энтропии и законов теории эволюции. Закон возрастания энтропии свидетельствует об увеличении беспорядка и «тепловой смерти» Вселенной, тогда как теория эволюции живых систем свидетельствует о процессах перехода от простых систем к более сложным системам, т. е. указывают путь возрастания порядка. После этого возникло много разных направлений в науке, связывающих энтропию, фактически второе начало, и эволюцию. Рассмотрим их, по возможности, последовательно.
Первое направление: некритическое восприятие второго начала. Данное направление характеризуется тем, что закон возрастания энтропии с его предсказанием тепловой смерти Вселенной, в частности, не имеет смысла согласовывать с наблюдаемой эволюцией мира в сторону усложнения.
Второе направление: флуктуационная гипотеза. В 1886 г. Больцман предсказывал тепловую смерть Вселенной, однако в 1898 году он выдвигает знаменитую флук-туационную гипотезу: окружающая нас макроскопическая область является неравновесной флуктуацией во Вселенной, в целом находящейся в равновесном состоянии.
В настоящее время эта гипотеза Больцмана не является популярной в силу своей антиэволюционности.
Третье направление: второе начало действует не везде. Суть этого направления заключается в тезисе неприменимости второго начала к живым системам, хотя экспериментальных доказательств несправедливости второго начала по отношению к живым системам не существует. Но трактовка второго начала, как физического закона, вероятно в этом случае не совсем правильна, является искусственной. Природа не знает деления переменных на «физические» и «структурные», это деление производит человек, изучающий природу. Если о втором начале говорить в широком смысле, когда энтропия имеет и физическую и структурную составляющие, то тогда, вероятно, закон возрастания «такой «энтропии распространяется и на живые системы.
Четвертое направление: концепция Шредингера (кстати, того самого Шредингера, одного из основателей квантовой механики, отца основного уравнения в ней). Это общепринятая в настоящее время концепция, но имеющая определенные трудности. В основе концепции Шредингера лежат две идеи.
Первая идея заключается в том, что живая система является сугубо неравновесной. Другими словами, эта идея выражает принцип устойчивого неравновесия живых систем.
Вторая идея, развивая первую, заключается в том, что живая система сохраняет неравновесность за счет внешней среды, черпая в ней необходимую упорядоченность, т. е. негэнтропию (отрицательную энтропию). Шредин-гер формулирует эту идею так: организм остается живым «только путем, постоянного извлечения из его окружающей среды отрицательной энтропии. Отрицательная энтропия — вот то, чем организм питается».
Краеугольным камнем концепции является понимание энтропии как меры беспорядка. Определенные трудности концепции как раз связаны с этим положением. Согласно Шредингеру, живые системы обладают свойством черпать порядок из окружающей среды. Наша планета получает высококачественную энергию от Солнца (качество энергии определяется малым потоком энтропии за счет высокой температуры поверхности Солнца), перерабатывает ее, что, конечно, сопровождается ростом энтропии в окружающей среде, и выбрасывает в космическое пространство вместе с наработанной энтропией. Именно это обстоятельство обеспечивает жизнедеятельность на Земле. Постоянство негэн-тропийного рациона Земли в обозримом интервале времени, по-видимому, и лежит в основе открытого Вернадским закона сохранения биомассы на Земле. Таким образом, на уровне общих представлений проблема существования жизни на Земле понятна. Однако вопросы молекулярной самоорганизации, принципы отбора и эволюции по-прежнему требуют объяснения на физическом или физико-химическом уровне. Развитие событий в последние десятилетия XX века показали ограниченность упрощенного представления энтропии как меры беспорядка.
Синергетика как первая модификация концепции Шредингера. Термин «синергетика» предложен Германом Хакеном для обозначения подхода, в котором процессы самоорганизации изучаются с разнообразных позиций, в том числе, и с позиции теории диссипативных структур, разработанной Ильей Пригожиным (см. более подробно в гл. 12). Этот подход развивается в физике, химии, биологии и в других дисциплинах. Синергетика вводит понятие диссипативной структуры как неравновесной структуры, возникающей за счет открытости системы и обязанной, таким образом, своим существованием дихотомии системы и среды: уменьшение энтропии в системе (упорядочение) мыслится здесь происходящим за счет роста энтропии (беспорядка) в среде. Основное содержание синергетики составляет анализ и решение нелинейных уравнений, описывающих системы. Есть некоторые общие черты решений, будь это автокаталитическая химическая реакция Белоусова-Жаботинского (см. последний пункт в гл. 8) или биологическая система, или нечто иное. Синергетика внесла в концепцию Шредингера поправку: дихотомия типа «система — среда» свойственна не только живым системам, но проявляется и в неживой природе — в гидродинамике (ячейки Бернара), физике лазеров, химии. Эти находки синергетики не разрушают концепцию Шредингера, но все же и не дают ответа на основной вопрос — откуда берется порядок в тех системах, которые служат «средой» для открытых систем с образующимися в них диссипативными структурами?
Синергетика и естественный отбор как вторая модификация концепции Шредингера. Сегодня роль естественного отбора в ЭВОЛЮЦИИ нельзя считать до конца ясной. Вероятно, естественный отбор является одним из механизмов эволюции, влияет каким-то образом на скорость эволюции. Здесь нас интересует частный вопрос: определяет ли естественный отбор общую направленность эволюции в сторону усложнения?
Ответ на этот вопрос в настоящее время отрицательный. Действительно, в живом мире наблюдаются всевозможные случаи: прогрессивная эволюция в сторону усложнения (ароморфоз, он же арогенез или морфофизиоло-гический прогресс), или, напротив, стабилизация уровня сложности (идиоадаптация). И во всех этих случаях естественный отбор ответственен за эти частные формы эволюции. Таким образом, сам по себе естественный отбор, хотя и является важным (но не до конца ясным) фактором эволюции, однако не ответственен полностью за общее направления эволюции.
Третья модификация концепции Шредингера: дихотомия «система — среда» ускоряет рост энтропии. Дихотомия «система — среда» снимает все противоречия эволюции, в сторону усложнения, со вторым началом. К примеру, «если рассматривать Солнечную систему как изолированную, то энтропия ее непрерывно увеличивается за счет излучения Солнца. На фоне этого грандиозного процесса уменьшение энтропии во всех живых организмах ничтожно мало», — так утверждает известный российский биофизик М. Волькенштейн.
Подведем итог обсуждения концепции Шредингера. Эта концепция оказалась плодотворной, способствовала развитию синергетики. Но, ответ на главный вопрос — откуда берется порядок, который затем потребляется дисси-пативными структурами, — остается. Дихотомия «система — среда» не может быть единственным источником порядка.
Пятое направление: рост энтропии может сопровождаться ростом сложности даже в изолированных системах. Данное направление представляет собой модификацию первого направления, в котором эволюция понимается как развитие в сторону возрастания энтропии. Рост сложности вообще не противоречит росту энтропии. Объяснение этого утверждения основано на разных модификациях понятия энтропии.
Порядок из хаоса и хаос из порядка: две ветви на древе познания. В указанной проблеме можно выделить три положения, могущие представить интерес.
Положение первое: развитая структура имеет большую вероятность, чем хаос. Это утверждение опирается на традиционные космологические теории возникновения Солнца и звезд (более упорядоченные структуры) из рассеянных облаков газа и пыли (системы с большим беспорядком) под действием сил гравитации. Здесь реализуется идея, согласно которой порядок возникает из хаоса. В космологических масштабах эта идея не вызывала сомнения не только во времена Ньютона, но еще ранее в Древней Греции. Наряду с идеей «порядок из хаоса» существовало, в первую очередь, в физике, течение «хаос из порядка», которое обосновано в виде формулировки закона возрастания энтропии. Таким образом, в истории человеческой мысли изначально борются две линии, которые могут быть отождествлены с идеями «порядок из хаоса» и «хаос из порядка». Можно сделать вывод: более вероятная структура (имеющая большую энтропию) может быть как более развитой (сложной), так и менее развитой, в зависимости от конкретной ситуации. Эти две линии постепенно сливаются.
Положение второе: то, что развитая структура имеет большую вероятность, чем хаос, определяется действием взаимодействия.
Третье положение: распространенные представления о большей вероятности равномерного распределения («хаоса» ) связаны с не правомерным распространением гипотезы о равновероятности микросостояния за пределы модели идеального газа.
Подводя итог краткому обсуждению развития линии человеческой мысли «порядок из хаоса» и «хаос из порядка» приходим к выводу: с ростом энтропии может иметь место как образование структур, так и их разрушение. Но это может означать только одно: энтропия не является мерой беспорядка — сложности. (Некоторые дополнительные сведения о хаосе и самоорганизации в контексте постнеклассического естествознания будут рассмотрены в главе 12).
Резюме
БИОЛОГИЯ ЭТО совокупность наук о ЖИВОЙ природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Биология устанавливает закономерности, возникающие в живых системах во всех их проявлениях. К ним относятся: метаболизм (обмен веществ), наследственность, изменчивость, рост, раздражимость, подвижность, приспособляемость и др.
Общепринята следующая иерархия (структура) уровней организации живых систем, в которой отражены их сложность и закономерности функционирования:
1. Биосферный.
2. Уровень биогеоценозов (употребляется как синоним экосистем).
3. Популяционно-видовой уровень.
4. Организменный или органо-тканевый уровень.
5. Клеточный и субклеточный уровни.
6. Молекулярный уровень.
В проблеме происхождения жизни все существующие концепции разделились на две — голобиоз и генобиоз. Голобиоз основывается на первичности структур типа клеток, способных к элементарному обмену. Генобиоз, напротив, первичными признает системы со свойствами генетического кода. Проблема противостояния концепций должна принимать во внимание твердо установленные факты: диссимметрию, или хиральность нуклеиновых кислот ДНК и РНК, как фундаментальный признак живой материи, первичность молекулы РНК, наличия у нее автокаталитической способности, совмещения в ней черт фенотипа и генотипа.
Одна из последних, так называемых матричных, теорий происхождения жизни и возможности возникновения протоклеток и их структурных элементов, считает кристаллы апатита матрицей, на которой могли возникнуть молекулы ДНК, РНК, белки, нуклепротеиды, полисахариды. Данная гипотеза также учитывает тот фундаментальный факт, что все клеточные элементы и целые организмы являются жидкокристаллическими гомеостатическими структурами. Исходя из сказанного, можно вести речь о реальных механизмах возникновения жизни, основываясь на твердофазных эффектах в минеральных и жидких кристаллах. Участие минералов в процессе возникновения жизни делает его закономерным, а время процесса весьма кратким (за конечное число часов или суток, но никак не миллионы лет).
Вопросы для обсуждения
1. Модели и гипотезы происхождения жизни. Основываются, как правило, на особой роли минерала в истории Земли, среди которых не последняя роль отводится воде.
2. Иерархия уровней организации живой природы. Должна быть установлена область существования и функционирования ныне существующих на Земле организмов.
3. Главные характеристики любого живого организма.
4. Роль и функция высокомолекулярных органических соединений биологического происхождения, входящих в состав клеточного ядра и играющих важную роль в процессах жизнедеятельности всех организмов, в том числе в передаче наследственных признаков.
5. Систематика представителей животного и растительного мира.
6. Основные элементы, биотические связи, пищевые цепи в экосистемах.
7. Достижения и проблемы этологии.
10. Концепции и гипотезы естествознания о человеке
Человек — сложная целостная система, которая сама является компонентом более сложных систем — биологической и социальной. Одной стороной человек принадлежит живой и неживой природе, другой — социальному миру. А в целом он является предметом изучения различных наук, но в нашем случае речь пойдет о том аспекте, который связан с естественнонаучным познанием человека.
Вопрос, на который следует ответить, и в этом суть антропогенеза, заключается в том, как и почему биологический организм, принадлежащий к типу хордовых, подтипу позвоночных, семейству гоминид, превращается в человека — существо не только биологическое, но и социальное, в носителя культуры.
Антропогенез в нынешней научной картине мира предстает как процесс со многими неизвестными. Это объясняется тем, что, по словам блестящего французского философа, биолога, палеонтолога и антрополога П. Тейяра де Шардена (1881-1955 гг.), человек является «осью и вершиной эволюции» мира и «расшифровать человека значит, в сущности, попытаться узнать, как образовался мир и как он должен продолжать образовываться» (в связи с этим см. главу 11).
10.1. Теическая гипотеза происхождения человека (творение Бога)
До XX века в европейской мысли господствовала теическая антропологическая концепция, согласно которой мир появился в результате акта божественного творения по принципу: «И сказал Бог: да будет... и стало...». Это же относится и к акту творения человека. В Библии сказано: «И сказал Бог: сотворим человека по образу Нашему, по подобию Нашему... И сотворил Бог человека по образу Своему, по образу Божию сотворил его; мужчину и женщину сотворил» (Бытие I, 26, 27). Согласно данной концепции, мир не имеет развития в истории. Прошлое и будущее точно такое же, как настоящее. Это полностью относится и к человеку. Мир появился потому, что так повелел Бог. Вот единственная причина его сотворения. Таким образом, в приведенной концепции отсутствует то главное, что делает ее научной, — объяснение естественных причин и закономерностей появления и развития мира и человека. Кроме того, можно ведь задавать вопрос (нельзя исключить, что кощунственный) — а Кто сотворил Бога?, а кто сотворил Того, Кто сотворил Бога? и т. д. до бесконечности.
10.2. Эволюционные концепции происхождения человека
Интенсивное научное осмысление проблемы антропогенеза началось в XIX веке, и главное достижение в этой области связано с утверждением эволюционной теории. В 1871 г. в книге «Происхождение человека и половой отбор» Чарлз Дарвин высказал предположение о животной связи человека с высшими приматами. О прямой связи человека с обезьяноподобными предками несколько позже стал говорить и писать его преданный сторонник и пропагандист немецкий биолог Эрнст Геккель, автор, кстати, и знаменитой дарвинской наследственной эволюционной триады. Эволюция в органическом мире осуществляется в результате трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора, это и есть якобы дарвинская триада, но на самом деле геккелевская. Благодаря этому единому процессу организмы в результате эволюции накапливают все новые приспособительные признаки, что и ведет, в конечном счете, к образованию новых видов. Э. Геккель (1834-1919 гг.) выдвинул гипотезу о существовании в прошлом промежуточного между обезьяной и человеком вида, который он назвал питекантропом («обезьяночеловек»). Он же предположил, что не современные обезьяны были предками человека, а дриопитеки («древние обезьяны»), которые жили в середине третичного периода (70 млн лет назад). От них одна линия эволюции пошла к шимпанзе и гориллам, другая — к человеку. Двадцать миллионов лет назад, под влиянием похолодания, джунгли с северных территорий отступили на юг, и одной из ветвей дриопитеков пришлось спуститься с деревьев и перейти к прямохождению (так называемые «рамопитеки», останки которых найдены в Индии и названы в честь бога Рамы).
В 1960 г. английский археолог Л. Лики открыл в Восточной Африке «человека умелого», возраст которого 2 млн лет, а объем мозга 670 см3. В этих же слоях были обнаружены орудия труда из расколотой речной гальки. Позже, на озере Рудольф в Кении были найдены остатки существ того же типа возрастом 5,5 млн лет. После этого укрепилось мнение, что именно в Восточной Африке в четвертичном периоде кайнозойской эры произошло разделение человека и человекообразных обезьян, т. е. разошлись эволюционные линии человека и шимпанзе. Эти выводы подтверждены измерениями по так называемым «молекулярным часам». Скорость изменения генов за счет точечных мутаций устойчива на протяжении долгих периодов времени, и ее можно использовать для датировки ответвления данной эволюционной ветви от общего ствола.
Что было причиной появления человека именно в одном месте? В Восточной Африке имеют место открытые выходы урановых пород, т. е. на поверхность суши, и существует повышенная радиация. Таким образом, здесь эволюционные изменения могли протекать более быстрыми темпами. Возникший вид, физически более слабый, чем окружение, должен был, чтобы выжить, вести общественный образ жизни и развить разум как мощный инструмент слабого от природы существа, не обладающего достаточными естественными органами защиты.
«Человека умелого» относят к австралопитекам (переводится как «южная обезьяна»), останки которого впервые найдены в Африке в 1924 г. Объем мозга австралопитека не превышал объема мозга человекообразных обезьян, но он уже был способен к созданию орудий труда.
Гипотетически предположенным Э. Геккелем питекантропом были названы останки, обнаруженные в 1891 г. на острове Ява (Юго-Восточная Азия). Существа, жившие 500 тысяч лет назад, имели рост более 150 см, объем мозга примерно 900 см3, использовали ножи, сверла, скребки, ручные рубила. В 20-е годы XX века П. Тейяром де Шар-деном в Китае был найден синантроп («китайский человек») с близким к питекантропу объемом мозга. Он использовал огонь и сосуды, но еще не имел речи.
В 1856 г. в долине Неандерталь в Германии обнаружили останки существа, жившего 150—40 тыс. лет назад, названного неандертальцем. Он имел объем мозга, близкий к современному человеку, но покатый лоб, надбровные дуги, низкую черепную коробку; жил в пещерах, охотясь на мамонтов. У неандертальца впервые обнаружены захоронения трупов.
Наконец, в пещере Кро-Маньон во Франции в 1868 г. были найдены останки существа, близкого по облику и объему черепа к современному человеку, имевшему рост 180 см и жившему от 40 до 15 тыс. лет назад. Это и есть Homo sapiens, или «человек разумный». В эту же эпоху появились расовые различия людей.
У. Хавеллз утверждает, что человек современного типа возник 200 тыс. лет назад в Восточной Африке. Эта гипотеза получила название «Ноева ковчега», потому что, по Библии, все расы и народы произошли от трех сыновей Ноя — Сима, Хама и Иафета. В соответствии с этой версией питекантроп, синантроп и неандерталец — не предки современного человека, а различные группы гоминид, вытесненные «человеком прямоходящим» из Восточной Африки. В пользу данной гипотезы существуют генетические исследования, которые, однако, не всеми антропологами и палеонтологами признаются достаточно надежными.
Альтернативная точка зрения мультирегиональной эволюции человечества утверждает, что только архаичные люди возникли в Африке, а современные — там, где они живут сейчас. Человек покинул Африку не менее 1 млн лет назад. Эта гипотеза основывается на палеонтологическом сходстве между современными людьми и далекими предками, живущими в местах их обитания.
Какая из этих гипотез справедлива, сказать пока невозможно, так как палеонтологическая летопись неполна и промежуточные виды между человеком и обезьянами до сих пор в полном объеме неизвестны.
Вся цепочка предшественников современного человека, с точки зрения сегодняшнего естествознания, будет выглядеть так: самый древний известный науке предок человека и высших обезьян — рамопитек — жил на территории от Индии до Африки около 14 млн лет назад. Примерно 10 млн лет назад от него отделился предок орангутанга — сивапитек, который остался в Азии. Общий же предок гориллы, шимпанзе и человека, по-видимому, обосновался в Африке, поскольку именно там обнаружены древнейшие орудия труда (изготовленные 2,5 млн лет назад) и остатки жилья (возраст 1,75 млн лет). В Африке найдены останки «человека умелого» — зинджантропа, жившего 2 млн лет назад. Он обладал уже такими человеческими признаками, как прямохождение и заметная развитость кисти руки. При этом название «умелый» ему дано за умение изготовить и применить первобытные каменные орудия труда. От «человека умелого» прослеживается связь с древнейшим человекообразным существом -австралопитеком, жившем от 4 до 2 млн лет назад. Далее развитие современного человека прослеживается более определенно: питекантроп (1,9-0,65 млн лет назад); синантроп (400 тыс. лет назад), неандерталец, появившийся по разным данным от 200 до 150 тыс. лет назад, и, наконец, кроманьонец, наш непосредственный предок, возникший от 200 до 40 тысяч лет назад.
Необходимо отметить, что антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. Поэтому, очевидно, следует прислушаться к мнению отечественного ученого Р. Левонтина, концепция которого к тому же хорошо согласуется с теорией самоорганизации. «Все попытки доказать, — пишет он, — что тот или иной ископаемый является нашим прямым прародителем, отражают устаревшее представление об эволюции как о строго линейном процессе и о том, что все ископаемые формы должны составлять некую единую последовательность, соединяющую прошлое с настоящим». Говоря о нелинейности процесса антропогенеза, следует иметь в виду, что эволюция осуществляется в процессе постоянного возникновения новых ответвлений (бифуркаций), большая часть которых очень быстро исчезает. В каждый период времени существует множество параллельных эволюционных линий, происходящих от общего предка.
Высокую научную ценность получили обнаруженные в 1974 г. английским палеонтологом Л. Лики останки Australopithecus afarensis — «южной обезьяны с Афора». Останки женского пола, отчего они получили собственное имя «Люси». Она умерла около 3,7 млн лет назад и долго считалась антропологами самым древним нашим предком на древе эволюции. Два десятилетия спустя, летом 1995 г., на берегу озера Туркана, в той же Восточной Африке, был найден Australopithecus anamensis — «южная обезьяна с озера». Возраст останков — от 3,9 до 4,2 млн лет, т. е. старше, чем Люси. Это существо было прямоходящим и по своему строению находится на прямой линии общего развития гоминидов — далеких предков человека, но также и человекообразных обезьян.
В том же 1995 г. в результате раскопок французских исследователей в Чаде — примерно в 2500 км западнее мест, где были сделаны все предыдущие находки в Восточной Африке, был открыт новый вид австралопитеков, который получил имя Australopithecus bahrekgazali — «южная обезьяна с реки Газелей». Как из потомков Australopithecus anamensis и «Люси» позже развились другие формы предчеловека — вопрос, вызывающий большой спор. Уже теперь известно много линий, а палеонтологи находят все новые. Известный немецкий специалист в этой области Ф. Шрек проповедует такую мысль: существовавший от 2,5 до 1,9 млн лет назад Homo rudolfensis, нижнюю челюсть которого его группа нашла в 1991 г. около озера Малави, занимает центральное место в линии становления человека. Вместе с этим представителем рода «человек» его единоплеменники из Восточной Африки могут быть отнесены к первым в истории людям. Возможно, ближайшие потомки Homo dolfesis начали примерно 2 млн лет назад цепочку переселения из Африки. Возможно, и переселенцами на Яву могли быть потомки рода Homo rudolfesis, и тогда становится ясно, что это существо появилось в Азии около 1,8 млн лет назад.
В середине прошлого столетия выдвигалась гипотеза прихода готового Homo sapiens в Европу из Азии, однако она не нашла необходимой поддержки, так как опиралась на довольно скудный материал (черепа из Сванскомба и Фонтешевада). Российский археолог Юрий Мочанов в Центральной Якутии нашел 400 предметов, изготовленных, по-видимому, рукой человека. По предварительным данным, стоянка имеет возраст 2,5-1,8 млн лет. Позднее там был найден даже череп. Если принять за отправную точку существование древних людей 2,5-1,8 млн лет назад в Якутии, то следующим логическим шагом должно быть признание того, что возникновение рода человеческого произошло в западной части Северо-Восточной Азии, а не в Африке, как считается общепризнанным сейчас, или допустить возможность очень быстрой миграции ранних предков человека лз Африки на север Сибири. С этой новостью археологи не могут так легко и сразу примириться. В числе скептиков — видный антрополог Ричард Клейн из Стен-фордского университета, не допускающий возможности «переписать наново историю эволюции человека на основании данных, полученных всего в одном месте раскопок».
Так или иначе, перед учеными — новая загадка, которую им предстоит решить. Основная проблема в восстановлении эволюции человека состоит в том, что у нас нет близких родственников среди живущих ныне предков. Наше ближайшие, хотя и не очень близкие, в настоящее время живущие родственники — шимпанзе и горилла — были связаны с нами общим предком не менее 7 млн лет назад.
10.3. Мутационные гипотезы происхождения человека
В антропологии выдвинут ряд гипотез, которые пытаются разрешить эту Проблему, предполагая, что человек стал человеком благодаря: жизни в воде; мутации в клетках мозга гоминид, вызванной жесткими излучениями вспышки сверхновой звезды, либо инверсиями геомагнитного поля; мутант в сообществе гоминид появился в результате теплового стресса. Рассмотрим эти гипотезы в изложенном порядке.
Весьма оригинальной является гипотеза шведского исследователя Я. Линдблада. Согласно ей, южноамериканские индейцы, живущие в тропическом лесу, являются самыми древними людьми на Земле, причем предшественником человека была «безволосая обезьяна», или «икспитек», ведущая водный образ жизни. Именно редуцированная волосатость, прямохождение, длинные волосы на голове, присущие только человеку эмоциональность и сексуальность обусловлены особенностями образа жизни водяного гоминида (меньшую часть суток он проводил на берегу). «Как всегда, когда новый образ жизни повышает процент выживания, — пишет Я. Линдблад, — мутационные изменения наследственных структур влекут за собой приспособление к водной среде. Здесь это выражается в уменьшении волосатости тела и развитии слоя подкожного жира. Однако на голове волосы длинные — важный фактор для выживания детенышей. У детенышей первые годы жизни особенно мощный слой подкожного жира. Ноги икспитека длиннее рук, большие пальцы ног не противопоставляются и направлены вперед. Осанка при ходьбе более прямая — возможно, такая же, как у нас. Другими словами, у икспитека вполне человеческий вид, во всяком случае, на расстоянии». Дальнейшее развитие черепа и мозга привело к появлению человека современного типа. В рамках сформировавшегося в последнее время такого направления научных исследований, как «космический катастрофизм», выдвинута гипотеза о возникновении современного человека в связи со вспышкой близкой сверхновой звезды. Зафиксировано то весьма удивительное обстоятельство, что вспышка близкой сверхновой в нашей Галактике звезды по времени (происходящая один раз в 100 млн лет) приблизительно соответствует возрасту древнейших останков человека разумного (35-60 тыс. лет назад). К тому же некоторые из антропологов считают, что появление современного человека обусловлено мутацией. А импульсы гамма- и рентгеновского излучения от вспышки сверхновой звезды, как известно, сопровождаются кратковременным увеличением числа мутаций. В этом случае на поверхности Земли резко увеличивается интенсивность ультрафиолетового излучения, являющегося мутагенным агентом, который, в свою очередь, инициирует появление других мутагенов. В конечном счете, можно сказать, что жесткое излучение, порожденное взрывом сверхновой, могло вызвать необратимые изменения в клетках мозга, что привело к формированию разумных мутантов вида ?человека разумного». Во всяком случае, со вспышками сверхновых современная наука связывает: образование Солнечной системы, происхождение жизни и, возможно, происхождение современного типа человека с его цивилизацией.
Другая гипотеза исходит из того, что современный человек-мутант, возникший вследствие инверсии земного магнитного поля. Установлено, что земное магнитное поле, которое в основном задерживает космические излучения, по неизвестным до сих пор причинам иногда ослабевает; тогда и происходит перемена магнитных полюсов, т. е. геомагнитная инверсия. Во время таких инверсий степень космических излучений на нашей планете резко возрастет. Исследуя историю Земли, палеомагнетологи пришли к выводу, что в течение последних 3 млн лет магнитные полюса Земли четырежды менялись местами. Некоторые обнаруженные останки первобытных людей относятся к эпохе четвертой геомагнитной инверсии. Такое необычное стечение обстоятельств приводит к мысли о возможном влиянии космических излучений на появление человека. Эту гипотезу усиливает следующий факт: человек появился в то время и в тех местах, в которых сила радиоактивного излучения оказалось наиболее благоприятной для изменения человекообразных обезьян. Именно такие условия возникли около 3 млн лет назад в Южной и Восточной Африке — в период отделения человека от мира животных. По мнению геологов, в этом регионе в силу сильных землетрясений обнажились залежи радиоактивных руд. Это, в свою очередь, вызвало мутацию у какого-то вида обезьян, который был наиболее предрасположен к изменению генетических черт. Вполне возможно, что около 3 млн лет назад длительное воздействие радиоактивного излучения настолько глубоко изменило австралопитека, что он стал способен совершать действия, необходимые для его безопасности и обеспечения пищей. В соответствии с этой гипотезой питекантроп появился около 700 тыс. лет назад, когда же наступило второе изменение геомагнитных полюсов Земли (250 тыс. лет назад), появляется неандерталец, возникновение же современного человека приходится на четвертую геомагнитную инверсию. Такой подход вполне правомерен, ибо известна роль геомагнитного поля в жизнедеятельности организмов, в том числе и человека.
Следующая гипотеза сообщает, что все мы принадлежим к одному подвиду «человека разумного» и происходим от одной праматери и одного праотца, вполне конкретные мужчина и женщина (точнее, как теперь считается, группа из примерно 20 мужчин и 20 женщин), потомками которых являемся мы, ныне живущие люди. Более строго, как мы увидим, их следует называть генетическими Адамом и Евой. Их реальное существование признается научным большинством, но некоторые ученые в этом пока сомневаются. Адам и Ева жили приблизительно 150-200 тыс. лет назад в Африке, и их еще нельзя относить к человеку разумному, а скорее, к человеку прямоходящему. Они жили в разных местах и в разное время. Естественно, что они были не одни — вокруг них и одновременно с ними жили еще десятки тысяч других вполне таких же людей. Определенно некоторые из них также являются нашими предками. Разница в том, что эти другие были предками кого-то из нас, может, даже многих из нас, но, что принципиально, не всех. Понятие же о генетических Адаме и Еве предполагает, что эти два «человека» являются прямыми предками ВСЕХ людей, живущих сейчас на Земле.
Такова общая гипотетико-теоретическая ситуация разработки проблемы антропогенеза на сегодняшний день. Не все в ней до конца выяснено и объяснено, не во всем ученые согласны между собой. Но в этом нет ничего удивительного, ибо мы имеем дело с венцом творения природы — человеком. Важно подчеркнуть следующее: в науке можно считать доказанным тот факт, что человек — это продукт естественного развития природы. Своими корнями он уходит в биосферу Земли и является ее законнорожденным ребенком.
10.4. Концепции этнологии
Этнология — (от греческого ethnos — нация, народ, логия) народоведение, наука, изучающая бытовые и культурные особенности народов мира, проблемы происхождения (этногенез), расселения (этнография) и культурно-исторических взаимоотношений народов. Оформилась как наука в XIX веке с возникновением эволюционной школы, появлением исследований Л. Г. Моргана и книги Ф. Энгельса «Происхождение семьи, частной собственности и государства» (1884 г.), в которой сформулированы основы учения о первобытно-общинном строе. Большие заслуги в развитии этнологии в России принадлежат Н. Н. Миклухо-Маклаю, М. М. Ковалевскому, Д. Н. Ану-чину. Этнология — это рождающаяся наука. Потребность в ней возникла лишь во второй половине XX века, когда выяснилось, что простое накопление этнографических собраний и наблюдений грозит тем, что наука, не ставящая проблем, превратится в бессмысленное коллекционирование. И вот возникли на наших глазах обществоведение и этнология — две дисциплины, интересующиеся одним, на первый взгляд, предметом — человеком, но в совершенно разных аспектах. И это закономерно. Каждый человек одновременно член социума и член этноса, а это далеко не одно и то же.
Человечество, существующее на Земле совсем немного, каких-нибудь 30-50 тыс. лет, тем не менее, произвело на ее поверхности перевороты, которые В. И. Вернадский приравнивал к геологическим переворотам малого масштаба. Эта проблема актуальна для нашего поколения, а особенно актуальной станет она для наших потомков. Человек как существо биологическое относится к роду Homo. Для этого рода при его появлении на Земле было характерно довольно большое разнообразие видов. Это касается и тех видов Homo, которых мы, строго говоря, не вправе считать людьми, а именно: питекантропов и неандертальцев. Этнос у человека — это то же, что прайды у львов, стаи у волков, стада у копытных животных. Это форма существования вида Homo sapiens и его особей, которая отличается как от социальных образований, так и от чисто биологических характеристик, какими являются расы.
В количестве рас мнения ученых-антропологов расходятся — четыре или шесть. И по внешнему виду, и по психофизическим особенностям представители различных рас весьма отличаются друг от друга. Раса — относительно стабильная биологическая характеристика вида людей, но при этом никак не форма их общежития, способ их совместной жизни. Расы различаются по чисто внешним признакам, которые можно определить анатомически. Так же как не совпадает этнос с расой, не совпадает он и с другой биологической группировкой особей — популяцией. Популяция — сумма особей, живущих в одном ареале и беспорядочно между собою скрещивающихся. В этносе всегда есть брачные ограничения. Два этноса могут сосуществовать на одной территории веками и тысячелетиями. Могут взаимно друг друга уничтожать или один уничтожит другой. Значит, этнос не биологическое явление, так же как и не социальное. «Вот почему предлагаю этнос считать явлением географическим, — писал отечественный этнолог С. Лурье, — всегда связанным с вмещающим ландшафтом, который кормит адаптированный этнос». А поскольку ландшафты Земли разнообразны, разнообразны и этносы.
Зависимость человека от окружающей его природы, точнее, от географической среды, не оспаривалось никогда, хотя степень этой зависимости расценивалась разными учеными различно. Но, в любом случае, хозяйственная жизнь народов, населяющих и населявших Землю, тесно связана с ландшафтами и климатом населенных территорий. Подъем и упадок экономики древних эпох проследить довольно трудно из-за неполноценности информации, получаемой из первоисточников. Но есть индикатор — военная мощь.
О значении географических условий, например, рельефа для военной истории, говорилось давно, можно сказать, всегда. Однако останавливаться на такой ясной проблеме в XX веке нецелесообразно, потому что и история ныне ставит куда более глубокие задачи, чем раньше, и география отошла от простого описания диковинок нашей планеты и обрела возможности, которые нашим предкам были недоступны.
Поэтому вопрос стоит иначе. Не только как влияет географическая среда на людей, но и в какой степени сами люди являются составной частью той оболочки Земли, которая сейчас именуется биосферой. На какие именно закономерности жизни человечества влияет географическая среда и на какие не влияет? Эта постановка вопроса требует анализа. Говоря об истории человечества, обычно имеют в виду общественную форму движения истории, т. е. прогрессивное развитие человечества как целого по спирали. Это движение спонтанное и уже из-за одного этого этому не может быть функцией каких бы то ни было внешних причин. На эту сторону истории ни географические, ни биологические воздействия влиять не могут. Так на что же они влияют? На организмы, в том числе и людские. Этот вывод сделан уже в 1922 г. выдающимся русским физиогеографом Львом Бергом для всех организмов, в том числе и для людей: «Географический ландшафт воздействует на организмы, принудительно заставляя все особи варьировать в определенном направлении, насколько это допускает организация вида. Тундра, лес, степь, пустыня, горы, водная среда, жизнь на островах и т. д. — все это накладывает особый отпечаток на организмы. Те виды, которые не в состоянии приспособиться, должны переместиться в другой географический ландшафт или вымереть». А под «ландшафтом» понимается «участок земной поверхности, качественно отличный от других участков, окаймленный естественными границами и представляющий собой целостную и взаимно обусловленную закономерную совокупность предметов и явлений, которая типически выражена на значительном пространстве и неразрывно связана во всех отношениях с ландшафтной оболочкой». Берг в своих трудах сформулировал эволюционную концепцию номогенеза как процесса, протекающего по определенным внутренним закономерностям, не сводимым к воздействиям внешней среды. В отличие от Дарвина, Берг полагал, что наследственная изменчивость закономерна и упорядочена (например, гомологическими рядами), а естественный отбор не движет эволюцию, но лишь «охраняет норму». Он полагал также, что всему живому присуща изначальная целесообразность (так думал и Аристотель, строя свою лестницу существ) реакций на воздействие внешней среды, развитие же совершается за счет некой независимой от среды силы, направленной в сторону усложнения биологической организации. В наше время идеи номогенеза развивали выдающиеся русские ученые биологи А. А. Любищев и С. В. Мейен.
10.5. Теория пассионарности Л. Н. ГумилеваВыдающимся русским историком Львом Гумилевым (сыном великих русских поэтов Николая Гумилева и Анны Ахматовой) представлена исключительно биологизаторс-кая концепция этноса (нации). Он рассматривает этносы как часть биосферы Земли, подверженной влиянию взаимодействующих космических и земных электромагнитных полей и излучений, но он вместе с тем подчеркивает, что этнос не может считаться только биологическим, равно как и только социальным явлением. Гумилев соединил, как он сам об этом неоднократно говорил, служение Прекрасной Даме Истории с признанием несомненных достоинств ее Мудрой Сестры Географии, которая роднит людей с их праматерью — биосферой планеты Земля. В этой связи он предлагает считать этнос явлением географическим, всегда связанным с вмещающим ландшафтом, который питает адаптированный этнос. По мнению Гумилева, этнос является системной целостностью и возникает в определенное историческое время. Этнос — система закрытая, т. е. замкнутая, поскольку нет жесткой связи частей, но эти части нуждаются друг в друге. Этнос в какую-то историческую эпоху получает свою энергию, с помощью которой начинает существовать, живет примерно 1200-1500 лет, и, растратив ее путем рассеивания (диссипации, как и природные системы, которые мы исследовали в предыдущих главах книги), этнос распадается или образует гомеостаз. Этапы указанного этногенеза таковы:
1) подъем, или динамическая (завоевательная) фаза;
2) «перегрев», надлом, акматическая (от французского «акмэ» — «вершина») фаза;
3) переход в нормальное состояние, или инерционная фаза;
4) обскурация (от латинского obscurans — затемняющий, враждебный), или фаза затухающих колебаний.
На фазе подъема «интересы этноса выше всего»; ведутся войны; интересы индивида подчинены обществу; ведется интенсивное преобразование природы. В акмати-ческой фазе этнос достигает своей вершины, после которой неизбежен спад вниз. В инерционной фазе основной лозунг индивида «будь самим собой», т. е. процветает индивидуализм; льется кровь, но культура развивается, растранжириваются богатства и слава, накопленные предками. В фазе обскурации, враждебности основные лозунги «будь как все», «мы устали от великих»; каждый думает только о себе; продолжается рост культуры. Этнос достигает гомеостаза. В конце развития этноса — футуристическое восприятие времени, забвение прошлого и настоящего ради будущего, приводящее к губительным восстаниям и крушению. Гибель через 1200-1500 лет настигает этнос под влиянием собственного разложения или нашествия других более молодых этносов. Последние стадии — мемориальная (остается только память как совокупность того, что было познано) и реликтовая (память исчезает).
Начало же всему этногенезу дает некий пассионарный толчок, приводящий к появлению некоторого числа энергичных (пассионарных) личностей, которые ведут людей за собой. Пассионарностъ — это характерологическая доминанта, необоримое внутреннее стремление (осознанное или, чаще, неосознанное) к деятельности, направленной на осуществление какой-либо цели (часто иллюзорной). Заметим, что цель эта представляется пассионарной особи иногда ценнее даже собственной жизни, а тем более жизни и счастья современников и соплеменников. Пассионарностъ происходит от латинского слова passio — страсть.
Пассионарность отдельного человека может сопрягаться с любыми способностями: высокими, средними, малыми; она не зависит от внешних воздействий, являясь чертой психической конституции данного человека; она не имеет отношения к этике, одинаково легко порождая подвиги и преступления, благо и зло, творчество и разрушения, исключая только равнодушие; она не делает человека «героем», ведущим «толпу», ибо большинство пассионариев находятся в составе «толпы», определяя ее потентность в ту или иную эпоху развития этноса.
Модусы (вид, проявление, разновидность) пассионар-ности разнообразны: тут и гордость, стимулирующая жажду власти и славы в веках; тщеславие, толкающее на демагогию и творчество; алчность, порождающая скупцов, стяжателей и ученых, копящих знания вместо денег; ревность, влекущая за собой жесткость и охрану.
Большая система может быть создана и существовать только за счет энергетического импульса, производящего работу (в физическом смысле), благодаря которой система имеет внутренние развитие и способность сопротивляться окружению. Л. Гумилев этот эффект энергии в этносе называл пассионарным толчком и проанализировал историко-географические условия, облегчающие его активизацию. Он писал, что, согласно наблюдениям, новые этносы возникают не в монотонных ландшафтах, а на границах ландшафтных регионов и в зонах этнических контактов, где неизбежна интенсивная метисация. Есть еще и субпассионарии, у которых пассионарность меньше, чем импульс инстинкта. Наличие субпассионариев для этноса также важно, как и наличие пассионариев, потому что они составляют известную часть этнической системы. Субпассионарии разные. Доза пассио-нарности может быть столь мала, что не погашает даже самых простых инстинктов и рефлексов. Носитель такой пассионарности готов пропить последний рубль, ибо его тянет к алкоголю, и он забывает обо всем.
Пассионарность имеет еще одно качество, которое чрезвычайно важно: она ЗАРАЗИТЕЛЬНА! Пассионарность ведет себя, как электричество при индуцировании соседнего тела: «Это еще Толстой отметил в «Войне и мире», что когда в цепи солдат кто-то крикнет: «Ура!», то цепь бросается вперед, а когда крикнут: «Отрезаны!», то все бегут назад» — писал Гумилев.
Несомненно, что подавляющее число поступков, совершаемых людьми, диктуется инстинктом самосохранения, либо личного, либо видового. Последнее проявляется в стремлении к размножению и воспитанию потомства. Однако пассионарность имеет обратный вектор, ибо заставляет людей жертвовать собой и своим потомством, которое либо не рождается, либо находится в полном пренебрежении ради иллюзорных вожделений: честолюбия, тщеславия, гордости, алчности, ревности и прочих страстей. Следовательно, можно рассматривать пассионарность как антиинстинкт, или инстинкт с обратным знаком.
Как инстинктивные, так и пассионарные импульсы регулируются в эмоциональной сфере. Но ведь психическая деятельность охватывает и сознание. Значит, следует отыскать в области сознания такое деление импульсов, которое можно было бы сопоставить с описанным выше. Иными словами, все импульсы должны быть разделены на два разряда: 1) импульсы, направленные к сохранению жизни, 2) импульсы, направленные к принесению жизни в жертву идеалу — далекому прогнозу, часто иллюзорному. Для удобства отсчета обозначают импульсы «жизнеутверждающие» знаком плюс, а импульсы «жертвенные» — знаком минус. Тогда эти параметры можно развернуть в плоскостную проекцию, похожую на систему декартовых координат. Положительным импульсом сознания будет только безудержный эгоизм, требующий для осуществления себя как цели наличие рассудка и воли. Под рассудком понимают способность выбора реакции при условиях, допускающих это, а под волей — способность производить поступки согласно сделанному выбору. «Разумному эгоизму» противостоит группа импульсов с обратным вектором. «Она всем хорошо известна, как, впрочем, и пассионарность, но также никогда не выделялась в единый разряд», — отмечал Л. Гумилев. У всех людей имеется искреннее влечение к истине, к красоте и справедливости. Это влечение существенно варьируется в силе импульса и всегда ограничивается постоянно действующим «разумным эгоизмом», но в ряде случаев оказывается более мощным и приводит к гибели не менее неуклонно, чем пассионарность.
Из сказанного, конечно, не следует, что все положения теории Л. Н. Гумилева будут приняты научной общественностью. Остаются спорными вопросы происхождения пассионарности и понятий «пассионарный перегрев», «пассионарный генофонд» и некоторые другие.
Стоит отметить, что, обсуждая все это, Гумилев выступает как ученый с оригинальными, напрочь лишенными стереотипности и казенщины идеями. И это именно сейчас, когда этнография и история нуждаются в таком подходе. Не слепое ли следование канонам привело к тому, что отдельные положения исторической науки нуждаются в пересмотре? Книги Гумилева актуальны на сегодняшний день потому, что, вскрывая генетические корни этногенеза, автор рассматривает этнос как природное явление, анализирует нравственные болезни этносов, возникшие на почве социальных явлений, показывает губительные последствия борьбы человека с ландшафтами, аналогичные по своим масштабам современным. И этого не следует забывать, оценивая современное состояний окружающей среды и биосферы.
10.6. Совместная эволюция человека и биосферы
Еще раз зададимся вопросом: так что же такое человек? Поисками предков современного человека, поисками разных «недостающих звеньев» в цепочке от обезьяны к человеку ученые занимаются давно. Мы знаем питекантропов, синантропов, австралопитеков, зинджантропов, неандертальцев. Возраст «первочеловека» отодвигался чуть ли не до 3 миллионов лет, а ответвление наших предков от предков современных обезьян — до 15 миллионов лет.
Однако последние исследования (с 1987 г. и позднее), основанные на изучении генетического материала (ДНК митохондрий клетки), показали, что род человеческий, по-видимому, начался всего лишь примерно 200 тысяч лет назад от общей праматери. Все люди генетически практически тождественны, а такие «предки», как неандерталец и синантроп, оказались тупиковой ветвью генеалогического древа, не приведшей к человеку разумному. Все указывает, что человека породила некая единственная эпохальная мутация, запустившая механизм нового мышления, которая произошла не очень давно.
Мышление выделило человека из остальной живой природы. Человек — это живой организм, впервые осознавший сам себя, свою самоидентичность и отличие от всего остального мира. Животное находится в гармонии с окружающим миром, и эта гармония устанавливается на инстинктивном уровне, животное автоматически встраивается в естественную сбалансированную систему. Человек же, осознав самого себя, оказался в изоляции, и ему пришлось заново, сознательно, «строить мир», чтобы найти свое место в нем и снова соединиться с ним. В результате человек создал новый уровень организации, называемый человеческим обществом, занялся познанием мира и самопознанием и начал покорять и переделывать природу, создавать техносферу.
Что ждет человека дальше? Ответ затрагивает два аспекта: что ждет человека как отдельный уникальный биологический вид и что ждет человека как компонент биосферы? Или, если переиначить — что ждет биосферу после того, как главным ее компонентом стал человек?
Как считают некоторые биологи и антропологи, биологическая эволюция человека прекратилась, так как, создав себе искусственно стабилизированную среду, человек исключил фактор естественного отбора, что мы уже упоминали несколько выше. Но так считают не все. Многие полагают, что нет достаточных оснований для такого вывода, а для экспериментальной проверки срок пока слишком мал. Имеют основания и пессимистические прогнозы физического вырождения человечества, так как успехи медицины сейчас позволяют выживать слишком многим дефектным особям, которые нормально должны были погибнуть, не дав потомства.
Есть и оптимистические прогнозы. Да, человек выделился из природы, нарушил естественные механизмы регуляции здоровья и процветания вида, но он если еще не научился, то научится компенсировать эти потери и достигнет лучших результатов, чем неразумная природа. Здоровью человека больше всего вредят чрезмерные стрессы, связанные с ускоренным ритмом жизни и скученностью, и гиподинамия. Отсутствие физических нагрузок приводит к очень большому разбалансу в функционировании организма. Инфаркты и инсульты как результат детрени-рованности и переедания. Авитаминозы, так как потребность в еде уменьшается и человек вынужденно недобирает витамины: либо он должен сильно переедать и жиреть, либо жить с авитаминозом, так как концентрация витаминов в продуктах питания невелика. Например, суточная доза витамина В1 содержится в 900 граммах ржаного хлеба (одного из самых богатых этим витамином продукта), а сейчас человек съедает в день едвали одну десятую этого количества.
Человек борется со всеми этими витаминными таблетками и физкультурой, но эффект невелик. Психология человека весьма стабильна и плохо перестраивается. Однако, несмотря на все это, сам человек может и не дожить до момента своей полной физической деградации, так как гораздо быстрее деградирует среда его обитания и это может оказаться фатальным. К счастью, человечество начинает проникаться сознанием возможности и даже близости крупнейшей, глобальной, т. е. всемирной экологической катастрофы (что-то сродни библейскому потопу), вызванной его собственной деятельностью, и это вселяет надежду, что ее удастся избежать. В чем же суть надвигающейся и возможно неминуемой катастрофы?
Выделившись из остальной природы, благодаря своему разуму, человек стал переделывать окружающую среду, приспосабливая ее к своим нуждам. В результате численность человечества перестала регулироваться естественными процессами и начала неудержимо расти. Одновременно росла и интенсивность воздействия на природу каждого индивидуума. Животное извлекало из окружающей среды пищу и очень быстро возвращало все взятое, причем там же, где оно было взято, поддерживая баланс вещества. Человек извлекал гораздо больше, чем необходимо для пропитания, и возвращал изъятое в радикально преобразованном виде и обычно не там, где брал.
Чтобы прокормиться, человеку пришлось вывести особые высокопроизводительные сорта растений и породы животных, создать отличные от естественных так называемые культурные ландшафты и сообщества живых существ. Продукция этих сообществ изымалась безвозвратно, а обеднение среды полезными компонентами компенсировалось искусственно и неполноценно. В результате уже с древних времен стали возникать локальные кризисы производства продуктов питания, такие как гибель древней цивилизации Двуречья в результате снижения плодородия орошаемых земель. В начале XIX века английский ученый Томас Мальтус пришел к выводу, что вообще возможности Земли ограничены, и рост производства продуктов питания должен отставать от роста населения, если последний не ограничивается войнами и эпидемиями.
Потребность в продовольствии заставляла человека осваивать все новые и новые территории, преобразуя природу, но все яснее становилось, что неограниченный рост населения Земли неминуемо должен привести к кризису связанному с массовым голодом. А еще позже, во второй половине XX века стало ясно, что при современном способе существования человечества наибольшую опасность представляет собой не угроза голода, а угроза отравления всего живого продуктами человеческой деятельности.
Прежде всего человек обратил внимание на явные случаи губительного воздействия промышленности на его жизнь и природу. Загрязнение атмосферы дымом, оксидами серы, азота, ядовитыми органическими молекулами при сжигании топлива. Загрязнение водоемов жидкими отходами производства, делающими воду непригодной для питья и губительной для большинства живых организмов. Загрязнение воды и воздуха радиоактивными отходами. Оксиды серы и азота в угольном и мазутном дыме, расворяясь в атмосферной влаге породили кислотные дожди, угнетающие и губящие растительность на огромных территориях. Катастрофически разрастающиеся свалки бытовых отходов, которые при возгорании выделяют огромное количество самых разнообразных ядов и, прежде всего, чрезвычайно ядовитые и очень стойкие диоксины. Нефть, вытекающая при авариях танкеров, покрывает губительной пленкой огромные площади океанов.
Все эти загрязнения либо вообще отсутствовали в «доиндустриальной» природе либо образовывались в количествах на много порядков меньших, чем сейчас. Человек может «задохнуться в собственных отбросах». Однако отбросы, химические и радиоактивные загрязнения не являются столь страшными сами по себе, они не являются непреодолимым злом. Дело в том, что от любого загрязнителя можно избавиться и проблема это чисто экономическая. Например, вредоноснейшие оксиды серы и азота могут быть полностью извлечены из дыма и использованы для получения различных полезных продуктов, при этом станут не нужны многие предприятия по переработке серных руд и по связыванию азота из воздуха. Просто это пока слишком дорого, и соответствующая необходимость еще недостаточно осознана обществом. То же можно сказать и обо всех других отходах. Автомобили можно перевести на электричество или на водородное топливо, дающее на выхлопе чистую воду, и т. д. Все это в принципе доступно уже сейчас, но требует очень больших затрат.
Возникает впечатление, что по мере роста общественного сознания и общественного богатства можно будет все технологии сделать «чистыми» и спасти окружающую среду. Однако это не так. Чистые технологии требуют не только больше денег, они требуют также больше энергии. Потребность в энергии не зависит от воли человека и уровня организации производства — она определяется законами природы. Повышение экологической чистоты производства энергии требует дополнительного ее расхода «на собственные нужды», понижает эффективный КПД энергетического предприятия и, таким образом, неминуемо увеличивает то загрязнение, от которого невозможно избавиться — тепловое. За совершенство структуры надо платить ростом диссипации, снижением качества энергии, ростом количества рассеянного тепла, которое может привести к перегреву окружающей среды. Законы термодинамики неумолимы.
Часто видят выход в использовании так называемых альтернативных источников энергии. К ним относят энергию ветра, волн, приливов, тепловую энергию океанической воды и земных недр (геотермальную), солнечное излучение. Иногда и ядерную энергию, но ее уже чаще считают одним из традиционных источников. Из перечисленных видов энергии геотермальная черпается из запасов тепла в недрах Земли, энергия приливов — из кинетической энергии вращения Земли, в обоих случаях тепло добавляется в географическую оболочку так же, как и при сжигании ископаемого химического или ядерного топлива. Преимущество лишь в отсутствии химических и радиоактивных отходов (хотя в геотермальной энергетике на поверхность выводятся высокоминерализованные термальные воды, основательно загрязняющие окружающую среду если не принимать специальных мер). Остальные виды энергии имеют источником солнечное излучение, приходящее на Землю, и дополнительного тепла в географическую оболочку не вносят.
Все эти источники используются уже сейчас, но только в опытном порядке и в так называемой малой энергетике, то есть как автономные источники энергии малой мощности, работающие в особых условиях (на таежной метеостанции, космическом корабле и т. д.). Заменить традиционные источники в большой энергетике они пока не могут и, по-видимому, не смогут никогда. Их главные недостатки — неравомерность поступления и очень низкая плотность потока энергии при низком ее качестве. Неравномерность поступления требует использования аккумулирующих систем огромной емкости. Низкая плотность потока и низкое качество энергии приводит к очень большим размерам и материалоемкости энергетических станций и низкому КПД. Такие станции занимают большие площади, а их строительство требует создание целой индустрии, которая также наносит вред природе.
Хороший пример производства «чистой» и «даровой» энергии (так считалось, когда они строились) — это наши гидростанции на Волге. Никаких вредных выбросов, вечный, даровой, возобновляемый источник энергии вложил деньги (хотя и большие), построил, а потом стриги, в этом убеждали себя и народ строители. Теперь ясно, что затопление и подтопление сельскохозяйственных землель, уменьшение во много раз стада осетровых рыб и ряд других негативных последствий принесли убытки, во много раз превосходящие стоимость всей электроэнергии. Потеря высокопродуктивных пойменных земель потребовала освоения под сельское хозяйство новых территорий и, соответственно, дальнейшего сокращения сбалансированных биоценозов. Цепочку неблагоприятных следствий можно тянуть очень далеко.
Но воздействие человека на биосферу не ограничивается прямыми загрязнениями, оно гораздо сложнее.
Мы говорили, что биосфера представляет собой целостную сбалансированную саморегулирующуюся систему. Эта система поддерживает стабильные условия своего существования, сглаживая, демпфируя все неблагоприятные внешние воздействия, нарушающие стабильность. Для этого необходимо, чтобы способность биосферы к компенсации неблагоприятных воздействий превосходила максимально возможную их интенсивность. Что для этого нужно?
Биосфера потребляет разнообразные химические вещества на строительство своих организмов и возвращает их обратно при разложении этих организмов. Этот круговорот лучше всего проиллюстрировать на примере основного элемента жизни — углерода. Баланс его может быть подсчитан. Ежегодно поступает в биосферу и изымается из нее 1011 тонн. Баланс сходится с точностью 10-4. Кроме того, в результате геологических процессов в биосферу поступает ежегодно дополнительно 107 тонн неорганического углерода. Как показывает изучение состава пузырьков воздуха, захороненных в кернах полярных ледников, содержание СО2 в атмосфере было неизменным последние 10 тысяч лет, а запас органического углерода, накопленный в захороненном виде в биосфере, соответствует его дополнительному притоку из глубин Земли за 100 тысяч лет. То есть биосфера (точнее, биота — сбалансированная совокупность организмов, способная компенсировать нарушения баланса в биосфере — домашние животные и культурные растения не отвечают этому условию) с высокой точностью и надежностью компенсировала этот поток и его случайные флуктуации, поддерживая состав атмосферы. (Кстати, поддерживается и содержание кислорода, который изымается геохимическими процессами).
Эта компенсация осуществляется за счет отрицательных обратных связей в соответствии с принципом ЛеШателье, а надежность обеспечивается большой избыточностью: поток вещества, участвующий в круговороте, в 10000 раз превышает средний поток углерода, поступающий за счет геологических процессов. Также избыточен и круговорот кислорода и других химических веществ. Мы уже говорили, что такая большая избыточность нужна для быстрой компенсации ударных разрушительных воздействий на биосферу, прежде чем они смогут привести к вымиранию слишком многих видов и нарушению сбалансированности биоты.
Нормально функционирующая биота должна увеличивать потребление и перевод в неактивную форму СО2 при увеличении его концентрации в атмосфере за счет любых процессов, в частности и за счет сжигания человеком горючих ископаемых. Так и было до начала нашего века, когда человек использовал менее одного процента биологической продукции суши. Сейчас, когда это использование достигло 10%, суша перестала работать компенсатором в соответствии с принципом Ле Шателье. Сейчас биота суши уже не только не компенсирует индустриальное поступление СО2, но вносит свой отрицательный вклад, сопоставимый с индустриальным.
Это результат ее разрушения человеком. Все искусственные, культурные системы — сельскохозяйственные угодья, сады и парки и т. д. — имеют разомкнутый оборот: они поддерживаются в сбалансированном состоянии благодаря искусственному внесению потребляемых веществ и удалению продуктов и отходов. Так поддерживается в стационарном благополучном состоянии данная система, но состояние биосферы в целом при этом ухудшается. В частности, все культурные сельскохозяйственные земли добавляют в атмосферу парниковых газов столько же, сколько и заводы, фабрики и электростанции. Вырубка лесов, осушение болот, распашка целины высвобождают огромное количество запасенного в земле органического углерода.
Но дело не только в малой эффективности культурных садов и полей для поддержания сбалансированности природной среды. Уничтожая естественные сообщества организмов, человек обедняет видовой состав биоты, причем не только на данном участке земной поверхности, но и на Земле в целом — в мире ежегодно исчезают благодаря человеку тысячи видов. А обеднение видового состава резко ослабляет способность биоты компенсировать случайные резкие нарушения баланса. Любая естественная природная катастрофа с каждым годом становится все опаснее для биосферы.
Полученные к настоящему времени результаты говорят, что биосфера способна работать в соответствии с принципом Ле Шателье в компенсаторном режиме, только если изъятие человеком ее продуктов не превышает 1%. Эти условия пока еще существуют только в океане. Океан еще нормально реагирует на нарушение состава атмосферы, но и он уже «на грани». На суше еще остались сбалансированные биоценозы, которые работают в нужном направлении. Но таких сбалансированных систем осталось мало, и площадь их катастрофически сокращается.
Устойчивость биосферы поддерживается очень точной сбалансированностью процессов продукции и деструкции и огромной мощностью этих процессов, превосходящих в 10000 раз среднюю мощность естественных процессов, нарушающих баланс. Сбалансированность процессов обеспечивается огромным видовым разнообразием как продуцентов так и деструкторов. Разнообразие и конкурентность обеспечивают быструю и адекватную реакцию системы на внешние флуктуации и относительную малость внутренних случайных флуктуаций — замкнутый круговорот веществ быстро восстанавливается.
Человек уничтожает естественные замкнутые, богатые и сбалансированные природные сообщества и заменяет их разомкнутыми, несбалансированными, не способными гасить внешние флуктуации. Эти искусственные сообщества не обладают внутренней устойчивостью и способны сами быть источником огромных флуктуаций. Именно эта неустойчивость искусственных сообществ, создаваемых человеком, и есть неминуемый источник катастрофы, если замена ими естественных зайдет слишком далеко.
Наиболее продуктивные сообщества биосферы — это леса и болота. И стабилизаторами естественной среды они могут быть только в естественном состоянии. Если лес уничтожить на какой-то площади, круговорот вещества на ней разомкнётся. Природа восстанавливает его следующим образом: сначала поврежденный участок зарастает быстрорастущими породами, которые образуют временное сообщество, которое уже через 10 лет уменьшает разомк-нутость кругооборота со 100% до 10%, затем сообщества последовательно сменяют друг друга и примерно через 300 лет восстанавливается первоначальный девственный лес, сбалансированный до 99,99%. Человек, занимаясь культурным лесопользованием, обрывает этот процесс, производя рубки каждые 50 лет, когда подрастают искусственно посаженные ценные породы деревьев. При этом разом-кнутость круговорота остается и такой лес не может выполнять свою стабилизирующую функцию. Необходимо рубить не чаще, чем раз в 300 лет.
Совсем недавно, когда начали бить в набат по поводу уничтожения тропических лесов, их называли «легкими планеты», так как они дают наибольшую продукцию кислорода. Но вскоре стало ясно, что другим регионам планеты они в этом смысле ничего не дают, ибо весь произведенный кислород они сами же и потребляют на разложение растительных остатков. Тропический дождевой лес — замкнутая экосистема. Однако именно поэтому роль его в жизни биосферы огромна — он является стабилизатором состава атмосферы, реагируя должным образом на вызванные разными факторами отклонения. Недавно было подтверждено точными измерениями, что дождевой тропический лес в бассейне Амазонки отреагировал на повышение концентрации СО2 в атмосфере сдвигом баланса в пользу преимущественного поглощения этого газа. Но в масштабах планеты вклад оставшихся к настоящему времени как тропических, так и северных лесов совершенно недостаточен.
Вообще стабильность биосферы возможна лишь если человеком используется не более 1% продукции биосферы. Остальные 99% должны работать на стабилизацию природной среды в замкнутых, не дающих ничего «на рынок» циклах. Это необходимая плата, своеобразный природный налог ради стабильности.
Что же делать человечеству? Если оставить 99% биосферы в естественном состоянии, нынешнее население Земли не прокормить. Выход можно искать в двух направлениях, причем гарантированный результат, по-видимому, может дать все-таки только одно.
Первое направление: направить максимум средств и усилий на создание искусственной среды обитания, оставив лишь цепь заповедников для сохранения (на сколько это будет возможно) генофонда — не для стабилизации среды. Это, по существу, продолжение нынешней стратегии развития, только с огромным увеличением усилий, направленных на искусственную стабилизацию окружающей среды. Если объединить усилия всех стран и при этом ликвидировать всю военную промышленность, а высвободившиеся средства направить полностью на программу стабилизации, то не исключено, что можно будет достичь успеха. Однако все равно, даже если ее удастся осуществить (что не гарантировано), по эффективности и надежности такая искусственная система будет значительно уступать естественной и все равно потребует стабилизации численности населения.
Второе направление: перевести 99% биосферы в естественное состояние. Этот путь гарантирует максимум надежности, но потребует сокращения населения примерно в 10 раз и почти полного отказа от использования невозобновимых органических энергоресурсов.
В любом случае требуются фундаментальная смена самого принципа развития цивилизации — замена экстенсивного пути интенсивным. В каждом биологическом виде заложена тенденция неограниченного экстенсивного развития. В дочеловеческой биосфере взаимодействие различных видов при огромном их разнообразии ограничивало возможности каждого и стабилизировало систему в целом. Отдельные флуктуации, вроде безудержного размножения саранчи, быстро гасились — размножившаяся популяция уничтожала все вокруг себя и погибала сама. Опустошенная территория восстанавливалась, так как вокруг было достаточно территорий нетронутых. Человек как биологический вид сохранил исходную тенденцию к экстенсивному развитию и в то же время выделился из природы и приобрел небывалое могущество благодаря разуму. Это дало ему способность в отличие от саранчи опустошить не ограниченную территорию, а всю планету, причем опустошить необратимо. Погубив себя, человек способен утащить с собой в могилу и всю высокоорганизованную жизнь. Спасти его может только тот же разум, который дал ему силу все погубить. Однако думать надо очень быстро.
Как же обстоит дело в мире? Сейчас осознание ограниченности ресурсов Земли и близости экологической катастрофы происходит уже во всем мире, но делается для ее предотвращения крайне мало. Тем не менее положительные тенденции есть. Темпы роста народонаселения сокращаются быстрее, чем предполагали эксперты еще совсем недавно, причем они сокращаются не только в развитых странах, где это началось уже давно, но и в развивающихся. Это связано, прежде всего, с урбанизацией и изменением образа жизни и, отчасти, с пропагандой и административными мерами (например, как это делает Китай). С середины 90-х годов начали уменьшаться не только темпы, но и величина абсолютного прироста.
Задача перехода к «устойчивому», то есть не экстенсивному, не количественному, а качественному развитию, весьма трудна. И главное в том, что у человечества осталось слишком мало времени и возможностей для маневра. Для реального объединения усилий всего населения Земли необходимо выровнять образовательный и жизненный уровень всех стран. Это потребует огромных затрат от богатых стран и, соответственно, напряжения их хозяйственного механизма. В то же время уже сейчас необходимо ограничивать потребление энергии, уменьшать вредные помышленные выбросы, переходить к более экономным и, естественно, более дорогим технологиям. Необходимо сбалансировать эти противоречивые требования.
Резюме
1. Человек — сложная целостная система, которая сама является компонентом более сложных систем — биологической и социальной. Одной стороной человек принадлежит живой и неживой природе, другой — социальному миру. А в целом, он является предметом изучения различных наук, но в нашем случае речь пойдет о том аспекте, который связан с естественнонаучным познанием человека
Антропогенез в нынешней научной картине мира предстает как процесс со многими неизвестными. Это объясняется тем, что, по словам блестящего французского философа, биолога, палеонтолога и антрополога П. Тейяра де Шардена (1881-1955 гг.), человек является «осью и вершиной эволюции» мира и «расшифровать человека значит, в сущности, попытаться узнать, как образовался мир и как он должен продолжать образовываться».
Эволюция в органическом мире осуществляется в результате трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора, Казалось, что благодаря именно этому единому процессу, организмы в результате эволюции накапливают все новые приспособленческие признаки, что и ведет, в конечном итоге, к образованию новых видов.
У. Хавеллз утверждает, что человек современного типа возник 200 тыс. лет назад в Восточной Африке. Эта гипотеза получила название «Ноева ковчега», потому что, по Библии, все расы и народы произошли от трех сыновей Ноя—Сима, Хама и Иафета. В соответствии с этой версией питекантроп, синантроп и неандерталец — не предки современного человека, а различные группы гоминид, вытесненных «Человеком прямоходящим» из Восточной Африки. В пользу данной гипотезы существуют генетические исследования, которые, однако, не всеми антропологами и палеонтологами признаются надежными.
2. Основная проблема восстановления эволюции человека состоит в том, что у нас нет близких родственников среди живущих ныне предков. Наши ближайшие, хотя и не очень близкие, в настоящее время живущие родственники — шимпанзе и горилла — были связаны с нами общим предком не менее 7 млн лет назад.
3. Социобиология — междисциплинарное научное направление, которое изучает биологические основы социального поведения животных и человека, используя данные экологии, генетики, эволюционной теории, социальной психологии, этнографии и др.
Социобиология исходит из возможности обнаружения у животных предпосылок поведенческих форм, свойственных человеку. Исследуя альтруистичное, эгоистичное, агрессивное, половое и другие типы поведения, социобиология стремится установить их инварианты у животных и человека.
Социобиология ставит проблему взаимосвязи биологического и культурного развития, синтеза биологии и социогуманитарного.
4. Вопрос о роли биологического в процессе формирования и развития личности стал особо актуальным в последние годы. Это во многом объясняется выходом на передовые рубежи науки таких ее разделов, как генетика и молекулярная биология, и связано с их новейшими достижениями, в частности, с установлением глубочайшего единства человека с остальным органическим миром. Значительно углубились современные представления о сущности жизни, о законах развития живого. Это показывает, что материальное и духовное, природное и социальное, не разорваны в человеке, а находятся в диалектическом единстве.
Вопросы для обсуждения
1. Укажите все возможные гипотезы о происхождении человека
2. Назовите основные проблемы антропогенеза.
3. Укажите характерные черты эволюционной теории Ч. Дар вина.
4. Каково соотношение биологического и социального в историческом развитии человека? Продолжается ли его биологическая эволюция?
5. Охарактеризуйте основные аспекты этногенеза.
6. Раскройте роль пассионарности в жизни этноса.
11. Антропный принцип и мега-история Вселенной
11.1. О понятии мега-истории Вселенной
Обоснование антропного принципа — серьезная проверка естественных и гуманитарных наук на масштабную зрелость понимания панкосмогенеза и мега-истории Вселенной (рождения всего, что есть, наблюдаемо и доступно изучению). Как известно, история начиналась с истории отдельных «цивилизаций». В XVIII-XIX вв. сформировалась концепция всемирной истории — это история первобытного общества, древнейшая история, история древнего мира, история средневековья, новая и новейшая история. Открытия археологов, антропологов и историков убедительно показали универсальность прошедших событий. Уже в первой половине XX в. было установлено глубокое взаимовлияние геологических, биологических (биотических) и социальных процессов; в результате оформилось новое направление междисциплинарных исследований эволюции — глобальным (от лат. globus — шар) эволюционизм. Это история Земли, рассматриваемая как последовательность — образование, развитие и взаимодействие планетарных сфер, в процессе которых сначала биота, а затем общество становились ведущими агентами преобразований.
Основоположниками глобальной (даже не всемирной, связанной только с человеком) истории стали наш великий мыслитель Владимир Вернадский, и французы — антрополог и теолог П. Тейяр де Шарден и философ Э. Ле-руа, показавшие, что история человечества является только фазой эволюции земной жизни и разума, которая завершится созданием ноосферы (сферы разума), если, конечно, человек и человечество выживут в условиях надвигающихся катастроф. Сам Вернадский не обошел проблему дальнейшего распространения эволюционной перспективы за пределы Земли и Солнечной системы, но ответил на нее отрицательно (тогда как немецкие — Г. Фихте. А. Гум-больт, и русские мыслители — Н. Федоров и особенно К. Циолковский — полагали, что разум выведет человека за пределы планеты-колыбели). Вернадский так думал потому, что не предвидел достижений современной науки в части опровержения стационарности изотропной Вселенной, бесконечной в пространстве и времени. Идея стационарности и бесконечности мира (отсюда вывод, что бесконечное не может иметь истории!), противоречила идее универсальной эволюции. Поэтому Вернадскому пришлось признать, что эволюционный процесс на Земле есть не более чем локальная флуктуация, обреченная на то, чтобы раствориться, подобно океанской волне, в бесконечной Вселенной, которая не менялась и «не будет меняться с течением времени».
Несколько позднее, в 1980-90-х годах, оформилась более грандиозная, чем планетарная, концепция Универсальной (от лат. Universum — Вселенная), Большой (Big History) ИЛИ Мега-истории, как концепция целостной картины вселенских эволюционных процессов. Мега-ис-тория ставит своей целью преодолеть инерцию монодисциплинарного мышления и отработать научно-методологический инструментарий для интеграции разнородных моделей остро- и микрофизики, химии, геологии, геохимии, биологии, палеонтологии, антропологии, психологии и историографии.
В ее основе лежат два ключевых достижения в науке прошлого века, которые мы рассмотрели и оценили раньше. Во-первых, релятивистские (фридмановские) модели эволюционной космологии (на основе теории тяготения Эйнштейна). Во-вторых, выявленные Пригожиным механизмы самоорганизации, посредством которых открытые физические, химические системы способны спонтанно (от лат. spontaneus — самопроизвольный) от равновесия с внешней средой и, используя ее ресурсы, стабилизировать (гоместазировать) неравновесное состояние.
В итоге, вскоре обнаружилось, что социальная (и духовная), биологическая, геологическая и космофизическая истории представляют собой стадии единого эволюционного процесса, единых универсальных мегатенденций, выходящих за рамки классического и неклассического естествознания. Эти вновь открытые мегатенденций породили новое естествознание — постнеклассическое (оно же эволюционное, бифуркационное и пр.), которое более подробно будет рассмотрено в главе 12.
11.2. Предыстория антропного принципа
Антропный принцип вовсе не изобретение второй половины ушедшего XX столетия, как может показаться при первом рассмотрении, он так же стар, как вся известная нам западноевропейская цивилизация. Достаточно вспомнить древнегреческих мудрецов с их изречениями: «Познай самого себя, и ты познаешь богов и Вселенную» (Солон), «Человек мера всех вещей: существующих, что существуют, несуществующих, что не существуют» (Протагор) или древнекитайского мыслителя Лао-цзы с одной из его многочисленных сентенций: «Тот, кто знает других — мудрец. Кто знает себя — посвященный» (общепризнанные посвященные Рама, Кришна, Гермес, Моисей, Орфей, Пифагор, Платон, Иисус), а в Новое время вспомнить аксиому французского мистика Клода де Мартена: «Должно изучать Природу по человеку, а не человека по Природе». С сожалением приходится признать, что, замысленная (заповеданная) в античное время, антропная программа в западной культуре в течение всего исторического времени не выполнялась. Причиной тому стал, во-первых, принятый и жестко контролируемый со средневековья церковью креационизм, получивший и в науке официальный статус. Способствовало неисполнению античной антропной заповеди, во-вторых, утвердившееся в науке картезианское мышление, рассматривающее человека как элементарный механизм, по простоте (или сложности) сравнимый, скажем, с часами. В оккультизме же одной из ветвей мистических учений, конечно, на задворках официальной науки и культуры, напротив, идея о превосходстве человека над остальным миром поддерживалась. Кстати, как отмечает Ф. Капра в «Дао физики», первым европейским мистиком можно считать Гераклита, но мистические его взгляды не получили развития, оказались невостребованными и были заменены впоследствии рационалистическими взглядами Аристотеля, получившими в средние века божественный статус. В развитие античных антропных заповедей мистиками утверждалось, что человек содержит в своем существе проявления трех миров или трех начал: материального, происходящего из физического мира; жизненного, исходящего из вселенной (астрала); и духовного начала (бессмертного духа, называемого в философии душой), проистекающего из мира божественного. Тем самым, человек подчиняется всем законам, действующим в этих трех мирах, и поименован поэтому микрокосмом, или маленьким миром, будучи точным отражением макрокосма или Вселенной.
Таким образом, оккультисты, мистики утверждали ранее и утверждают сейчас, что изучением человека можно достигнуть определения всех законов, управляющих физическим, астральным и божественным мирами. Важно отметить, что человек и Вселенная рассматриваются ими в единстве порождения и неразрывности их связи, что для нас является ключевым в антропном принципе. Нельзя, конечно, утверждать, что современная официальная наука признает как сам факт, так и бесспорность такого заключения, но то, что наметились некоторые подвижки в этом направлении, мы здесь покажем. Начнем с перечисления и краткого анализа этапов и процессов панкосмогенеза (можно было бы употребить также термин панкосмогония), произошедших во вселенной, с тем чтобы яснее представлять себе место и время как самого антропогенеза, так и интересующего нас антропного принципа.
11.3. Этапы и процессы панкосмогенеза
В своем развертывании (употребляем русское слово «развертывание» вместо латинского «эволюция», с тем чтобы не путать с его значением, принятым у эволюционистов в биологии, придерживающихся и сегодня взглядов Дарвина, Уоллеса и Геккеля) Вселенная прошла путь от начала Большого взрыва (будем исходить из наиболее признаваемой учеными версии Георгия Гамова возникновения горячей вселенной) несколько этапов и процессов, приведших к генезису (рождению) и становлению последовательно физического, химического и биологического миров. Этапы и соответствующие им процессы панкосмогенеза, о которых пойдет речь, это этапы физио-, астро-, галактике-, химио-, гелио-, гео-, геохимио-, био- и антро-погенезиса. Несмотря на очевидную разницу каждого из этих этапов, им присуща (или свойственна) одна и та же чисто физическая особенность, которой можно попытаться дать философское объяснение, видя в этой особенности единство принципов мира и происходящих в нем процессов на всех уровнях его рождения и становления. Так, каждый из названных этапов и процессов, характеризуется в начальный момент высококачественной энергией (энергией при низкой энтропии из-за высоких исходных температур, поскольку энтропия, как характеристика беспорядка, является величиной обратно пропорциональной температуре). Можно также говорить о высокой негэнт-ропийностью процесса. Негэнтролийность возникает из-за значительного перепада исходной и конечной температур, и, соответственно, большой отрицательной (обозначаемой приставкой нег и добавляемой к слову энтропия по предложению французского физика Леона Бриллюэна) величине энтропии рассматриваемого нами созидательного процесса. Поясним сказанное на ряде примеров.
Процесс физиогенеза (или образование физического мира) характеризовался с момента начала «большого взрыва», катастрофическим снижением, на 20 порядков, температуры. В результате понижения температуры качество энергии резко снизилось, что и привело сначала к образованию из неопределенного (неопределяемого) планковс-кого бульона частиц и античастиц менее чем за одну секунду протонов, электронов и фотонов, а затем, к концу 10 секунды, к синтезу первых легких элементов — водорода и гелия. Следует указать на одну впечатляющую странность процесса аннигиляции планковских частиц и античастиц, завершившегося в остатке равным числом протонов и электронов. Вот так, с первых мгновений существования физического мира, начинается то, что впоследствии в антропном принципе получит название тонких согласованностей! Пусть в первичном планковском бульоне действительно существовали известные сейчас кварки Гелл-Манна и Цвейга, из которых образованы нынешние адроны и мезоны (а также недавно теоретически предсказанные и экспериментально открытые в России в 2004 году пентакварки). Тогда для объяснения приведенного выше странного факта равенства числа протонов и электронов (надежно установленный экспериментальный факт электронейтральности мира) остается только предположить, что в этом бульоне существовали и электронные кварки, число которых было равно числу обычных адронных кварков, так как природа вряд ли могла отдать предпочтение какому-то одному из видов кварков. Таким образом, смесь всех видов кварков была электрически нейтральной и вместе с тем, каждый вид кварков должен был характеризоваться такой зарядовой асимметрией, чтобы породить одинаковую асимметрию как в числе протонов и антипротонов, так и в числе электронов и позитронов (антиэлектронов). Этот вывод приводит нас к заключению, что электроны, признаваемые сейчас бесструктурными, так же как и адроны, должны оказаться структурными образованиями, состоящими из электронных кварков, которые еще предстоит открыть.
Теперь об астро- и галактикогенезе. Возникший всего за 10 секунд физический мир оставался непрозрачным (по причине того, что фотоны переизлучались возникшими водородом и гелием) примерно в течение одного миллиона лет (но не менее 400-700 тысяч лет). Температура рождающегося мира по прошествии этого времени снизилась еще на 10 порядков (т. е. в 10 миллиардов раз) и составила всего около 3000 К (температура указана в единицах абсолютной шкалы температур Кельвина К). Этот момент оказался благоприятным для отрыва излучения или света (фотонов) от водорода и гелия. Среда (тогда это вся Вселенная) сделалась прозрачной (наступила эпоха рекомбинации), а начавший свое путешествие в разрастающемся мире свет стал остывать и воспринимается нами сейчас как реликтовое (древнее) излучение, с температурой к настоящему времени всего 2,73 К. Еще через один миллиард лет температура снизилась до 30 К, качество энергии стало низким, энтропийность чрезвычайно высокой, что способствовало началу процесса слипания атомов в легкие частицы (так называемые протоземали), вызвавшего сначала образование звезд и, в итоге, образование галактик (одним словом — космогенез). Еще раз напомним, что физический мир образовался в ничтожные мгновения. Эти мгновения ничтожны по нашим часам, но очень и очень продолжительны по физическим часам элементарных частиц, для которых характерны времена в миллиардные доли миллиардных долей секунды. Физический мир стабилен с тех пор (установлено, что протон живет не менее чем 1032 лет, и оно, это время, на 22 порядка превосходит время, прошедшее от момента «большого взрыва», не подвергался никаким изменениям. Космический мир (Вселенная, точнее, Метагалактика) образовался в течение первых миллиардов лет и, с тех пор, также неизменен, по крайней мере, в структурном отношении.
Химиогенез, образование тяжелых химических элементов, как известно, совершается в недрах звезд. Но это оказывается возможным, если на 7-9 порядков повысится от первоначальной (от 30 К) в их недрах температура, на столько же порядков возрастет качество энтропии (понизятся абсолютные ее значения), только тогда становятся возможными реакции термоядерного синтеза, сначала легких химических элементов (начиная с лития), а затем и следующих элементов, вплоть до элементов группы железа, имеющих атомные номера 26, 27, 28. Остальные же элементы (для существования жизни в том варианте, который нам известен, нужен полный перечень периодической системы элементов Д. И. Менделеева) могут образоваться либо при взрывах новых, либо сверхновых звезд. Это совершается при процессах с еще более высококачественной энергетикой, чем в рядовых звездах, в процессах, масштабно близких по качеству к качеству Большого взрыва (своеобразное возвращение к порождающему Вселенную началу). Так возникает и становится химический мир и далее не изменяется, хотя сам по себе этот процесс не прекращается никогда (об этом свидетельствует открытие, предсказанное советским астрофизиком Виктором Амбарцумяном в 50-х годах прошлого века, молодых горячих галактик и отдельных горячих звезд в нашей Галактике — Млечном Пути). Однако химический мир остается стабильным, новые химические элементы не появляются, и, как свидетельствует спектральный состав вещества звезд и галактик, во всей Вселенной они эквивалентны (тождественны) друг другу.
В раскрытии тайн и сущности антропного принципа важное место занимает рождение Солнечной системы и одной из ее планет — Земли, без которых невозможно появление совершенно конкретного вида жизни, единственно известного нам. Как осуществлялся наш конкретный гелиогенез, пока точно сказать невозможно (и вряд ли мы когда-нибудь об этом узнаем). Скорее всего, на месте нашего Солнца когда-то была некая большая звезда, которая взорвалась (в пределах 10 миллиардов лет назад) как сверхновая. В противном случае, трудно разумно объяснить наличие в недрах нашей Земли (и на других планетах и их спутниках) сверхтяжелых элементов, включая радиоактивные уран, торий и др.
Следующим по временному ряду является геогенез, в результате которого образовалась наша Земля. В ней проистекли все те процессы, в первую очередь геохимические, согласно учению Владимира Вернадского, которые, в конечном итоге, предопределили наличие в земной коре месторождений полезных ископаемых, жизнь без которых была бы, наверное, весьма проблематична. Месторождения, без сомнения, обязаны своим существованием биогенезу (жизни организмов) и, одно без другого, существовать не могут.
В ходе геогенеза, так же, как и при всех других выше отмеченных генезисах, первоначально повышается качество энергии среды (газово-пылевого облака, например, если принять небулярную гипотезу происхождения Земли и других планет), т. е. исходно, холодная или даже сверххолодная среда (но никак не среда в состоянии плазмы), по стандартному сценарию для всех планетных тел, в результате процессов организации или самоорганизации, в недрах своих начинает разогреваться до нескольких тысяч градусов. Высокую температуру, температуру несколько сот градусов, принимают также наружные слои (сферы) планеты и, пока эти слои не остынут до нескольких десятков градусов (по Цельсию), солнечная энергия не вносит существенного, а главное определяющего, не-гэнтропийного вклада, в земной энергетический баланс и, тем самым, в будущий, наиболее для нас важный, процесс биогенеза. Для конкретного биогенеза, а затем и антропогенеза, наступает, можно сказать, контрольное время в развитии. В самом деле, пока температура поверхности планеты продолжает составлять сотни градусов (по Цельсию), получаемая от нагретого до нескольких тысяч градусов Солнца негэнтропия весьма низка. Это не способствует началу осуществления биогенеза, для которого, наверное, существует некоторая критическая величина этой самой негэнтропии (нечто аналогичное началу цепной реакции деления ядер при достижении веществом некоторой критической массы или соответствующей критичной плотности потока нейтронов в нем, факт, установленный экспериментально и используемый в ядерных технологиях). Такие некритичные условия на Земле существовали, по крайней мере, первые 500 миллионов лет, с момента ее образования, после чего, с началом появления (формирования) вторичной (существующей до сей поры) атмосферы, средняя по планете температура наружных слоев, фактически поверхности Земли и приповерхностной атмосферы, постепенно, а может, резко, снизилась до 300 К и жизнь на Земле стала возможной, в первую очередь, лишь благодаря достигшей своей критичности негэнтропии солнечного излучения.
В биогенезе, сложнейшем из сложнейших процессов, мы сознательно отмечаем пока только одну энерго-энтро-пийную сторону, оставляя без внимания химико-биологические аспекты, содержащие специфическую конкретику процесса, рассматриваемую в соответствующих науках.
Сфера жизни на Земле — это высочайше, непревзойденно упорядоченная структура, которая «питается» не-гэнтропией. Действительно, предположив, что в среднем энергия на Земле не накапливается, мы должны констатировать большую разницу потоков энтропии от Солнца и Земли в окружающее космическое пространство, с положительным балансом в пользу Земли. ЗеМля выбрасывает энтропии больше, чем получает от Солнца, что, кстати, только одно это весьма убедительно обосновывает Гайя-гипотезу Джеймса Лавлока и Линн Маргулис о живой Земле. Похожее явление объясняет происхождение так называемых ячеек Бенара, упорядоченных гексагональных структур, возникающих в тонком слое подогреваемого масла, при достижении в процессе подогрева определенных критических отношений между теплопроводностью и конвекцией. Итак, Земля получает высококачественную энергию от Солнца, перерабатывает ее, что сопровождается ростом энтропии из-за понижающейся температуры, и выбрасывает всю пришедшую энергию вместе с наработанной энтропией, повышая энтропию окружающего космического пространства. Именно это обстоятельство, этот механизм распоряжения энтропией обеспечивает жизнедеятельность на Земле. Постоянство негэнтропийного баланса Земли в обозримые интервалы времени, по-видимому, и лежит в основе открытого Вернадским закона сохранения биомассы на Земле. То, что предложено и описано, никак не объясняет сам феномен жизни, а указывает лишь на необходимость выполнения определенных критических условий, при которых она может появиться. Кстати, как показывают исследования микробиологов и палеонтологов, жизнь на Земле появилась сразу, внезапно, вдруг, как только появились, по нашему мнению, подходящие критичные негэнтропийные условия, что произошло более чем 4 миллиарда лет тому назад. Причина внезапного появления жизни будет указана несколько ниже. В проблеме же появления человека, носителя разума, надо, как и во всех предшествующих ему процессах, искать, как минимум, отмеченные выше критичные условия энергетического и энтропийного характера, которые имеют и вселенский, и галактический, и солнечный (звездный) масштабы, которые в нашем случае оказались тонко согласованными.
Теперь мы готовы рассмотреть и сам антропный принцип, который призван объяснить причину появления разума и его единственно известного нам носителя — человека.
11.4. О базовых параметрах Вселенной и Галактики (Млечного Пути)
Несколько десятилетий назад, точнее, впервые в 1961 году, известный американский физик Роберт Дикке, а затем выдающийся английский современный физик и астрофизик Стивен Хокинг и его ученик Брэндон Картер, обратили наше внимание на то, что структура Вселенной чрезвычайно чувствительна к численным значениям констант фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, слабого и ядерного). Выяснилось, что существованию Вселенной в известной нам ее форме угрожают даже небольшие отклонения в ту или иную сторону значений заряда электрона, массы протона, постоянной Планка, скорости света и других физических параметров. Такой же физической (космической) угрозе подвергается существование самой жизни. Жизнь оказывается гораздо более тесно связанной с общекосмическими (в первую очередь, энерго-энтропийными, как отмечалось выше) условиями, чем это до сих пор предполагалось, и все менее очевидным становится взгляд на жизнь как на незначительный продукт случая (некой вселенской флуктуации). Многие процессы в космосе (здесь это синоним Вселенной) представляются направленными на возникновение и поддержание жизни. Именно эта мысль, этот вывод приводят к так называемому антропному принципу, поскольку выявляются вдруг удивительные взаимосвязи между живыми объектами, наблюдателями мира, наделенными интеллектом, т. е. нами, людьми, и фундаментальными универсальными свойствами Вселенной (иногда поэтому говорят об антропном космологическом принципе).
Непреложной истиной является тот факт, что на нашей планете существует форма жизни с сознанием, наблюдающий интеллект, который может задавать себе вопросы об окружающей вселенной и о себе самой, ответы на которые можно получить в следующей их логической последовательности (в формулировке Питера Хегеле):
? сознание предполагает или уверено, что существует жизнь;
? для своего возникновения жизнь нуждается в химических элементах и, прежде всего, в таких, которые тяжелее водорода и гелия (кроме самого космоса, состоящего почти на 100% из них, т. е. звезды, галактики, ничего более из водорода и гелия невозможно построить);
? тяжелые элементы возникают только в результате термоядерного синтеза (сгорания) легких элементов, в результате слияния их ядер;
? слияние ядер атомов происходит только в глубинах звезд и требует, по крайней мере, температуру в нескольких десятков или сотен миллионов градусов и временной интервал продолжительностью в несколько миллиардов лет для того, чтобы возникло значительное количество тяжелых элементов;
? временные интервалы порядка нескольких миллиардов лет возможны лишь во Вселенной, которая сама существует, по крайней мере, несколько де. сятков миллиардов лет и имеет, таким образом, протяженность в несколько миллиардов или десятков миллиардов световых лет.
Этот минимум требований вселенского масштаба (но не солнечного и планетарного, которые не менее, если не более, важны, и на которых остановимся ниже) для возникновения жизни позволяет получить ответ на вопрос, почему наблюдаемая нами сегодня Вселенная так стара и так велика: потому что, в противном случае, человечества вообще не было бы. Условия, в которых могла первоначально возникнуть жизнь как вселенское явление, а вовсе не в нашей метагалактике, в которой она проявилась в частности и в известной нам конкретности, формировались безумно долго, потребовали интервала времени большего, чем существует известная нам метагалактика.
Как уже отмечалось ранее, согласно стандартной модели космогонии Лемэтра-Гамова, наш космос «стартовал» примерно 13-17 миллиардов лет назад «большим взрывом» чрезвычайно плотной и горячей материи (начальная сингулярность, неопределенное физическое состояние) и прошел с тех пор длинную историю развития. Сам момент «начала взрыва», его причина, физически мало понятен, если не сказать, что совсем не понятен, и современной физикой пока не понят до конца, но считается, что по прошествии одной миллионной доли секунды дальнейшее развитие может быть описано с помощью известных в физике законов микромира и природы в целом.
Через 100 секунд температура все еще составляла миллиард градусов; 25% ядер водорода превратилось в ядра гелия. Через 400 000-700 000 лет возникли нейтральные атомы водорода, примерно через один миллиард лет образуются первые звезды, галактики и тяжелые химические элементы в недрах массивных звезд. Процесс образования галактик — в противоположность возникновению звезд и синтезу элементов — понят пока недостаточно хорошо. Из первоначального количества водорода в звездах около 2% ушло на синтез таких важных для жизни элементов, как углерод, азот и кислород (некоторые подробности образования этих элементов будут обсуждены ниже).
Русский философ и драматург Александр Сухово-Ко-былин, создатель «философии Всемира», которого можно, по этой причине считать одним из предтеч антропного принципа, в конце XIX века обосновывал идею, что жизнь в своем развитии должна была пройти три стадии: галактическую, сидерическую (звездную) и теллурическую (планетную). Точнее, он писал о стадиях развития цивилизации, поскольку он тогда не знал об истинных масштабах Вселенной, но позволим себе несколько переиначить его основную мысль. Предвидение Сухово-Кобылина оказалось пророческим. Как мы теперь знаем, в нашей Галактике благоприятные для развития жизни стадии создались и были пройдены в Солнечной системе на планете Земля.
Галактический пояс жизни. Наша Галактика, как и многие другие, имеет вращающуюся вокруг собственного центра спиральную структуру. Любой вращающийся объект имеет две скорости: угловую (или вращательную) и линейную. Если объектом является некоторое твердое тело, то при постоянстве его угловой скорости, линейные растут пропорционально удалению от центра вращения.
С нашей Галактикой все обстоит не так, и это ее первая тонкая и чрезвычайно существенная для нашего рассмотрения особенность (или тонкая согласованность ее частей). Именно линейная скорость вращающихся частей в ней сохраняется практически одинаковой до гигантских расстояний 18 кпк (килопарсек) от центра и равняется примерно 220-230 км/с. Этот факт свидетельствует о том, что по мере удаления от центра угловая скорость уменьшается. Это приводит к «запаздыванию» вращения внешних частей по отношению к внутренним и, в конечном счете, как итог, ведет к спиральности всей галактической системы. Как результат такого замедления вращения, по мере удаления от центра, на периферии галактики возникают специфические волны плотности, проявляющиеся в виде спиральных ветвей или рукавов. У нашей Галактики таких рукавов всего два — рукав Стрельца и рукав Персея. Принципиальным моментом в данном случае является то, что скорость вращения этих рукавов постоянна и, более того, именно на этом удалении, называемом коротационным кругом, и сама Галактика и ее рукава вращаются синхронно. Совершается это, конечно, в некотором весьма узком (по галактическим масштабам) кольце — торе радиусом всего 250 парсек, содержащем коротационный круг. Именно в зоне коротации (от англ. corotation — совместное вращение), единственной, особо выделенной, специфической зоне в каждой спиральной галактике, в ней, по мнению астрономов и астрофизиков, находится наше Солнце. Специфичность зоны коротации, прежде всего, определяется особыми условиями образования звезд. Вне пределов зоны коротации звезды подвергаются риску быть разрушенными мощнейшими ударными волнами. «Спокойная жизнь» нашего светила и его планет началась только тогда, когда они покинули место рождения нашей звезды, предположительно рукав Стрельца, и вышли в пространство между спиральными рукавами, где пребывают в благополучии до сих пор, и будут так пребывать еще не менее 10 миллиардов лет.
Базовые параметры Солнца и Земли. Продолжая поиск уникальных особенностей, определяющих сущность антропного принципа и породивших, в конце концов, жизнь, должно теперь сказать несколько слов о Солнце. Наше светило, как будто бы рядовая звезда, и тогда все ее проблемы — это проблемы общие астрофизические. Так ли это на самом деле? Если это так, то астрофизикам должны быть известны мириады «двойников» нашего Солнца. Детальный анализ спектров звезд класса нашего светила, так называемых желтых карликов, показал, что Солнце — не такая уж рядовая звезда. Пока не обнаружено ни одной звезды, которую можно было бы назвать «двойником» Солнца! Ни одна из множества исследованных звезд не обладает одновременно такими же физическими характеристиками, как температура, масса, радиус, определяющие ускорение силы тяжести, светимость, содержание металлов и микротурбулентность, какие есть у нашего Солнца. Французские астрономы, в течение 10 лет искавшие хотя бы еще одно похожее на Солнце светило, смогли обнаружить в созвездии Кормы довольно слабую звездочку, не отличающуюся от Солнца по возрасту, массе, температуре и некоторым другим показателям. Но все-таки совсем уж похожей на Солнце ее считать нельзя, так как в ней оказалось в несколько раз больше тяжелых металлов, чем в нашей звезде.
Вышесказанное о Солнце позволяет отнести его к уникальным, необычным звездным объектам. Если же соглашаться далее с некоторыми учеными, что наша планета Земля — единственная обитаемая планета в доступной для исследования части Вселенной, то возникает законный вопрос: не связана ли уникальность жизни на Земле с уникальностью физических условий на Солнце? По-видимому, исключить этого нельзя.
Уникальна также сама Земля, множество ее параметров. Мы хотели бы обратить внимание только на некоторые. Прежде всего, положение нашей планеты в солнечной системе. Расстояние от Солнца составляет около 150 млн км. Если бы оно было всего на 8 млн км меньше, то не могла бы возникнуть конденсация водяного пара и не образовались бы океаны, на планете главенствовал бы углекислый газ; если бы наша планета была удалена от Солнца всего на 2 млн км дальше (!), то образовались бы ледники (как на Марсе), так что и в первом и во втором случаях возникновение жизни стало бы весьма проблематичным. Критичной также оказывается скорость движения Земли по околосолнечной орбите. Если бы она составляла всего 3 км/с, то Земля довольно скоро влетела бы в Солнце, если бы она была больше 41 км/с, то тогда Земля навечно покинула бы Солнечную систему; скорость же Земли составляет золотую середину — 30 км/с!
Известно, что доля кислорода в атмосфере составляет сейчас 21%, что предопределяет спокойное существование человека, появившегося на планете всего-то несколько миллионов лет назад (по мнению большинства исследователей). Если в атмосфере доля кислорода составляет всего 15-18%, то невозможным оказывается горение. Если же эта доля превзойдет предел 30% (по гипотезе русского геофизика Олега Сорохтина, кислород идет из недр земных в результате конвективного движения мантии от расплавленного ядра Земли к земной коре и обратно, высвобождая кислород при переплавке окислов в ядре), что, как видно, вполне возможно, то тогда будет гореть все и пожар этот не затушить! Опять же, современная доля кислорода критична! Список других уникальных параметров Земли можно продолжать долго.
11.5. Тонкая согласованность физических законов и мировых констант
Теперь вернемся к сидерическому и, еще раз, к галактическому этапам развития Вселенной. Особо впечатляющий пример тонкой согласованности встречается в механизме образования ядер углерода — ядер того химического элемента, наличие которого является одним из необходимых условий возникновения жизни.
Непосредственно после «большого взрыва» возникли только легкие элементы, точнее, их ядра, — ядра водорода, гелия и лития. Последующие, более тяжелые ядра, должны были рождаться в недрах звезд или при их взрывах, как установлено в астрофизике. Было установлено, после многих лет драматических исследований, что ядро углерода может образоваться, если прежде слились два ядра гелия-4 и образовали возбужденное ядро бериллия — 8 (4 и 8 — это числа нуклонов в ядрах), с которым резонансно, т. е. при наличии «разрешенного» энергетического уровня в ядре углерода, сливается еще одно ядро гелия-4. Когда известный физик и космолог англичанин Фред Хойл в 1954 году теоретически предложил такой вариант реакции, экспериментаторам не был известен такой «разрешенный уровень», но поразительно, что позднее этот уровень все же обнаружился и составил энергию всего-то на 4% выше массовых энергий (по Эйнштейну) соударяющихся партнеров. Это удивительное (опять удивительное!) совпадение обусловлено очень сложной картиной сильного (ядерного) взаимодействия в ядре углерода. Недостающая доля энергии легко добавляется за счет кинетической энергии соударяющихся ядер.
Еще более удивительно, что углерод, по только что указанной схеме, не преобразуется тотчас же в кислород, в результате чего углерода вообще не было бы. Кислород-16 (точнее, его ядро) имеет в действительности один резонансно подозрительный (поскольку здесь идет охота за чудесами) энергетический уровень, но для эффективного протекания реакции он лежит всего лишь на 1% ниже, чем это было бы необходимо. Дисбаланс энергий, которой переизбыток, не может быть в этом случае скомпенсирован за счет кинетической энергии, так как кинетическая энергия всегда положительна. Фред Хойл позже сознался: «Ничто не поколебало мой атеизм сильнее, чем это открытие». Ему вторит и известнейший популяризатор науки, физик Поль Девис, заявивший, что здесь мы встречаемся с элементами космического плана (или, если угодно, Божьего промысла — это уже заявление от нас). Сегодня известно большое число тонких согласований:
? в стандартной космологической модели скорость расширения Вселенной и силы тяжести согласованы друг с другом с точностью до соотношения 10-55, т. е. чудовищно точно. Если бы расширение Вселенной происходило быстрее, то галактики и звезды не образовались бы; не создались бы и благоприятные условия для жизни. Если бы этот процесс протекал медленнее, то Вселенная пережила бы коллапс (схло-пывание) еще до образования хотя бы одной звезды;
? если бы физические константы сильного взаимодействия были всего лишь на 0,3% больше или на 2% меньше, то не было бы никакой жизни, так как они либо не смогли бы образоваться, либо образовались бы только они, и не смогли бы образоваться атомы;
? то же относится к постоянной тонкой структуры, введенной в начале квантовой эры немецким физиком Арнольдом Зоммерфельдом и равной 1/137. В этой мировой постоянной воедино связаны заряд электрона, скорость света и постоянная Планка, т. е. все три мировые константы. Все это говорит о ее исключительной важности в природе. И действительно, ее отклонение в ту или иную сторону на несколько процентов от существующей не позволило бы возникнуть большинству звезд с критическими параметрами для производства элементов. Была бы она несколько меньше — не было бы звезд с массой меньшей, чем 0,7 массы Солнца, была бы эта постоянная несколько больше — не было бы звезд с массой меньшей, чем 1,8 массы Солнца. Отклонение перечисленных параметров и величин на несколько процентов воспрепятствовало бы возникновению и самой жизни. Важно отметить, что обсуждаемые тонкие согласованности законов Вселенной не являются продуктом приспособляемости, как они трактуются в эволюционной биологии. Это не целесообразный результат «космической эволюции», а выявленные и глубже пока не обоснованные предпосылки жизни.
11.6. Магия (мистика) больших чисел
В проблеме обоснования и истолкования антропного принципа некоторых исследователей завораживает магия или мистика чисел. Исторически вера в числа пошла от Пифагора, в основе натурфилософского учения о Вселенной у которого лежало натуральное число («самое мудрое в мире — число», «числу же все подобно» и «все вещи суть числа» или другой вариант: «все сущее — есть число». — утверждал Пифагор (устами Аристотеля), отдавая дань математической сущности природы). Сам же Аристотель критиковал пифагорейцев за принятие в качестве начал (первоэлементов) чистых математических сущностей, не признавая основополагающим пифагорейский конструктивный и умозрительный мир чисел и геометрических фигур. Но последователем Пифагора был непревзойденный Платон, ценящий математику настолько, что на воротах его Академии были начертано изречение: «Пусть не входит никто, не знающий геометрии» (это изречение было взято в качестве афоризма Николаем Коперником к его великой книге «О вращениях небесных сфер» и, конечно, неспроста). Сам же Платон особенно почитал пять правильных выпуклых многогранника, которые связывал с элементами природы и самим космосом (Вселенной), получивших в науке название Платоновых тел: тетраэдр связывал с огнем, гексаэдр — с землей, октаэдр — с водой, икосаэдр — с воздухом и додекаэр — с космосом.
Но самого отца магии чисел ждало жесточайшее разочарование, когда им была открыта несоразмерность отрезков, что исключало возможность использования только целых (натуральных) чисел. (Кстати, в XIX веке немецкий математик, специализировавшийся в области теории чисел, Леопольд Кронекер, сказал: «Господь Бог создал целые числа, все остальное — дело рук человеческих».) Легенда гласит, что это открытие Пифагора содержалось в строжайшей тайне, а пифагореец Гиппас, который пытался раскрыть эту тайну, трагически поплатился за это жизнью. По-видимому, в основу легенды (и это далеко небезынтересно в нашем исследовании) положен факт раскола пифагорейцев на две взаимно исключающие друг друга ветви: научную и религиозно-мистическую. Это разделение среди ученых (и простых людей) осталось навсегда.
Математической сущности природы придерживались и великий открыватель законов космоса Иоганн Кеплер и основатель экспериментальной европейской науки итальянский гений Галилео Галилей, когда он писал, как завещание, в 600-страничной книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению»: «Философия написана в величайшей книге, которая постоянно открыта нашим глазам (я говорю о Вселенной); но нельзя ее понять, не научившись прежде понимать ее язык и различать знаки, которыми она написана. Написана же она языком математическим».
С давних времен люди почитали и по сию пору, почитают так называемое «золотое сечение», оно же «золотая пропорция», «золотое деление» (его изложение есть в «Началах» Евклида), которое приближенно (с возрастающей точностью) выражается через отношения ряда чисел Фибоначчи 5/3, 8/5, 13/8, 21/13 и т. д., т. е. ряда чисел, открытого итальянским математиком Фибоначчи (его имя Леонардо Пизанский) в 1202 году (!), ряда, в котором каждый последующий член равен сумме двух предыдущих — 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, .... В пределе число золотой пропорции иррационально - 1,6280338.... Сейчас стало ясно, что восхищались этим числом не безосновательно. В 1957 году американский математик Бергман показал, что это число 1,6280338... может быть эффективным основанием компьютерных вычислений, превосходящим по эффективности принятую в настоящее время двоичную систему счисления. Возможно, что когда-нибудь это найдет применение. Термин золотое сечение ввел Леонардо да Винчи, некоторые авторы называли эту пропорцию божественной.
В Новейшее время комбинаторикой чисел занимался открыватель квантов немецкий физик Макс Планк, а, в связи с проблемами космологии, великий английский физик Поль Дирак. Это ему принадлежит открытие новых безразмерных постоянных, численно приблизительно выражающихся единицей, либо с тридцати девятью, либо с сорока нулями — 1039 — 1040 Дирак писал в одной из статей: «Как и другие безразмерные физические постоянные, это число (составленное из квадрата электрического заряда, масс электрона и протона и гравитационной постоянной. — Авт.) должно быть объяснено. Можно ли хотя бы надеяться придумать теорию, которая объяснит такое огромное число? Его нельзя разумно построить, например, из 4x и других простых чисел, которыми оперирует математика! Единственная возможность объяснить это число — связать его с возрастом Вселенной». Вот так закладывается современная магия, магия больших чисел. Через эту магию и П. Дирак, Р. Дикке и др. пытаются дать научное обоснование антропного принципа, но не как физического принципа, а какого-то более общего, еще более фундаментального, чем любой физический принцип. Класс принципа, к которому должен быть отнесен антропный принцип, таким образом, не ясен. Но это вовсе не значит, что эта проблема не должна исследоваться ни естественными науками, ни философией. Это вызов и философии и естествознанию, вызов всей науке, всей цивилизации. Возможно, что решение этой проблемы выведет человечество на новый виток познания, создаст принципиально новую науку.
11.7. Слабая формулировка антропного принципа
Рассмотренные выше закономерности Вселенной и предпосылки возникновения в ней жизни можно свести к единому принципу, называемому антропным принципом.
Сейчас различают три варианта формулировок принципа: слабую, сильную и сверхсильную. Кратко в слабой формулировке он гласит: физическая Вселенная, которую мы наблюдаем, представляет собой структуру, допускающую нагие присутствие как наблюдателей. Расширенно и подробно эту формулировку раскрыли американские физики Берроу и Типлер (последнему, кстати, принадлежит одно из новых нетривиальных определений жизни «как информации»). Их формулировка слабого варианта антропного принципа такова: «Наблюдаемые значения всех физических и космических величин не произвольны. Они в значительной мере принимают значения, которые ограничены требованием наличия региона, в котором могла возникнуть жизнь на базе углерода, и требованием к возрасту Вселенной, достаточным для того, чтобы это уже произошло». В какой-то степени приведенные формулировки представляется тавтологией, вроде этой: наблюдатель наблюдает Вселенную, допускающую наблюдение. Есть ли в этом какой-то смысл? Вроде бы и есть, и даже не совсем простой.
Во-первых, слабый вариант принципа напоминает о том, что в теориях надо учитывать наблюдателя. В классической науке, благодаря картезианско-ныотоновской формулировке, наблюдателю места нет, а вот в неклассической (через посредство принципа относительности к средствам наблюдения) и в постнеклассической науке (синергетике Германа Хакена, теории диссипативных структур Ильи Пригожина, теории автопоэза Матураны — Варелы и др.) наблюдатель уже учитывается. В таком случае принцип играет роль «фильтра» для отбора теорий, причем фильтра чрезвычайной плотности, из-за отмечавшейся выше тонкой согласованности законов и констант.
Во-вторых, слабый вариант принципа обращает внимание на то, что возможности для жизни тесно связаны с законами природы и с общекосмическим (вселенским) развитием (космогенезом), и их не следует воспринимать и рассматривать независимо друг от друга. Если, как оказалось, жизнь все же возникла, то, может быть, она была изначально преднамеренна, заранее запланирована? Но тогда мы вправе задать вопрос: Кто или Что за всем этим стоит? Пока мы не будем пытаться дать ответ на этот естественный вопрос.
В-третьих, слабый вариант принципа указывает на случайное появление наблюдающего разума, отрицает жесткий классический детерминизм необходимости в произошедшем, в случившемся в этом мире. Это представляется как-будто наиболее естественным, но вряд ли научным, так как мы знаем сейчас почти безграничные возможности науки, и был бы грех все списать на счастливый случай.
Анализируя этот вариант антропного принципа, академик Никита Моисеев сформулировал ряд постулатов. Эти постулаты таковы (выделены курсивом):
1. Вселенная представляет собой единую саморазвивающуюся систему. По нашему убеждению, Вселенная столь стара, что «забыла» о своем начале, а поэтому никак не может быть единой, представляя собой, скорее, несвязанное, несчетное множество метагалактик, в одной из которых нам привелось жить.
2. Во всех процессах, имеющих место во Вселенной, неизбежно присутствуют случайные факторы, влияющие на их развитие. В обзорной статье Дмитрия Чернав-ского о проблеме возникновения жизни, показывается безнадежность случайных факторов для возникновения не то что самой жизни, а даже элементов жизни (ДНК, РНК и т. д.) за какое-либо разумное время, превосходящее время существования нашей метагалактики на 100, 1000 и более порядков.
3. Во Вселенной властвует наследственность.
4. В мире властвуют законы, являющиеся принципами отбора. Весьма сомнительное утверждение, практически неподтверждение так называемой эволюцией жизни по Дарвину. В противовес этому можно найти определение, относящееся к понятию информация в науках о живой природе, данное Г. Кастлером: «Информация есть запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных». В проблемах жизни и антропного принципа речь должна идти не об отборе, а о выборе. 5. Принципы отбора допускают существование бифуркационных состояний, в которых дальнейшая эволюция оказывается принципиально непредсказуемой. О роли отбора сказано только что выше, а вот о бифуркационных состояниях и последующей непредсказуемости можно сказать следующее. Каждая новая грандиозная проблема в науке вызывала к жизни новую математику. Так было с исчислением бесконечно малых Ньютона и Лейбница в механике, с векторным анализом и теорией поля в электродинамике Максвелла, с римановой геометрией для теории тяготения Эйнштейна, с теорией бесконечномерных пространств Гильберта для квантовой механики, теорией групп Эвариста Галуа и Софуса Ли для унитарных теорий физики элементарных частиц; примеры можно множить. Проблема антропного принципа непременно потребует, уже требует новой математики, в которой должна будет отразиться безмерная неопределенность выбора (полифуркационность) в каждом состоянии, в каком оказывается весь совокупный мир. Но есть и другая точка зрения — вообще отказаться от математики, что породит новую философию науки. Эта точка зрения, скорее, мечта, была высказана как-то выдающимся американским физиком-теоретиком Ричардом Фейнманом в одной из аспирантских аудиторий: «Меня всегда беспокоило, что, согласно физическим законам, как мы понимаем их сегодня, требуется бесконечное число логических операций в вычислительной машине, чтобы определить, какие процессы происходят в сколь угодно малой области пространства за сколь угодно малый промежуток времени. Как может все это уложиться в крохотном пространстве?
Почему необходима бесконечная работа логики для понимания того, что произойдет на крохотном участке пространства-времени? Поэтому я часто высказывал предположение, что в конце концов физика не будет требовать математической формулировки. Ее механизм раскроется перед нами, и законы станут простыми, как шахматная доска, при всей ее видимой сложности». Последний вариант, вариант отказа от использования математики в познании мира, был бы для многих весьма предпочтителен. Но он требует глубинного понимания происходящих явлений в этом мире, понимания на уровне не раскрытого пока антропного принципа.
11.8. Сильная и сверхсильная формулировки антропного принципа
В слабой формулировке нет ответа на вопрос: почему порождается наблюдатель? Это декларируется как необходимое свойство Вселенной в сильной формулировке принципа, например, так; законы построения Вселенной должны быть таковы, что она непременно когда-нибудь должна породить наблюдателя.
Жизнь, в таком варианте сильного принципа, является целью Вселенной; здесь мы имеем дело с телеологическим высказыванием (берущим свое начало от Аристотеля). Такое утверждение логически возможно, но оно не вскрывает причину (каузальность) наблюдаемой жизни. Наблюдаемая вьявь, т. е. жизнь, всего лишь постулируется. Более того, телеологическая модель объяснения мира принципиально неопровержима, что, в соответствии с критерием фальсифицируемости знания по Карлу Попперу, делает данное утверждение ненаучным. Или, если сам сильный вариант принципа справедлив, то на него не следует распространять указанный критерий научности, полагая, что на подобного сорта проблемы (проблемы Бога и его творений) мы и посягать не вправе.
Решение предлагается в сверхсильной формулировке антропного принципа. Она постулирует известное равенство между человеком и Богом, но не превосходство Бога над этим миром и человеком. Ни одна из упомянутых сторон не может существовать без другой. Но если положение о зависимости человека от Природы банально, то обратная гипотеза о зависимости Природы от человека пока еще достаточно нетривиальна.
Как нетрудно догадаться, сильный принцип прямо и без всяких обиняков призывает нас признать библейский миф о сотворении мира де-юре и де-факто. Слабый вариант принципа также по существу «снимает шляпу» перед креационизмом, хотя и пытается это скрыть. Парадокс состоит в том, что кто-то — либо надприродный Бог, либо Природный человек, но скорее они вместе, — обязаны поддерживать бытие мира.
Два предрассудка унаследованы ученым миром (а через него и всеми остальными просвещенными людьми) от эпохи классического естествознания и формальной логики. Во-первых, мы все приучены противопоставлять случайное закономерному, будто первое, в отличие от второго, неконтролируемо, непредсказуемо, деструктивно. Во-вторых, мы привыкли противопоставлять природным явлениям феномены искусственного происхождения, относить результаты культурного (в широком смысле) творчества к категории, фактически, противоестественного. Выдающийся немецкий физик и философ Вернер Гейзен-берг по этому поводу выразился так: «Естественнонаучному духу вполне отвечает ...тенденция рассматривать природу независимо не только от Бога, но и от человека». Вот это в человеческом духе надо стремиться преодолевать и преодолеть-таки, внедряя новое содержание образования, в том числе через преподавание основ современного естествознания, истории и философии науки. Ранее мы уже упоминали о большом вреде инертности мышления, и об этом надо неустанно напоминать.
Надо помнить, мы не вправе забывать никогда, что Вселенная держится на плечах человека. Вот это, пожалуй, пока самый главный итог попыток обоснования, понимания и толкования антропного принципа, итог скорее философский, чем естественнонаучный.
11.9. О кризисе планетарного цикла мега-истории Вселенной
Современная цивилизация находится на пороге тяжелейшего кризиса. Приближающееся явление можно назвать комплексным или системным кризисом. Среди многих возможных его причин следует отметить чрезвычайное усиление антропогенного давления на окружающую среду. Согласно синергетической модели мега-истории, развитие земной цивилизации на протяжении сотен тысяч лет двигалось от кризиса к кризису. Качественные закономерности во временной последовательности этих кризисов (революций) были вскрыты в работах отечественных ученых И. М. Дьяконова и С. П. Капицы. Существенная качественная особенность надвигающегося кризиса становится явной, если рассмотреть всю совокупность революций, которые на своем пути преодолело человечество. Хорошо известно, что во всей предшествующей истории длительности исторических эпох постоянно сокращались. Это явление известно как эффект ускорения исторического времени. Более того, промежутки времени между революциями сокращались закономерным образом, и эта закономерность была раскрыта.
В 2003 году русскому физику из Московского университета А. Д. Панову удалось установить количественные закономерности в последовательности качественных скачков (революций, бифуркаций, цивилизационных переходов) эволюции природы и общества на протяжении многих миллиардов лет! Панов установил автомоделъность (самоподобие, фундаментальный признак фракталънос-ти) последовательности точек революций, которая означает, что промежутки времени между точками сокращаются (историческое время ускоряется) в постоянной пропорции (подобно галилееву постоянному ускорению падающих тел), и что эта последовательность устроена везде одинаково, только абсолютный масштаб времени разный, последовательность же сама себя повторяет. Истинная историческая кривая последовательности революционных моментов, отражающая указанную автомодельность, имеет параболический (степенной) характер. Это чрезвычайно важно с позиций фрактальности, т. е. с позиций постнеклассической науки, и вот почему. Всякая геометрия, фрактальная в том числе, согласно «Эрлангенской программе» выдающегося немецкого математика Феликса Клейна, занимается изучением таких свойств объектов, которые инвариантны относительно определенных преобразований: евклидова геометрия — относительности группы движения (трансляций или сдвигов и вращений), геометрия Минковского — относительно группы Лоренца, а вот фрактальная геометрия занимается изучением инвариантов группы самоаффинных (самоподобных) преобразований, т. е. свойств, выражаемых степенными законами! Вот тогда-то и получается, что исторические события тоже имеют степенной закон и фрактальный характер!
Однако этому закону ускорения исторического времени может быть придан линейный характер в логарифмическом масштабе, если уравнение автомодельности Панова записать в виде: 
где t* — некоторый момент времени, который назван моментом сингулярности (особенности), tn — автомодельная последовательность п точек революций, Т задает длительность всего описываемого промежутка времени, п — номер революции, s > 1 — коэффициент ускорения исторического времени, показывающий, во сколько раз каждая последующая эпоха короче предыдущей. Указанная формула показывает, что автомодельная последовательность есть не что иное, как сходящаяся геометрическая прогрессия. При неограниченном росте п промежутки между кризисами или революциями вблизи сингулярности (некоторой особенности) стремятся к нулю, а плотность их бесконечна.
Какая последовательность революций имеется в виду? Если взять период Т с начала четвертичного периода, т. е. рассматривать события, начавшиеся 4,4 млн лет назад, то эти революции — появление первых гоминид, затем Homo habilis (Олдувай), заселение гоминидами Европы и Азии, Homo sapiens, Мустье, первая верхнепалеолитическая революция, неолитическая революция, городская революция, осевое время (Пифагор, Конфуций, Будда), начало средневековья, промышленная революция в Европе, появление пара, электричества, информационная революция (начало 1950-х годов). Закончится эта последовательность в t* = 2027 году! Если же взять промежуток Т значительно больший, от начала возникновения жизни, от момента 3,8 млрд лет назад, то это несколько иная последовательность революций (но включающая и указанную выше как составную часть), приводит к t* = 2004 году! Прямые линии в обоих случаях эта и есть, в первом случае, так называемый глобальный исторический аттрактор, а во втором — аттрактор планетарной истории. К каждому из них тяготеют, притягиваются имевшие в прошлом место исторические события (революции). Но есть во всей указанной закономерности один противоречивый момент, аномалия, в точке начала предбиологической эволюции, выбивающаяся из всего исторического хода — подозрительно быстрое возникновение жизни, за какие-то 200-300 млн лет. Эта аномалия нарушает всю автомодельную шкалу времени. Но этого можно избежать, если предположить, что предбиологическая эволюция совершалась не на Земле, а в недрах нашей Галактики, и началась сразу с возникновением самой Галактики более 10 млрд лет назад!
Итак, сегодня известны многочисленные специфические исследования эволюции конкретных сущностей, так что мы располагаем некоторыми базовыми представлениями об эволюции как о фундаментальном и универсальном процессе. Их наличие создает условия для ведения интересующего нас в данном курсе междисциплинарного дискурса.
Резюме
1. Несколько десятелетий назад американский физик Роберт Дикке, а затем англичане Стивен Хокинг и Брендон Картер обратили внимание на то, что структура Вселенной чрезвычайно чувствительна к численным значениям констант фундаментальных взаимодействий (гравитационного, электромагнитного, слабого и ядерного). Жизнь оказывается гораздо более тесно связанной с общекосмическими условиями, чем это до сих пор предполагалось, и все менее очевидным становится взгляд на жизнь как на незначительный продукт случая. Многие процессы в Космосе (здесь это синоним Вселенной) представляются направленными на возникновение и поддержание жизни. Эта мысль приводит к так называемому антропному принципу, поскольку выявляются вдруг удивительные взаимосвязи между нами как живыми, наделенными интеллектом наблюдателями мира, и свойствами Вселенной.
2. Сейчас различают три варианта формулировок принципа: слабую, сильную и сверхсильную. В слабой формулировке кратко он гласит: физическая Вселенная, которую мы наблюдаем, представляет собой структуру, допускающую наше присутствие как наблюдателей. В слабой формулировке нет ответа на вопрос: почему порождается наблюдатель? Это декларируется как необходимое свойство Вселенной в сильной формулировке принципа, например в таком утверждении: законы построения Вселенной должны быть таковы, что она неприменно когда-нибудь должна породить наблюдателя.
3. Два предрассудка унаследованы нами от эпохи классического естествознания и формальной логики. Во-первых, мы приучены противопоставлять случайное закономерному, будто первое, в отличие от второго, неконтролируемо, непредсказуемо, деструктивно. Во-вторых, мы привыкли противопоставлять природным явлениям феномены искусственного происхождения, относить результаты культурного (в широком смысле) творчества к категории, фактически, противоестественного. Вернер Гей-зенберг по этому поводу выразился так: «Естественнонаучному духу вполне отвечает ...тенденция рассматривать природу независимо не только от Бога, но и от человека». С позиций современной науки вряд ли это справедливо.
12. Концепции постнеклассического естествознания и теорий самоорганизации
12.1. Возникновение и становление концепций постнеклассического естествознания
Важным аспектом совершенствования методологии познания является всесторонний анализ проблемного поля современной науки. До сегодняшних дней господствующая научная картина мира по существу распадалась на три части (неорганическую, органическую и социальную), в которой процессы самодвижения, самоорганизации имели место, но с точки зрения общего эволюционизма они не были объединены.
Прорыв в понимании того, как инертная материя может приобретать свойства самоорганизации, произошел в последней четверти XX века и, естественно, вызвал взрыв интереса к попыткам построения единой теории самоорганизации материи.
Интерес этот еще более возрос, когда физики и математики ввели в научный оборот и теоретически обосновали кардинальные концепции и понятия теорий самоорганизации материи — диссипативные структуры (Пригожин), синергетику (Хакен), теорию катастроф (Том, Арнольд), теорию автопоэза или теорию Сантьяго (Матурана, Варела) и др. Многие понятия теорий самоорганизации стали переосмысливаться в новой единой пост-неклассической картине мира, в которой магистральная эволюция непротиворечивым образом объединяет и то, как материя движется, и то, как она мыслит.
Абстрактная формулировка идеи всеобщего эволюционизма (от Аристотеля до Пригожина и Моисеева) сменилась на научно оформленную теорию в результате ассимиляции этой идеи физикой (эволюционирующие космогонические модели Вселенной, особо термодинамических процессов), химией (каталитические системы, элементарные каталитические системы А. Руденко), биологией (биогенез, синтетическая теория эволюции, несводимость макроэволюции к микроэволюционным изменениям), социологией (тектология А. Богданова).
Разработка теоретического механизма всеобщего (глобального) эволюционизма осуществлялась после закрепления в естественных науках синергетического подхода (Хакен; Князева; Курдюмов; Моисеев) и идей теории дис-сипативных структур (Пригожин).
Хотя специфика картины мира допускает многоголосие средств выражения идеи всеобщего развития, но язык диссипативных структур и синергетического (корпоративного) эффекта наиболее адекватно описывает процессы самоорганизации, самосозидания (автопоэза) и самодвижения. Таким образом, в рамках эволюционно-синер-гетического диссилативно-структурного подходов самоорганизация предстает как одна из форм организации материи. При этом определяются, с одной стороны, равновесные формы организации, отличающиеся от самоорганизации, а с другой — под «крышей» указанных подходов объединяются в особый класс — нелинейно-динамический, практически все физические, химические ибиологические структуры, которые ранее принципиально не сводились вместе.
Мир полон мифов линейного, классического мышления. Так, вплоть до настоящего времени многих пугал и продолжает путать хаос, ибо хаос представляется сугубо деструктивным началом мира. Случайность всегда тщательно изгонялась из научных теорий. Она считалась со времен классической эпохи науки второстепенным, побочным, не имеющим принципиального значения фактором. Существовало убеждение, что случайности никак не сказываются, забываются, стираются, не оставляют следа в общем течении событий природы, науки, культуры. А мир, в котором мы живем, рассматривался как не зависящий не только от микрофлуктуаций на нижележащих уровнях бытия, но также и не зависящим от малых влияний космоса.
Картина мира, рисуемая классическим разумом (классической наукой) — это мир жестко причинно-следственных связей, согласно которым результат внешнего управляющего воздействия есть однозначное, линейное, предсказуемое воздействие. Чем больше вкладываешь, например, энергии, тем больше будто бы должна быть и отдача, следствие прямо или линейно пропорционально причине.
Еще один из господствующих по сей день мифов линейного (классического) мышления — это представление о том, что процессы бурного роста (например, возрастания народонаселения земного шара, рост научного знания, «экономическое чудо») происходят по экспоненциальной зависимости, т. е. предполагался весьма и весьма быстрый рост. На самом деле, большинство процессов лавинообразного роста происходят даже не по экспоненте, а в так называемом режиме с обострением, когда рассматриваемые величины, хотя бы часть времени, изменяются по закону неограниченного возрастания за конечное время.
Выдающийся современный мыслитель Илья Пригожин приложил немало усилий к тому, чтобы включить в парадигму современного научного сознания концепции, известные как «самоорганизация», или «возникновение порядка из хаоса». Самоорганизация — это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Система называется самоорганизующейся, если она стремится сохранить свои свойства и природу протекающих процессов за счет структурных изменений.
Класс систем, способных к самоорганизации, — это открытые, нелинейные системы. Открытость системы означает наличие в ней источников и стоков, обмена веществом, информацией и энергией с окружающей средой.
Открытость системы — необходимое, но не достаточное условие для ее самоорганизации: то есть всякая самоорганизующуюся система открыта, но не всякая открытая система самоорганизуется, строит структуры. Все зависит от взаимодействия двух противоположных начал: создающего структуры, наращивающего неоднородности в сплошной среде (работы объемного источника), и рассеивающего (диссипирующего), размывающего неоднородности, т. е. начал самой различной природы. Обсудим некоторые детали и механизмы возникновения сложноорга-низованных систем и структур.
12.2. Динамика возникновения диссипативных структур
Как уже отмечалось в п. 3.4, 3.5, главах 4-7, для возникновения структур, составленных из тех или иных элементов, необходимо существование достаточно прочных связей между этими элементами. Для образования таких связей необходима возможность диссипации, рассеяния, передачи в окружающую среду энергии связи. Необходима внешняя «окружающая среда» и в ней должна быть какая-то исходная неоднородность, к которой переходит часть энергии извне. Для примера рассмотрим явления во Вселенной.
Первопричина структурирования нашей Вселенной -в ее исходной неоднородности во времени, проявленной в пространственных масштабах. Вселенная расширяется и остывает, энергия рассеивается, энтропия растет, но это расширение ведет к появления потока рассеяния, непрерывного движения и направленного изменения состояния вещества. Этот поток и привел к образованию макроскопических неоднородностей — структур всех масштабов.
Астрономы наблюдают крупномасштабные пространственные неоднородности во Вселенной, точнее, в Метагалактике: материя сконцентрирована в звездах, звезды — в галактиках, галактики в скоплениях и сверхскоплениях, и только в масштабах, значительно больших, чем размеры сверхскопления (это сотни мегапарсек или сотни миллионов световых лет), Метагалактика пространственно однородна.
Неоднородность, структурированность отдельных частей Метагалактики связана с их конечностью и открытостью: для каждой такой части можно говорить о внешней среде, с которой происходит обмен энергией и энтропией. Микронеоднородности, флуктуации возникают и исчезают непрерывно, случайным образом, из-за принципиально вероятностной природы микропроцессов и процессов в больших стохастических системах. Для превращения же флуктуаций в макронеоднородности и в сложные, развитые структуры необходим направленный поток энергии и вещества, который изначально и задается рассеянием при расширении.
При возникновении и усложнении структуры происходит локальное (местное) возрастание порядка и, соответственно, уменьшение энтропии данной структуры, тогда как в большем масштабе в системе, включающей также и часть внешней среды, энтропия возрастает. Из того, что нам известно к настоящему времени, следует, что все структуры во Вселенной возникли в результате протекания процессов диссипации первоначально концентрированной тепловой энергии. При этом энтропия Вселенной в целом непрерывно возрастала, каждое местное уменьшение энтропии при возникновении упорядоченных структур с избытком компенсировалось ее увеличением за счет рассеяния энергии (следует отметить, что не существует закона сохранения энтропии, а отмечается всего лишь ее непрерывное возрастание).
Практически все наиболее сложные структуры вокруг нас - это структуры диссипативные, они могут существовать только при наличии непрерывного «сквозного» потока энергии или вещества. Простейший, классический пример диссипативной структуры — это уже обсуждавшиеся ячейки Бенара — правильные шестигранные конвективные ячейки, возникающие в плоском слое жидкости, подогреваемой снизу. Внутренняя структура Земли — также диссипативная структура, порожденная конвективным переносом тепла и подвижных легких компонентов вещества из глубины к поверхности (обсуждалось ранее в связи с проблемой начала жизни и возникновения кислорода в атмосфере Земли). Структура земной поверхности — результат как внутриземных диссипативных процессов, так и потока солнечной энергии.
Как же возникают структуры на фоне диссипации? Ведь естественные процессы — это самопроизвольно протекающие процессы, связанные с возрастанием энтропии, а производство энтропии эквивалентно производству беспорядка и связано с разрушением структур?
Противоречия здесь нет. Возникновение диссипатив-ных структур связано с производством избыточной энтропии. При определенных условиях, вдали от равновесия, неравновесная стационарная система становится неустойчивой и естественным образом переходит в новое, более организованное состояние (с меньшей энтропией). Оно обеспечивает, в целом, более эффективное, «избыточное», производство энтропии в претерпевшей изменения системе. Так, например, бенаровская конвекция на несколько порядков более эффективный способ переноса и рассеяния тепла, чем теплопроводность. Такие перестройки происходят на макроскопическом уровне, и механизм их заключается в разрастании некоторых определенных случайно возникающих флуктуаций. Задача описания и объяснения возникновения наблюдаемых структур распадается на две: описание природы и механизма возникновения первичных флуктуаций и описание механизма превращения их в макроскопические структуры.
Наглядными примерами диссипативных структур, кроме ячеек Бенара, вихрей Тейлора в течении Куэйта, являются, например, еще такие природные явления, как циклоны, торнадо (смерчи) в атмосфере, а также некоторые облачные структуры. Все это конвективные структуры, резко увеличивают эффективность диссипации тепловой энергии и, значит, эффективность производства энтропии. Диссипативными структурами в принципе той же природы, хотя и неизмеримо более сложными, являются все живые существа и экологические системы, поддерживающие свое существование путем непрерывного обмена веществом и энергией с внешней средой — выбросом из себя энтропии, поглощением негэнтропии.
Но не только мир полон диссипативных структур, вокруг нас в изобилии находятся и равновесные структуры, существующие вне потока энтропии, например, кристаллы. Для их существования в настоящий момент не нужно поступления и рассеяния энергии и увеличения энтропии, однако для возникновения таких структур все это было необходимо и все это они прошли в прошлом. Кристаллы растут как динамические структуры в условиях диссипации и за их совершенную организацию заплачено увеличением энтропии в окружающей среде.
Вспомним то, что ранее (в главе 3 и в п. 9.7) было написано о роли второго начала термодинамики в эволюции мира. Второе начало утверждает, что в любой изолированной системе самопроизвольно протекают только процессы, ведущие к выравниванию температур и концентраций, рассеиванию и понижению качества энергии. Такие процессы необратимы. В результате должны затухать все процессы и разрушаться все структуры. То, что наш мир структурирован и в нем протекают активные процессы, вступило в противоречие с существовавшей концепцией стационарной Вселенной: существующая вечно Вселенная должна быть «мертвой».
До середины XX века этот парадокс разрешался допущением, что второй закон термодинамики не имеет силы в масштабах всей Вселенной, что существуют не известные нам процессы, не подчиняющиеся этому закону, которые поддерживают стационарность наблюдаемой Вселенной. Сейчас стало ясно, что Вселенная нестационарна, что наша Вселенная имеет начало и конец и противоречия со вторым законом термодинамики нет. Все существующие во Вселенной неоднородности, мезо- и крупномасштабные структуры — результат ее нестационарности, расширения, и связанное с ними локальное понижение энтропии в отдельных частях мира не вступает в противоречие с общим ее возрастанием. Микронеоднородности постоянно возникают случайным образом, превратиться же в сложные макроструктуры они могут лишь при наличии сквозного потока вещества и энергии, обусловленного диссипацией.
Итак, мир живет в условиях диссипации, за все высокоорганизованные структуры он платит увеличением хаоса и снижением качества энергии и когда-то все это, возможно, закончится. Встает вопрос: а как же все это началось? Как сконцентрировался тот огромный запас энергии высокого качества, который сейчас расходуется?
Сейчас наша Вселенная разрастается, тогда как 13-17 млрд лет назад вся она была сосредоточена в ничтожно малом объеме (в сингулярности) и находилась в таком состоянии, которое современная наука описывать не умеет. Вселенную, точнее Метагалактику в целом, мы можем рассматривать только как изолированную систему, которая расходует запас энергии «высокого качества» (эта энергия теряет качество, диссипирует), обеспечивая «жизнь» Вселенной. Если взять любой ограниченный объем во Вселенной, он будет представлять собой неизолированную, открытую, систему, которая взаимодействует с окружающей средой. В открытой системе, которая непрерывно обменивается веществом и энергией с окружающей средой, этот обмен может обеспечить локальное (местное) увеличение порядка и усложнение структур, включающих, в частности, области временной концентрации энергии, диссипация которой создает условия для возникновения структур следующего, более высокого порядка. Такие области часто в первом приближении могут рассматриваться как изолированные.
Пример такой ограниченной в пространстве области, которую можно считать изолированной, пренебрегая в первом приближении любыми взаимодействиями с окружающей средой, являет собой наша Солнечная система. В таком приближении эта система является чисто диссипативной, и только диссипация определяет ее эволюцию, которая поэтому достаточно детально проанализирована астрофизиками.
12.3. Устойчивость структур и механизм их эволюции
Теперь надо понять, как конкретно происходит новое возникновение (изменение) структур. Можно пытаться понять это, имея в виду термодинамическую теорию дис-сипативных структур, но гораздо раньше механизм этот начал осмысливаться как механизм эволюции, как механизм закономерного, направленного изменения естественных объектов и систем.
Представление о нашем мире как о мире непрерывно эволюционирующем, становление и развитие которого продолжается и в настоящее время, было впервые научно обосновано Чарльзом Лайелем (1797-1875) в его знаменитом труде «Основы геологии», вышедшем в свет в 1830-1833 гг. Эта работа произвела научную революцию во взглядах его современников на происхождение всего, что окружает нас. В ней было показано, что природа обладает способностью саморазвития, что для этого не требуется не только усилий Творца, но и вообще каких-то внешних исключительных толчков. На основе анализа фактов Лайель пришел к выводу, что «...все изменения, которые произошли в течение геологической истории, происходили постепенно под влиянием факторов, которые действуют и в настоящее время. Следовательно, для объяснения этих изменений совершенно не нужно прибегать к представлениям грандиозных катастроф — необходимо лишь допустить очень длительный срок существования Земли*.
Эволюционные идеи Лайеля сыграли свою роль и в создании Чарльзом Дарвином его теории происхождения видов, после появления которой учеными стали активно разрабатываться проблемы конкретных механизмов эволюции прежде всего по отношению к органическому миру, а потом к миру в целом. Было замечено, что эволюция жизни идет в сторону усложнения, а сама жизнь есть грандиозное усложнение по сравнению с неживой природой. И именно загадка возникновения жизни, как уже отмечалось ранее, которая противоречит основным законам классической термодинамики, подтолкнула Илью Пригожина на создание им новой неравновесной термодинамики необратимых процессов.
В проблеме эволюции, начиная с Дарвина, основными вопросами были: что является движущей силой эволюции? Как осуществляется переход к новой структуре? Конкретно в отношении биологической эволюции Дарвин предложил в качестве движущей силы случайные изменения и естественный отбор, а в качестве механизма — постепенное накопление признаков, улучшающих конкурентоспособность. Эти положения Дарвина оспаривались многими учеными, оспариваются и сейчас, но не столько в принципе, сколько в конкретных деталях.
Впоследствии дарвиновский эволюционный подход был распространен и на другие природные объекты: географические ландшафты, геологические структуры, планеты, планетные системы, звезды, галактики и, наконец, Вселенную. При этом он был уточнен и скорректирован в соответствии с последними достижениями науки, особенно с достижениями науки в XX веке.
В отношении общей эволюции нашего мира сейчас можно сказать, что движущей силой является расширение Вселенной и диссипация, а ее механизм не такой гладкий, перманентный, как его предполагал Дарвин. Он, прежде всего, включает резкие скачкообразные преобразования структур. Изменение и, в частности, усложнение структур, происходит не путем непрерывного накопления малых изменений, а путем скачков, связанных с резкой глубокой перестройкой. Это последнее положение, очевидно, следует в значительной степени распространить и на биологические структуры, переформулировав (если это вообще возможно по отношению к данной теории) в этом смысле теорию Дарвина.
Действительно, наш эволюционирующий мир дискретен, корпускулярен: вещество собрано в галактики, звезды, планеты; звезды закономерно эволюционируют, проходя несколько дискретных, четко различимых стадий; на Земле мы видим четко различающиеся типы геоструктур, такие как материки и океаны, горы и равнины; в биологии — множество (миллионы) отчетливо различающихся видов. Если бы эволюция осуществлялась путем постепенных переходов, из одного состояния в другое, то такой дискретной картины видов мы бы не наблюдали. Все границы мира были бы смазаны, всегда в нем присутствовали бы многочисленные промежуточные формы, но за последние 150 лет они так никем и не обнаружены!
Мы видим дискретность и в вещественной — пространственной — структуре Вселенной и каждой ее части, а в протекании любых эволюционных процессов, меняющих эту структуру — дискретность во времени. Одно (пространство) неразрывно, как впервые показал это Минковский, связано с другим (временем). Четырехмерное многообразие мира Эйнштейна-Минковского требует, чтобы наблюдаемая дискретная пространственная структура создавалась дискретными во времени процессами.
Как осуществляются скачкообразные переходы одной структуры в другую? Каждая диссипативная структура представляет собой динамическую систему, которая сохраняет свою идентичность, стабильность, благодаря непрерывному обмену с окружающей средой и такому характерному свойству, как устойчивость. Устойчивость свойственна как статическим, равновесным структурам, так и динамическим. Смысл понятия устойчивости в нечувствительности структуры к изменению внешних условий (в определенных конечных пределах) и в возможности для данной структуры воспроизводиться при воспроизведении тех же условий.
Все эти условия устойчивости в точности могут быть выполнены только в идеале, в реальности же всегда что-то меняется и никогда не возможно, повторяя опыт, точно воспроизвести все условия. Поэтому практически устойчивость означает отсутствие существенных отклонений, сохранение основных, важных для структуры характеристик при приблизительном воспроизведении условий.
Если бы структуры не обладали устойчивостью, нельзя было бы говорить о них как о структурах вообще, они рассыпались бы под действием постоянно имеющих место флуктуаций — случайных колебаний внешних условий и параметров внутреннего состояния системы. Устойчивость структуры связана с ее реакцией как системы, на демпфирование (от нем. Dampfen — глушить), гашение флуктуаций: в устойчивой системе, вслед за флуктуацией, возникают процессы, приводящие к изменениям, противоположным флуктуации, гасящим ее. Например, случайное изменение плотности газа в небольшом объеме приводит к возникновению градиента концентрации молекул на его границе, и диффузия немедленно начинает сглаживать это изменение плотности.
В более сложных системах более сложны и многообразны и процессы, обеспечивающие устойчивость. Сопротивление судна переворачиванию обусловлено формой его корпуса и закономерностью распределения груза, благодаря чему при крене возникает возвращающий в вертикальное положение момент. Поднятие гор активизирует процессы их разрушения, а прогибание впадин — процессы их заполнения осадками. Поэтому Земля устойчиво сохраняет очень близкую к идеально шарообразной форму. Особенно сложен комплекс процессов, способствующих стабильности внутренней среды живого организма при очень сильно меняющихся внешних условиях. Например, температура тела теплокровного животного сохраняется с точностью до 0,1 градуса при изменении температуры внешней среды на величину во много десятков градусов.
12.4. Механизмы потери устойчивости структур, катастрофы, бифуркации, математическая теория катастроф и прогнозы будущего
Среди новых математических теорий, исследующих сложные системы, а значит, их самоорганизацию и эволюцию, особое место отводится так называемой теории катастроф, возникшей в конце 60-х годов XX столетия благодаря французскому математику Рене Тому, развитой затем в работах русского математика Владимира Арнольда. Бум, который возник в обществе в связи с новой теорией, был таков, что стали писать о перевороте в математике, о том, что новая наука гораздо ценнее, чем классический математический анализ, что теория катастроф дает универсальный рецепт для исследований любого рода. Мода на новую возникшую науку была столь велика, что появились сотни научных и околонаучных публикаций, в которых теория катастроф применялась к эмбриологии и психологии, кардиологии и лингвистике, социологии и геологии, к проблемам психических расстройств и поведению биржевых игроков, теории влиянии алкоголя на водителей и т. д. и т. п. Владимир Арнольд считает, что это случилось благодаря хорошо подобранному термину, как в свое время успех пришел к кибернетике (детище американского математика Норберта Винера), и к синергетике (детище Германа Хакена). «Трудно поверить, — говорил Анри Пуанкаре, — какую огромную экономию мысли может осуществить одно хорошо подобранное слово». И вот термин «теория катастроф» Рене Том придумал для обозначения качественного изменения объекта при плавном изменении параметров, от которых этот объект зависит.
Рассмотрим с позиций теории катастроф ситуацию, связанную с механизмом потери устойчивости какой-либо структурой. Нам известно, исследуемый нами мир структурирован, значит, все его структурные элементы обладают устойчивостью, и в то же время он меняется, эволюционирует. Отсюда следует, что время от времени имеет место и качественная, существенная перестройка структуры или состояния системы. В этом случае принято говорить о потере устойчивости. При потере устойчивости определенные флуктуации перестают компенсироваться и катастрофически растут до тех пор, пока качественное, существенное изменение системы не положит этому росту конец. Переход системы в новое состояние происходит скачком, который подготавливается изменениями параметров, обычно называемых управляющими. Момент скачка определяется некоторым критическим значением параметра, приближение к которому может быть медленным и плавным. Последнеее ничтожное, в пределе бесконечно малое, изменение какого-то параметра приводит к полной, кардинальной перестройке. Так возникают снежные лавины, камнепады, сели и другие природные явления.
При нагреве герметически закрытого сосуда, до половины наполненного водой, прежде разделенные в нем две фазы — вода и пар — резкой границей, по достижении некоторой критической температуры границу эту мгновенно утрачивают — система перейдет в качественно новое — надкритическое состояние, в котором нет ни пара ни воды как таковых. Точно так же мгновенно по достижении критической величины потока тепла возникает четко структурированная конвекция (бинаровская). При критическом крене судно мгновенно переворачивается вверх дном. По достижении критической массы урана происходит ядерный взрыв. При изменении внешних условий дальше какого-то предела живое существо умирает.
Такие скачкообразные перестройки принято называть «катастрофами», и математическая теория, созданная для их описания, имеет это же название — теория катастроф. Подчеркнем сразу, во избежание путаницы, что эти «катастрофы» не имеют ничего общего с катастрофами, считавшимися причиной изменений (эволюции) в природной среде до появления труда Ч. Лайеля. Те катастрофы были катастрофами и в обычном смысле, вызванными внешними, никак не связанными с внутренними характеристиками рассматриваемой системы, обстоятельствами. «Катастрофы», о которых речь пойдет ниже, описывают не причины изменений в природных системах, а механизм этих изменений и являются следствием их внутренних характеристик.
Механизм и условия появления таких скачков, качественные результаты теории покажем, рассмотрев классический пример — прощелкивание изогнутой пластины (полоски, «линейки»).
Упругая пластина, выгнутая вверх, имеет вид арки. Если ее нагружать посередине, это будет первый ее управляющий параметр, она начнет деформироваться, но будет оставаться аркой, выгнутой вверх, хотя и немного кривой, до тех пор пока нагрузка не достигнет критической величины, при которой пластина «прощелкнет» и займет свое второе устойчивое положение — прогибом вниз. Вторым управляющим параметром в такой конструкции может быть боковое сжатие, обеспечивающее исходную выгнутость вверх: чем больше оно, тем больше критическая нагрузка и сильнее прощелкивание.
Если такую пластинку поставить вертикально и подвергать ее вертикальному сжатию и боковой нагрузке в центре, справа или слева, мы получим систему с двумя полностью симметричными устойчивыми состояниями — выгнутость вправо и выгнутость влево. Действие боковой нагрузки симметрию нарушает, но если нагрузка только вертикальная, оба состояния совершенно равноправны. Между ними находится состояние строгой вертикальности, неустойчивое при наличии сжимающей вертикальной нагрузки, оно разрушается при любой сколь угодно малой флуктуации.
Здесь хорошо видна важная особенность поведения динамических систем в момент неустойчивости — неоднозначность дальнейшего поведения. При возникновении только вертикальной сжимающей силы линейка может выгнуться в любую сторону, причем вариант, выбранный ею, зависит от случайных сколь угодно малых флуктуаций внешних условий или внутренних параметров. После того, как путь дальнейшей эволюции выбран (изгибание началось в определеную сторону), система уже не может свернуть с него, но сам выбор пути — случаен! Точка неустойчивости в этом случае называется точкой бифуркации, точкой ветвления или раздвоения. В поведение системы в точке бифуркации вносится принципиальный элемент случайности.
Это очень важный, фундаментальный для всего естествознания момент. Оказывается, мы имеем дело с принципиальной неопределенностью не только в микромире, в мире квантов, но и в мире макроскопических, непосредственно наблюдаемых нами явлений.
Рассмотрим еще раз вертикальную упругую пластинку (линейку), изображенную на рис. 1. Ее состояние описывается количественно величиной стрелы прогиба X. Изменение этой величины определяют два управляющих параметра: сила Fy, действующая вдоль нее (вдоль оси у), которую будем считать положительной, когда она растягивающая, и отрицательной, когда она сжимающая, и сила Fx, дей ствующая на ее середину в перпендикулярном направлении (вдоль оси х).
Рис. 1. Простейшая система с «катастрофой» — упругая линейка под действием продольной и поперечной сил. Нижний конец линейки закреплен шарнирно в начале координат, верхний не закреплен, но может двигаться только вдоль вертикальной оси. а) если Fy0, стрела прогиба X прямо и однозначно зависит от величины силы Fx; б) если Fy< 0, одному и тому же значению Fx соответствуют два устойчивых положения линейки — с прогибами X1 и X2 переход между которыми возможен только скачком.
Сила Fx положительна, если направление ее действия совпадает с направлением оси х. Если сила Fx отсутствует, а сила F положительна — линейка прямая и при этом система находится в устойчивом состоянии (если появится сила Fx, отличная от нуля линейка прогнется, как показано на рис. 1а, но если эта сила исчезнет — исходное состояние восстановится); если сила F отрицательна, состояние «линейка прямая» становится неустойчивым: любое случайное сколь угодно малое воздействие скачком переведет ее в одно из возможных симметричных состояний — «линейка выгнута вправо» или «линейка выгнута влево».
Какое из этих состояний реализуется при отсутствии боковой силы, предсказать невозможно: при переходе силы F от положительных значений к отрицательным, система проходит точку бифуркации. Параметр, воздействующий на систему подобным образом, называется расщепляющим, так как его изменение приводит в точке бифуркации к расщеплению единой кривой, описывающей поведение системы, на две равнозначных. Выбор между этими двумя линиями поведения может определяться случаем.
Если сила F отрицательна и линейка выгнута влево, положительная сила Fx будет деформировать линейку, незначительно уменьшая стрелу прогиба в середине линейки X, пока не произойдет прощелкивание вправо (рис. 16). Для такого прощелкивания потребуется тем большая сила Fx, чем больше отрицательная (сжимающая) величина силы F .
На рис. 2 зависимость X (Fx, Fy) показана на трехмерном графике. Она представляет собой изогнутую поверхность с особенностью типа «сборка». Это действительно сборка — хорошо знакомая нам деталь покроя одежды. Она состоит из двух складок, сходящихся вместе в одной точке — точке сборки. Складки и сборка — это стандартные особенности многообразия катастрофы — поверхности равновесия, отражающей зависимость исследуемой характеристики системы от управляющих параметров. Каждая точка такой поверхности описывает некоторое состояние системы и называется изображающей точкой. Проекция сборки на плоскость управляющих параметров имеет вид угла с острием и называется отображением катастрофы. Каждой точке внутри этого угла соответствуют три значения X, вне угла — одно.
Рис. 2. Зависимость X от управляющих параметров Fx и Fy, изображенная на трехмерном графике: поверхность равновесия с особенностью типа «сборка». Отображение катастрофы на плоскости управляющих параметров имеет вид угла с острием, каждой точке а внутри которого отвечают три точки на поверхности равновесия — b, с и d. В области катастрофы при изменении управляющих параметров конечное состояние системы зависит не только от конечных значений этих параметров, но и от пути, по которому эти значения были достигнуты — переход в точку а из точки о на плоскости управляющих параметров может перевести соответствующую точку на поверхности равновесия в точку а, если он осуществляется по прямой через ближайшую сторону угла, и в точку d, если путь перехода идет в обход точки сборки.
На трехмерном графике рис. 2 лучше видно влияние каждого из двух управляющих параметров. При изменении расщепляющего параметра Fy, проекция изображающей точки на плоскость управляющих параметров движется вдоль оси угла, образуемого проекцией сборки и, если нормальный параметр Fx равен 0, проходит через острие угла. При этом лишь от случая зависит, по верхнему или по нижнему листу сборки будет двигаться дальше сама изображающая точка на многообразии катастрофы.
Если Fx больше или меньше нуля, проекция изображающей точки пройдет справа или слева от острия (или от точки сборки), и, соответственно, сама изображающая точка однозначно и вполне детерминированно пойдет по верхнему или по нижнему листу.
Изменение Fx проводит проекцию изображающей точки на плоскости управляющих параметров поперек проекции сборки и при Fy < 0 траектория изображающей точки пересекает ее границы. На самой сборке это приводит к скачку точки, описывающей состояние системы, с одного листа поверхности X на другой (на рис. 2 показана траектория изображающей точки со скачком с нижнего листа на верхний). При этом в нашем случае реализуется так называемый принцип максимального промедления — скачок, как прямой, так и обратный, происходит у дальней границы угла, зависимость образует петлю гистерезиса.
Движение изображающей точки по поверхности равновесия помогает проследить, как будет эволюционировать система при одновременном изменении обоих параметров. При этом конечное состояние системы определяется не только достигнутыми в конце пути значениями этих параметров, но и самим путем, по которому эти значения были достигнуты — траекторией изображающей точки на отображении катастрофы. На рис. 2 видно, что перемещение изображающей точки на плоскости управляющих параметров из точки «о» в точку «а», кратчайшим путем переведет на поверхности равновесия соответствующую точку в точку *b* на нижнем листе, а перемещение в ту же точку «а» вокруг острия угла — в точку «d» на верхнем листе.
Примечательно, что только что полученная нами в простом примере картина катастрофы сборки описывает огромное число реально наблюдаемых процессов возникновения и преобразования структур, перехода динамических систем из одного устойчивого состояния в другое. Это и различные случаи механической устойчивости и фазовые переходы, динамика звездной эволюции и популяций живых существ, экономические кризисы и революции. Хотя и не всегда все так просто, как в рассмотренном примере, но любой сложный случай скачкообразных изменений структуры можно свести к комбинации катастроф складки и сборки. Основные черты динамического поведения самых разнообразных систем оказываются едиными и описываются простой качественной закономерностью — еще один замечательный пример единства и простоты мира.
Складки и сборки — это структурно устойчивые особенности, то есть особенности не исчезающие при малых изменениях параметров. Английским математиком Уитни было доказано, что любая более сложная особенность при малом «шевелении» распадается на складки и сборки.
Практически проанализировать поведение конкретной динамической системы с помощью теории катастроф отнюдь не всегда просто. Главная проблема — определить и количественно охарактеризовать основные управляющие параметры. Это достаточно легко сделать для механических систем, несколько сложнее для химических, термодинамических, и часто чрезвычайно сложно для биологических и, особенно, для социальных систем.
Усложним ситуацию и допустим, что у нас таких вертикальных пластинок много (стоит тысяча металлических линеечек между двумя стальными плитами), и мы их начинаем нагружать одновременно и строго вертикально. Боковой нагрузки нет, и направление изгиба пластинки должно определяться случайной флуктуацией. Оказывается даже в этом случае направления изгиба пластинок не будут совсем беспорядочными. Флуктуации (это могут быть, например, флуктуации плотности воздуха вблизи пластинки) случайны и по величине и по направлению воздействия и по времени. Первая флуктуация вызовет прощелкивание первбй пластинки, это прощелкивание вызовет локальную деформацию стальной плиты и движение воздуха, которое воздействует на соседние пластинки и поможет им прогнуться в ту же сторону. Эта однородная деформация будет распространяться как волна, передаваясь от прастинки к пластинке, пока не встретится с другой такой же «волной», порожденной другой флуктуацией в другом месте. В итоге возникнут довольно обширные области одинаково изогнутых линеек, а если их вообще не слишком много, то весьма велика вероятность, что все они изогнутся одинаково — возникнет порядок в результате чисто случайного события изгиба первой линейки. Если же система испытает определенное, пусть даже предельно слабое, заданное внешнее воздействие, то и оно может полностью определить результат — возникнет большая хорошо упорядоченная структура.
Только что описанный пример по существу представляет собой механическую модель намагничивания ферромагнетика, остывающего ниже точки Кюри. Возникающая при этом спонтанная намагниченность (фиксирование определенной ориентации «элементарных магнитиков» — атомов) образует ориентированные случайным образом довольно крупные однородные области — домены, а при наличии достаточно сильного внешнего магнитного поля, вся намагниченность ориентируется по полю.
Благодаря такому эффекту в горных породах фиксируется направление магнитного поля Земли, которое было в определенные моменты их становления. Так, в магматических породах, содержащих магнитные минералы, фиксируется момент их остывания ниже температуры Кюри, когда начинает проявляться ферромагнетизм. При разрушении породы естественными процессами, мельчайшие частички оказываются намагниченными. Они переносятся реками и, в конце концов, осаждаются на дно океанов, морей и озер. В процессе медленного оседания в спокойной воде магнитные частички ориентируются по магнитному полю Земли. Таким образом, в последовательно накапливающихся слоях осадков, так же как и в последовательных порциях изливающихся и застывающих вулканических лав, как на магнитной ленте записывается история изменения взаимной ориентации земного магнитного поля и данного участка земной поверхности. Анализ таких записей по всей Земле позволил обнаружить как изменения магнитного поля, включающие его «переворачивания», когда северный полюс становится южным и наоборот, так и перемещения и развороты крупных участков поверхности Земли.
Скачкообразной перестройкой структуры (катастрофой) являются все фазовые переходы, например, переход жидкость-пар или жидкость-твердое вещество, которые демонстрируют еще одну особенность катастрофы сборки. Резкий переход, описываемый классической сборкой с петлей гистерезиса, возможен и тут, когда перегретая жидкость взрывообразно испаряется (переохлажденная — мгновенно кристаллизуется), но обычно наблюдается постепенное испарение жидкости при сохранении постоянной температуры и давления до тех пор, пока не будет полностью завершен переход в новое состояние. В первом случае реализуется уже упоминавшийся принцип максимального промедления, а в последнем — так называемый принцип Максвелла, который имеет место при высоком уровне «шума» (случайных внешних воздействий, порождающих флуктуации), не позволяющего осуществиться принципу максимального промедления.
Подытоживая материал данного параграфа, отметим, что математическая теория катастроф сама по себе не создает и не предотвращает катастрофы, подобно тому, как таблица умножения, при всей ее полезности для бухгалтерского учета, не спасает ни от отдельных хищений, ни от неразумной организации экономики в целом. Но, и это самое главное ее парадигмальное значение, теория дает прогноз будущих изменений в системе. Трудность решения большинства современных проблем связана, как уже отмечалось, с их имманентной (внутренне присущей) принципиальной нелинейностью. Привычные методы получения и принятия решений, а также управления (учета управляющих параметров, как отмечалось и анализировалось выше), при которых результаты пропорциональны усилиям, тут не действуют и нужно вырабатывать нелинейную интуицию, основанную порой на парадоксальных выводах нелинейной теории.
Вот, например, какие выводы следуют из теории катастроф применительно к системе, находящейся в устойчивом состоянии, признанном плохим (как, скажем, российская экономика на современном этапе, в начале XXI век), поскольку в пределах видимости имеется лучшее состояние (хотелось бы надеяться на это):
1. Постепенное движение в сторону лучшего состояния сразу же приводит к ухудшению. Скорость ухудшения при равномерном движении к лучшему состоянию увеличивается.
2. По мере движения от худшего состояния к лучшему состоянию сопротивление системы растет.
3. Максимум сопротивления достигается раньше, чем самое плохое состояние, через которое нужно пройти для достижения лучшего. После прохождения максимума сопротивления состояние продолжает ухудшаться.
4. По мере приближения к самому плохому состоянию сопротивление, начиная с некоторого момента, начинает уменьшаться и, как только самое плохое состояние пройдено, не только полностью исчезает сопротивление, но система начинает «притягиваться» к лучшему состоянию.
5. Слабо развитая система может перейти в лучшее состояние почти без предварительного ухудшения, в то время как развитая система, в силу своей устойчивости, на такое непрерывное улучшение неспособна.
6. Если, однако, систему удается сразу, скачком, а не непрерывно, перевести из плохого устойчивого состояния в состояние, достаточно близкое к лучшему, то дальше она сама собой будет эволюционировать в сторону лучшего состояния.
С этими объективными законами функционирования нелинейных систем нельзя не считаться. Теория катастроф дает возможность получить и количественные модели. Но в некоторых случаях качественные выводы теории катастроф представляются более важными и даже более надежными, поскольку они мало зависят от деталей.
12.5. Природные диссипативные структуры (стихии)
Очень эффектные диссипативные структуры постоянно возникают у всех на глазах и часто являются «катастрофами» не только по механизму своего образования, который описывается теорией катастроф, но и в обычном смысле по своему воздействию на жизнь человека. Это, прежде всего, различные атмосферные явления, а также извержения вулканов и землетрясения.
Облака — наверное, самые разнообразные и красивые образования, имеющие отчетливую и наглядную диссипа-тивную структуру (а, кроме того, они еще и фрактальные по своей геометрической природе, о чем будет сказано в следующем параграфе). Это динамические образования, существующие лишь при условии непрерывного переноса влаги потоками воздуха. Облака очень упорядоченные структуры, и существует не так много стандартных типов облачности, связанных с совершенно определенными динамическими процессами в атмосфере (хотя мелкие детали формы облаков очень разнообразны и поэтому до сих пор не удалось автоматизировать наблюдения за облаками).
Тропический циклон (от греч. kyklon — кружащийся), он же тайфун (китайское название), он же ураган (классификация по шкале Бофорта) — это сложнейшая вихревая структура, обеспечивающая скачкообразное усиление рассеяния энергии, накопленной в нагретой воде некоторого участка океана. Нагреваемая Солнцем вода океана длительное время спокойно отдает свое тепло и влагу атмосфере, там возникают конвекционные потоки, появляются облака, выпадают дожди, часть тепла в виде длинноволнового излучения уходит в космос. В открытое пространство. Но вдруг, по достижении потоком тепла, отдаваемого океаном, определенной интенсивности на участке поверхности достаточно большой площади, характер теплоотдачи резко меняется — возникает тропический циклон. Огромная скорость ветра и волнение моря приводят к увеличению теплоотдачи с его поверхности в десятки раз. Основное количество тепла отнимается у воды путем испарения. Когда влага конденсируется в облаках, она отдает скрытую теплоту парообразования атмосфере — это очень эффективный механизм теплопередачи. Часть тепла преобразуется в энергию ветра, который усиливает теплоотдачу. Раз начавшись, благодаря такой положительной обратной связи, циклон очень быстро набирает максимальную интенсивность — происходит скачок системы в новое состояние с определенным образом упорядоченной вихревой структурой. А по существу, это такая же перестройка, усложнение структуры, способствующее усилению диссипации, как возникновение правильных конвективных ячеек в подогреваемой снизу жидкости (бинаровская конвекция).
Циклон (тайфун, ураган) — структура устойчивая: раз возникнув, он сохраняется и при довольно значительном изменении условий, перемещаясь по поверхности океана на большие расстояния туда, где он никогда бы не мог возникнуть, и даже выходит на сушу. Здесь работает принцип максимального промедления.
Явление Эль-Ниньо — перегрев больших масс воды в восточной экваториальной зоне Тихого океана, ослабление пассатов, оттеснение к югу холодного Перуанского течения — это опять перестройка структуры атмосферной циркуляции, только еще большего масштаба, чем восточ-ноазиатский тихоокеанский тайфун.
Наконец, еще более крупные перестройки — глобальные оледенения, ледниковые периоды. Это тоже скачки из одного устойчивого состояния в другое. Оледенение, раз возникнув, способно поддерживать само себя: лед и снег обладают большой отражательной способностью и сильно уменьшают поглощение поверхностью Земли солнечного тепла. Охлаждающее действие постоянных ледников продлевает продолжительность снежного покрова там, где он не постоянный. Лес заменяется тундрой, которая также поглощает тепла меньше, а отражает больше. Таким образом, раз начавшись после преодоления какой-то критической грани, процесс оледенения способен поддерживать сам себя длительное время — опять мы имеем дело с положительной обратной связью и принципом максимального промедления. Но переход от межледниковья к ледниковью и обратно происходит очень резко, катастрофически.
Возникновение и жизнь вулканов — это процесс, в известном смысле, аналогичный процессу возникновения и жизни ураганов. Здесь такжде возникают устойчивые диссипативные конвективные структуры, резко интенсифицирующие рассеяние внутрипланетной тепловой энергии. Вулканы (вулканические центры), так же как и ураганы, зарождаются в определенных тектонически активных районах при определенных условиях и также через какое-то время прекращают свою активность. Значительно большее время жизни вулканического центра, по сравнению с временем жизни урагана, связано с значительно большими характерными временами процессов тепло- и массо-переноса в недрах Земли по сравнению с атмосферой.
Аналогичную картину можно увидеть и в экономике. Два листа поверхности равновесия (сборки) могут описывать, например, состояния, соответствующие низкому уровню производства в сочетании с низким уровнем потребления и высокому уровню производства с высоким уровнем потребления. Эти состояния отчетливо видны: мир разделен на две хорошо различающиеся системы или группы — на группу промышленно развитых и группу отсталых (довольно лицемерно называемых «развивающимися») стран. Пропасть между этими группами стран продолжает углубляться, а промежуточные устойчивые состояния отсутствуют. Перейти из бедной в богатую группу можно только скачком. Здесь также присутствует положительная обратная связь: снижение потребления сужает рынок, заставляет снижать производство, порождая безработицу и тем самым дальше снижая потребление. Бедность приводит к снижению уровня образования, квалификации и технологии, что еще больше усиливает эту бедность. Расщепляющим параметром здесь может служить степень диверсификации и монополизации производства: при натуральном хозяйстве кризисы исключены (как скачки вниз, так и скачки вверх), они возможны только, когда есть общественное разделение труда и глубина их тем больше, чем сильнее такое разделение и чем монополизиро-ваннее отдельные отрасли. С нормальным параметром здесь сложнее — экономическая наука, во всех ее существующих ипостасях, пока не в состоянии учесть, при формализации задачи, факторы индивидуальной и массовой психологии, идеологии и политики. Простой сборкой здесь не обойтись, но на некоторую (вот только непонятно на какую конктретно) комбинацию сборок в соответствии с общей теорией катастроф, очевидно, можно разложить и экономику, и социологию и многие другие гуманитарные науки.
12.6. Фракталы, сети и сетевые структуры природы и общества
На оснований всех этих примеров и глядя вокруг себя мы убеждаемся, что эволюция происходит не гладко. Эта негладкость связана с образованием и преобразованием структур. Причем характерно, что малый толчок, не очень значительное изменение лишь одного или немногих параметров часто приводит к фундаментальнейшей перестройке структуры, иногда к очень сильному ее усложнению. Думается, что именно с неучетом этой особенности поведения динамических систем связаны отмечаемые многими учеными противоречия классической дарвиновской теории эволюции живого мира.
Программа строения и всей жизни существа записана в его геноме, при помощи последовательности четырех нуклеотидов — аденина, гуанина, тимина и цитозина. Алфавит наследственности состоит всего из четырех букв и текст ее написан трехбуквенными словами, которые в молекуле ДНК образуют цепочку более чем двухметровой длины, сложным образом многократно свернутую спиралью. На отдельных участках этой огромной записи закодированы все белки, из которых строится организм, вся программа последовательного построения этих белков, их сочетания в более сложные структуры и совместного функционирования. Как такую грандиозную программу можно было создать путем случайных мутаций и отбора? И как поместить ее в таком ограниченном объеме?
Исчерпывающего ответа пока нет, но некоторые соображения имеются. Очевидно у природы есть некие заложенные в нее сущности, встроенные программы создания программ, общие алгоритмы, один из которых, очевидно, так называемые фрактальные структуры. При помощи фракталов очень сложную структуру можно «записать» в виде относительно короткой и простой программы. Вероятно, что-то подобное и имеет место при построении и эволюции биологических объектов.
Целостное, возникающее сейчас вновь, холистское, мировоззрение, холизм, в аспекте постнеклассической парадигмы, является прямым наследником мифологии (с ее антропоморфизмом) и античной натурфилософии (с ее космоцентризмом) и философии Средневековой алхимии. Существует почти прямая связь античной неисчерпаемости гомеомерий Анаксагора и идей Парменида и Зенона Элейского, с современной концепцией фрак-тальности и фрактальных множеств. Развиваемое с 1875 года понятие фрактальности в работах Фату, Жю-лиа, Пуанкаре, Хаусдорфа, Безиковича, приобрело современный смысл в монографии 1977 года Бенуа Ман-дельброта «The Fractal Geometry of Nature». Как и философские точки зрения Анаксагора и Парменида — Зенона претендовали на всеобщую целостность и единство мира, так и фрактальность претендует на всеобщность, единство и целостность любых возможных систем — естественных и гуманитарных.
Сам Мандельброт так определил фрактал (от лат. fractus — состоящий из фрагментов): «Фракталом называется структура, состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому» или еще его же другое определение: «Фрактал — самоподобная структура, чье изображение не зависит от масштаба». Здесь отмечено одно важное свойство фракталов — самоподобие, или скейлинг, но остаются не раскрытыми многие другие свойства. Какие? Во-первых, непрерывное увеличение разрешающей способности наблюдения (приближение к структуре) позволяет обнаруживать «деталь за деталью», а не одну какую-нибудь точку, во-вторых, структуры имеют крайне запутанное, нерегулярное строение, не поддающееся классическому описанию, в-третьих, вблизи каждой детали строения есть бесконечное число других, разделенных промежутками разной длины, так что фрактал дыряв на всех масштабах рассмотрения, поэтому-то, в-четвертых, фрактальная размерность дырявой субстанции обычно дробное число, в-пятых, математически фрактал характеризуется как вырожденно-непрерывное, всюду недифферен-цируемое множество. Все отмеченные свойства могут либо частично, либо полностью принадлежать одному фрактальному множеству, но целостность фрактала проявляется в том, что какая-либо одна и та же форма встречается в структуре среды в разных его местах и имеет разные размеры. Поэтому, в физике, например, отпадает необходимость в усреднении, т. е. в стирании мелких деталей, так как во фрактальном описании учитывается самоаффинная (инвариантно неизменная, самоподобная) структура среды. В заключение отметим, что фрактальность или ее отсутствие в мире структур, вовсе не научная или философская панацея от всех проблем, ибо, как сказал английский биолог Джон Холдейя-мл., «мир устроен не только причудливей, чем мы думаем, но и причудливей, чем мы можем предполагать».
12.7. Фундаментальные концепции постнеклассического естествознания
Сформулируем основные, фундаментальные понятия постнеклассической или эволюционно-диссипативной парадигмы, развивающейся парадигмы современного естествознания. Известно, что материальное единство мира находит свое отражение и в исследованиях взаимосвязи целого и его частей. Постнеклассицизм описывает процессы, в которых целое обладает такими свойствами, которых нет у его частей, проявляется так называемое свойство эмерджентности. Новая парадигма ставит задачу отыскать единую основу организации мира, как для простейших, так и для сложных его структур.
До настоящего времени в естествознании преобладающим был подход, согласно которому часть всегда рассматривалась как более простое, чем целое. В постнекласси-цизме делается попытка описать развитие мира в соответствии с его внутренними законами развития (дао, согласно воззрениям Лао-цзы) и при этом на основании результатов всего комплекса естественных наук. Одним из наиболее фундаментальных понятий постнеклассицизма является понятие нелинейности.
Основным вопросом, который постнеклассицизм обсуждает в своих задачах, является вопрос о том, как возникает порядок из беспорядка, как в однородной, в среднем неравновесной среде, появляются вполне определенные структуры.
Основой постнеклассики служит единство явлений, моделей и методов, с которыми приходится сталкиваться при исследовании процессов «возникновение порядка из беспорядка» в химии (реакция Белоусова-Жаботинского), космологии (спиральные галактики, крупномасштабная структура Метагалактики), экологии (организация сообществ) и т. д. Примером самоорганизации в гидродинамике служит образование в подогреваемой жидкости (начиная с некоторых градиентов температуры) шестиугольных «медовых» ячеек Бенара или возникновения тороидальных вихрей (вихрей Тейлора) между вращающимися цилиндрами.
Постнеклассическая парадигма наделена необычными идеями и представлениями.
Во-первых, становится очевидным, что сложноорганизованным системам нельзя навязывать пути их развития. Скорее необходимо понять, как способствовать их собственным тенденциям развития, как выводить системы на эти пути.
Во-вторых, она демонстрирует нам, каким образом и почему хаос может выступать в качестве созидающего начала, конструктивного механизма эволюции, как из хаоса собственными силами может развиться новая организация, возникать новая структура.
В-третьих, новая парадигма свидетельствует о том, что для сложных систем, как правило, существует несколько альтернативных путей развития. Несмотря на то, что путей эволюции много, но с выбором конкретного дальнейшего пути развития в точке ветвления (точке бифуркации), выбора возникающего при достижении определенных стадий эволюции, она проявляет себе как некая предопределенность, предзаданность, преддетерминирован-ность развертывания процесса. Настоящее состояние системы определяется не только ее прошлым, но и строится, формируется из будущего (!), в соответствии с грядущим порядком.
В-четвертых, постнеклассика открывает новые принципы суперпозиции, сборки сложного эволюционного целого из частей, построение сложных развивающихся структур из структур простых. Но объединение простых структур не сводится к их простому сложению: имеет место перекрытие областей локализации структур с дефектом энергии. Целое уже не равно сумме частей — проявляется то, что принято называть эмерджентностью. Вообще говоря, оно не больше и не меньше суммы частей, оно качественное иное. Появляется и новый принцип временного согласования частей (сосуществование структур разного возраста в одном темпоритме (времени)).
В-пятых, она дает знание о том, как надлежащим образом оперировать со сложными системами и как эффективно управлять ими. Оказывается, главное — не сила, а правильная топологическая конфигурация, архитектура воздействия на сложную систему (среду).
В-шестых, постнеклассика раскрывает закономерности и условия протекания быстрых, лавинообразных процессов и процессов нелинейного, самостимулирующего роста. Важно понять и знать, как можно инициировать такого рода процессы в открытых нелинейных средах, например, в среде экономической, социальной, в любой иной, и какие существуют требования, позволяющие избежать вероятностного распада сложных структур вблизи моментов максимального развития.
Модели постнеклассицизма — это модели нелинейных неравновесных систем, подвергающихся действию флуктуации. В момент перехода упорядоченная и неупорядоченная фазы отличаются друг от друга столь мало, что именно флуктуации переводят одну фазу в другую. Если в системе возможно несколько устойчивых состояний, то флуктуации отбирают лишь одну из них. При анализе сложных систем, например в биологии или экологии, синергетика исследует простейшие основные модели, позволяющие понять и выделить наиболее существенные механизмы «организации порядка» (избирательную неустойчивость, вероятностный отбор, конкуренцию или синхронизацию подсистем и другие).
Большинство изучаемых природных и гуманитарных систем — физических, биологических, химических, экологических и т. д. — как ранее отмечалось, диссипативные, т. е. поглощающие и растрачивающие (рассеивающие) энергию. Общность нелинейных процессов в открытых диссипативных системах, которая и стала основой постнеклассицизма, приводит к тому, что появляется возможность описывать явление из самых разных областей с помощью близких математических моделей.
Подытоживая проведенный краткий анализ фундаментальных основ нового видения мира, мира синергетичес-кого, диссипативно-структурированного, можно привести те ключевые положения, раскрывающие их сущность, которые указал Герман Хакен, родоначальник этого научного направления, в интервью по случаю 30-летия синергетики (в 1999 году):
? Исследуемые системы состоят из нескольких или многих, одинаковых или разнородных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом.
? Эти системы являются нелинейными.
? При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия.
? Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям.
? Системы могут стать нестабильными.
? Происходят качественные изменения.
? В этих системах обнаруживаются эмерджентные (внезапно возникающие) новые качества.
? Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры.
? Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими.
Во многих случаях возможна математизация.
С нашей точки зрения, среди основных положений синергетики должно быть место для пространственно-временной необратимости, признака как живой, так и неживой природы, необратимости, которой нет в классических науках.
Синерго-диссипативное познание имеет новый образ, новую парадигму, которую несет в себе современная наука, вступившая в принципиально новый «пост-неклассический», «бифуркационный» (называют и так) этап своего развития. Пока сам термин «постнеклассическое познание» носит условный смысл, так как все еще происходит становление науки с не принятым еще конкретным названием. В синергетике Хакена, равно как в теории диссипативных структур Пригожина, в теории катастроф Тома-Арнольда, как новых междисциплинарных (и даже трансдисциплинарных) научных направлениях, сфокусированы главные, ключевые особенности парадигмы постнеклассической науки, обусловленные, прежде всего, присущей ей нелинейным стилем мышления, плюрализмом, неоднозначностью теоретических представлений и формулировок, наконец, — новым пониманием роли хаоса в мироздании, как его необходимого конструктивного начала, необходимого созидательного момента общей картины становящейся, самоорганизующейся реальности. Необходимо усвоить не только нелинейное мышление, но главное — в контексте поснеклассического познания понять, что «порядок и беспорядок представляются не как противоположности, а как-то, что неотделимо друг от друга» (И. Пригожин).
Мир синергетики, катастроф и диссипативных структур — это мир, в котором жизнь и человек существуют не случайно, и в котором антропный принцип (см. главу 7) выступает в качестве фактически центрального интегрального принципа самоорганизации.
Жизнь и человек не случайны потому, что в этом мире есть место хаосу — этому универсальному «клею» эволюции, хаосу — особому чувствительному состоянию системы к самым слабым флуктуациям. Открытие хаоса в современном научном естествознании — это открытие временного горизонта принципиальной непредсказуемости многих будущих событий.
Получает новое видение, новый смысл антропный принцип, суть которого американские физики Барроу и Тип-лер сформулировали примерно так: эволюционирующая, становящаяся Вселенная — это самонаблюдающая, самоизмеряющая, самовычисляющая Вселенная, в которой существует внешний, находящийся вне времени и пространства наблюдатель — законодатель для всех происходящих в нашем мире событий.
Однако наше осознание занять в постнеклассичес-ких исследованиях атемпоральную (вневременную) точку зрения только еще начинает возникать, нам сильно мешает не только ньютоново-картезианская и лапласо-во-детерминистская классическая парадигмы, но и весь научный язык, и многое другое, связанное с особенностями развития западной культуры, западной цивилизации, порожденной древнегреческой натурфилософией и естествознанием. Проблемы науки оказывается в самом человеке, в сопряженности его внешнего и внутреннего опыта, в его месте и роли в сложноорганизо-ванном природном мире (параграф о философии и моделях науки 1.5).
Это позволяет говорить о постнеклассике нескольких уровней. Постнеклассика первого уровня — это наука наблюдаемых систем, постнеклассика второго уровня — это наука наблюдающих систем, находящихся в отношении дополнительности (по Бору) друг к другу. Возникающий диалог между ними, через посредство ряда основополагающих принципов, ведет к концепции общего пост-неклассического гиперпространства становящегося бытия и его познания. Осмысление (или точнее — освоение) этого гиперпространства с необходимостью ведет к постнеклассике третьего уровня — постнеклассике человека, со своим внутренним языковым пространством исследовательского поиска подлинно личностных и эволюционных оснований человеческого бытия.
Подытожим общее знание о космосе, жизни и природе: все существующие научные данные и обобщения говорят нам, что наш мир — это мир направленно эволюционирующий. Направление эволюции задано процессом рассеяния первоначально чрезвычайно сконцентрированной энергии. В процессе этого рассеяния в результате гравитационных и гидродинамических неустойчивостей возникают разнообразные структуры возрастающей сложности. Эти структуры представляют собой диссипативные динамические системы, устойчивость которых поддерживается тем же потоком рассеяния энергии. Теоретические прогнозы говорят, что такой процесс усложнения должен будет смениться упрощением, когда поток рассеяния станет недостаточным для поддержания всей сложной иерархии диссипативных структур. Однако сейчас локальное усложнение структур в отдельных частях Вселенной — это основной, определяющий эволюцию процесс. И таким он останется еще многие миллиарды, а возможно, и десятки миллиардов лет.
Можно отметить такую закономерность: возникающие по мере эволюции Вселенной более сложные структуры все более локальны, занимают меньший объем и связаны со все меньшими потоками энергии. Системы звезд, галактик и их скоплений включают в себя все вещество Вселенной и связаны с потоком рассеяния энергии Большого взрыва; звезды и планетные системы связаны с потоком энергии, рассеиваемой звездой; сложная структура планет «земной группы» возникает лишь в планетах, составляющих по массе намного меньше одного процента от массы всех звезд и планет и связана с потоком энергии, рассеиваемой планетой; наконец, жизнь покрывает тонкой пленкой лишь поверхность некоторых, а, может быть, всего одной планеты земной группы и обеспечивается энергией медленных химических реакций, преобразующих часть попадающей на планету энергии излучения центральной звезды — Солнца.
Существующие структуры образуют иерархию по масштабам и сложности и обладают устойчивостью в определенном диапазоне условий существования, которые непрерывно меняются. При достаточно сильном изменении условий эта устойчивость нарушается и возникают новые типы структур. Механизм возникновения новых структур можно назвать диссипативным, а можно и бифуркационным. В этот процесс включается элемент случайности. В точке бифуркации потерявшая устойчивость структура может перейти в одно из нескольких одинаково вероятных состояний, где снова возникает устойчивость и этап детерминированной эволюции. Выбор системой дальнейшего пути в точке бифуркации определяется случаем.
Такой бифуркационной перестройкой стало на Земле возникновение жизни и образование биосферы. Надо подчеркнуть, что биосфера должна была возникнуть сразу как целое, как сбалансированная система, обеспечивающая свою устойчивость благодаря замкнутым циклам преобразования вещества, и можно предполагать, что для Природы реализовавшийся у нас вариант в то далекое время был не единственным возможным. Усложнение структур — процесс закономерный, но то что возникла именно жизнь, такая какой мы ее видим, определил случай.
Биологическая система — биосфера — в процессе своей эволюции попадала на точки бифуркации меньшего ранга не раз. Наболее фундаментальных этапов перестройки биосферы можно выделить два. Первый имел место примерно два миллиарда лет назад, когда появилась кисдородная атмосфера и аэробная жизнь. При этом изменились не только потенциальные возможности жизни и темп ее эволюции, но и вся географическая оболочка и геологическая среда верхней части земной коры.
Второй такой же по значимости (а может быть, и более значимый, равнозначный появлению жизни) этап неустойчивости мы переживаем сейчас. Он связан с появлением человека, обладающего разумом. Человек принципиально изменил характер эволюции биосферы — он начал превращать ее в ноосферу. Этот термин придумали французы Леруа и Тейяр де Шарден в начале XX века, но современный смысл ему придал великий русский ученый В. И. Вернадский. В ноосфере фактором, определяющим развитие структуры, становится разум. Он меняет коренным образом структуру географической оболочки и темпы эволюции. Сейчас мы стоим на точке бифуркации — состояние биосферы неустойчиво, человек ломает, преобразовывает сбалансированные структуры и каково будет новое устойчивое состояние — возникнет ли стабильная ноосфера, как она будет выглядеть будет ли это искусственная техносфера, или что-то другое, или разум уничтожит сам себя и развитие биосферы пойдет совсем иным путем — пока можно строить только предположения. Ясно одно: никакая простая экстраполяция тенденций предшествовавшего развития не поможет нам сделать прогноз и разработать стратегию выживания. Ноосферу будет создавать разум, и только изучение самых общих законов мироздания и познание самого себя может ему в этом помочь.
В заключение параграфа укажем ключевые слова текущего постнеклассического (эволюционно-диссипативного или бифуркационного) этапа науки: диссипативные структуры, синергетика, жизнь, автопоэз, космогенез, глобальный эволюционизм, антропный принцип.
12.8. К проблеме постнеклассического межкультурного диалога естественных и гуманитарных наукПочти пятьдесят последних лет (начиная со знаменитой лекции «Две культуры и научная революция» английского писателя Чарлза Сноу в Кембридже в 1959 г.) длится диалог между гуманитариями и естественниками под знаком, если не возможного объединения, то хотя бы проблесков понимания между естественнонаучной и гуманитарной культурами. Сноу боялся тогда, что гуманитарные науки погубят естествознание, хотя в его время опасаться этого не приходилось. (Несколько позднее советский академик, физик Е. Фейнберг дал совершенно симметричный Ч. Сноу ответ, опубликовав книгу «Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке»). По большей части «физики», а не «лирики» прилагали усилия и до этого года и после него, по сближению разнесенных на полюса человеческой природой двух почти несовместимых, но сосуществующих культур.
Какие задачи и проблемы интересовали «физиков», можно понять, прочитав отрывок из авторского предисловия к книге «Законы природы» Р. Пайерлса, концептуально не утративший нисколько актуальности и сегодня, в начале XXI в.: «...В наши дни преобладания специального образования можно услышать о типе ученого или инженера, духовные интересы которого ограничены узкой областью, и в чьем образовании полностью пренебре-галось общечеловеческими ценностями, включая искусство и гуманитарные науки... Однако я уверен, что существует также другая крайность, именно человек, чье воспитание ограничивалось искусством и гуманитарными науками и чьи интересы далеки от естественных наук.
Действительно, найдется достаточно много педагогов, считающих, что естественные науки не имеют большого воспитательного значения. В своих намерениях увеличить объем знаний, сообщаемых студентам на гуманитарных факультетах, они ограничиваются стремлением включить такие предметы, как историю науки, философию науки, считая их изучение делом более респектабельным, чем изучение самих естественных наук... Я не верю, чтобы изучение их было полезным, если студенты не понимают основ самих естественных наук. Это напоминает попытки преподавать историю искусства человеку, который никогда не видел ни одной картины, или теорию музыки глухому».
Ключевым понятием в диалоге культур практически на всех этапах было и остается пока понятие эволюция. Термин эволюция происходит от лат. evolvere, что означает развертываться, раскрываться (если, конечно, есть чему-то готовому, наличествующему, как мы понимаем, а не возникающему вдруг, развертываться, раскрываться!). В попытках найти взаимоприемлемые универсальные подходы для диалога культур философы, биологи, физики, математики, социологи и др. ученые прошли несколько этапов — эволюционно-прогрессивный (Дарвин, Спенсер), эволюционно-энтропийно-катастрофический (Кювье, Клаузиус), эволюционно-космологический (Эйнштейн, Фридман, Лемэтр, Гамов), эволюционно-синергетический (Хакен), диссипативно-самоорганизующийся (Пригожин, ав-топоэз Матураны-Варелы), в последнюю четверть века — фрактально-скейлинговый (самоподобный) (Мандельброт),
Так вот, уже в XIX столетии, Герберт Спенсер, сразу вслед за Дарвиным, развивая механистическое учение о всеобщей эволюции, во-первых, указал на связь эволюционных процессов, протекающих в живой природе, и процессов, протекающих в обществе. Его тезис состоял в утверждении, что анализ эволюционного процесса должен дать полное описание и объяснение природы человека, его поведения и общественного сознания. Он ратовал, и это во-первых, за новые принципы эволюционирующей природы — «неустойчивость однородного», «дифференцирующая сила — творец организации» и т. д. Практически в те же годы, во-вторых, возникает и укрепляется эволюционно-катастрофическая парадигма в термодинамике Кла-узиуса: мир, как единое целое, неуклонно деградирует с ростом энтропии от максимальной организации к абсолютному хаосу (ужасающая всех тепловая смерть), и в биологии видов Кювье: образование новых живых форм принципиально исключено, и их разнообразие исторически сокращалось из-за космических, планетарных и геологических катаклизмов. Создалась ситуация, которую Илья Пригожин охарактеризовал такими словами: «Должны ли мы заключить,.. что Клаузиус и Дарвин не могут быть оба правы» или нам необходимо вместе с Гербертом Спенсером ввести новый принцип природы, например «неустойчивость однородного». (Сам же Пригожин, разрубив этот «гордиев узел», пришел к идее созидательного катастрофизма, через образование новых структур на основе принципа производства минимума энтропии, к теории диссипативных структурах, но это произошло много позже, уже фактически в наше время, а точнее, во второй половине XX века.)
Новый виток эволюционной парадигмы породили, в-третьих, космология, в начале прошлого века, с ее предсказанием расширения Вселенной в результате «большого взрыва», и внедренной на этой основе идеи историзма в естественные науки на всех эволюционных стадиях процессов мира. В-четвертых, этому способствовали синергетика и теория диссипативных структур, появившиеся на рубеже последней четверти ушедшего века, поскольку выявили механизмы самоорганизации, посредством которых открытые (наиболее общий универсальный вариант систем) природные системы способны спонтанно удаляться от равновесия и стабильно сохранять возникшее неравновесие с внешней средой. Немедленно модели самоорганизации оказались в центре внимания едва ли не всех наук и «овладели массами».
Вскоре обнаружилось, что социальная (включая духовную), биологическая, геологическая и космическая etc истории представляют собой стадии единого эволюционного вселенского процесса и знаменуют собой даже не неклассическое (полевое и квантовое) естествознание, а вновь народившееся постнеклассическое естествознание. Его характерный признак — движение по эволюционному пути от состояний более вероятных (с энтропийных позиций) к состояниям менее вероятным, или иначе сказать — «удаление от естества». Такой вывод — не более чем «эмпирическое обобщение» (которое, по Владимиру Вернадскому, «опирается на факты, индуктивным путем собранные, не выходя за их пределы и не заботясь о согласии или несогласии полученного вывода с другими существующими представлениями о природе...»), требующее теоретического объяснения столь удивительной направленности эволюционных процессов (и следует при этом помнить слова античного мудреца Агафона (ок. 448 — ок. 405): «Весьма вероятно наступление невероятного»).
И такое теоретическое объяснение, и это, в-пятых, последовало (см. п. 11.9). Но для более глубокого понимания новой гипотезы об эволюционных стадиях Вселенной, необходимо вспомнить понятие фронтальности и рассмотреть связанное с ним понятие сетевых структур природы и общества.
Как мы уже отмечали в п. 12.6, открытие фрактально-сти подготавливалось в течение почти 150 лет и свершилось в виде так называемой фрактальной геометрии в 1977 году благодаря бельгийскому математику Бенуа Мандельброту. Эта фрактальная геометрия оказалась геометрией негладких, шероховатых, шершавых, зазубренных, изъеденных «кротовыми» ходами и отверстиями пространственных объектов (описываемых, с математической точки зрения, недифференцируемыми функциями, тогда как классическая и неклассическая физика — дифференцируемыми функциями, отчего законы указанной физики сами гладкие, непрерывные, что вообще является общим, достаточно грубым приближением). Эта новая геометрия, оперирующая понятием фрактала, который, согласно Мандельброту, «называется структура (курсив наш. — Авт.), состоящая из частей, которые в каком-то смысле подобны целому», с большей точностью (чем Евклидова, Лобачевского или Римана геометрии) описывает природные и не только природные, образования мира: облака, горы, турбулентные течения, береговые линии, дельты рек, их притоки, корни, ветки деревьев, легкие животных, кровеносную и нервную системы, поверхность коры головного мозга, его нейронную структуру, ДНК и РНК молекулы и т. д. и т. п.
Понятно, что фрактальность, и как идея, и как мыслимая и познаваемая на опыте сущность, является прямым следствием идей античных философских воззрений Анаксагора, Парменида и Зенона о единстве бытия и его целостности, поскольку каждая из них претендует на всеобщность и единство любых возможных структурных систем — естественных (природных) и гуманитарных. Поиски целостности «во всем» — задача как философская, так и естественнонаучная. Здесь мы хотим показать, что понятие фрактальности позволяют перейти на уровень количественного описания и на этой основе дать новое как качественное, так и количественное осмысление явлений и событий природы и общества.
Прежде надо убедиться, что гуманитарные системы и структуры могут быть охарактеризованы одинаковым набором характеристик. Для природных структур характерным является, как мы видели, разветвленность, сеть бифуркаций (буквально, ветвлений). Это же характерно для генеалогического древа, например, вашей семьи, которое обязательно окажется многомерным, с непредсказуемым числом точек пересечений, вряд ли поддающимся изображению даже в данном нам трехмерном пространстве. А если таким же образом начать связывать события, происшедшие в прошлом и происходящие в настоящем, разнесенные в пространстве — какой или какими характеристиками описывать эти многообразия? Число подобных примеров и событий нашей естественной и гуманитарной жизни можно множить и множить, если не принять сразу, что она такова по самой своей сути.
Что дает или может дать понятие фрактальности в познании, например, биологических структур? Ясно, что любая биологическая структура — прежде всего живое вещество, к которому неприложимы обычные физические законы, хотя физики, начиная с Эрвина Шредингера, основателя квантовой парадигмы микромира, наряду с Максом Планком, пытаются смотреть на проблему жизни именно с физических позиций. Подобное заблуждение не дало и не даст, по понятным причинам, позитивного результата. Это происходило и происходит потому, что живая, жизненная структура, фрактальная по своей сущности, не подчинена непрерывным, гладким физическим процессам и процедурам, происходящим в ней. Прежде всего, она управляется иначе, чем простые безжизненные структуры — она управляется особенными ценностными информационными потоками в соответствии с процедурами самоорганизации, являя собой целостный комплекс (паттерн, как его называет Ф. Капра в книге «Паутина жизни»), борющийся за свое выживание посредством негэнт-ропийного выброса переработанной и потому обесцененной (низкокачественной) энергии (см. главу 11).
Не будет большого откровения заявить, что на это способны только фрактально организованные, самоуправляющиеся структуры, какими являются все биологические организмы. Особую роль при этом играют процессы взаимоотношения фрактальных частей, взаимодействия между структурными элементами целостного комплекса, совершаемыми по некоторым новым, пока еще не открытым законам. Но определенный успех уже есть, если в качестве комплекса взять всю историю Вселенной, обратившись к обобщенной картине эволюционных процессов в ней, от «большого взрыва» (Big Bang) до современности, в версии так называемой Мега-истории (см. п. 11.9). Проведенный профессиональными историками анализ давал лишь качественную картину прошлого и будущего развертывания процессов вселенского, галактического, сидерического и планетарного масштабов (которые, кстати, предвидел русский философ и драматург Александр Сухово-Кобылин еще в конце XIX столетия в своей «философии Всемира»), тогда как физику А. Д. Панову удалось установить количественные закономерности в последовательности качественных скачков (революций, бифуркаций, цивилизационных переходов) эволюции природы и общества на протяжении многих миллиардов лет!
Поскольку сегодня известны многочисленные специфические исследования эволюции конкретных сущностей, то мы располагаем некоторыми базовыми представлениями об эволюции как о фундаментальном и универсальном процессе. Их наличие создает условия для ведения интересующего нас междисциплинарного дискурса.
Таких фундаментальных свойств (универсалий) можно выделить несколько, некоторые из них уже были упомянуты, о других скажем сейчас.
Исторически первой универсалией является знаменитая «геккель-дарвинская триада»: изменчивость — стохас-тичность (непредсказуемая случайность) и неопределенность, органически присущие природе; наследственность — зависимость настоящего и будущего от прошлого; отбор — система правил или законов, отбирающая из множества виртуальных состояний реальные состояния.
Среди новых универсалий прежде всего следует указать, что природные, как правило, большие системы, по изначальной своей сущности обладают в своем развитии принципиальной пространственно-временной необратимостью или, если угодно, «пространственно-временной стрелой», но не просто «стрелой времени» Эддингтона. Тогда второе из выделяемых нами фундаментальных свойств всех открытых больших систем — их пространственно-временная необратимость. Данное заключение основывается на общепризнанной сущности эйнштейновой относительности: все природные явления совершаются в едином 4-мерном пространстве-времени или в мире Минковского. В отношении гуманитарных систем следует говорить об их свойстве историчности, что представляет собой своеобразный гуманитарный аналог пространственно-временной необратимости природных систем. Таким образом, принципиальное следствие обоих аналогов этого свойства состоит в том, что как природные, так и гуманитарные открытые системы обладают прошлым, и, находясь в настоящем в каждый текущий момент времени, затем будут обладать будущим. Данная пространственно-временная (историческая) последовательность событий в силу природной абсолютности необратима, т. е. не может быть изменена какими-либо научными ухищрениями, как писал об этом М. К. Мамардашвили.
Предположение о следующем свойстве систем делается на основе надежно установленных в синергетике, как, впрочем, и в стохастической динамике, фактов, а именно, основывается на том, что динамика развития систем зависит от их состояния. Более того, будущие состояния систем находятся вне возможностей контроля и предсказания, они открыты и неоднозначны. Все это в полной мере характеризует системы как нелинейные, так что третье фундаментальное свойство систем — нелинейность, которое, кстати, обладает тоже пространственно-временными атрибутами. В физике это подтверждают нелинейные теория электромагнитного поля Максвелла, теория тяготения Эйнштейна, теория сверхпроводимости, спинорная теория элементарных частиц Гейзенберга-Иваненко, явление Бенара; в химии — автокаталитическая реакция Белоусова-Жаботин-ского и многое другое в биологии, медицине, экологии.
Еще одно фундаментальное свойство систем порождается тем, что называется синергией. Синергия в прямом значении этого греческого слова понимается как кооперативное, совместное действие. Но более полно и точно синергия в современном осмыслении обозначает целостное, неразделимое, функциональное единение когерентных (родственных) по сущности составляющих систему элементов. Таким образом, четвертое фундаментальное свойство эволюционирующих самоорганизующихся систем — когерентность.
Следующее, пятое, свойство систем — свойство диссипативности или открытости, обуславливает самопроизвольное (спонтанное) образование некоторых упорядоченных пространственных или временных структур в ходе неравновесного обменного процесса веществом и энергией с окружающей внешней средой. Шредингер, исследуя проблему возникновения жизни, красочно охарактеризовал эту ситуацию как «добывание упорядоченности из окружающей среды». Это свойство диссипативности, неразрывно связанное с неравновесностью состояния, следует распространить и на открытые гуманитарные системы, упорядоченность в которых может возрастать как в результате взаимодействия когерентных элементов внутри самой системы, так и в результате взаимодействия с другими гуманитарными системами.
Самоорганизация в системе связана с формированием структуры более сложной, чем первоначальная. Такой переход ведет к понижению симметрии. «Порядок есть нарушение симметрии» — вот образное выражение этой ситуации. Действительно, пустое пространство, например, в высшей степени симметрично — все его точки и направления эквивалентны (пространство однородно и изотропно). Порождение структуры, например, в виде гексагональных «медовых» ячеек Бенара, понижает симметрию и изменяет состояние системы. Более того, возникновение новых симметрий состояний системы или диссипативных структур (название, как уже упоминалось, дано Приго-жиным) носит пороговый характер и связывается с неустойчивостью к флуктуациям. Уместно при этом воспользоваться понятием спонтанного нарушения симметрии в системе, впервые введенного в физике элементарных частиц. С математической точки зрения, неустойчивость и пороговый характер самоорганизации связаны с нелинейностью. Потеря системой устойчивости, ведущей к новой симметрии и, следовательно, к новой структуре самоорганизации, называется катастрофой. Более точно, катастрофа — это скачкообразное изменение, возникающее в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий. В математике этот круг вопросов изучается теорией катастроф Тома-Арнольда. Таким образом, предрасположенность системы к спонтанному нарушению симметрии можно объяснить новым, шестым, свойством систем — катастрофичностью.
При отмеченных выше нарушениях симметрии в системе остаются неявные следы этого нарушения, своеобразная «память* о прошлом, распространяющаяся в виде волн. Наиболее тривиальный пример — упругие волны в твердом теле, которые можно трактовать как «память» о нарушении трансляционной инвариантности (симметрии) последнего. Так, если в кристалле его первый атом занял какое-то место, то остальные атомы должны располагаться эквидистантно (на одинаковых друг от друга расстояниях) в узлах решетки. Если внешняя по отношению к кристаллу сила нарушает установившийся порядок, по кристаллу начинают распространяться упругие волны. В итоге после распространения волны (возмущения) в системе возникает новая структура. Так мы приходим к понятию информации в материальной системе. Действительно, поскольку существование материи мыслится только в пространстве и времени, самосущность материи в пространстве есть ее структура, а самосущность ее во времени есть движение материи (и это основной предмет исследования в физике и химии), то изменяющаяся структура, или структура в движении, и есть информация. Здесь очевидно, что функцию носителя информации взяла на себя структура, без которой информация бессмысленна, ибо она не существует вне материи (как и материя вне информации). Это свойство, уже седьмое, рассматриваемых систем можно назвать свойством организующей информационности (или, может быть, свойством организованной информации).
Итак, суть новой обсуждаемой постнеклассической (иногда говорят, посткризисной) эволюционной парадигмы состоит в том, что в современной науке (без разделения на естественные и гуманитарные) акцент в исследованиях переносится на изучение состояний необратимости, неустойчивости, нелинейности, открытости, неравновесности, упорядоченности, симметрии, механизмов рождения и перестройки структур, самоорганизации, роли случайности и конструктивной роли хаоса, природы катастрофических революционных изменений в системах, механизмов альтернативного — исторического их развития.
То, что было указано и рассмотрено выше, далеко не все, чем располагает арсенал современного естествознания и его концептуально-понятийный аппарат, прошедший ес-тественноисторическую тренировку. Естественнонаучные реалии начавшегося тысячелетия наиболее полно состоят в том, что совсем недавно возникли и начинают господствовать новые научно-исследовательские программы (Ла-катос) и научные парадигмы (Кун). К ним, помимо уже упомянутых таких программ и парадигм, как синергизм и принцип подчинения (Хакен), диссипативные структуры (Пригожин), самоупорядоченность и самоорганизация (Бенар, Тейлор, Богданов, Белоусов, Жаботинский, Пригожин), автопоэз (Матурана и Варела), следует добавить новые: информация (Винер, Эшби, Шеннон) и информационная ценность (Бонгарт, Харкевич, Стратонович), распознавание образов (Бонгарт, Кронрод, Кунин, Гельфанд), симбиоз (Маргулис) и глобальный эволюционизм (Моисеев), матричные модели порождения жизни (Кольцов, Бернал, Медников, Костецкий, Голубев, Раменская, Нисбет, Дайсон, Галимов), РНК-мир (Чех, Джойс), фракталы (Жулиа, Кох, Кантор, Серпинский, Ричардсон, Ман-дельброт) и фрактальная размерность (Хаусдорф, Бези-кович, Колмогоров), временная и пространственно-временная геологическая необратимость (стрелы времени Эддингтона, Вернадского, Пригожина), обычные и странные аттракторы (Пуанкаре, Эдуард Лоренц), черные дыры (Лаплас, Снайдер, Оппенгеймер, Хокинг, Пенроуз,) (все последние структуры — аттракторы и черные дыры, как особые центры притяжения), бифуркации (центры ветвления), древесные структуры и мозаики (Пуанкаре, Кейли, Пенроуз), катастрофа (она же сборка по Тому и Арнольду), а также такие понятия и категории, как сингулярность, динамический или детерминированный хаос, суперструны (в физике высоких энергий), темная масса и темная энергия (невидимые и пока ненаблюдаемые субстанции космоса) т. д. и т. п. Донести и усвоить все это — задача «архисложная», как часто говорил наш «октябрьский» вождь, как для тех, кто стоит за университетской кафедрой, так и для тех, кто сидит перед ней.
Многие ученые, рассматривая сложившуюся ситуацию с позиций меж- и трансдисциплинарности, убеждены, что мы, во-первых находимся на пороге новой целостности (холизма) расчлененного западноевропейской наукой мира, на пороге новой научно-исследовательской холист-ской программы. Исключительно важно с позиций заявленной проблемы, во-вторых, то, что многие из упомянутых концептуальных понятий, категорий, парадигм были до недавнего времени исключительно в обиходе, в основном, гуманитарного образа мышления, в настоящий момент приобретают иное, универсальное звучание. Например, гуманитарии всегда гордились своей непредсказуемостью и тем, что элементы случайности имеют очень важное значение в развитии их исследований. Благодаря познанию, хаоса теперь и естественники получили право на непредсказуемость, рассматривая влияние флуктуаций на поведение системы в точке бифуркации. Сейчас и историки и многие другие используют это понятие. Нельзя не видеть, что в современную эпоху создаются условия для возникновения некоего единого универсального метаязыка естественных и гуманитарных наук, языка их транскультурного диалога.
Резюме
Важным аспектом совершенствования методологии познания является всесторонний анализ проблемного поля современной науки. До сегодняшних дней господствующая научная картина мира по существу распадалась на три части (неорганическую, органическую и социальную), в которой процессы самодвижения, самоорганизации имели место, но с точки зрения глобального (магистрального) эволюционизма они не были объединены.
Многие понятия теории самоорганизации стали переосмысливаться в новой единой картине мира, в которой магистральная эволюция непротиворечивым образом объединяла и то, как материя движется, и то, как она мыслит.
Абстрактная формулировка идеи глобального эволюционизма (от Аристотеля до Пригожина и Моисеева) сменилась на научно оформленную, в результате ассимиляции этой идеи физикой (эволюционирующие космогонические модели Вселенной, развитие необратимых термодинамических процессов), химией (автокаталитические системы типа Белоусова-Жаботинского, элементарные каталитические системы А. Руденко), биологией (биогенез, синтетическая теория эволюции, несводимость макроэволюции к микроэволюционным изменениям), социологией (тек-тология А. Богданова) и др.
В рамках синергетического (Хакен) и диссипативно-струк-турного (Пригожин) подходов самоорганизация определяется как одна из форм организации материи. При этом определяются, с одной стороны, равновесные формы организации, отличающиеся от самоорганизации, а с другой — под «крышей» синергетического подхода объединяются в особый класс — динамический, физические, химические и биологические структуры, которые ранее принципиально не сводились вместе.
Самоорганизация — это процесс, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы. Процессы самоорганизации встречаются в системах высокого уровня сложности, обладающих большим количеством элементов, связи между которыми имеют нежесткий характер. Эти процессы происходят путем перестройки существующих и организации новых связей между элементами системы, т. е. синергетически, корпоративно.
Синергетическое познание самоорганизации и эволюции имеет новый образ, новую парадигму, которую несет в себе современная наука, вступающая в принципиально новый «пост-неклассический», «бифуркационный» этап своего развития. Пока сам термин «синергетическое познание» носит условный смысл, так как происходит становление науки с не принятым еще всеми названием. В синергетике, и равно как в «теории диссипативных структур» Пригожина как новых междисциплинарных направлениях, сфокусированы главные, ключевые особенности парадигмы постнеклассической науки, обусловленные, прежде всего, присущим ей нелинейным стилем мышления, плюрализмом, неоднозначностью теоретических представлений и формулировок, наконец — новым пониманием роли хаоса в мироздании, как его необходимого конструктивного начала, необходимый созидательный момент общей картины становящейся, самоорганизующейся реальности. Необходимо усвоить не только нелинейное мышление, но главное — в контексте синергетического познания понять, что «порядок и беспорядок представляются не как противоположности, а как то, что неотделимо друг от друга» (И. Пригожин). Эволюционные идеи в разных науках развивались изолированно друг от друга до появления объединяющей их всех концепции глобального эволюционизма.
В концепции глобального эволюционизма подчеркивается важнейшая закономерность — направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации, в которой все предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития. Также в этой концепции важны идеи отбора и подробно рассмотрен антропный принцип. Согласно этому принципу, существует некоторый тип универсальных системных связей, определяющих целостный характер существования и развития нашей Вселенной, нашего мира как определенного системно организованного фрагмента бесконечно многообразной материальной природы. Ключевые слова текущего постнеклассического (эволюционно-диссипативно-го) этапа науки: диссипативные структуры, синергетика, жизнь, автопоэз, космогенез, глобальный эволюционизм, антропный принцип.
13. Математика и естественнонаучная реальность мира
13.1. Математизация как принцип целостности естествознания
Постоянно углубляющаяся математизация всех разделов естественных наук, и особенно физики — лидера естествознания всех научных веков, одна из важнейших культурных особенностей цивилизации, без которой просто нельзя представить себе современное естествознание. Введение в естествознание новых, все более абстрактных математических дисциплин — единственный пока что способ придать вновь открываемым и уже известным законам природы достаточно универсальный, всеобщий характер.
Наиболее полная и последовательная математизация в естествознании была впервые осуществлена в физике (точнее, в механике) Ньютоном. Чтобы сформулировать полную систему законов механического движения, Ньютону (и независимо от него Лейбницу) пришлось создать новый раздел математики — дифференциальное и интегральное исчисление.
Триумф ньютоновой механики в точном, однозначном объяснении множества экспериментальных данных астрономии, инженерного дела, баллистики и т. п. (после чего и появилось понятие о точных науках). Это стало предпосылкой появления концепции механистического естествознания, как исторически первой программы установления теоретического единства механистической науки (путем сведения всех ее явлений к простым, сложным или специфическим механическим перемещениям).
В начале XX века еще более грандиозную, чем Ньютон, математизацию физики совершил великий немецкий физик Альберт Эйнштейн.
Огромной заслугой Альберта Эйнштейна и немецкого математика Германа Минковского перед методологией физики считается то, что они, не опираясь, по существу, ни на какие новые опытные данные, а исходя только из методологического анализа основных понятий классической механики, пришли к логическому выводу о необходимости замены евклидова пространства на новое пространство. Изменение метрического типа пространства, в которое «погружены» все интересующие нас объекты, пространства, в котором разворачиваются все физические события нашего мира, является необходимым для более точного описания даже простейшего — равномерного и прямолинейного механического движения. Как известно, этот тип нового пространства получил впоследствии название псев-доэвклидова, или пространства (или мира) Минковского (см. главу 3).
Следующий шаг проведения в жизнь программы «геометризации» физики — в так называемой «общей теории относительности», был в этом плане совершенно последовательным: привлечь для характеристики гравитационных состояний физических объектов другие новые пространства. Ими оказались римановы, произвольно «искривленные», в окрестности каждой точки, локальные пространства. Здесь Эйнштейн уже во всей полноте использовал идею великих математиков XIX в. (Клиффорда в первую очередь, и Римана) о том, что наиболее общим типом изменения абстрактных математических структур физической теории является не только вариация траекторий движения материальных точек, но также и изменение метрических свойств объемлющего их пространства.
Экспериментальное подтверждение общей теории относительности вызвало к жизни в 20-е гг. прошлого века еще более фантастические надежды — «свести» и электромагнитные взаимодействия к изменениям метрики объемлющего физические объекты пространства (попытка немецкого физика Теодора Калуцы, а затем немецкого математика Феликса Клейна и др.).
Однако надежды не оправдались: природа оказалась «устроенной» гораздо более богато и разносторонне, чем это предполагали даже величайшие умы человечества. Ни самому А. Эйнштейну, ни таким его маститым последователям, как Э. Шредингер, В. Паули, Г.. Веблен, Т. Калу-ца, П. Бергман и другим, не удалось свести только к изменениям пространственной метрики ни электромагнетизм, ни тем более открытые позднее сильные (ядерные) — ме-зонные и слабые (распадные) — лептонные взаимодействия.
Нам представляется, что шаги, сделанные Эйнштейном в направлении геометризации физической науки, необратимы. Мы должны тщательно проанализировать причины неудач А. Эйнштейна и идти дальше и глубже. Ведь математизация физики XX в. значительна прежде всего тем, что в ней базовые математические структуры геометрии, алгебры и анализа стали существенными компонентами самих основных физических понятий.
Ошибка, точнее личная неудача, Эйнштейна кроется не здесь: она содержится, по мнению большинства современных исследователей, в ограничении себя рассмотрением изменения только метрических структур геометрии. Изменения пространственной метрики хорошо описывают изменения гравитационных состояний физических объектов, но ниоткуда не следует, что та же самая метрика должна нести ответственность за такие качественно весьма и весьма отличные от тяготения физические явления, как электромагнетизм или, тем более новые, взаимодействия физики элементарных частиц.
Математика квантовой теории как концептуальная база современного естествознания. Квантовая теория только потому и оказалась концептуальной базой теоретического синтеза естественнонаучных дисциплин, что такие ее понятия, как состояние, наблюдаемое, оператор и другие, «вобрали» в себя в особо «плотном» виде все наиболее существенные черты и характеристики самых различных объектов исследования физики, химии, а теперь и биологии.
Оказалось возможным, с единой точки зрения, не просто качественно описать, но и количественно, предсказательно, прогнозно, хотя и с вероятностной точностью, рассчитать процессы благодаря введению в физическую теорию принципиально новых математических структур бесконечномерного гильбертова пространства. С позиций методологии, квантовая теория для нас ныне — это не больше чем реализация эйнштейновской программы «геометризации» физики, но только не с помощью произвольно искривленных конечномерных римановых пространств, а уже с использованием не менее абстрактных и необычно «устроенных» математических объектов — бесконечномерных гильбертовых пространств.
Что же касается проблемы единства естественнонаучного знания, то действительно, огромные достижения квантовой механики в установлении концептуального синтеза теоретической физики и теоретической химии уже в 30-е годы породили очень большие иллюзии относительно простоты и легкости построения наиболее общей и единой естественнонаучной теории нашего времени. Ученые полагали, что достаточно будет более или менее точно согласовать друг с другом теорию относительности и квантовую механику — либо в форме релятивистки инвариантной записи основных квантовых уравнений, либо путем построения особой релятивисткой квантовой теории поля — и последняя автоматически окажется также и общей теорией элементарных частиц и, тем самым, столь же автоматически, осуществит наиболее глубокий синтез всех существующих физических теорий, а на их основе и всего естественнонаучного знания.
Проблема единства физики и современная математика. Надо сказать, что до сих пор вся физика была теорией локально-тривиальных расслоенных пространств определенных типов — одно из самых глубинных и «очевидных» убеждений ученых состояло в том, что, по крайней мере, локально всякую физическую величину можно определить как произведение дифференциалов других величин (например, работа — ее дифференциал, это произведение силы на дифференциал пути и т. п.). Теперь, по-видимому, в теории элементарных Частиц от этих интуитивно «очевидных» представлений придется отказаться, а вместе с ними отказаться и от очень многих «стандартных» способов построения физических теорий (с помощью лагранжианов, вариационных принципов и т. п.)
Очень ярким примером теорем типа «не ходить», убедительно демонстрирующим достаточно далеко зашедший процесс взаимной конфронтации понятийных систем в современной физике, являются теоремы Пенроуза-Хокинга об обязательном появлении во всякой физической реализации вселенных Эйнштейна-Фридмана геодезических, имеющих или начало в какой-то точке, или конец в некоторой другой точке, или то и другое вместе.
Р. Пенроуз и С. Хокинг смогли показать, что четырехмерные многообразия (СТО и ОТО), являющиеся решениями уравнений Эйнштейна в таких условиях, всегда обладают свойством геодезической неполноты, проще говоря, на них всегда возможно совершенно беспричинное и ничем не обусловленное появление (или исчезновение, или и то и другое вместе) материальных корпускул (черные и белые дыры).
Если теперь добавить к теоремам о геодезической неполноте результаты других авторов о том, что решения Эйнштейна, в общем случае, оказываются связанными с очень патологическими, в математическом плане, объектами, например, так называемыми «нехаусдорфовыми пространствами» (в которых существуют точки, которые никакими окрестностями нельзя отделить от некоторых подмножеств и в которых все пределы могут стать существенно неоднозначными), то станет ясно, что уже сейчас вполне разумно поставить вопрос о возможных последствиях и итогах таких конфронтационных ситуаций в самом общем виде: к чему все это вместе взйтое может привести в конце концов? И эта только начало современного перечня глубоких концептуальных конфликтов в естествознании.
Результатом всех предшествующих конфронтацией была своя особенная математико-концептуальная модернизация физической науки. Так, конфронтация классической механики, электродинамики и статистической физики в области учения о строении атома была разрешена в форме создания новых, квантовых понятий, немыслимых без теории гильбертовых пространств, которая была создана всего за два с половиной десятилетия до разработки квантовой механики.
Конфронтация классической электродинамики и классической механики в области оптики быстродвижущихся сред и гравитационных явлений разрешилась формированием новых понятий общей и специальной теории относительности, существенно использующих тензорные алгебру и анализ, разработанные только за три десятилетия до их использования Эйнштейном в физике. Конфронтация механики Ньютона — Галилея и нового экспериментального материала по электромагнитным явлениям завершилась выявлением существенно новых понятий физики поля, опиравшихся на разработанные совсем незадолго до этого векторный анализ и теорию уравнений в частных производных. Наконец, конфронтация программ построения теории механических движений Ньютона и Декарта разрешилась формированием системы понятий классической механики, существенно опирающихся на параллельно разрабатывавшийся Ньютоном (и независимо от него Г. Лейбницем) совершенно новый математический аппарат дифференциального и интегрального исчислений.
13.2. Математика, математическая истина и теория познания
Альберт Эйнштейн писал: «Весьма примечательно взаимоотношение теории познания и науки. Теория познания без тесного контакта с наукой становится пустой схемой; наука же без теории познания — если это вообще мыслимо — неизбежно становится примитивной и путаной».
Связь науки с теорией познания обусловлена уже тем, что наука является орудием познания. При этом сама специфика познавательной деятельности в значительной мере определяет характерные особенности науки.
Но вернемся к вопросу об отображении действительности с помощью математически предугаданных схем. Эта закономерность характерна не только для науки прошлого. Не менее актуальной она остается и для современной науки. Познание скрытых явлений и сегодня возможно только с помощью догадок — гипотез, которые затем либо находят подтверждение, либо отвергаются.
Предугадывание структуры отражаемого мира — его природы, его закономерностей, является характерной чертой процесса познания не только при исследовании внешнего, по отношению к нам, реального мира, но и при исследовании математической реальности. Разница лишь в том, что объективная физическая реальность существует сама по себе и в процессе познания предугадывается схема, моделирующая эту реальность; математическая же реальность заранее не существует — она создается человеческим разумом. Этот процесс, конечно, не может быть абсолютно независимым от реальной действительности. Он направляется и регулируется такими факторами, как прошлый опыт и требование разумности, целесообразности и непротиворечивости создаваемых конструкций. Но сами создаваемые конструкции в большинстве случаев не имеют непосредственных прообразов в реальном мире, а являются результатом творческой деятельности нашего разума. Примерами таких абстрактных построений могут служить бесконечные множества, всевозможные трансфинитные объекты, четырехмерные и даже бесконечномерные пространства и тому подобное.
В течение двух тысячелетий считалось, что геометрия Евклида является геометрией реального пространства. Поэтому мысль о какой-то другой геометрии не могла даже возникнуть. Камнем преткновения, как мы уже отмечали в главе 3, был только пятый постулат Евклида, который утверждал, что через точку, расположенную вне прямой, можно провести одну-единственную прямую, параллельную данной прямой.
Нам известно, что только в XIX в. три математика (Лобачевский, Больяи и Гаусс) почти одновременно пришли к мысли, что существует какая-то новая геометрия, в которой выполняется утверждение, противоположное пятому постулату. В этой геометрии должны были иметь место и совершенно новые закономерности, существенно отличающиеся от того, что установлено в геометрии Евклида.
Проанализируем в связи с этим понятие математической истины. Вообще истина — адекватное отражение в сознании человека явлений и процессов реальной действительности. Каждая мысль, адекватная отображаемому явлению, объекту и пр., выражает некоторую истину.
Математическая реальность — это воображаемый мир, созданный нашей интуицией, это мир, который реально не существует, или, как теперь принято говорить, существует виртуально.
Существование предметов из реальной действительности является объективным фактом, который может быть подтвержден соответствующим опытом, а существование идеальных предметов, созданных нашим воображением, является всего-навсего естественнонаучной гипотезой.
Природа абстрактных идеальных предметов такова, что они непосредственно не могут быть сопоставлены с какими-либо материальными объектами. Поэтому вопрос о соответствии математического образа чему-то, что на самом деле имеет место, не может быть поставлен, а значит, теряет смысл и обычное понятие истинности. Понятие математической истины должно быть определено как-то по-другому. Это определение сделал в 1931 г. математик и логик Альфред Тарский (1901-1983). Он обобщил понятие истины следующим образом: если в естественном языке истина означает соответствие реальной действительности, то в искусственных логико-математических языках истину следует понимать как выполнимость в соответствующей модели.
Вопрос об истинности математических утверждений свелся к вопросу о непротиворечивости соответствующей теории. Непротиворечивость математических теорий не может быть решена средствами самой этой теории (это следует из второй теоремы Геделя о неполноте арифметической системы). Поэтому непротиворечивость самой арифметики, как одной из математических дисциплин, может быть доказана только с привлечением каких-либо новых, более сильных математических средств, не содержащих в языке арифметики.
Как же обосновать истинность математических утверждений? Выход может быть один. Вместо попыток формального доказательства непротиворечивости математических теорий (как основы истинности этих теорий) должны быть найдены косвенные доводы, подтверждающие нашу веру в непротиворечивость и истинность теорий.
К этим доводам относятся:
1. Интуитивная ясность, убедительность, простота и изящество математических построений.
2. Возможность эффективного использования теории в практических приложениях (как в естественных науках, так и в самой математике).
Проблема природы математической истины и проблема непротиворечивости свелись, таким образом, к проблеме обоснования объективности математического знания. Дело свелось к практике, так как критерием объективности— критерием истинности математических утверждений в этом, более общем смысле, является общественная практика. Но практика является также и критерием полезности научного знания.
В самом деле, так как в математических теориях используются весьма абстрактные понятия, не имеющие никаких конкретных прообразов в реальном мире, то роль практики как критерия истины, как соответствия действительности, весьма незначительна. В этом случае практика принимается, прежде всего, как критерий полезности этих теорий — она становится критерием их эффективности, действенности, результативности.
К пониманию того, что этот критерий фактически устанавливает не столько истинность математических теорий, сколько их полезность, как орудий познания, пришли многие математики. Хаскелл Карри, например, в 1963 году писал: «До какой степени абсолютная надежность присуща математике? Поиск абсолютной надежности был основной мотивировкой для концепции Брауэра (основатель в математике интуиционизма. — Авт.) и Гильберта. Но нужна ли математике для своего оправдания абсолютная надежность? Зачем, скажем, нам так уж нужно быть уверенным в непротиворечивости теорий? Ведь ни к какой другой науке мы не предъявляем таких требований. В физике, например, теории всегда гипотетичны; мы принимаем теорию, коль скоро на ее основе можно сделать полезные предсказания, и видоизменяем или опровергаем ее, коль скоро этого сделать нельзя. Именно так происходит и с математическими теориями. Мы принимаем теорию, коль скоро она нам полезна, удовлетворяет некоторым условиям естественности и простоты, разумным для своего времени, и коль скоро известно, что эта теория не введет нас в заблуждение. Мы должны держать наши теории под постоянным наблюдением, чтобы видеть, что эти условия выполнены. Поскольку же оценка полезности теории зависит от ее назначения, можно для различных целей принимать по-разному построенные теории, так что интуиционистская и классическая математики могут существовать».
Об этом же в 1970 году писал русский математик, академик Александр Александров (1912-1999), который указывал, что «...математика сама по себе не может быть ни истинной, ни ложной. Математические теории — это орудия познания, и спрашивать об их истинности бессмысленно, как об истинности трактора».
Эффективность, а не истинность — вот что нужно человеку от математических теорий. Что же касается веры в особую достоверность математического знания, веры в истинность математических теорий, то это всего лишь иллюзия, порожденная, с одной стороны, эффективностью математического знания в приложениях, а с другой -интуитивным ощущением, что эти теории правильные.
Какую бы математическую теорию мы ни рассматривали, необходимое условие ее истинности, полезности, как орудия познания, заключается в том, чтобы эта теория была непротиворечива. Доказать непротиворечивость нельзя, но получить косвенные доводы, подкрепляющие нашу веру в непротиворечивость теории, — это дело вполне реальное, и достигается оно посредством практики, понимаемой в самом широком смысле этого слова. Причина непротиворечивости арифметики лежит вне математики, в самой математике эта непротиворечивость остается тайной.
Обобщая, можно отметить, что взгляды на математику характеризуются следующими установками, идеями, принципами:
1. Развитие математики невозможно без исследования математикой самой себя.
2. Одним из важных аспектов математических исследований является вопрос о границах вычислительных и конструктивных возможностей логико-математических языков.
3. Математика по своей природе является псевдоэмпирической наукой. Математическая реальность не существует априорно, а создается интуицией.
4. Практическое значение математических теорий состоит в том, что они являются орудиями познания и с успехом используются в прикладных науках. Именно поэтому математику часто называют языком естествознания. Но сама математическая реальность — это результат чрезвычайно абстрактных умозрительных построений, весьма далеких от действительности. Познание объективной реальности идет через абстрактное к конкретному. Поэтому возникновение умозрительных построений — не случайность, а вполне закономерная особенность процесса познания. Познание — это отражение действительности с помощью предугаданной абстрактной схемы.
5. Философским и методологическим фундаментом современной математики может быть только теория по знания (гносеология). Только с позиции этой теории может быть осуществлен действительно объективный и подлинно научный анализ природы математики и математической истины.
13.3. Непостижимая эффективность математики
Нельзя не признать, что полного соответствия между математикой и физической реальностью не существует. Однако немалые успехи математики в описании физически реальных явлений — будь то электромагнитные волны, эффекты, предсказанные теорией относительности, математическая интерпретация того немногого, что доступно наблюдению на атомном уровне, и даже в свое время ньютоновская теория тяготения, — все требует какого-то объяснения.
Согласуется ли природа с человеческой логикой? Почему математика эффективна и при описании тех физических явлений, которые непонятны для нас? Полностью разделяя убежденность древних греков в том, что мир основан на математических принципах и соглашаясь со средневековыми представлениями о том, что мир был создан на математических принципах не кем иным, как самим Богом, становится понятным, что во все времена люди видели в математике путь к познанию истин о природе. Гармония мира у средневековых мыслителей была проявлением математической структуры, которой Бог наделил мир при сотворении.
Из философов, убежденных в том, что математика — верный путь к реальности, наиболее влиятельным был французский физик, математик, философ Рене Декарт. Декарт задумался над тем, почему следует верить, что математические конструкции, созданные человеческим разумом, открывают путь к познанию физического мира. Из математических истин, постигаемых разумом независимо от опыта, мы можем с помощью чисто умозрительных рассуждений выводить истины о физическом мире.
Великий немецкий астроном Кеплер также усматривал реальность мира в описывающих его математических соотношениях. Познаваемы лишь те свойства физического мира, которые могут быть выражены с помощью математических понятий и формул. Вселенная математична по своей структуре, и природа действует согласно незыблемым и неизменным законам.
Ньютон также считал, что Бог сотворил мир на основе математических принципов. Суть того, во что непоколебимо верили Декарт, Кеплер, Галилей, Ньютон, Лейбниц и многие другие основатели современной математики и физики, сводится к следующему: природе внутренне присуща некая скрытая гармония, которая отражается в наших умах в виде простых математических законов. Именно в силу этой гармонии наблюдение в сочетании с математическим анализом позволяет предсказывать явления природы.
Убеждение в том, что природа основана на математических принципах, в XVTI-XIX веках было прочно, как никогда. Задача математиков состояла в том, чтобы открывать эти принципы и познавать законы, управляющие Вселенной, и сама математика считалась инструментом, как нельзя лучше приспособленным для решения этой задачи.
Развитие нескольких вариантов неевклидовых геометрий Лобачевским, Больяи, Гауссом и Риманом показало, что созданная человеком математика ничего не говорит о природе и имеет мало общего с доказательством существования Бога. Вполне возможно, что в природе не заложено никаких математических принципов. По-видимому, вернее будет сказать, что математика предлагает нам не более чем ограниченный, вполне осуществимый, рациональный план.
Математика была и остается превосходным методом исследования, открытия и описания физических явлений. Даже если математические структуры сами по себе не отражают реальности физического мира, их, тем не менее, можно (пока) считать единственным ключом к познанию реальности. Неевклидова геометрия не только не уменьшила ценности математики, но, напротив, способствовала расширению ее приложений. Роль математики в «упорядочении» окружающего мира и овладении природой, начиная с 60-х годов XIX века, возрастала невероятно быстрыми темпами.
Мы сталкиваемся здесь с явно парадоксальной ситуацией. Область знания, не претендующая более на роль носителя истины, подарила нам прекрасно согласующуюся с повседневным опытом евклидовую геометрию, необычайно точную гелиоцентрическую теорию Коперника и Кеплера, величественную и всеохватывающую механику Галилея, Ньютона, Эйлера, Лагранжа, Гамильтона и Лапласа, физически необъяснимую, но имеющую весьма широкую сферу приложений теорию электромагнетизма Максвелла, теорию относительности Эйнштейна. Все эти блестящие достижения опираются на математические идеи и рассуждения.
В этой связи возникает вопрос, который волновал исследователей всех времен, которым задался также Эйнштейн: почему возможно такое превосходное соответствие математики с реальными предметами (реальным миром), если сама она является произведением только человеческой мысли, не связанной ни с каким опытом? Может ли человеческий разум без всякого опыта, путем одного только размышления, понять свойства реальных вещей?
Эйнштейн осознавал, что аксиомы математики и принципы логики выведены из опыта, но его интересовало, почему следствия, вытекающие из созданных человеком аксиом и принципов, так хорошо согласуются с опытом.
Подобным образом действуют и создатели современных математических моделей. Берется одна из возможных моделей и сверяется с опытом. Если модель оказывается неадекватной, то в нее вносят надлежащие изменения. Тем не менее, возможность вывести из одной модели сотни теорем, хорошо согласующихся с опытом, заставляет задавать себе вопрос о соответствии мысли и мира, ответить на который не так-то легко.
Сейчас часто предлагается и совершенно другое объяснение «эффективности» математики. Оно восходит к великому немецкому философу и космологу Иммануилу Канту. Кант утверждал, что мы не знаем и не можем знать природу. Мы ограничены чувственными восприятиями, но наш разум, наделенный предустановленными структурами пространства и времени, организует эти чувственные восприятия в соответствии с тем, что диктуют присущие ему врожденные структуры. Например, наши пространственные восприятия мы организуем в соответствии с законами евклидовой геометрии потому, что этого требует наш разум. Будучи организованными таким образом, пространственные восприятия и в дальнейшем подчиняются законам евклидовой геометрии.
Великий французский математик, физик и философ Анри Пуанкаре (1854-1912) предложил еще одно объяснение, в значительной мере выдержанное в духе Канта, хотя уже давно взгляды Пуанкаре получили название «конвенционализм» (соглашение). Пуанкаре утверждал следующее: «Опыт играет необходимую роль в происхождении геометрии; но было бы ошибкой заключить, что геометрия — хотя бы отчасти — является экспериментальной наукой. Если бы она была экспериментальной наукой, она имела бы только временное, приближенное — весьма грубо приближенное — значение. Она была бы только наукой о движении твердых тел. Но на самом деле она не занимается реальными твердыми телами; она имеет своим предметом некие идеальные тела, абсолютно неизменные, которые являются только упрощенным и очень отдаленным отображением реальных тел».
Эйнштейн и Инфельд в «Эволюции физики» также, по существу, приняли точку зрения Канта: «Физические понятия суть свободные творения человеческого разума, а не определены, однозначно внешним миром, как это иногда может показаться. В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но он не имеет средств открыть их».
В своей книге «Философия математики и естественных наук» выдающийся немецкий математик и философ науки XX века Герман Вейль высказал следующее мнение: «В природе существует внутренне присущая ей скрытая гармония, отражающаяся в наших умах в виде простых математических законов. Именно этим объясняется, почему природные явления удается предсказывать с помощью комбинации наблюдений и математического анализа». Вейль открыто выступает за то, чтобы рассматривать математику как одну из естественных наук. Математические теоремы, подобно физическим утверждениям, могут быть формально проверяемыми гипотезами.
Выдающаяся группа французских математиков, работавших в XX веке под коллективным псевдонимом Никола Бурбаки, утверждала, что между экспериментальными явлениями и математическими структурами существует близкая взаимосвязь. Однако абсолютно неизвестно, какими причинами обусловлена эта взаимосвязь, и вряд ли мы когда-нибудь узнаем. В далеком прошлом математические закономерности выводили из твердо установленных экспериментальных истин, в частности, непосредственно из интуитивного восприятия пространства. Однако квантовая физика показала, что эта макроскопическая интуиция реальности охватывает и микроскопические явления совершенно иной природы, связывая их с математикой, которая заведомо была создана не как приложение к экспериментальной науке. Математику можно представлять как своего рода хранилище математических структур. Некоторые аспекты физической или эмпирической реальности удивительно точно соответствуют этим структурам.
Роль математики в современной физике несравненно шире, чем просто роль удобного инструмента исследования. Новая и новейшая физика — наука не столько механическая, точнее, вовсе не механическая, сколько математическая (например, теория струн, одна из теорий в физике элементарных частиц или физики высоких энергий).
В своей повседневной работе физики используют математику для получения результатов, вытекающих из законов природы, для проверки применимости условных утверждений этих законов к наиболее часто встречающимся или интересующим их конкретным обстоятельствам. Чтобы это было возможным, законы природы должны формироваться на математическом языке.
Разумеется, для формулировки законов природы физики отбирают лишь некоторые математические понятия, используя, таким образом, лишь небольшую долю всех имеющихся в математике понятий.
Так мы приходим к бесспорному и неопровержимому выводу: математика и физическая реальность нераздельны. Математика — поскольку она говорит нам о составляющих физического мира и поскольку наше знание этого мира может быть выражено только в математических понятиях — так же же реальна, как столы и стулья, бумага, на которой жы пишем, ручка и т. д. и т. п..
Резюме
Постоянно углубляющаяся математизация всех разделов физики, впрочем, как и других естественных наук, — норма нашего времени. Введение в них новых, все более абстрактных математических структур — единственный пока что способ придать вновь открываемым и уже известным законам природы достаточно универсальный, всеобщий характер.
Нельзя не признать, что полного соответствия между математикой и физической, химической и биологической реальностью не существует. Однако немалые успехи математики в описании физических и химических реальных явлений — будь то электромагнитные волны, эффекты, предсказанные теорией относительности, математическая интерпретация того немногого, что доступно наблюдению на атомном уровне, в микромире, а также наблюдениям в мегамире, и даже в свое время ньютоновская теория тяготения, либо эволюционные механизмы химических систем, не говоря о сотнях других достижений, — требуют какого-то объяснения.
Согласуется ли природа с человеческой логикой? Почему математика эффективна и при описании тех физических и химических явлений, которые непонятны для нас? Математика была и остается превосходным методом исследования, открытия и описания физических явлений. Даже если математические структуры сами по себе не отражают реальности физического мира, их тем не менее можно считать единственным ключом к познанию реальности. Неевклидова геометрия не только не уменьшила ценности математики, но, напротив, способствовала расширению ее приложений.
Эйнштейн был убежден в том, что созданная человеком математика хотя бы частично определяется реальностью. Если бы даже оказалось, что мир идей нельзя вывести из опыта логическим путем, и что в определенных пределах этот мир есть порождения человеческого разума, без которого никакая наука невозможна, все же он столь мало был бы независим от природы наших ощущений, как одежда — от форм человеческого тела.
Великий Давид Гильберт хотел доказать непротиворечивость математики, но другой великий математик и логик Курт Гедель показал, что арифметика и, как мы теперь стали понимать, вообще всякая достаточно богатая система, неполна; и как бы ни старались усовершенствовать и дополнить ее дедуктивную и аксиоматическую структуру, всегда найдется осмысленное предложение, которое будет недоказуемым и неопровержимым.
Кроме теоремы о неполноте арифметики, Гедель получил еще один результат. Он доказал, что непротиворечивость арифметики или любой другой достаточно богатой системы, не может быть установлена средствами самой этой системы, а тем более средствами еще более узкой финитной математики. Отсюда следовало, что непротиворечивость некоторой системы может быть доказано только путем ее погружения в более развернутую систему, то есть путем использования новых средств, выходящих за пределы первоначальной системы.
По этой причине теорема Геделя устанавливает ограничения на научное знание и может быть использована в качестве одного из критериев науки (научности).
Заключение
Завершая теоретико-концептуальную часть книги, мы должны констатировать, что наука, математический фундамент которой заложил Пифагор, семантический — Платон, логический — Аристотель, эмпирическую ориентацию обосновал Роджер Бэкон, в своем развитии достигла естественных границ. Пифагор смог сформулировать три основополагающих принципа науки, определившие на последующие тысячелетия своеобразие научного мировоззрения и обеспечившие доминирование европейского стиля мышления: 1) фундаментальные законы природы выразимы на языке математики; 2) численные соотношения способны выявить скрытую в природе гармонию и порядок; 3) началом познания Вселенной (космоса) является ее измерение. Усилия Пифагора были направлены на создание теоретической математики, способной выразить единое в многообразии (унификация физики), неизменное в изменяющемся (инварианты), тождество несхожего (классификация). Платон вслед полагал, что измерение Вселенной не только откроет ее геометрическую структуру, но, главное, позволит раскрыть замысел демиурга (творца), понять цель создания Вселенной. В первооснове всего должна лежать элементная единая сущность, называвшаяся по гречески архэ, по латыни — материя. Из единого должно быть сконструировано все многообразие объектов Вселенной (всеобъемлющее единство).
Решение проблем Пифагора — Платона заняло две с половиной тысячи лет. Естественными границами современной науки являются: 1) наблюдательный предел в области мегамасштабов, практически совпадающий с горизонтом метагалактики (космологическим горизонтом), являющимся абсолютным пределом, не позволяющим получить никакую информацию о том, что творится за пределами сферы радиуса R > 1026 м и за интервалом времени Т > 13-17 млрд лет; 2) экспериментальный предел в микромире ставит максимальная энергия космических лучей Е ~ 1020 эВ (электрон-вольт), которая не дает возможности заглянуть в глубь материи на расстояния r < 10-26 м и выявить процессы длительностью t < 10-35 с; 3) трансвычислительный предел связан с ограниченностью объема информации, больше которого человек при всех технических ухищрениях не в силах переработать (это так называемый предел Бремермана в 1093 бит); 4) предел прогнозирования детерминирован явлением, который носит название динамического хаоса; 5) концептуальным предел обусловлен: а) сложностью тех структур, с которыми может работать человеческий мозг, б) явной тенденцией к полной геометризации фундаментальной физики.
Завершение замысленного в античности проекта измерения Вселенной и сведения физики и значительной части естествознания к чистой математике подводит к мысли, что три главнейших принципа — натурализм, эмпиризм и рационализм, на которые опиралось естествознание, необходимо дополнить идеей эпистимологического финализма. Согласно этому подходу наши представления об окружающем мире достигли такой стадии, когда дальнейшее увеличение массива знаний уже не способно изменить фундаментальных принципов, лежащих в основании естествознания, когда процесс конструирования и формирования «скелета» научных знаний практически завершен. Так, экспериментально не воспроизводимы процессы образования дейтрона из протона и нейтрона, процесс абиотического возникновения жизни, антропогенез и т. д. В физике микромира не зарегистрированы свободные кварки. Навсегда ненаблюдаемым останется «большой взрыв», положивший начало Вселенной. Наука, таким образом, все больше начинает выходить за пределы своих методологических рамок, которые предписывают ей находиться в области, допускающей прямую верификацию гипотез и запрещающие включать в свое пространство положения, основанные лишь на вере или на убеждении.
Процесс эпистимологического финализма вышел за рамки физики и ее приложений и стал характерным явлением современной науки. Химия, как фундаментальная наука, занятая поиском неизменных структур и отношений, лежащих в основе мироздания, закончилась с открытием периодического закона для элементов, созданием соответствующей ему таблицы Менделеева и построением квантовой теории химических связей Лайнуса По-линга. Биология обрела практическую завершенность после построения Дж. Уотсоном и Ф. Криком модели молекулы ДНК и расшифровок генетического кода А. Гамовым и интернациональной группой ученых генома, в том числе, генома человека.
Оптимизм же многих ученых по поводу успехов науки в связи с завершением фактически античной программы Пифагора-Платона-Аристотеля-Бэкона опровергается рядом неустранимых пока обстоятельств (вскрытых самой наукой), которые могут свидетельствовать и о закате науки. Ее математический фундамент, а именно, аксиоматический метод, опирающийся, казалось бы, на незыблемые и абсолютные истины, бывшими такими до работы Геделя, оказался опровергнутым, что разрушило единство математики. Канул в Лету также идеальный мир вечных и незменных сущностей Платона. Катастрофическое размножение логик породило проблему выбора адекватных для определенных уровней организации материи логических систем и их согласования. Космология и физика высоких энергий (физика элементарных частиц) определенно вышли за границы, предписанные им экспериментом и критериям научности, приобретя черты схоластики и философских спекуляций, в худшем их смысле.
Становится понятным, что наука приблизилась в наше время к точке своей первой по настоящему парадигмаль-ной бифуркации, к точке коренной ломки научного мировоззрения, и скоро нас ожидает новый ее путь. Новые научные положения и новая парадигма, скорее всего, могут быть почерпнуты, во-первых, из глубин метагалактики и изучающей ее астрофизики, столкнувшейся с проблемой темной материи и темной энергии, во-вторых, из глубин наук о сознании (прежде всего из трансперсональной психологии в концепциях Карла Юнга, Альфреда Адлера, Кена Уилбера, Вильгельма Райха, Отто Ранка, Станислава Гро-фа и др.), и, в-третьих, по нашему убеждению, из забытой в советское время и недооцененной по достоинству еще и сейчас философии русского космизма Н. Федорова, Вл. Соловьева, П. Флоренского, К. Циолковского, В. Вернадского, позволяющих на общей научной, методологической и философской базе связать воедино макро- и микрокосмы (Вселенную, сознание и человека).
РАЗДЕЛ II
Список тем рефератов
Темы рефератов «Образы природы античного, раннего (средневековья и эпохи Возрождения) и классического (эпохи Нового времени) естествознания» (1 семестр)
1. Образы природных стихий и космогонических идей в древнеиндийских ведах и упанишадах.
2. Древнекитайское естествознание и даосизм.
3. Милетская (ионийская) школа древнегреческой натурфилософии.
4. Элейская школа природы и логики в древнегреческой натурфилософии.
5. Апории Зенона и проблемы движения и пространства.
6. Пифагорийская школа гармонии, меры и числа.
7. Афинская школа атомизма, космогонии и космологии.
8. Аттическая школа и учение Платона.
9. Аттическая школа и естественнонаучные идеи Аристотеля.
10. Архимед как физик и математик.
11. Физические основания «Начал» Евклида.
12. Космологические воззрения древних египтян и греков (дохристианское время).
13. Космология Птолемея и «Альмагест».
14. Античные воззрения на органический (биологический) мир.
15. Аристотель как биолог и систематик органического мира.
16. Начала медико-биологических знаний (Гиппократ и Гален).
17. Эмпиризм и энциклопедизм школы перипатетиков (последователей Аристотеля).
18. Космогония Эпикура в поэме Лукреция «О природе вещей».
19. Понятие времени в античном естествознании эллинов.
20. Ибн-Сина (Авиценна), ал-Бируни и естествознание арабского средневековья.
21. Ибн-Сина (Авиценна) и медицина средневековья.
22. Учение о времени в средние века (Августин, арабский Восток, схоласты, Оккам).
23. Основные цели и проблемы алхимии.
24. Идеи Гроссетеста, Роджера Бэкона и Брадвердина в естествознании позднего средневековья.
25. Гелиоцентрическая космология Николая Коперника.
26. Тихо Браге, Иоганн Кеплер и движение планет.
27. Аристарх, Гиппарх, Аристотель, Птолемей, Коперник, Бруно о движении Земли и Солнца.
28. Энциклопедическая «Естественная история» Плиния Старшего.
29. Идеи о методе Фрэнсиса Бэкона и Рене Декарта й начало классической науки.
30. Физические открытия Галилея.
31. Место физики (натуральной философии) Ньютона в классической науке.
32. «Математические начала натуральной философии» Ньютона как продолжение «Начал» Евклида.
33. Физические идеи мыслителя Ренессанса Николая Кузанского.
34. Естественнонаучные взгляды на мир Леонардо да Винчи.
35. Роберт Бойль и начало химии элементов.
36. Движение и однородное пространство Галилея, Декарта и Ньютона.
37. Становление классической концепции времени в XVI-XVII веках (Ф. Бэкон, Галилей, Кеплер, Декарт, Спиноза, Гоббс, Локк).
38. Концепция классического времени Ньютона.
39. Дискуссия о классическом времени в трудах Лейбница, Эйлера, Бошковича, Юма, Канта.
40. Небулярная гипотеза Канта и космогония Лапласа.
41. Натурфилософские и физические образы Лейбница.
42. Механицизм и картезианская физика.
43. Природа тяготения по Ньютону и его космология.
44. Корпускулярная концепция света Ньютона.
45. Возникновение и становление лапласовского детерминизма (причинно-следственных связей физических явлений).
46. Концепции времени в классической немецкой философии и естествознании XVIII-XIX веков (Фихте, Шеллинг, Гегель, Фейербах).
47. Электричество и магнетизм от античности до Гильберта, Кулона, Эрстеда и Ома.
48. Волновые концепции света Юнга и Френеля.
49. Механика явлений в изложении Эйлера и Лагранжа.
50. Концепция теплоты по Карно, Джоулю и Майеру.
51. Основные положения механистической картины мира.
52. Джон Локк и создание критического эмпиризма.
53. Идеи Дидро об объяснении природы.
54. Атомизм Гассенди в работе «Физика, или Учение о природе».
55. От трансформизма Ж. Бюффона к единству живой природы Ж. Сент-Илера.
56. Классификация растений и животных Карла Линнея.
57. От концепций трансформации биологических видов к идее эволюции на рубеже XVIII-XIX вв.
58. Ламарк, эволюция видов и ламаркизм.
59. Концепция катастрофизма Кювье в развитии биологических видов.
60. Биологический униформизм и актуалистический метод Ч. Лайеля.
61. Эволюционное учение Дарвина и его основополагающие принципы.
62. Филогенез Геккеля и становление эволюционной биологии в XIX веке.
63. Возникновение и становление учения о наследственности (генетике в XIX веке.
64. Клеточные теории Шлейдена-Шванна и Вирхова.
65. Лавуазье и Бертолле — родоначальники научной химии XVIII столетия.
66. Установление основных законов химии Дальтоном, Авогадро и Берцеллиусом.
67. «Трактат о свете» Гюйгенса.
68. Создание первых источников электричества Франклином, Гальвани и Вольту.
69. Физические идеи Ломоносова.
70. Становление идеи об электромагнитном поле из опытов Фарадея.
71. Системный метод и таблица элементов Менделеева.
72. Больцман и его молекулярно-кинетические идеи.
73. Концепции структуры химических соединений по Кекуле и Бутлерову.
74. Кристаллы и кристаллографические группы Федорова.
75. Эмбриология и анатомия животных и человека в XVI и XVII веках.
76. Бернар, Пастер, Мендель, Бюхнер и Кох — основоположники современной микробиологии.
77. Становление отечественной физиологии: Сеченов, Мечников и Павлов.
78. Второе начало термодинамики и тепловая смерть Вселенной по Клаузиусу.
79. Герц, Попов и Маркони — основоположники радиосвязи.
80. Парадоксы теплового излучения тел в конце XIX века.
81. Проблема эфира от античности до конца XIX столетия.
82. Максвелл как основоположник классического естествознания.
83. Гаусс, Лобачевский и Больяи и новая геометрия пространства.
84. Геометрия Римана и физическое пространство.
85. Бэр, Рулье и Северцов — первые русские биологи.
86. Броуновское движение частиц как пример неклассического движения.
87. Множественность миров и Вселенная Джордано Бруно.
88. Э. де Бомон и Э. Зюсс и первые гипотезы о строении Земли.
89. Принципы Аррениуса, Ле-Шателье, Брауна и Вант-Гоффа и химические реакции.
90. Концепции относительности Лармора, Лоренца и Пуанкаре.
91. Концепции времени Бергсона, Конта, Спенсера и Маха.
92. Возникновение и становление закона сохранения энергии.
93. Развитие дарвинизма в России Писаревым, Тимирязевым и Мечниковым.
94. Концепции дискретного пространства-времени в древности.
95. Геккель, Гексли и Гукер XIX — приверженцы дарвинизма.
96. Естественнонаучные представления в Древней Руси.
97. Майкл Фарадей как основоположник учения о физическом поле.
98. Естественнонаучные представления древних японцев.
99. Естественнонаучные идеи Лейбница.
Темы рефератов по разделу «Концепции естествознания Новейшего времени» (2 семестр)
1. Соотношение науки, философии и религии или вера и разум.
2. Моделирование (в том числе математическое) как метод научного познания.
3. Фальсифицируемость знаний по Попперу как критерий научности.
4. Взаимосвязь новых научных парадигм и научных революций.
5. Научные революции в биологии в первой половине XX века.
6. Научные революции в физике XX века.
7. Научные революции в химии XX века.
8. Принципы верификации и фальсификации в науке.
9. Научные революции в биологии во второй половине XX века.
10. Природа математической истины (по Геделю, Тарскому).
11. О связи эмпирического обобщения и гипотезы в научном познании.
12. О языке науки и философии науки.
13. Античная натурфилософия как основа науки Новейшего времени.
14. Естествознание и классификация наук Новейшего времени.
15. Научный рационализм Нового времени.
16. Научная неклассическая рациональность Новейшего времени (XX век).
17. Научная постнеклассическая рациональность современной эпохи (начало XXI века).
18. Кризис естествознания и идеи глобального (универсального) эволюционизма.
19. Роль и функция математики в естествознании.
20. Структурность и системность — атрибуты материального мира.
21. Идеи атомизма и пустоты (вакуума) в естествознании в исторической ретроспективе.
22. Становление и развитие идеи объединения природных взаимодействий.
23. Проблема эфира в естествознании в исторической ретроспективе.
24. Ретроспектива представлений о физическом пространстве и времени.
25. Феномен времени и черные дыры.
26. Черные дыры и модель «большого взрыва».
27. Длительность и дление времени по Вернадскому.
28. Противоречия концепций времени теории относительности и классиков немецкой философии.
29. Тяготение и геометрия искривленного пространства-времени по Эйнштейну.
30. Проблема скрытых размерностей пространства, времени и взаимодействий.
31. Вероятностный детерминизм и статистические закономерности в микромире.
32. Математизация как принцип единства физической реальности.
33. Симметрии в природе и законы сохранения (по Нетер).
34. Принцип дополнительности Бора и научная рациональность.
35. Крупномасштабная структура Вселенной (Метагалактики).
36. Гипотезы об образовании Вселенной в исторической ретроспективе.
37. Современные гипотезы об образовании Солнечной системы (с середины XX века).
38. Становление идей самоорганизации с античности до современности.
39. Самоорганизация и эволюция химических систем по Белоусову, Березину и Руденко.
40. Слабый и сильный антропные принципы.
41. Антропный принцип в синергетике (по Курдюмо-ву, Князевой).
42. Биохимическая эволюция как предтеча начала жизни.
43. ДНК и РНК — их роль и функции как основа жизни.
44. Современные синтетические теории эволюции в естествознании.
45. Гены — их роль и значение для жизни.
46. Глобальные катастрофы и эволюция биосферы Земли.
47. Становление идей эволюции в естествознании.
48. Природные катастрофы и климат на планете Земля.
49. Ближний космос и экология.
50. Концепции Чижевского о взаимосвязях космоса и человека.
51. Бессознательное в человеке по Фрейду, Юнгу и Гроффу.
52. Естественнонаучные аспекты паранормальных явлений.
53. Жизнь, человек и космическое информационное поле.
54. Особенности и различия психологии мужчин и женщин.
55. Трансперсональная психология человека.
56. Системы управления в живой клетке.
57. Информация и ее роль в естествознании.
58. Мозг и память человека: молекулярный аспект.
59. Генезис и природа сознания и разума человека.
60. Биотический круговорот как основа эволюции биосферы.
61. Проблема необратимости времени как отражение естественной реальности.
62. Психофизические феномены и голографическая модель Прибрама и Бома.
63. Идеи катастрофизма Кювье, Пуанкаре, Тома и Арнольда.
64. Фрактальность пространства по Мандельброту и физический мир.
65. Философский и биологический аспекты единства онтогенеза и филогенеза.
66. Николай Федоров — основатель русского космизма.
67. Развитие идеи «живого вещества» (Соловьев, Федоров, Флоренский, Вернадский).
68. Значение соотношения неопределенностей Гейзен-берга для развития науки.
69. Возникновение, динамика и эволюция взаимосвязанных гео- и биосфер.
70. От атомов и молекул к протожизни (гипотезы, модели, теории).
71. Клеточная теория — основа современной биологии.
72. Дивергентные и конвергентные процессы в эволюции.
73. Диверсификация в историческом и индивидуальном развитии живых организмов.
74. Бифуркации и историчность развития природных систем.
75. «Бифуркационное» дерево как модель эволюции природы, человека и общества.
76. Биосоциальные основы поведения сообществ.
77. Современные гипотезы и учения о порядке (космосе) и беспорядке (хаосе).
78. Модели дискретного пространства и времени.
79. Развитие идеи изменчивости и необратимости от Гераклита до Пригожина.
80. Клетка как фундаментальная модель живой материи на микроуровне.
81. Понятия популяции, биоценоза и экологической ниши.
82. Динамика популяций в трофической цепи живых организмов.
83. Механизмы гомеостаза экосистем.
84. Нейроны — каналы передачи информации.
85. Проблема старения и смерти живых организмов.
86. Жизненный цикл организма от зародыша до смерти.
87. Медленная (адаптационная) и быстрая (катастрофическая) модели эволюции.
88. Геологическая стрела времени (на примере планеты Земля).
89. Эволюция клеточной структуры и биологическая стрела времени.
90. Классификация звезд и их эволюция, поколения звезд.
91. Современные модели возникновения Солнечной системы (XX и XXI века).
92. Особенности РНК и ее роль в образовании докле-точных структур.
93. Биологический и этологический аспекты существования популяций.
94. Принцип относительности к средствам наблюдения и неклассическая наука.
95. Наследственность и мутации на клеточном и генетическом уровнях.
96. Теории самоорганизации как основа постнекласси-ческой науки.
97. Представления Аристотеля о типах движения и времени и их отражение в современном естествознании.
98. Модели и конструкции времени в естествознании.
99. От античного вакуума (пустоты) до современного физического вакуума.
100. Роль разнообразия в живой природе.
101. Естественнонаучные модели происхождения жизни.
102. От античных атомов Демокрита к кваркам микромира.
103. Эволюционная химия по Руденко.
104. Вселенная, жизнь, разум и внеземные цивилизации.
105. Закон Харди-Вайнберга для популяционного равновесия.
106. Модель Лотке-Вольтерра для системы жертва-хищник.
107. Фракталы, геометрия и размерность пространств.
108. Проблема времени и эволюционные теории в естествознании.
109. Вселенная, человек и фундаментальные взаимодействия.
110. Фракталы и динамический хаос в макрофизичес-ких системах.
111. Энергия, экология и сохранение жизни.
112. Кибернетика и информационно-управленческие процессы.
113. Информация: основные определения и понятия.
114. Космологическая эволюция материи и ее структурные уровни.
115. Системно-исторический метод в научной картине мира.
116. Единство онтогенеза и филогенеза — биогенетический закон Геккеля.
117. Проблема концептуальной унификации естественных наук.
118. Два типа времени Аристотеля и их место в современной науке.
119. Самоорганизация в химических системах (реакция Белоусова — Жаботинского).
120. Сверхсильный вариант антропного принципа.
121. Первые три минуты после «большого взрыва».
122. Квантовые компьютеры на субатомных элементах.
123. Компьютеры на молекулярно-полупроводниковом симбиозе.
124. Биокомпьютеры на нейроноподобных элементах.
125. Оптические компьютеры и оптико-волоконные сети.
126. Компьютеры и искусственный интеллект.
127. Информация и виртуальные образовательные технологии.
128. Электронные учебники информационно-образовательных технологий.
129. Компьютеры и глобальные системы связи.
130. Электронные синхронные переводчики.
131. Компьютерная терапия от вирусов (есть ли защита от хакеров?).
132. Информационные носители и элементы.
133. Жидкокристаллические видеосистемы компьютеров.
134. Оперативная память и информационные носители.
135. Устройства хранения информации.
136. Мобильные (ноутбуки и др.) компьютеры и технологии беспроводной связи.
137. Взаимосвязь мышления и информационной среды типа Интернет.
138. Современные концепции сущности информации.
139. Информация как объект и предмет естествознания.
140. Информация и полнота системного знания по Ге-делю и Попперу.
141. Понятия «элемент», «система» и «структура» в информации и информатике.
142. Информация и информационные системы.
143. Виды информации и их классификация.
144. Информационные носители (элементы) и информационные системы.
145. Понятие информационного стереотипа в естествознании.
146. Понятие социальной информации и социальных стереотипов.
147. Факторы устойчивости информационных стереотипов.
148. Информация сферы бессознательного (Фрейд, Юнг, Тойч и др.).
149. Информация, сознание и стереотипы поведения (по Гроффу).
150. Информация как мера организованной сложности.
151. Человек и космическое информационное поле.
152. Нейроны и гормоны как каналы передачи информации.
153. Информационные поля цивилизаций.
154. Общие перспективы компьютерной информатики к середине XXI века.
155. Перспективы информационных образовательных технологий.
156. Компьютеры и интеллектуальные роботы.
157. Информационные аспекты этики.
158. Информационные потоки в биологии сообществ.
159. Информация и феномены предсказания и ясновидения.
160. Информационное поле и трансперсональная психология человека.
161. Информационные хилотропное и холотропное поля сознания человека.
Тематика рефератов «Биографические очерки и творчество великих ученых»
1. Эрвин Симонович Бауэр — основоположник теоретической биологии.
2. Никола Тесла — великий естествоиспытатель и изобретатель XX века.
3. Николай Николаевич Боголюбов и физика микромира.
4. Деннис Габор — первооткрыватель голографии.
5. Джон фон Нейман — великий физик, математик и компьютерщик XX века.
6. Джозайя Уиллард Гиббс и статистические законы термодинамики.
7. Борис Павлович Белоусов и колебательная реакция Белоусова-Жаботинского.
8. Алан Матисон Тьюринг и «машина Тьюринга».
9. Вильгельм Рентген и Х-лучи.
10. Отто Юльевич Шмидт — космолог и математик.
11. Виталий Лазаревич Гинзбург и физика сверхпроводимости.
12. Жорж Кювье и теория катастроф органического мира.
13. Константин Эдуардович Циолковский — основоположник космонавтики.
14. Николай Николаевич Семенов и цепные химические реакции.
15. Яков Борисович Зельдович — физика взрыва и астрофизика.
16. Конрад Лоренц, Нико Тинберген и Карл фон Фриш — основатели этологии.
17. Эдуард Нортон Лоренц и начала нелинейной динамики.
18. Хендрик Антон Лоренц — великий голландский физик.
19. Пьер Кюри, Мария Склодовская-Кюри и радиоактивность.
20. Антуан Анри Беккерель и естественная радиоактивность солей урана.
21. Луи Пастер и начала микробиологии и иммунологии.
22. Георгий (Джордж) Антонович Гамов — гипотеза взрыва «горячей Вселенной», реликтовое излучение и разгадка генетического кода.
23. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик — двойная спираль молекулы ДНК.
24. Томас Морган и хромосомная теория наследственности.
25. Норберт Винер и начало кибернетики.
26. Август Вейсман — основатель неодарвинизма.
27. Илья Ильич Мечников — великий русский микробиолог и иммунолог.
28. Иван Петрович Павлов — великий русский физиолог.
29. Зигмунд Фрейд и психоанализ.
30. Макс Планк и кванты.
31. Эрнст Резерфорд и открытие ядра атома.
32. Пьер Тейяр де Шарден и феномен человека.
33. Александр Александрович Фридман и космологические модели.
34. Эдвин Хаббл и разбегание галактик.
35. Александр Иванович Опарин и гипотеза о происхождении жизни.
36. Петр Леонидович Капица — великий русский'физик.
37. Энрико Ферми — итальянский гений эксперимента и теорий физики.
38. Лев Давыдович Ландау — великий физик-теоретик универсал.
39. Илья Романович Пригожин и диссипативные структуры.
40. Мюррей Гелл-Манн и физика кварков.
41. Бенуа Мандельброт и фрактальная геометрия.
42. Александр Михайлович Бутлеров и химические структуры.
43. Джеймс Кларк Максвелл и теория электромагнитного поля.
44. Евграф Степанович Федоров и система симметрий кристаллов.
45. Владимир Иванович Вернадский — великий мыслитель XX столетия.
46. Август фон Страдониц Кекуле и начала структурной химии.
47. Роберт Кох и бактериология.
48. Александр Степанович Попов и изобретение радиосвязи.
49. Петр Николаевич Лебедев — великий исследователь света.
50. Карл Густав Юнг и архетипы сознания.
51. Макс Борн и вероятности событий микромира.
52. Густав Роберт Кирхгоф, Роберт Вильгельм Бунзен — основоположники спектрального анализа вещества.
53. Виктор Амазаспович Амбарцумян — величайший астрофизик XX столетия.
54. Хейке Камерлинг-Оннес и сверхпроводимость.
55. Лиза Мейтнер, Отто Фриш и открытие цепных реакций деления ядер.
56. Николай Геннадьевич Басов, Александр Михайлович Прохоров — основатели квантовой электроники (физики мазеров и лазеров).
57. Антони ван Левенгук и открытие микробов.
58. Шарль Кулон и взаимодействие электрических зарядов.
59. Иоганн Кеплер и законы движения системы планет.
60. Блез Паскаль — великий физик, математик и философ.
61. Готфрид Лейбниц — энциклопедист естествознания XVIII века.
62. Карл Эрнст Бэр — основатель эмбриологии.
63. Николай Иванович Пирогов — великий русский ученый и хирург.
64. Эрнст Геккель — великий эволюционист и антрополог.
65. Йенс (Якоб) Берцелиус — величайший химик XIX века.
66. Михаил Семенович Цвет — первооткрыватель хро-мотографии.
67. Александр Флеминг — первооткрыватель пенициллина.
68. Александр Фридрих Гумбольт — великий немецкий естествоиспытатель.
69. Герман Гельмгольц — величайший немецкий ученый-энциклопедист.
70. Джозеф Джон Томсон и открытие электрона.
71. Клод Бертолле — основатель учения о химическом равновесии.
72. Пьер Ферма — великий математик и физик.
73. Фрэнсис Бэкон и эмпирические начала науки.
74. Альфред Вегенер и тектоника земных плит.
75. Оливер Хэвисайд и открытие ионосферы Земли.
76. Генрих Герц и подтверждение существования электромагнитных волн.
77. Ханнес Альвен — шведский физик, астрофизик и космолог.
78. Луиджи Гальвани и открытия в области электричества.
79. Амедео Авогадро и число Авогадро.
80. Юлиус фон Майер и закон сохранения энергии.
81. Кирилл Иванович Щелкин и физика горения и взрыва.
82. Владимир Кузьмич Зворыкин и изобретение электронного микроскопа и передающей телевизионной трубки.
83. Борис Львович Розинг — изобретатель телевидения.
84. Субрахманьян Чандрасекхар — великий индийский физик и астрофизик.
85. Отто Ган и Фриц Штрассманн — первооткрыватели деления атомных ядер.
86. Альберт Майкельсон и опыт Майкельсона-Морли.
87. Эрнст Мах - великий австрийский физик и философ.
88. Йозеф фон Фраунгофер и спектроскопия Солнца.
89. Лайнус Полинг — универсал естествознания XX века.
90. Сванте Август Аррениус — выдающийся шведский физико-химик.
91. Джон Бардин — изобретение транзистора и объяснение сверхпроводимости.
92. Стивен Вайнберг, Шелдон Глэшоу и Абдус Салам — создатели теории электрослабого взаимодействия.
93. Рудольф Клаузиус — энтропия и «тедловая смерть Вселенной».
94. Сади Карно и основание термодинамики.
95. Константин Сигизмундович Кирхгоф и открытие катализа в химии.
96. Камило Гольджи — выдающийся исследователь клетки организмов.
97. Гуго де Вриз и эволюция растительного мира.
98. Феодосиус Добжанский (Феодосий Григорьевич Добржанский) и эволюционная генетика.
99. Герман Джозеф Мюллер — великий исследователь мутации генов.
100. Роберт Гук (Хук) — великий английский ученый-энциклопедист.
101. Герман Хакен — основатель синергетики.
102. Вальтер Герман Нернст и 3-й закон термодинамики.
103. Джозеф Пристли и открытие кислорода и состава воздуха.
104. Сергей Иванович Вавилов и исследования в области оптики.
105. Андрей Дмитриевич Сахаров — великий физик-теоретик XX столетия.
106. Андрей Николаевич Колмогоров — великий русский ученый-математик XX столетия.
107. Мстислав Всеволодович Келдыш — теоретик космонавтики.
108. Хидэки Юкава - ядерные силы и предсказание мезонов.
109. Умберто Матурана и Франциско Варела — основатели теории автопоэза.
110. Линн Маргулис и симбиоз микроорганизмов.
111. Александр Александрович Богданов (Малиновский) и его «Тектология».
112. Тихо Браге — великий датский астроном XVI века.
113. Манфред Эйген и каталитические гиперциклы в живых организмах.
114. Людвиг фон Берталанфи и «Общая теория систем».
115. Игорь Евгеньевич Тамм, Илья Михайлович Франк и теория «черенковского излучения».
116. Павел Алегсеевич Черенков и «черенковское излучение».
117. Ларе Онсагер — основатель термодинамики неравновесных процессов.
118. Абрам Федорович Иоффе — основатель советской школы физиков.
119. Фредерик Жолио-Кюри — первооткрыватель искусственной и лозитронной радиоактивности и аннигиляции пар частиц.
120. Стивен Хокинг и «черные дыры».
121. Николай Константинович Кольцов — величайший биолог XX столетия.
122. Роберт Оппенгеймер и атомная физика.
123. Роберт Милликен и элементарный электрический заряд.
124. Ханс Адольф Кребс и «цикл Кребса».
125. Сергей Васильевич Лебедев — основатель синтеза искусственного каучука.
126. Николай Александрович Козырев — великий русский ученый-астроном и мыслитель.
127. Чарлз Элтон и современная экология.
128. Георгий Францевич Гаузе — выдающийся русский эколог и эволюционист.
129. Мелвин Калвин и «цикл Калвина».
130. Владимир Николаевич Сукачев и биогеоценозы.
131. Иван Иванович Шмальгаузен — выдающийся русский эволюционист.
132. Сергей Сергеевич Четвериков — выдающийся генетик и эволюционист.
133. Дмитрий Иосифович Ивановский и начало вирусологии.
134. Рудольф Вирхов и роль клетки для жизни.
135. Генри Кавендиш — великий английский физик и химик.
136. Фред Хойл — выдающийся английский астроном и астрофизик.
137. Юстус фон Либих — великий немецкий химик-органик.
138. Альбрехт Коссель и азотистые основания нуклеиновых кислот.
139. Фридрих Мишер — первооткрыватель нуклеиновых кислот.
140. Теодор Калуца и начало будущих физических теорий объединения.
РАЗДЕЛ III. Контрольно-аттестационный
Тесты к главе 1 Принципы, методы, философские концепции науки и естественнонаучного познания
1.1. В структуре научного познания различают уровни:
а) эмпирический, статистический;
б) динамический, виртуальный;
в) теоретический, эмпирический;
г) динамический, теоретический;
д) мистический и мифологический;
е) эвристический и аксиологический;
ж) символический и рациональный.
1.2. Формализация, аксиоматизация, гипотетико-дедуктивный метод относятся к уровню научного познания:
а) математическому;
б) динамическому;
в) виртуальному;
г) теоретическому;
д) мистическому;
е) мифологическому;
ж) метафизическому;
з) рациональному.
1.3. Высказывание гипотезы в структуре научного познания есть:
а) начало математического анализа проблемы;
б) начало теоретического уровня познания;
в) начало мысленного эксперимента;
г) начало эмпирического обобщения;
д) начало формулирования закона;
е) начало установления научного понятия о факте.
1.4. Принцип верификации утверждает, что какое-либо понятие или суждение имеет значение, если оно:
а) логически непротиворечиво;
б) эмпирически проверяемо;
в) математически достоверно;
г) теоретически неопровержимо;
д) логически доказуемо;
е) логически допустимо.
1.5. Основателями классического естествознания и классической науки являются:
а) Кеплер, Коперник;
б) Декарт, Галилей;
в) Галилей, Ньютон;
г) Ньютон, Лейбниц.
1.6. Как правило, динамические и статистические методы познания относятся к методам:
а) общенаучным;
б) частнонаучным;
в) всеобщим;
г) теоретическим;
д) метафизическим.
1.7. Какие слова из научной лексики западной и восточной культур синонимы:
а) вакуум и сомати;
б) метод и дао;
в) космос и карма;
г) корпускула и майя.
1.8. Теоремы великого математика и логика XX века Курта Геделя утверждают, что:
а) познание истины абсолютно;
б) никакая система понятий не может быть полной;
в) никакая система не допускает дополнений;
г) полная система непротиворечива.
1.9. Продолжите определение: «Наука — это особый рациональный способ описания мира, основанный на:
а) логическом выводе и методе»;
б) эмпирической проверке и математическом доказательстве»;
в) идеализации и моделировании реальных объектов и явлений»;
г) модельных и мысленных экспериментах»;
д) эмпирическом обобщении и гипотезах».
1.10. В структуре научного познания гипотеза характеризует:
а) этап мысленного эксперимента;
б) итог эмпирического обобщения;
в) начальный этап теоретического познания;
г) итог аксиоматического метода;
д) окончание эксперимента.
1.11. Естествознание — обширная совокупность наук, к которым относятся такие науки, как:
а) физика, математика, история, география;
б) химия, биология, астрономия, антропология;
в) биофизика, экономика, геология, микробиология;
г) география, океанология, математика, физиология;
д) геохимия, метафизика, геология, зоология.
1.12. Какие из указанных ниже критериев или принципов являются критериями или принципами научности (науки):
а) принципы дополнительности и дуальности;
б) принципы верификации и фальсификации;
в) принципы соответствия и целостности;
г) принципы фальсификации и неопределенности;
д) принципы запрета Паули и постоянства скорости света в вакууме.
1.13. Принцип фальсификации (фальсифицируемости) Карла Поппера, означает:
а) утверждение об абсолютной непознаваемости истины;
б) признание абсолютности научного знания;
в) условие опровержимости относительного и абсолютного знания;
г) утверждение о фальсифицируемости научного знания;
д) опровержение фальсифицируемости научных знаний.
1.14. Основателями (основоположниками) научного метода в эпоху Возрождения были:
а) Роджер Бэкон и Николай Кузанский;
б) Френсис Бэкон и Николай Коперник;
в) Рене Декарт и Френсис Бэкон;
г) Николай Коперник и Рене Декарт;
д) Галилей и Ньютон.
1.15. Такие методы познания, как анализ, синтез, абстрагирование, индукция, аналогия, классификация относятся к методам познания:
а) эмпирическим;
б) теоретическим;
в) всеобщим;
г) общенаучным;
д) логическим.
1.16. В естествознании физика как наука главенствует потому, что она:
а) является математической по природе и поэтому самая точная из всех наук;
б) покоится на базовых постулатах природы;
в) является основой для техники и технологий;
г) позволяет объяснить происхождение звезд, галактик и Вселенной;
д) объясняет происхождение жизни.
1.17. Критерий научности, требующий проводить проверку полученных знаний, называется критерием:
а) системности;
б) рациональности;
в) верифицируемости;
г) фальсификации (фальсифицируемости);
д) полноты систем (по Геделю);
е) дополнительности (по Бору).
1.18. Методологию научно-исследовательских программ в философии науки развил:
а) Имре Лакатос;
б) Томас Кун;
в) Рене Том;
г) Рене Декарт;
д) Карл Поппер.
1.19. Методологию научных революций в философии науки развил:
а) Карл Поппер;
б) Томас Кун;
в) Владимир Арнольд;
г) Имре Лакатос;
д) Нильс Бор.
1.20. Научное знание формируется, в основном, на базе:
а) интуиции;
б) информации;
в) умений;
г) опыта;
д) теорий;
е) гипотез.
1.21. Расположите термины, которые употребляются при описании научного метода, в том порядке, в котором они используются при решении определенной научной задачи:
а) закон природы (математическое описание результата);
б) экспериментальный результат;
в) теория;
г) эксперимент;
д) гипотеза.
1.22. Расположите следующие действия (шаги) в научном познании (в научном методе) в том порядке, в каком они последовательно применяются при решении научной проблемы:
а) предложить возможные объяснения, необходимые для обобщения результатов;
б) собрать данные, касающиеся определенной проблемы, посредством наблюдений и проведения опытов (экспериментов);
в) распознать (идентифицировать, сформулировать) проблему и тщательно спланировать процедуру получения информации о всех аспектах проблемы;
г) провести повторные опыты для подтверждения или опровержения предложенных объяснений;
д) проанализировать данные (наблюдений) и описать эти данные таким образом, чтобы это описание обобщало и суммировало их.
1.23. Проклассифицируйте, как определенные научно-познавательные понятия (факт, гипотеза, теория, закон), следующие утверждения:
а) автомобили ржавеют быстрее при более влажном климате;
б) планеты не генерируют излучаемые ими электромагнитные волны;
в) газ, находящийся в сосуде расширялся, когда его нагревали;
г) точка кипения чистой воды на уровне моря равна 100 градусам Цельсия;
д) все газы расширяются при нагревании.
1.24. Укажите, верными или неверными (ошибочными), являются следующие утверждения и положения:
а) теория есть сумма экспериментальных наблюдений;
б) гипотеза есть сумма экспериментальных фактов;
в) эксперимент есть спланированная и контролируемая процедура получения научных фактов;
г) теория может быть подвержена изменениям при определенном наличии опытных данных;
д) закон природы дает возможность объяснить соответствующее природное явление.
Тесты к главе 2 Генезис основных концептуальных понятий современного естествознания в античных и средневековых цивилизациях
2.1. В античное время гипотезу о центральном положении Солнца в картине небесных сфер первыми высказали:
а) Конфуций и Лао-цзы;
б) Гиппарх и Евдокс;
в) Пифагор и Аристарх;
г) Лао-цзы и Платон;
д) Анаксагор и Гераклит;
е) Фалес и Эпикур.
2.2. Демокрит и Левкипп учили, что атомы различаются между собой:
а) положением, величиной, сочетанием;
б) формой, порядком, положением;
в) подвижностью, формой, порядком;
г) величиной, порядком, сочетанием;
д) формой, сочетанием.
2.3. Закон логики, сформулированный Лейбницем, в дополнение к трем законам логики Аристотеля, имеет название закона:
а) тождества;
б) достаточного утверждения;
в) амбивалентности;
г) достаточного основания;
д) достаточного подтверждения;
е) непротиворечивости; ж) эквивалентности.
2.4. Кто утверждал, что скорость падающего тела зависит от его веса?
а) Гераклит;
б) Архимед;
в) Аристотель;
г) Аристарх;
д) Фалес;
е) Анаксимен.
2.5. Аристотель формулировал отсутствие пустоты, полагая, что:
а) атомы занимают все области пространства;
б) в таком случае движение тел было бы вечным и неизменным, чего нет в бытии;
в) бытие не терпит пустоты;
г) небытия нет;
д) атомов, заполняющих пространство бытия, нет.
2.6. Что главное утверждало учение Клавдия Птолемея в многотомном трактате «Альмагест»?
а) космоцентризм;
б) относительность небесных сфер;
в) геоцентризм;
г) пантеизм;
д) гармонию небесных сфер;
е) антропоморфизм космоса; ж) панкосмизм.
2.7. Аристотель полагал, что тела под действием постоянной силы движутся:
а) равномерно (с постоянной скоростью) и прямолинейно;
б) равномерно по кругу;
в) равноускоренно и прямолинейно;
г) равноускоренно по кругу;
д) не зависимо от тяжести того или иного тела — ускоренно.
2.8. Законы логики, сформулированные Аристотелем, называются:
а) тождества, исключенного третьего, достаточного обоснования;
б) тождества, противоречия, исключенного третьего;
в) достаточного основания, исключенного третьего, противоречия;
г) тождества, включенного третьего, противоречия.
2.9. В какой античной греческой школе были впервые высказаны идеи о первоэлементах (стихиях)?
а) аттической (афинской);
б) пифагорейской;
в) элей-ской (логиков);
г) милетской (ионийской);
д) атомистов;
е) мигерейской.
2.10. Кто из античных мыслителей первым указал на математическую сущность природы?
а) Архимед;
б) Аристотель;
в) Конфуций;
г) Пифагор;
д) Платон;
е) Фалес;
ж) Анаксагор.
2.11. Дайте русский эквивалент греческого слова «теория»:
а) озарение;
б) умозаключение;
в) умозрение;
г) утверждение;
д) доказательство;
е) смысл.
2.12. Представление об атомах, как неделимых и ненаблюдаемых частицах, впервые высказали в античное время:
а) Платон, Аристотель;
б) Левкипп, Демокрит;
в) Анак-симен, Анаксимандр;
г) Архимед, Демокрит;
д) Евдокс, Аристарх;
е) Ксенофан, Парменид.
2.13. Кто является автором античного многотомного научного трактата, дошедшего до нас под арабским названием «Альмагест»?
а) Вбн Сина (Авиценна),
б) Архимед,
в) Птолемей,
г) аль Бируни;
д) Пифагор;
е) Евклид.
2.14. Что утверждают апории (софизмы) Зенона Элейского?
а) отсутствие движения;
б) возможность равномерного движения планет вокруг Земли;
в) объясняют движение небесных сфер;
г) бесконечную делимость времени.
2.15. Какой была общая центральная идея ведущих мыслителей античного естествознания?
а) существующий мир образован из воды;
б) космоцентризм;
в) геоцентризм;
г) Земля покоится в эфире;
д) мир существует вечно и неизменен;
е) космос создан богами.
2.16. Что было главным в учении основателей элейской школы (школы элеатов)?
а) неразличимость картины мира в сознании с картиной мира чувств;
б) подлинной в мире является картина чувств;
в) бытие дано нам в абстрактно-философском осмыслении и познается только разумом;
г) бытие и небытие существуют, трансформируясь (переходя) друг в друга.
2.17. В каком веке был написан трактат «Начала» Евклида?
а) VI в. до н. э.;
б) III в. н. э.;
в) III в. до н. э.;
г) I в. до н. э;
д) I в. н. э.;
е) II в. н. э.
2.18. Каким было первоначальное значение греческого слова «космос»?
а) структура;
б) порядок;
в) множество;
г) бытие;
д) звездный путь;
е) траектория.
2.19. Идея об абстрактном апейроне как некоторой беспредельной, неопределенной, бесконечной сущности появилась в античное время в:
а) аттической (афинской) школе;
б) элейской школе;
в) пифагорейской школе;
г) милетской (ионийской) школе;
д) школе Левкиппа и Демокрита;
е) мигерейс-кой школе.
2.20. Так называемые с античных времен Платоновы тела, это:
а) шар, пирамида, куб, конус, цилиндр;
б) тетраэдр, гексаэдр (куб), октаэдр, додекаэдр, икосаэдр;
в) правильные невыпуклые многогранники;
г) выпуклые параллелоэдры.
2.21. Кто из античных философов создал учение о «мире идей»?
а) Конфуций;
б) Аристотель;
в) Платон;
г) Архимед;
д) Парменид;
е) Ксенофан;
ж) Зенон.
2.22. Какой пятый первоэлемент (стихию, сущность) надлунного мира к первым четырем первоэлементам под лунного мира милетской (ионийской) школы добавил Аристотель?
а) эфир;
б) молнию;
в) гром;
г) свет;
д) апейрон;
е) стойхион.
2.23. К какой античной философской школе принадлежал Платон?
а) милетской (ионийской);
б) элейской;
в) атомистов;
г) аттической (афинской);
д) пифагорейской;
е) сократовской;
ж) мигерейской.
2.24. В античности доказательством невозможности движения, как такового, послужили:
а) диалоги Платона Тимей и Федр;
б) апории Зенона Элейского;
в) высказывания Зенона Китийского;
г) рассуждения Фалеса о стойхионах (стихиях);
д) эпихеремы Зенона Элейского.
2.25. Доказательствам против существования (наличия) множественности мира, высказанным философом античности Парменидом, были (была) посвящены (посвящена):
а) апории (софизмы) Зенона Элейского;
б) утверждения Пифагора о дружественных числах;
в) эпихеремы Зенона Элейского;
г) «Диалоги» Платона;
д) письма Эпикура о природе;
е) поэма «О природе вещей» Лукреция Кара.
2.26. Концепцию вечности движения в природе в античные времена развивали:
а) Фалес и Анаксагор;
б) Ксенофан и Парменид;
в) Анаксагор и Архимед;
г) Гераклит и Эмпедокл;
д) Пифагор и Филолай;
е) Зенон Элейский и Анаксимандр.
2.27. Концепции самого совершенного в природе —кругового движения, присущего только вечному надлунному миру, — придерживался в античное время:
а) Аристарх;
б) Гиппарх;
в) Аристотель;
г) Платон;
д) Архимед;
е) Евдокс;
ж) Гераклит.
2.28. Учение основателей элейской школы Ксенофана и Парменида утверждало два пути познания мира:
а) экспериментальный и теоретический;
б) философский и эвристический;
в) мнения и истины;
г) веры и разума;
д) мистический и аксиологический;
е) математический и разума.
2.29. Какой по сущности принято считать античную физическую картину мира:
а) механической;
б) метафизической;
в) прагматической;
г) математической;
д) рационалистической;
е) мистической;
ж) теологической.
2.30. Десятичная система счисления пришла к древним европейцам из древней (него):
а) Индии;
б) Китая;
в) Месоамерики;
г) Египта;
д) Сирии;
е) Вавилона;
ж) Месопотамии.
2.31. Представление об апейроне как первоэлементе бытия, было высказано:
а) Пифагором;
б) Эмпидоклом;
в) Анаксименом;
г) Анаксагором; д) Анаксимандром.
2.32. Кто первым из мыслителей путем логического анализа опроверг умозаключение Аристотеля о том, что тела с большим весом падают быстрее, чем тела с меньшим весом, и установил, что все тела падают с одинаковой скоростью:
а) Кузанский;
б) Кеплер;
в) Галилей;
г) Филопон;
д) Филолай;
е) Гроссетест;
ж) Авиценна.
2.33. Кто из ученых античности исчислил количество «песчинок» (тел с наименьшими размерами) во Вселенной:
а) Пифагор;
б) Аристарх;
в) Гиппарх;
г) Фалес;
д) Архимед;
е) Евдокс;
ж) Птолемей.
2.34. Кто из мыслителей античности видел цель науки в полном определении предмета, достигаемом путем соединения дедукции и индукции:
а) Сократ;
б) Архимед;
в) Аристотель;
г) Платон;
д) Демокрит;
е) Парменид;
ж) Ксенофан.
Тесты к главам 3, 4 и 5 Концепции и принципы классического и неклассического физического естествознания
3-5.1. Укажите время (столетие) основных научных открытий Галилея и Ньютона:
а) ХII век;
б) XVI век;
в) XVII век;
г) XV век;
д) XIV век.
3-5.2. Какие излучения не относятся к электромагнитным волнам?
а) радиоволны;
б) инфракрасные лучи;
в) катодные лучи;
г) рентгеновские лучи;
д) лазерное излучение.
3-5.3. Какой из ученых не имеет непосредственного отношения к созданию квантовой механики?
а) Эрвин Шредингер;
б) Джеймс Максвелл;
в) Поль Дирак;
г) Вернер Гейзенберг;
д) Нильс Бор;
е) Лев Ландау;
ж) Владимир Фок.
3-5.4. Корпускулярно-волновой дуализм частиц, как физическое явление в микромире, означает:
а) возможность атомов объединяться в молекулы;
б) присущее им от природы единство корпускулярных и волновых свойств;
в) произвольным образом менять пространственные и энергетические параметры;
г) способность к взаимопревращениям частиц;
д) неразличимость протонов и нейтронов в ядре.
3-5.5. Определите правильное концептуальное утверждение из физического естествознания:
а) электроны содержатся в ядрах атомов;
б) атомный номер химического элемента равен числу нейтронов в ядре;
в) атомный номер элемента равен числу валентных электронов;
г) свойства атома в основном определяются валентными электронами;
д) нейтроны стабильны.
3-5.6. Принцип относительности классической механики (классической физики Ньютона), иначе — Галилеев принцип относительности, утверждает:
а) инвариантность явлений во всех инерциальных системах отсчета;
б) возможность возникновения равноускоренного движения;
в) существование кругового или эллиптического движения планет Солнечной системы;
г) относительность времени;
д) относительность пространства;
е) абсолютность пространства-времени и интервала.
3-5.7. Понятие (гипотезу) о свете как потоке корпускул (частиц) впервые ввел в физику:
а) Френель;
б) Ньютон;
в) Кеплер;
г) Галилей;
д) Эйнштейн;
е) Планк;
ж) Гюйгенс.
3-5.8. Сущность специальной теории относительности (СТО) состоит в утверждении, что:
а) все природные (физические, химические, биологические) явления относительны;
б) физические и другие явления происходят в четырехмерном пространстве-времени;
в) координаты физического пространства-времени взаимозависимы;
г) пространство-время по физической сути искривлено;
д) координаты пространства-времени подчиняются преобразованиям Галилея;
е) пространство и время абсолютны в своих проявлениях.
3-5.9. Кварки это такие «элементарные частицы», из которых по современным воззрениям состоят основные группы (классы) элементарных частиц, такие как:
а) лептоны и фотоны;
б) мезоны и нейтрино;
в) адроны и лептоны;
г) ядра атомов;
е) нейтрино.
3-5.10. Теорию электромагнитного поля в XIX столетии создал:
а) Эрстед;
б) Кулон;
в) Максвелл;
г) Фарадей;
д) Лоренц;
е) Ом;
ж) Герц.
3-5.11. То, что свет и электромагнитные волны тождественны, впервые теоретически доказал:
а) Фарадей;
б) Кулон;
в) Эйнштейн;
г) Максвелл;
д) Герц;
е) Эрстед;
ж) Пуанкаре.
3-5.12. Специальная теория относительности (СТО) Эйнштейна базируется (основывается) на постулатах (принципах):
а) относительности и соответствия;
б) относительности движения и тождественности тяжелой и инертной масс;
в) относительности движения и независимости скорости света в вакууме от источника;
г) относительности движения и относительности пространства-времени и тяготения.
3-5.13. Представление о существовании мира античастиц (антимира) впервые было установлено:
а) экспериментально Резерфордом;
б) теоретически Пуанкаре;
в) экспериментально де Бройлем;
г) теоретически Дираком;
д) теоретически Эйнштейном;
е) экспериментально Андерсоном.
3-5.14. Корпускулярно-волновой дуализм частиц (неразличимость корпускулярных и волновых свойств), как таковой, проявляется в или при:
а) мегамире;
б) низком вакууме (низких давлениях);
в) микромире;
г) макромире;
д) пространстве-времени Минковского;
е) низких температурах.
3-5.15. Корпускулярностъ и континуальность свойств материи (вещества и поля) существенно различаются в:
а) вакууме;
б) микромире;
в) макромире;
г) антимире;
д) гиперпространстве;
е) мегамире.
3-5.16. Основоположниками учения об электромагнитных процессах (явлениях) были:
а) Герц, Вольта, Эйлер, Лоренц;
б) Фарадей, Ампер, Кеплер, Кулон;
в) Эрстед, Ампер, Фарадей, Максвелл;
г) Ом, Эрстед, Лоренц, Пуанкаре, Герц;
д) Гильберт, Ом, Гюйгенс, Кулон, Вольта.
3-5.17. Сильному (ядерному) взаимодействию подвержены (проявляют его во взаимодействиях):
а) электроны и нейтрино;
б) протоны и нейтроны;
в) кварки и глюоны;
г) фотоны и фононы.
3-5.18. Одна из основополагающих книг классического естествознания «Математические начала натуральной философии» была написана:
а) Галилеем;
б) Коперником;
в) Ньютоном;
г) Кеплером;
д) Декартом;
е) Евклидом.
3-5.19. Кем из физиков был открыт «на кончике пера» (т. е. теоретически) мир античастиц (антимир)?
а) Андерсоном;
б) Дираком;
в) Шредингером;
г) де Брой-лем;
д) Бором;
е) де Гаазом.
3-5.20. Кто первым из великих мыслителей сформулировал в науке отличие абсолютного и относительного характера пространства и времени:
а) Аристотель;
б) Николай Кузанский;
в) Исаак Ньютон;
г) Джордано Бруно;
д) Иоганн Кеплер;
е) Альберт Эйнштейн;
ж) Рене Декарт;
з) Артур Эддингтон;
и) Платон.
3-5.21. Нерелятивистская квантовая механика основана на уравнении, предложенном:
а) Планком;
б) Эйнштейном;
в) Шредингером;
г) Бором;
д) Дираком;
е) Борном;
ж) де Бройлем.
3-5.22. Революция в естествознании (физике) XVII века произошла в связи с открытием:
а) закона инерции;
б) законов динамики;
в) законов движения планет;
д) относительности времени и пространства;
е) атомов и молекул.
3-5.23. Какой характер движения имеет электрически заряженная частица в поперечном магнитном поле:
а) движение по окружности;
б) движение по винтовой линии;
в) движение по прямой;
г) движение по параболе;
д) движение по спирали;
е) движение по эллипсу.
3-5.24. Укажите ту физическую величину, которая не сохраняется в реакциях между адронами (тяжелыми элементарными частицами, обладающими сильным взаимодействием):
а) электрический заряд;
б) барионный заряд;
в) масса покоя;
г) энергия;
д) спин.
3-5.25. Какой прибор не является физическим инструментом для регистрации радиации?
а) электроскоп;
б) счетчик Гейгера;
в) циклотрон;
г) камера Вильсона;
д) пузырьковая камера.
3-5.26. Определите одно неверное утверждение среди утверждений, имеющих отношение к квантовой механике:
а) уравнение Шредингера — основное уравнение нерелятивистской квантовой механики;
б) невозможно одновременно измерить импульс и энергию микрочастицы;
в) неопределенность координаты микрочастицы увеличивается, если уменьшается неопределенность импульса микрочастицы;
г) волновая функция микрочастицы имеет вероятностный смысл;
д) все фермионы обладают полуцелым спином.
3-5.27. Электрически нейтральная элементарная частица, входящая в состав любого атомного ядра:
а) нейтрино;
б) нейтрон;
в) экситон;
г) фотон;
д) тау-нейтрино;
е) кварк.
3-5.28. Что такое, как физическое явление, есть ядерная реакция?
а) взаимодействия между двумя или несколькими веществами, приводящие к образованию новых веществ;
б) превращение ядер при их взаимодействии с элементарными частицами и друг с другом;
в) распад неустойчивых атомных ядер, сопровождающийся испусканием элементарных частиц;
г) реакция синтеза ядер водорода, дейтерия и трития в ядра гелия;
д) реакция распада нейтрона.
3-5.29. Преобразование Лоренца в специальной теории относительности (СТО) есть:
а) преобразование свойств физических тел от одной координатной системы к другой;
б) преобразование координат пространства-времени в многообразии инерциальных систем отсчета;
в) преобразование от евклидовой геометрии к неевклидовым геометриям;
г) преобразование геометрических фигур (тел) в пространстве-времени Минковского;
д) преобразование одномерной пространственной координаты во временную.
3-5.30. Укажите верное утверждение относительно веса тела:
а) вес тела определяется количеством вещества в теле и не зависит от внешних условий;
б) вес человека в лифте, поднимающемся с ускорением вверх, больше, чем в покоящемся лифте;
в) вес парашютиста, опускающегося на землю на парашюте равен нулю;
г) сила притяжения к Земле полностью определяет вес тела.
3-5.31. Какая элементарная частица или квазичастица соответствует кванту электромагнитного поля?
а) электрон;
б) фотон;
в) нейтрино;
г) глюон,
д) мюон;
е) гиперон.
3-5.32. Какое утверждение верно в отношении общего понятия о физическом поле? Поле это:
а) некоторая величина, заданная в каждой точке пространства;
б) некоторый вектор, определенный на евклидовой поверхности;
в) пространство, данное нам в ощущениях;
г) пространство с кривизной, заданной в каждой его точке в каждый момент времени;
д) пространственно-временная совокупность всех частиц.
3-5.33. Как называется физическая величина, которая не может быть ни создана, ни уничтожена, которая существует в различных формах, которые могут превращаться друг в друга?
а) масса;
б) электрический заряд;
в) энергия;
г) энтропия;
д) спин;
е) изотопический спин;
ж) гиперзаряд.
3-5.34. Является ли расположенная на поверхности Земли лаборатория действительно инерциальной системой отчета? Какой ответ является и правильным и обоснованным?
а) нет, не является, поскольку поверхность Земли не соответствует шаровой поверхности;
б) да, является, так как локально в пределах лаборатории геометрия пространства является евклидовой;
в) является инерциальной для наблюдения всех явлений только на поверхности Земле;
г) не является инерциальной из-за вращения Земли вокруг своей оси;
д) да, является инерциальной, поскольку планета движется вокруг Солнца равномерно.
3-5.35. Какое утверждение полностью согласуется со специальной теорией относительности (СТО) Альберта Эйнштейна?
а) масса тела есть величина постоянная, не зависящая от системы отчета;
б) частица, обладающая конечной массой покоя, никогда не может достичь скорости света;
в) время «течет» одинаково в разных системах отчета;
г) превышения скорости света не противоречит принципу причинности.
3-5.36. Укажите верное утверждение из области физических явлений:
а) тело в направлении движения испытывает сокращение, и размер тела является максимальным в системе отсчета, где оно покоится;
б) скорость света одинакова в различных средах;
в) частота света, излучаемого источником, не зависит от скорости движения источника;
г) массы движения фотонов неотличимы между собой в различных инерциальных системах отсчета;
д) массы покоя фотонов отличаются между собой.
3-5.37. Определите наиболее точное и всегда верное утверждение в области физических явлений:
а) скорость света в вакууме одинакова в различных инерциальных системах отсчета;
б) скорость электрона всегда меньше скорости света;
в) скорость света всегда самая большая скорость из всех скоростей;
г) скорость света, излучаемого неподвижным и движущимся источниками, одинакова.
3-5.38. Самыми «элементарными» частицами квантовой хромодинамикой (физикой высоких энергий) сейчас признаются:
а) лептоны и фотоны;
б) кварки и глюоны;
в) нейтрино и мезоны;
г) барионы и мезоны;
д) адроны и партоны;
е) нуклоны и резонансы;
ж) нейтрино и гипероны.
3-5.39. Сделайте выбор правильного утверждения из области физических явлений:
а) одновременность двух событий — понятие абсолютное;
б) невозможно передать сигнал со скоростью, большей скорости света в вакууме;
в) длина световой волны источника не зависит от скорости источника;
г) следствия специальной теории относительности не запрещает возможности путешествие в прошлое и в будущее;
д) теория относительности разрешает возвращение во временное прошлое.
3-5.40. Симметрии в мире физических объектов порождают, как следствие:
а) сохранение тех или иных физических величин объектов;
б) соответствующую им инвариантность свойств;
в) абсолютность всех физических свойств;
г) относительность всех физических свойств.
3-5.41. Кто впервые из ученых сформулировал в науке (конкретно, в геометрии) представление (гипотезу) об искривленном характере пространства:
а) Иоганн Кеплер;
б) Альберт Эйнштейн;
в) Уильям Клиффорд;
г) Давид Гильберт;
д) Эварист Галуа;
е) Карл Гаусс;
ж) Ференц Больяи.
3-5.42. Главный теоретический недостаток планетарной модели атома Резерфорда, не противоречащий классической электродинамики, заключается в том, что:
а) электрон, вращающийся вокруг положительного ядра, должен излучать всегда энергию одинаковой частоты;
б) электрон, вращающийся вокруг положительного ядра, должен излучать энергию и, следовательно, атом нестабилен;
в) орбитой электрона в атоме является окружность;
г) в этой модели не учитывается гравитационное взаимодействие электрона и ядра.
3-5.43. Фотон в современной физике, как физический объект, это:
а) квант электромагнитного поля с энергией, пропорциональной частоте;
б) элементарная частица — переносчик гравитационного взаимодействия; в) частица, подобная фотоэлектрону;
г) положительно заряженная частица, которая всегда движется со скоростью света;
д) частица, связывающая нуклоны в ядре.
3-5.44. Пространство и время впервые предложил объединить в четырехмерное многообразие пространство-время:
а) Эйнштейн;
б) Лоренц;
в) Минковский;
г) Пуанкаре;
д) Эренфест;
е) Планк;
ж) де Бройль.
3-5.45. Какое утверждение относительно строения атома, согласно теории Бора, является неверным?
а) энергия электрона в атоме отрицательна;
б) радиусы орбит электрона в атоме водорода прямо пропорциональны п — номеру орбиты;
в) излучение света атомом происходит при переходе электрона с далеких орбит на более близкие орбиты к ядру;
г) взаимодействие между электроном и ядром определяется законом Кулона;
д) энергия электрона обратно пропорциональна квадрату главного квантового числа.
3-5.46. Согласно общей теории относительности (ОТО или теории тяготения) Эйнштейна, движение любого материального объекта в пространственно-временном континууме (многообразии) происходит:
а) прямолинейно;
б) по геодезической линии;
в) по параболе;
г) по окружности;
д) по эллипсу;
е) по спирали.
3-5.47. Какое физическое свойство (физическая характеристика) протона и нейтрона не позволяет различать их в ядре, а считать их двумя разными состояниями одной частицы — нуклона:
а) спин;
б) изотопический спин (изоспин);
в) странность;
г) барионный заряд;
д) гиперзаряд;
е) аромат;
ж) цвет;
з) поляризация.
3-5.48. Для гравитационного взаимодействия, как физического явления, не является характерным:
а) дальнодействие;
б) отталкивание;
в) малая интенсивность;
г) притяжение.
3-5.49. Какое из физических свойств не присуще ядерным силам (сильным взаимодействиям)?
а) свойство насыщения;
б) бесконечный радиус действия;
в) обменный характер взаимодействия;
г) независимость от электрического заряда.
3-5.50. Виртуальные частицы, осуществляющие взаимодействие кварков при образовании адронов, в квантовой хромодинамике (физике высоких энергий) получили название:
а) лептоны;
б) фотоны;
в); мезоны;
г) глюоны;
д) экситоны;
е) фононы.
3-5.51. Как была названа первая из экспериментально открытых античастиц:
а) нейтрино;
б) бозон;
в) позитрон;
г) фермион;
д) спинор;
е) антипротон.
3-5.52. Основателями теоретического (математического) формализма классического естествознания (классической механики, классической физики) являются:
а) Кеплер, Коперник;
б) Декарт, Галилей;
в) Гамильтон, Лагранж;
г) Ньютон, Лейбниц.
3-5.53. Укажите неверное утверждение из области физических явлений:
а) тела в направлении движения испытывают сокращение, и размер тела является максимальным в системе отсчета, где тело покоится;
б) скорость света одинакова в различных средах;
в) скорость света, излучаемого источником, не зависит от скорости движения источника;
г) масса покоя фотона равна нулю.
3-5.54. Укажите верную формулировку принципа относительности Галилея (классического принципа относительности):
а) никакие природные явления не позволяют установить различие состояний покоя и равномерного прямолинейного движения физической системы;
б) все инерциальные системы эквивалентны;
в) никакими механическими опытами невозможно отличить факт равномерного прямолинейного движения от состояния покоя;
г) все физические явления в изолированных (инерциальных) системах протекают одинаково.
3-5.55. Какое утверждение о свете является правильным? Свет, как физическое явление, это:
а) электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом;
б) кванты электромагнитного поля, излучаемые атомами водорода и гелия;
в) оптическое излучение;
г) верны ответы а) и б);
д) верны ответы а) и в);
е) верны ответы б) и в).
3-5.56. Какие элементарные частицы называют нуклонами?
а) все тяжелые частицы;
б) все электрически нейтральные частицы;
в) все частицы, обладающие спином;
г) частицы, входящие в состав атомных ядер;
д) верны ответы а), б), г);
е) верны ответы а), б), в).
3-5.57. Взаимодействие, ответственное за все виды e-распада (излучение из ядер электронов), это:
а) гравитационное;
б) электромагнитное;
в) слабое;
г) электрослабое;
д) сильное.
3-5.58. Коэффициент пропорциональности между температурой и светимостью абсолютно черного тела, имеет название:
а) постоянная Больцмана;
б) постоянная Планка;
в) постоянная Стефана-Больцмана;
г) постоянная Хаббла;
д) постоянная Ридберга.
3-5.59. Единица измерения электрического заряда, получила название в Международной системе единиц (SI) (по имени одного из выдающихся европейских физиков):
а) кулон;
б) джоуль;
в) вольт;
г) ампер;
д) ватт;
е) тесла;
ж) генри.
3-5.60. Единицей измерения силы электрического тока в Международной системе единиц (SI) (по имени одного из выдающихся европейских физиков) является:
а) кулон;
б) джоуль;
в) вольт;
г) ампер;
д) тесла;
е) фарада.
3-5.61. Единицей измерения электрического напряжения в Международной системе единиц (SI) (по имени одного из европейских физиков) является:
а) кулон;
б) джоуль;
в) вольт;
г) ампер;
д) ангстрем;
е) фарада.
3-5.62. Ученый, установивший впервые закон взаимодействия точечных электрических зарядов, это:
а) Кулон;
б) Джоуль;
в) Вольта;
г) Ампер
д) Эрстед;
е) Фарадей.
3-5.63. Свободная частица, несущая наименьший в природе отрицательный заряд, это:
а) электрон;
б) альфа-частица;
в) протон;
г) позитрон;
д) кварк;
е) глюон.
3-5.64. Укажите электрически нейтральную частицу:
а) электрон;
б) атом;
в) протон;
г) альфа-частица;
д) кварк;
е) анион.
3-5.65. Частица, входящая в состав ядер всех атомов, это:
а) электрон;
б) позитрон;
в) протон;
г) электронное нейтрино;
д) мюонное нейтрино.
3-5.66. Наименьшим количеством вещества в состоянии покоя обладает:
а) электрон;
б) атом;
в) протон;
г) молекула;
д) фотон;
е) кварк.
3-5.67. Вещества, хорошо проводящие электрический ток, это:
а) металлы;
б) диэлектрики;
в) полупроводники;
г) сегнетоэлектрики.
3-5.68. Вещества, плохо проводящие электрический ток, это:
а) металлы;
б) диэлектрики;
в) полупроводники;
г) ферромагнетики.
3-5.69. Вещества, совсем не проводящие электрический ток, это:
а) металлы;
б) диэлектрики;
в) полупроводники;
г) диамагнетики.
3-5.70. Неделимая (дискретная) порция какой-либо физической величины, называется:
а) квадриум;
б) квант;
в) кварк;
г) квазар;
д) спин.
3-5.71. Укажите правильное утверждение из области физических явлений:
а) свет — поток квазичастиц;
б) свет — суперпозиция (совокупность) электромагнитных волн;
в) свет — поток кварков;
в) свет — то же, что и эфир.
3-5.72. Какой принцип относится к принципам классического естествознания:
а) дополнительности;
б) постоянства скорости света;
в) галилеев принцип относительности;
г) запрета Паули;
д) эквивалентности инертной и тяжелой масс.
3-5.73. Частица, излучаемая в виде электромагнитного кванта энергии, это:
а) электрон;
б) нейтрон;
в) фотон;
г) альфа-частица;
д) не указана;
е) нейтрон;
ж) правильные ответы а), в), г).
3-5.74. Какой постулат лежит в основании квантовой механики:
а) постулат о независимости скорости света от скорости источника;
б) постулат о волнах материи;
в) постулат о независимости явлений от неускоренного движения;
г) постулат о тождественности тяжелой и инертной масс.
3-5.75. Взаимодействие, являющееся короткодействующим (действующим на сверхмалых расстояниях) среди фундаментальных взаимодействий, это:
а) гравитационное;
б) электромагнитное;
в) сильное (ядерное);
д) электростатическое.
3-5.76. Взаимодействие, ответственное за распад элементарных частиц, это:
а) гравитационное;
б) электромагнитное;
в) слабое;
г) электрослабое;
д) сильное (ядерное).
3-5.77. Взаимодействие, обеспечивающее связь нуклонов в ядре атома, это:
а) гравитационное;
б) электромагнитное;
в) сильное (ядерное);
г) электрослабое.
3-5.78. Взаимодействие, обеспечивающее связь нейтрино с веществом, это:
а) гравитационное;
б) электромагнитное;
в) слабое;
г) сильное (ядерное).
3-5.79. К лептонам, как к классу легких элементарных частиц, не относятся:
а) электроны;
б) нейтрино;
в) нуклоны;
г) мюоны (мю-мезоны).
3-5.80. Какая физическая характеристика относится исключительно к кваркам:
а) спин;
б) аромат;
в) изоспин;
г) гиперзаряд;
д) странность.
3-5.81. Какой (какие) принцип(ы) относится к принципам неклассического естествознания:
а) дополнительности;
б) запрета Паули;
в) абсолютности пространства и времени;
г) неопределенности Гейзенберга;
д) правильно а) и в);
е) правильно а), б) и г);
ж) правильны все ответы.
3-5.82. Какой принцип относится к принципам пост-неклассического естествознания:
а) подчинения Хакена;
б) неопределенности Гейзенберга;
в) запрета Паули;
г) наименьшего действия Мопертюи;
д) независимости явлений от неускоренного движения.
3-5.83. Теория пространства и времени Эйнштейна, столетие которой отмечалось в 2005 году, широко известна в отечественной литературе под аббревиатурой (кратко) СТО. Правильное это декодируется (расшифровывается) как:
а) специализированная теория отношений;
б) специальная теория одновременности;
в) специальная теория оптимальности;
г) специальная теория относительности;
д) специальная теория обобщения;
е) специальная теория отображений;
ж) специальная теория отражения.
3-5.84. Возрастание энтропии физической системы ведет в ней к:
а) повышению температуры;
б) увеличению беспорядка;
в) повышению порядка;
г) переходу в стационарное состояние;
д) появлению признаков самоорганизации.
3-5.85. В системе происходит структурная перестройка таким образом, что увеличивается беспорядок. Какое утверждение соответствует происходящему процессу?
а) энтропия системы возрастает;
б) энтропия системы убывает;
в) энтропия системы не изменяется;
г) происходит выделение тепла из системы.
3-5.86. Системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией и информацией, называются:
а) нестационарными;
б) динамическими;
в) открытыми;
г) самоорганизующимися.
3-5.87. Какое одно приведенное утверждение является некорректным?
а) полная механическая энергия системы частиц сохраняется;
б) силы внутреннего трения в замкнутой системе частиц могут только уменьшать полную механическую энергию системы;
в) кинетическая энергия нерелятивистской частицы пропорциональна квадрату скорости частицы;
г) потенциальная энергия сжатой пружины пропорциональна квадрату величины линейного сжатия.
3-5.88. В природе существуют четыре вида взаимодействия — электромагнитное, гравитационное, сильное (ядерное) и слабое. Среди ответов нужно выбрать ту совокупность взаимодействий, в которой они расположены в порядке возрастания интенсивности взаимодействия:
а) слабое, электромагнитное, сильное;
б) гравитационное, сильное, электромагнитное;
в) слабое, гравитационное, электромагнитное;
г) слабое, сильное, электромагнитное.
3-5.89. Мерой хаотичности движения молекул в физике и химии считается:
а) температура;
б) импульс;
в) энергия;
г) энтропия;
д) скорость движения.
3-5.90. Абсолютная температурная шкала называется также именем ученого, предложившего ее:
а) Кельвина;
б) Фаренгейта;
в) Цельсия;
г) Реомюра.
3-5.91. Величина, определяющая количество движения в системе, это:
а) энергия;
б) скорость;
в) импульс;
г) энергия;
д) квадрат скорости;
е) ускорение.
3-5.92. Какое из приведенных ниже утверждений верно?
а) энергия без потерь может превращаться из одной формы в любую другую;
б) физический смысл имеет только абсолютное значение энергии;
в) полная энергия изолированной системы меняется;
г) потенциальная энергия падающего тела всегда больше его кинетической энергии.
3-5.93. Какое одно утверждение, приведенное ниже, верно?
а) система с большей упорядоченностью имеет более низкую энтропию и наоборот;
б) любой физический процесс в изолированной системе понижает энтропию системы;
в) энтропия системы не зависит от ее состояния; г) энтропия системы всегда больше ее энергии;
д) энергия и энтропия системы совпадают при абсолютном нуле температуры.
3-5.94. Какое одно утверждение, приведенное ниже, верно?
а) система с большей упорядоченностью имеет более высокую энтропию и наоборот;
б) любой физический процесс в изолированной системе повышает энтропию системы;
в) все реальные физические процессы обратимы;
г) во всех биологических системах энтропия всегда отрицательна;
д) энергия и энтропия взаимопревращаемы.
3-5.95. Какое одно утверждение, приведенное ниже, верно?
а) энтропия может превращаться в энергию;
б) любой физический процесс в изолированной системе понижает энтропию системы;
в) понижение энтропии всегда повышает энергию системы;
г) во всех биологических системах энтропия отсутствует.
3-5.96. Правильно выбранные последовательности электромагнитных излучений в порядке убывания длин волн (энергий), это:
а) радиоволны, ультрафиолетовые лучи, инфракрасные лучи;
б) радиоволны, инфракрасные лучи, ультрафиолетовые лучи;
в) ультрафиолетовые лучи, радиоволны, инфракрасные лучи;
г) инфракрасные лучи, радиоволны, ультрафиолетовые лучи.
3-5.97. Увеличению процесса беспорядка в системе соответствует:
а) возрастание энтропии;
б) убывание энтропии;
в) энтропия остается неизменной;
г) возрастание энергии;
д) убывание энергии.
3-5.98. Какое перечисленное ниже излучение обладает наибольшей энергией?
а) микроволновое;
б) инфракрасное;
в) гамма-излучение;
г) реликтовое.
3-5.99. Процесс передачи внутренней энергии без совершения механической работы, называется:
а) теплообмен;
б) броуновское движение;
в) фотосинтез;
г) эффект Комптона.
3-5.100. Ученый, давший имя единице измерения энергии, это:
а) Кулон;
б) Джоуль;
в) Вольта;
г) Ампер;
д) Эрстед.
3-5.101. Какое утверждение относительно энергетического состояния системы верно?
а) при обратимом процессе система возвращается в исходное состояние;
б) система закрыта, если она обменивается энергией с окружающей средой;
в) система закрыта, если она обменивается веществом с окружающей средой;
г) система открыта, если в ней идут процессы диффузии.
3-5.102. Действие закона сохранения биомассы Вернадского основывается на:
а) законе сохранения энергии;
б) постоянстве неэнтропии;
в) биогенетическом законе Геккеля;
г) теории диссипативных структур Пригожина;
д) законе сохранения массы.
3-5.103. Какое утверждение относительно процессов в системе верно?
а) все реальные процессы необратимы;
б) при электролизе происходит перенос энергии;
в) при теплопередаче происходит перенос вещества;
г) все реальные процессы обратимы.
3-5.104. Какое выражение(я) верно?
а) полная энергия изолированной системы остается неизменной;
б) энтропия может превращаться в энергию;
в) возрастание энтропии повышает порядок;
г) верны ответы а), б);
д) верны ответы б), в);
е) верны ответы б), в);
ж) все ответы неверны.
3-5.105. Какое выражение о процессах в системе верно?
а) система с большей упорядоченностью имеет более высокую энтропию и наоборот;
б) любой физический процесс в изолированной системе повышает энтропию системы;
в) оба утверждения верны;
г) оба утверждения неверны.
3-5.106. Какое выражение относительно энергии системы верно!
а) энергия без потерь может превращаться из одной формы в другую;
б) полная энергия изолированной системы не меняется;
в) оба утверждения верны;
г) оба неверны.
3-5.107. Сколько есть способов размещения 10 частиц по двум половинкам сосуда?
Указание: если число частиц равно N, причем п частиц в одной половинке сосуда, a (N - п) частиц в другой половинке, то число способов W, которыми можно осуществить такую расстановку, определяется формулой: W = N!/n! (N - n)!
Для N = 10 найдите все Wn (n = 0, 1, 2, ...5).
Убедитесь, что максимальное число Wn будет при n = 5.
3-5.108. В сосуде содержится N молекул идеального газа. Подсчитайте изменение энтропии при переходе газа из начального состояния, когда все молекулы собраны в одной половинке сосуда, в конечное состояние, когда молекулы распределены по всему объему сосуда, и, следовательно, в обеих половинках сосуда содержится одинаковое число молекул N.
Указание 1. Сначала необходимо определить число способов размещения молекул (термодинамическую вероятность) по половинкам сосуда в начальном и конечном состоянии.
Указание 2. Затем по формуле Больцмана S = klnw найти энтропию начального и конечного состояния (к — постоянная Больцмана). Необходимо учесть то обстоятельство, что для больших чисел N справедлива формула Стерлинга: InN! = NlnN - N.
Тесты к главам 6 и 7 Космологические и космогонические концепции и гипотезы естествознания о Вселенной, о Земле и планетах Солнечной системы
6-7.1. Основателем космологических моделей на основе общей теории относительности стал:
а) Эйнштейн;
б) Гамов;
в) Фридман;
г) Хаббл;
д) Эддингтон;
е) Лемэтр.
6-7.2. Законы движения планет были установлены:
а) Николаем Коперником;
б) Джордано Бруно;
в) Иоганном Кеплером;
г) Галилео Галилеем;
д) Тихо Браге;
е) Исааком Ньютоном;
ж) Рене Декартом.
6-7.3. Без какого фундаментального принципа невозможно обойтись при построении общей теории относительности (теории тяготения Эйнштейна)?
а) релятивистского принципа относительности;
б) принципа, утверждающего соответствие между массой частицы и ее волной;
в) принципа тождественности тяжелой и инертной масс;
г) принципа относительности к средствам наблюдения.
6-7.4. Укажите время (столетие) астрономических открытий Коперника и Бруно:
а) ХШ век;
б) XVI век;
в) XVII век;
г) XV век.
6-7.5. Какой коэффициент (постоянная) связывает частоту и энергию космического реликтового излучения:
а) постоянная Больцмана;
б) коэффициент Лоренца;
в) постоянная Планка;
г) постоянная Хаббла;
д) постоянная Стефана-Больцмана.
6-7.6. Реликтовое излучение, как физическое явление — это:
а) космическое фоновое излучение следствие взрыва ранней горячей Вселенной;
б) инфракрасное излучение из центра Галактики;
в) излучение реликтовых звезд;
г) межгалактическое излучение сверхновых звезд;
д) инфракрасное излучение звезд.
6-7.7. Какое утверждение относительно характеристик Вселенной является неправильным?
а) возраст Вселенной от 10 до 20 миллиардов лет;
б) кривизна Вселенной возрастает;
в) средняя плотность Вселенной ниже критической;
г) самые далекие наблюдаемые объекты Вселенной находятся на расстоянии порядка 10 миллиарда световых лет.
6-7.8. Какое утверждение о характеристиках Солнечной системы является неправильным?
а) Солнечная система возникла примерно 5 миллиардов лет назад из газово-пылевого облака;
б.) хвосты комет имеют постоянную длину;
в) периоды обращения планет возрастают с увеличением расстояния от Солнца;
г) астероидный пояс находится между Марсом и Юпитером;
д) неправильные утверждения а) и г).
6-7.9. Какое утверждение из классической физики и астрономии является некорректным?
а) под действием постоянной силы частица движется с постоянным ускорением;
б) в поле тяготения Солнца небесные тела могут двигаться только по эллиптическим орбитам;
в) в инерциальной системе отсчета нет сил инерции;
г) изменение им пульса частицы обусловлено изменением не только скорости частицы, но и изменением ее массы.
6-7.10. Какая из внутренних (глубинных) геосфер Земли демпфирует (гасит) давление поднимающегося к земной коре вещества верхней мантии:
а) Мохоровича;
б) астеносфера;
в) Гуттёнберга;
г) Ван Алена;
д) мезосфера.
6-7.11. Какой ученый не относится к тем, без которых Ньютон не создал бы классической механики?
а) Галилей;
б) Кеплер;
в) Кулон;
г) Декарт;
д) Коперник;
е) Джордано Бруно.
6-7.12. Английский астроном Джеймс Джинс положил в основание теории происхождения планет Солнечной системы гипотезу:
а) небулярную;
б) катастрофическую;
в) электромагнитную;
г) магнитогидродинамическую;
д) реликтового излучения.
6-7.13. Закон, устанавливающий скорость расширения Вселенной, носит имя:
а) Доплера;
б) Хаббла;
в) Эйнштейна;
г) Герцшпрунга-Рассела.
6-7.14. Какая мировая постоянная (константа) позволяет определить возраст Вселенной?
а) постоянная Планка;
б) постоянная Хаббла;
в) постоянная Эйнштейна;
г) постоянная Фридмана;
д) постоянная Больцмана;
е) постоянная Ридберга.
6-7.15. Какое фундаментальное астрономическое наблюдение открыл великий американский ученый Хаббл?
а) линии в спектре Солнца;
б) реликтовое излучение;
в) разбегание галактик;
г) черные дыры;
д) спиральные рукава Персея и Стрельца Млечного Пути;
е) ядра галактик.
6-7.16. Что известно современной науке о центре Вселенной?
а) он находится в Туманности Андромеды;
б) он находится в Магеллановых Облаках;
в) он еще не определен, но будет, определен;
г) он находится в сингулярности, породившей Большой Взрыв;
д) так как Вселенная однородна и изотропна, его нет.
6-7.17. Найдите одно верное утверждение:
а) согласно общей теории относительности, искривление траектории тела, движущегося в поле тяготения, происходит из-за действия силы тяготения;
б) геометрические свойства искривленного пространства-времени определяются массой или энергией материи в этом пространстве;
в) вблизи массивных тел пространство является евклидовым;
г) только гравитационное поле искривляет пространство-время.
6-7.18. Под понятием Метагалактика в современной космологии понимается:
а) первая сотня ближайших к нам галактик;
б) сосредоточие черных дыр Вселенной;
в) доступные для наблюдения квазары Вселенной;
г) доступная для наблюдения Вселенная.
6-7.19. Одна из возможных стадий эволюции звезд приводит к образованию:
а) нейтринных звезд;
б) нейтронных звезд;
в) протонных звезд;
г) позитронных звезд.
6-7.20. Самая древняя из наук о природе — это:
а) физика;
б) биология;
в) астрономия;
г) химия;
д) антропология.
6-7.21. Движение — способ существования материи. Естествознание выделяет основные формы движения материи: механическую, тепловую, электромагнитную, ядерную, химическую, биологическую и общественную. Какие формы движения материи существуют на «нормальной» звезде (звезде типа нашего Солнца), какой ответ правильный и наиболее полный?
а) механическая, ядерная;
б) ядерная, тепловая, механическая, электромагнитная;
в) ядерная, химическая, тепловая;
г) механическая, электромагнитная, биологическая, химическая;
д) магнитогидродинамическая, механическая, химическая.
6-7.22. Установите (из приведенных ниже) одно верное утверждение относительно взаимосвязи пространства, времени и материи (по Эйнштейну):
а) пространство, время и материя существуют независимо друг от друга;
б) пространство и время взаимосвязаны, но не зависят от материи;
в) время — физическая величина, описывающая порядок явлений в искривленном материей пространстве;
г) материя искривляет пространство, но не влияет на ход времени;
д) пространство и время искривляют материю.
6-7.23. Какая величина принципиально определяет темп расширения Вселенной и возможность смены расширения на сжатие?
а) средняя плотность Вселенной;
б) масса всех звезд;
в) радиус Вселенной;
г) средняя температура Вселенной;
д) плотность черных дыр;
е) темная масса.
6-7.24. Из всех форм существования вещества самой распространенной формой во Вселенной является:
а) жидкость;
б) газ;
в) плазма;
г) твердое тело;
д) «планковский бульон»,
е) черные дыры.
6-7.25. Укажите одно верное утверждение относительно расширения Вселенной:
а) все галактики удаляются от Земли с постоянной скоростью;
б) существует особая точка в космосе, относительно которой галактики разбегаются;
в) скорость удаления галактик друг от друга пропорциональна их взаимному расстоянию;
г) характер расширения Вселенной не зависит от средней плотности Вселенной.
6-7.26. Наблюдательные данные о какой приведенной ниже характеристике дают возможность определить химический состав звезд:
а) спектр излучения звезды;
б) температура поверхности звезды;
в) цвет звезды;
г) яркость звезды;
д) поток гамма-частиц звезды.
6-7.27. Как космический объект, астрономически наблюдаемая туманность Андромеды — это:
а) ближайшая к нашей Галактике гигантская галактика;
б) межзвездное облако пыли и газа в нашей Галактике;
в) межгалактическое облако из пыли и газа;
г) одна из туманностей Млечного пути;
д) местное скопление галактик;
е) сверхскопление галактик.
6-75.28. Выберите одно верное утверждение о черных дырах:
а) при беспредельном сжатии любого космического тела образуется объект — черная дыра, за пределы которой не вырывается даже свет;
б) при гравитационном сжатии массивной звезды возможно образование черной дыры;
в) черную дыру можно обнаружить как непосредственно, так и по взаимодействию с окружающей средой;
г) образование черных дыр во Вселенной происходит так же часто, как и белых карликов или пульсаров.
6-7.29. Найдите верное продолжение предложения: «Если на месте Солнца была голубая звезда из главной последовательности, то:
а) на Земле не возникла бы жизнь»;
б) на Земле было бы лето круглый год»;
в) вода в океанах была бы очень теплая»;
г) загорать было бы вредно для здоровья».
6-7.30. Выберите единственно правильное утверждение об озоновом слое в атмосфере:
а) озон образуется в ионосфере под действием солнечного излучения;
б) концентрация озона в атмосфере не зависит от выбросов газа в процессе промышленной деятельности на Земле;
в) максимальное содержание озона наблюдается на высоте 20-25 км, так как образование озона происходит при электрических разрядах и под действием ультрафиолетового излучения Солнца;
г) основная причина возникновения озоновых дыр заключается в выбросе углекислого газа в атмосферу.
6-7.31. Чем обусловлена смена времен года на Земле?
а) изменением расстояния от Земли до Солнца в течение года;
б) изменением ориентации земной оси по отношению к Полярной Звезде;
в) движением Земли вокруг Солнца и наклоном оси вращения Земли к плоскости орбиты;
г) вращение Земли вокруг своей оси.
6-7.32. Какая приведенная единица измерения расстояний является наибольшей?
а) световой год;
б) астрономическая единица;
в) парсек;
г) ангстрем.
6-7.33. Первыми авторами небулярной гипотезы происхождения солнечной планетной системы были:
а) Ньютон и Бюффон;
б) Лагранж и Гамильтон;
в) Ломоносов и Бомон;
г) Лаплас и Кант.
6-7.34. Укажите ту тройку планет, в которой массы последовательно возрастают:
а) Земля, Юпитер, Сатурн;
б) Марс, Венера, Нептун;
в) Венера, Уран, Плутон;
г) Меркурий, Сатурн, Уран;
д) Венера, Меркурий, Земля.
6-7.35. Вывод о возможной нестационарности Вселенной в рамках теории тяготения Эйнштейна впервые теоретически установил:
а) Эйнштейн;
б) Хаббл;
в) Фридман;
г) Гамов;
д) Эд-дингтон;
е) Лемэтр.
6-7.36. Метагалактика, как динамическая система, по современным астрономическим наблюдениям:
а) стационарна;
б) пульсирует;
в) сжимается;
г) расширяется.
6-7.37. Закон всемирного тяготения Ньютона устанавливает, что сила, действующая между двумя массами, находящимися на некотором расстоянии друг от друга:
а) пропорциональна квадратам масс и расстоянию;
б) пропорциональна квадрату расстояния и обратно пропорциональна массам;
в) пропорциональна массам и обратна расстоянию;
г) пропорциональна массам и обратно пропорциональна квадрату расстояния.
6-7.38. Одна из возможных стадий эволюции звезд приводит к образованию:
а) нейтринных звезд;
б) черных дыр;
в) протонных звезд;
г) позитронных звезд.
6-7.39. К какому классу звезд относится наше Солнце?
а) белым карликам;
б) голубым гигантам;
в) желтым карликам;
г) желтым гигантам.
6-7.40. Как называется наша галактика?
а) Млечный путь;
б) Туманность Андромеды;
в) Большие Магеллановы Облака;
г) Малые Магеллановы Облака.
6-7.41. Укажите правильно период времени, в течение которого Луна совершает полный круг с запада на восток:
а) календарный месяц;
б) год;
в) сутки;
г) лунный месяц;
д) 24 суток.
6-7.42. Укажите правильно период времени, в течение которого Земля замыкает траекторию, вращаясь вокруг Солнца:
а) месяц;
б) год;
в) сутки;
г) столетие;
д) 11 лет;
е) 26 400 лет.
6-7.43. Ученый, открывший закон всемирного тяготения, это:
а) Коперник;
б) Кеплер;
в) Ньютон;
г) Галилей;
д) Джордано Бруно;
е) Тихо Браге.
6-7.44. Движение планет вокруг Солнца описывается законами:
а) гравитационного взаимодействия;
б) Кеплера; в) сохранения энергии;
г) Фридмана и Гамова;
д) кулоновского взаимодействия.
6-7.45. Космический объект, изменяющий свое излучение за малые доли времени (доли секунды, секунды, минуты), это:
а) квазар;
б) квадруполь;
в) кварк;
г) пульсар;
д) активное ядро галактики.
6-7.46. Укажите правильное утверждение, приведенное ниже:
а) гравитационное поле распространяется в вакууме со скоростью света;
б) электромагнитное поле распространяется в вакууме со скоростью света;
в) оба верны;
г) оба неверны.
6-7.47. Наука, изучающая землетрясения, называется:
а) вулканология;
б) сейсмология;
в) геотектоника;
г) физическая география.
6-7.48. Какая по физическому или химическому характеру и типу реакция идет в недрах Солнца? Какие объекты участвуют в этой реакции?
6-7.49. В каких размерных единицах принято в астрофизике выражать (записывать) постоянную Хаббла?
а) (км/с)/Мпс;
б) (кДж/с) эрг;
в) (кВт/с) МДж;
г) (км/с)/ МВт.
6-7.50. Какой интервал возраста Вселенной признается современной наукой наиболее точным?
а) (4-8) млрд лет;
б) (20-30) млрд лет;
в) (13-17) млрд лет;
г) (9-13) млрд лет.
6-7.51. Какой интервал значений постоянной Хаббла признается наиболее точным сейчас?
а) (50-65) (км/с) /Мпс;
б) (57-63) (км/с) /Мпс;
в) (65-85) (км/с) /МВт;
г) (38-48) (км/с) /МВт;
д) (100-120) (км/с) / Мпс.
6-7.52. Источниками высокостабильного (постоянного) по частоте космического излучения являются:
а) черные дыры;
б) квазары;
в) пульсары;
г) активные ядра галактик;
д) сверхновые звезды.
6-7.53. Сверхмощное нестабильное (не имеющее постоянной частоты и периода) космическое излучение зафиксировано астрономами от:
а) квазаров;
б) черных дыр;
в) пульсаров;
г) голубых гигантов;
д) белых карликов.
6-7.54. Время (как физическое явление) останавливает свое «течение» вблизи:
а) горизонта Метагалактики;
б) горизонта черных дыр;
в) туманности Андромеды;
г) сверхновых звезд;
д) шаровых галактик;
е) активных центров галактик.
6-7.55. Кто из астрофизиков предсказал существование вулканизма на Луне:
а) Эдвин Хаббл;
б) Виктор Амбарцумян;
в) Николай Козырев;
г) Яков Зельдович;
д) Фред Хойл;
е) Стивен Хо-кинг;
ж) Жорж Лемэтр.
6-7.56. Теория тяготения Эйнштейна широко известна в отечественной литературе под аббревиатурой (кратко) как ОТО. Правильно это дешифруется как:
а) обобщенная теория относительности;
б) оптимальная теория относительности;
в) объединенная теория относительностей;
г) общая теория отоскопии;
д) общая теория относительности;
е) обобщенная теория отношений;
ж) общая теория относительностей.
6-7.57. Электромагнитные волны, попадая в область действия гравитационного поля:
а) испытывают «синее смещение»;
б) не подвергаются никаким изменениям;
в) ускоряют скорость распространения;
г) испытывают «красное смещение»;
д) увеличивают массу покоя;
е) превращаются в электрон-позитронные пары.
6-7.58. В какой области диаграммы спектр-светимость находится большинство звезд околосолнечного окружения:
а) в области белых карликов;
б) в области главной устойчивости;
в) в области главной последовательности;
г) в области генеральной последовательности;
д) в области главной регулярности;
е) в области главного присутствия;
ж) в области желтых карликов.
6-7.59. Диаграмму спектр-светимость звезд околосолнечного окружения впервые установили и ввели в астрономию:
а) Тихо Браге и Иоганн Кеплер;
б) Пьер Лаплас и Иммануил Кант;
в) Уильям Гершель и Оле Ремер;
г) Эйнар Герцшпрунг и Генри Рессел;
д) Эдвин Хаббл и Виктор Амбарцумян.
6-7.60. Общепринято называть состояние Вселенной до момента «большого взрыва»:
а) метастабильным;
б) виртуальным;
в) синергетическим;
г) планковским;
д) сингулярным;
е) синхроническим;
ж) синфазным;
з) иррегулярным;
и) трансцендентным.
Тесты к главе 8 Концепции и принципы химического естествознания
8.1. Почему невозможно бесконечное разнообразие химических элементов? Какой ответ является наиболее правильным и какова главная причина ограничения многообразия элементов?
а) ядерные силы обладают свойством насыщения;
б) из-за того, что ядра состоят только из протонов и нейтронов (так называемых нуклонов), а не из других элементарных частиц;
в) из-за короткодействующих (в пределах размеров ядер) сильных и слабых ядерных сил;
г) из-за действия принципа Паули;
д) в силу принципа дополнительности Нильса Бора.
8.2. Определите правильное утверждение:
а) электроны содержатся в ядрах атомов;
б) атомный номер химического элемента равен числу нейтронов в ядре;
в) атомный номер элемента равен числу валентных электронов;
г) масса нейтрона практически совпадает с массой протона.
8.3. Ядра тяжелых химических элементов могут образовываться главным образом в:
а) белых карликах;
б) в любых звездах;
в) в сверхновых звездах;
г) в нейтронных звездах.
8.4. Какое утверждение относительно взаимодействия между молекулами является верным?
а) межмолекулярное взаимодействие имеет гравитационную природу;
б) на любом расстоянии между молекулами существует притяжение, обусловленное электромагнитным взаимодействием;
в) на малых расстояниях молекулы отталкиваются, на далеких расстояниях — притягиваются;
г) в целом молекулы являются электронейтральными, поэтому взаимодействие между ними на некотором расстоянии отсутствует;
д) молекулы всегда отталкиваются друг от друга.
8.5. Атомная единица массы, согласно принятому соглашению, — это:
а) масса протона, выраженная в граммах;
б) 1/12 доля массы изотопа атома углерода с массовым числом 12;
в) масса атома водорода;
г) 1/16 массы изотопа атома кислорода с массовым числом 16.
8.6. Самый распространенный химический элемент во Вселенной:
а) гелий;
б) водород;
в) тяжелый водород;
г) углерод;
д) азот;
е) кислород.
8.7. Определите верное утверждение о валентности химического элемента:
а) максимальная валентность элемента обычно равна номеру группы в периодической системе элементов Д. И. Менделеева;
б) валентность атома определяется полным количеством электронов в атоме;
в) валентность химического элемента одинакова при участии его в различных химических реакций;
г) в химических реакциях любой элемент, способный отдавать электроны с внешней оболочки, никогда не может принимать электроны на внешнюю оболочку.
8.8. Тяжелые химические элементы появляются в природе в результате:
а) жизнедеятельности организмов;
б) вспышек на Солнце;
в) взрывов новых звезд;
г) взрывов сверхновых звезд;
д) взрывов квазаров.
8.9. Изотопами являются те атомы, которые имеют:
а) одинаковые атомные веса, но различные атомные номера;
б) одинаковые атомные номера, но различные атомные веса;
в) одинаковое число протонов, но различное число электронов;
г) одинаковое число нейтронов, но разное протонов.
8.10. Главные органогены по физико-химическим проявлениям это:
а) металлы;
б) соли металлов;
в) неметаллы;
г) газы;
д) галогены;
е) благородные газы.
8.11. Химическая связь, образованная объединением электронов реагирующих атомов, известна как:
а) ионная связь;
б) ковалентная связь;
в) полярная связь;
г) металлическая связь.
8.12. Более всего в химическом составе земной коры:
а) железа;
б) кислорода;
в) кремния;
г) алюминия;
д) натрия;
е) кальция;
ж) углерода.
8.13. Какой химический элемент присутствует во всех органических соединениях?
а) кислород;
б) водород;
в) углерод;
г) азот;
д) фосфор;
е) сера.
8.14. Найдите одно неверное утверждение:
а) химические элементы одной группы имеют одинаковое число валентных электронов;
б) свойства элементов периодически зависят от их атомных номеров;
в) неметаллы расположены в верхнем левом углу таблицы Менделеева;
г) редкоземельные элементы более похожи друг на друга, чем другие группы элементов;
д) в левой части таблицы химических элементов Менделеева сосредоточены, в основном, металлы.
8.15. Соединения, которые выражаются одинаковыми молекулярными формулами, но имеют различную пространственную структуру, называются:
а) аллотропами
б) изомерами;
в) изотопами;
г) полимерами;
д) нуклеотидами;
е) гомеомериями;
ж) гомоморфизмами.
8.16. Закон (принцип), устанавливающий связь между зарядом атомного ядра и химическими свойствами данного элемента, это:
а) закон Авогадро;
б) периодический закон Менделеева;
в) закон радиоактивного распада;
г) закон постоянства состава вещества Пруста;
д) принцип Паули.
8.17. Тяжелые химические элементы (тяжелее элементов группы железа) рождаются:
а) в звездах, находящихся на главной последовательности диаграммы Герцшпрунга-Рессела;
б) в звездах сверхгигантах;
в) в звездах красных гигантах;
г) в квазизвездных образования (квазарах);
д) в газово-пылевых межзвездных туманностях (небулах);
е) при взрывах черных дыр;
ж) при взрывах сверхновых звезд;
з) при взрывах шаровых скоплений звезд.
8.18. Наименьшая частица данного химического элемента это:
а) его ядро;
б) его атом;
в) его положительно заряженный ион;
г) его отрицательно заряженный ион;
д) монада.
8.19. Устойчивость (стабильность) ядер химических элементов обеспечивается:
а) образованием протонов и нейтронов из кварков;
б) наличием у нуклонов изотопического спина;
в) присутствием в них (ядрах) нейтронов;
г) «склеивающими» свойствами глюонов;
д) присутствием в них (ядрах) протонов.
8.20. В периодической таблице химических элементов Д. И. Менделеева:
а) каждый период содержит одинаковое количество элементов;
б) количество элементов в каждом периоде кратно 4;
в) местоположение (номер) элемента зависит от величины электрического заряда ядра;
г) местоположение (номер) элемента зависит от его атомного веса;
д) число химических элементов в каждой группе одинаково;
е) число изотопов любого элемента одинаково.
8.21. Химический элемент, не содержащийся в органических соединениях, это:
а) водород;
б) кислород;
в) аргон;
г) фтор;
д) кальций;
е) магний.
8.22. Химический элемент, способствующий процессу горения, это:
а) водород;
б) кислород;
в) углерод;
г) азот;
д) сера;
е) фосфор.
8.23. Какой процесс, указанный ниже, является по природе химическим?
а) таяние льда;
б) кристаллизация воды;
в) ржавление железа;
г) конденсация;
д) электропроводность;
е) теплопроводность.
8.24. Химический элемент, по определению, это:
а) совокупность одинаковых атомов;
б) вещество, состоящее из атомов;
в) совокупность ионов;
г) механическая совокупность электронов и ядер.
8.25. Радиоуглеродный метод определения возраста образцов основан на:
а) сравнении количеств изотопов углерода и кислорода с массовыми числами 14;
б) сравнении количеств изотопов углерода с массовыми числами 11 и 12;
в) сравнении количеств изотопов углерода с массовыми числами 14 и 12;
г) сравнении количеств изотопов углерода и кислорода с массовыми числами 16.
8.26. Кто возродил в науке идею об атомах Левкиппа и Демокрита в XIX столетии:
а) Константин Кирхгоф;
б) Йенс Берцелиус;
в) Джон Дальтон;
г) Дмитрий Менделеев;
д) Антуан Лоран Лавуазье;
е) Михаил Ломоносов.
8.27. Концепцию элементарной открытой каталитической системы (ЭОКС), как основы эволюционной химии, обосновал:
а) Николай Семенов;
б) Бенджамин Франклин;
в) Александр Руденко;
г) Алексей Баландин;
д) Николай Кольцов;
е) Лайнус Полинг;
ж) Георгий Гамов.
8.28. Ключевую роль углерода в органике (органическом мире) впервые отметил:
а) Йенс Берцелиус;
б) Фридрих Кекуле;
в) Пьер Берт-ло;
г) Юстус Либих;
д) Антуан Лавуазье;
е) Александр Бутлеров;
ж) Луи Пастер.
8.29. Основной закон (принцип) саморазвития эволюционной химии русского химика Александра Руденко гласит:
а) с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются наиболее прогрессивные пути развития каталитических систем, которые связаны с ростом абсолютной каталитической активностью;
б) саморазвитие, самоорганизация и самоускорение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой в элементарной открытой каталитической системе (ЭОКС) энергии;
в) базисная химическая реакция является инструментом (орудием) отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов;
г) саморазвитие механизма базисной реакции происходит по принципу дробления, усложнения и постепенного совершенствования элементарных стадий с сохранением генеалогической преемственности и целостности ЭОКС.
8.30. Открыл в химии закон кратных отношений и заложил основы атомной теории:
а) Жозеф Пруст;
б) Джон Дальтон;
в) Михаил Ломоносов;
г) Амедео Авогадро;
д) Роберт Бойль;
е) Майкл Фарадей.
8.31. Немецкий врач и химик Эрнст Шталь внес в науку (в химию):
а) принцип горючести — флогистон;
б) огненный флюид — теплород;
в) электрический флюид;
г) светоносный флюид;
д) закон сохранения вещества.
8.32. Деление всех веществ на органические и неорганические впервые предложил:
а) Джон Дальтон;
б) Йенс Берцелиус;
в) Фридрих Ве-лер;
г) Фридрих Кекуле;
д) Константин Кирхгоф;
е) Михаил Ломоносов;
ж) Александр Бутлеров.
8.33. Сущность гипотезы итальянского физика и химика Амедео Авогадро состоит в том, что:
а) газы образуют соединения, соотношение объемов которых представляет соотношение кратных чисел;
б) в газах равное число частиц занимает равные объемы;
в) химические элементы, соединяясь друг с другом в различных соотношениях, образуют новые соединения;
г) все соединения содержат химические элементы в строго определенных пропорциях, вне зависимости от условий получения этих соединений.
8.34. Законы электролиза, равно важные и для химии и для физики, открыл:
а) Бенджамин Франклин;
б) Гемфри Дэви;
в) Майкл Фарадей;
г) Аллесандро Вольта;
д) Грегор Мендель;
е) Александр Бутлеров;
ж) Фридрих Кекуле.
8.35. Главная особенность химических соединений, называемых оптическими изомерами (например, винной кислоты), состоит в:
а) способности вращать плоскость поляризации световых (электромагнитных) волн;
б) способности вращать световые волны только характерной частоты (длины волны);
в) особом значении пространственного расположения валентных связей атома азота;
г) способности света испытывать в них явление двойного лучепреломления.
8.36. Изомеры — это особые химические соединения:
а) состоящие из четного количества атомов углерода и водорода;
б) имеющие одну и ту же молекулярную формулу, но различные пространственные структуры;
в) отличающиеся друг от друга способом плоскостного расположения атомов;
г) в которых атомы углерода соединены в кольцевые структуры.
8.37. Наибольшее влияние на протекание химических реакций оказывает(ют):
а) давление;
б) температура;
в) потоки нейтронов;
г) катализаторы;
д) освещение.
8.38. Наибольшее распространение среди органогенов на Земле имеют:
а) азот и кислород;
б) углерод и водород;
в) кислород и водород;
г) азот и сера;
д) сера и азот;
е) азот и водород.
8.39. Свойства молекул по современным представлениям определяются:
а) электронно-ядерными взаимодействиями;
б) характером физико-химического взаимодействия составляющих ее атомов;
в) диполь-дипольным взаимодействием;
г) силами ван дер-Ваальса;
д) ковалентной связью.
8.40. В процессе электролиза участвуют:
а) ионы;
б) диполи;
в) атомы;
г) радикалы;
д) изомеры;
е) аллотропы.
8.41. Какие свойства металлического алюминия следует отнести к химическим (при ответах поставьте х), а какие к физическим (при ответах поставьте ф)?
а) при добавлении серной кислоты он выделяет газ без цвета и запаха;
б) он легко может быть деформирован в тонкую фольгу;
в) он является твердым телом при комнатной температуре;
г) он хорошо проводит тепло.
8.42. Какие следующие утверждения описывают физические (при ответах поставьте ф) или химические (при ответах поставьте х) свойства?
а) соединения серебра оставляют «след» (меняют цвет) на коже человека;
б) гемоглобин придает крови красный цвет;
в) литий не тонет в воде;
г) ртуть есть жидкость при комнатной температуре (температура плавления соответствует почти 40-градусному морозу).
8.43. Проведите подразделение на химические (при ответах поставьте х) или физические (при ответах поставьте ф) изменения свойств вещества:
а) измельчение кристалликов сахара и его превращение в пудру;
б) скашивание травы;
в) взрыв гремучего газа;
г) горение полена в камине.
8.44. Какие методы получения веществ следует отнести к физическим (при ответах поставьте ф), а какие к химическим (при ответах поставьте х)?
а) хлорид натрия (NaCl) получают из соленой воды путем испарения воды;
б) газовый азот получают при кипении жидкого воздуха;
в) кислород получают путем разложения кислородсодержащих соединений хлористого калия;
г) вода получается при высокотемпературной реакции между газами кислорода и водорода.
8.45. Укажите, какие методы получения вещества от носятся к физическим (при ответах поставьте ф), а какие к химическим (при ответах поставьте х)?
а) получение ртути методом разложения соединении ртути с кислородом, заключающемся в освобождении кислорода;
б) выделение песка из смеси сахара с песком путем добавления воды и удаления (путем слива) сладкого раствора;
в) получение аммиака путем реакции, происходящей при высоких температурах и давлении между водородом и азотом;
г) получение чистой воды из раствора сахара путем испарения воды и ее дальнейшей конденсации.
8.46. Химическими (при ответах поставьте х) или физическими (при ответах поставьте ф) процессами являются следующие явления?
а) превращение воды в лед;
б) излучение света при горении свечи;
в) запотевание стекол внутри салона автомобиля;
г) исчезновение со временем препаратов против моли в кладовой с одеждой.
8.47. Химическими (при ответе поставьте х) или физическими (ф) процессами являются следующие явления?
а) превращение некоего порошка в белое стеклообразное вещество, сопровождаемое выделением газа;
б) образование снежинок;
в) отражение света от блестящей поверхности;
г) «окрашивание» неба в голубой цвет.
8.48. Определите состав нижеследующих веществ, выбирая из следующих определений: 1. Разнородная смесь; 2. Однородная смесь; 3. Чистое вещество:
а) вареное яйцо;
б) яблоко;
в) таблетка мультивитаминов;
г) чистая вода.
8.49. При установлении состояния вещества нижеследующих предметов: (а) медная руда; б) медная проволока; в) сырой песок; г) газированная вода), сделайте выбор из определений:
1. Разнородная смесь;
2. Однородная смесь;
3. Чистое вещество.
8.50. В каждой следующей ситуации возможным будет приписать два определения из четырех 1) химически однородное, 2) химически разнородное, 3) физически однородное, 4) физически разнородное:
а) чистая вода;
б) водопроводная вода;
в) вода с песком;
г) газированный напиток сразу после открытия сосуда;
д) чистая вода в процессе замерзания при нуле градусов по Цельсию.
8.51. Эпоха рекомбинации в истории возникновения химических элементов во вселенной наступила:
а) по окончании первых 3 минут после «большого взрыва»;
б) через миллиардную долю секунды после «большого взрыва»;
в) к окончанию первого миллиона лет после «большого взрыва»;
г) при образовании первых звезд;
д) в момент взрыва звезды как сверхновой;
е) в момент образования первых черных дыр.
8.52. Эпоха рекомбинации в эволюции химических элементов это время:
а) раздельного существования электронов, протонов и нейтронов микромира;
б) отрыва электронов от ядер атомов водорода и гелия и начало их свободного движения в пространстве в качестве космических лучей;
в) захвата и удержания электронов ядрами атомов водорода и гелия;
г) захвата и удержания фотонов в атомах водорода и гелия;
д) захвата и удержания протонами свободных нейтронов.
8.53. Основной поставщик (источник) свободного углерода в земных условиях:
а) минеральное сырье (известняк, мел, мрамор);
б) углекислый газ в атмосфере;
в) процесс фотофосфорилирования;
г) фотосинтез в растениях;
д) месторождения шунгитов (фуллеренов), алмазов и графита;
е) озоновые дыры в атмосфере.
8.54. Какие открытые химиками законы привели к возрождению и утверждению в науке концепции атома (атомного строения вещества)?
а) эквивалентов, переменности структуры, электролиза;
б) эквивалентов, постоянства состава, кратных отношений;
в) объёмных отношений, стехиометрии, постоянства состава;
г) постоянства теплоемкостей, сохранения энергии, эквивалентов;
д) сохранения вещества, сохранения энергии, постоянства состава.
8.55. В основе теории открытых каталитических систем Александра Руденко лежат принципы:
а) вероятностный, кинетический, термодинамический, мультиплетный;
б) статистический, эргодический, кинетический, генетический;
в) вероятностный, термодинамический, кинетический, информационный;
г) информационный, морфогенетический, кинематический, мультиплетный;
д) статистический, генетический, мультиплетный, термодинамический.
8.56. Кто из химиков создал теорию органических соединений и объяснил на ее основе явление изомерии?
а) Джон Дальтон;
б) Йенс Берцеллиус;
в) Амадео Аво-гадро;
г) Александр Бутлеров;
д) Фридрих Велер;
е) Алексей Баландин.
8.57. Первые представления о стехиометрии заложил химик:
а) И. Рихтер;
б) Ж. Пруст;
в) Дж. Дальтон;
г) Ж. Гей-Люссак;
д) X. Дэви;
е) А. Бутлеров.
8.58. Стехиометрия — это учение (представление) о:
а) качественных отношениях между массами веществ, вступающих в химическую реакцию;
б) структуре химических реагентов;
в) количественных соотношениях масс химически реагирующих веществ;
г) первоначалах (элементах) химического мира;
д) способах и методах определения атомных масс вещества.
8.59. Какие химические элементы образовались в эпоху рекомбинации?
а) все атомы 1-й группы таблицы элементов;
б) только изотопы водорода;
в) все органогены;
г) водород, литий, бор;
д) литий, водород, гелий;
е) атомы группы железа.
8.60. Наивысшей лабильностью среди органогенов обладает:
а) сера;
б) водород;
в) азот;
г) углерод;
д) кислород;
е) фосфор.
Тесты к главе 9 Концепции и принципы биологического естествознания
9.1. Существует предположение (гипотеза), впервые высказанное в 1865 г. немецким химиком Г. Рихтером, поддержанное С. Аррениусом и Г. Гельмгольцем, что жизнь была занесена на Землю из космоса посредством метеоритов (идея панспермии — семян жизни). Эта идея была дискредитирована тем, что:
а) выделяемое при входе метеорита в атмосферу тепло уничтожит всякое «живое» вещество;
б) ничто живое не может сохраниться в межзвездном пространстве из-за жестких рентгеновских, гамма-излучений и ультрафиолета;
в) никаких признаков «живого» вещества не было найдено в метеоритах;
г) справедливы все ответы;
д) справедливо б) и в);
е) справедливо а) и б).
9.2. Первые возникшие на Земле многоклеточные организмы относятся к типу:
а) членистоногие;
б) плоские черви;
в) кишечнополостные;
г) сине-зеленые водоросли.
9.3. Среди последующих утверждений выделите одно некорректное:
а) клетки являются фундаментальными единицами жизни;
б) у всех клеток есть стенки;
в) все организмы состоят из одной и более клеток;
г) новые клетки возникают при делении других клеток.
9.4. Каким следует выбрать цвет луча, которым освещается некоторый биологический объект для более детального, лучшего разрешения?
а) красный;
б) синий;
в) зеленый;
г) желтый;
д) белый.
9.5. Укажите, в какой из схем, указанных ниже, нарушена иерархия организации материи? Учтите, что все схемы неполные:
а) элементарные частицы —> молекулы —> живая клетка;
б) атом —> макромолекула —> органеллы клетки;
в) органеллы клетки —> макромолекула —> живая клетка;
г) элементарные частицы —> атом —> молекула.
9.6. Наука, изучающая закономерности наследственности и изменчивости любых живых организмов, это:
а) молекулярная биология;
б) генетика;
в) биофизика;
г) цитология;
д) биогеохимия.
9.7. Как называется нуклеотид, играющий наиважнейшую роль в энергетике клетки?
а) рибонуклеиновая кислота (РНК);
б) дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК);
в) аденозинтрифосфорная кислота (АТФ);
г) фермент.
9.8. Область существования и функционирования живущих на Земле организмов, это:
а) гидросфера;
б) биосфера;
в) биоценоз;
г) атмосфера и гидросфера.
9.9. Не имеющие клеточного строения простейшие формы жизни (организмы), состоящие из нуклеиновой кислоты и белковой оболочки, это:
а) вирусы;
б) бактерии;
в) грибы;
г) инфузории;
д) протисты;
е) водоросли.
9.10. Класс животных, у которых поддерживается постоянная температура тела, это:
а) земноводные;
б) млекопитающие;
в) пресмыкающиеся;
г) насекомые;
д) протисты.
9.11. Одна из главных характеристик любого живого организма, это:
а) наличие нервной системы;
б) теплокровность;
в) наследственность;
г) клеточное строение организма;
д) способность к зрению;
е) способность к осязанию.
9.12. Вещества биологического происхождения различной химической природы, способные подавлять рост микробов и даже убивать их, это:
а) антибиотик;
б) бактериофаг;
в) антисептик;
г) вирус;
д) антитела;
е) пробионты.
9.13. Высокомолекулярные органические соединения биологического происхождения, входящие в состав клеточного ядра и играющие важную роль в процессах жизнедеятельности всех организмов, в передачи наследственных признаков, это:
а) нуклеиновые кислоты;
б) аминокислоты;
в) ферменты;
г) белки.
9.14. Процесс разложения органических веществ, главным образом под влиянием микроорганизмов или ферментов, это:
а) окисление;
б) восстановление;
в) брожение;
г) горение;
д) тление.
9.15. Какой перечень биологических наук правильно выбран по объектам исследования:
а) эмбриология, цитология, гидробиология, генетика, ботаника;
б) физиология, микробиология, биоэкология, анатомия, бактериология;
в) вирусология, зоология, антропология, морфология;
г) антропология, зоология, ботаника, бактериология, вирусология;
д) морфология, анатомия, бактериология, физиология, ботаника.
9.16. Ген (носитель наследственности, единица наследственной информации) это:
а) молекула ДНК;
б) участок молекулы ДНК, несущий информацию о строении одной молекулы полипептида (белка);
в) участок молекулы РНК, несущий информацию о данном признаке;
г) нет верного ответа,
д) все ответы верные;
е) верны ответы б) и в).
9.17. Молекула РНК отличается от молекулы ДНК следующим:
а) вместо тимина (Т) в РНК входит урацил (У);
б) вместо дезоксирибозы в РНК входит рибоза;
в) вместо двух нитей в ДНК в РНК имеется одна нить;
г) верны все ответы;
д) верны ответы а) и в);
е) верны ответы а) и б).
9.18. Наиболее вредное воздействие на живые организмы может оказывать:
а) инфракрасное излучение;
б) излучение в сине-зеленой части спектра;
в) излучение в желто-красной части спектра;
г) ультрафиолетовое излучение.
9.19. Впервые клеточную структуру живого организма под микроскопом наблюдал:
а) англичанин Р. Гук;
б) голландец А. Левенгук;
в) русский К. Бэр;
г) немец Р. Вирхов.
9.20. Продукт фотосинтеза ведет к образованию (или протеканию):
а) озоновых дыр в атмосфере;
б) нуклеиновых кислот в живых организмах;
в) кислорода в атмосфере;
г) мутагенеза;
д) углекислого газа в атмосфере.
9.21. Носителями генетической информации (наследственности) в живых организмах, являются:
а) ферменты;
б) нуклеиновые кислоты;
в) белки;
г) дезоксирибоза;
д) аминокислоты.
9.22. Специфический протеин, играющий роль катализатора в живых организмах, это:
а) фермент;
б) нуклеиновая кислота;
в) хлорофилл;
г) белок;
д) липид.
9.23. Фермент, придающий зеленую окраску растениям под действием солнечных лучей, это:
а) белок;
б) нуклеиновая кислота;
в) хлорофилл;
г) дезоксирибоза;
д) рибоза.
9.24. Критерий или критерии определения (сущности) жизни, это:
а) обмен веществ (метаболизм);
б) наличие белков;
в) наличие жидкокристаллической структуры);
г) верны а) и б);
д) верны все ответы;
е) верны б) и в).
9.25. Назовите правильную дарвинско-геккелевскую триаду, основу эволюции живого:
а) наследственность, катастрофичность, мутагенез;
б) наследственность, постоянство, естественный отбор;
в) наследственность, изменчивость, естественный отбор;
г) наследственность, изменчивость, гомеостаз.
9.26. Первооткрывателем (основоположником) генетики был:
а) Эрнст Геккель;
б) Томас Морган;
в) Грегор Мендель;
г) Чарлз Дарвин;
д) Гуго де Вриз.
9.27. Укажите 6 основных химических элементов, так называемых органогенов или биогенов, входящих в состав любого живого организм:
а) водород, кислород, азот, сера, углерод, фосфор;
б) водород, углерод, фтор, хлор, азот, бор;
в) углерод, азот, кислород, водород, хлор, бор;
г) фосфор, бор, водород, углерод, кислород, азот.
9.28. Главное значение (сущность) теории Чарльза Дарвина состоит в:
а) объяснении причин происхождения жизни на Земле;
б) создании первого эволюционного учения;
в) разработке теории естественного отбора;
г) открытии биогенетического закона;
д) все ответы правильны;
е) правильны ответы а), в), г).
9.29. В основе эволюционной теории Чарлза Дарвина лежит представление о:
а) борьбе за существование;
б) естественном отборе;
в) наследственной изменчивости;
г) все эти представления;
д) правильно а) и в);
е) правильно б) и в).
9.30. Биологическая эволюция — это процесс:
а) индивидуального развития особи (онтогенез);
б) исторического развития органического мира;
в) размножения и развития клетки;
г) верны все ответы;
д) все ответы неверны;
е) верны только ответы а) и в).
9.31. Первые возникшие на Земле организмы, были:
а) прокариоты;
б) эукариоты;
в) радиолярии;
г) сине-зеленые водоросли;
д) протисты.
9.32. Впервые кислород в атмосферу начали выделять:
а) коацерваты;
б) сине-зеленые водоросли;
в) вирусы;
г) бактерии;
д) все ответы верны;
е) верны только ответы б) и в);
ж) верны только ответы а) и г).
9.33. Популяции какого-либо вида угрожает гибель, если ее численность:
а) максимальна;
б) минимальна;
в) колеблется;
г) гибель популяции не зависит от ее численности;
д) все ответы верны;
е) верны только ответы б) и в).
9.34. В результате взаимосвязи в биологической системе хищник — жертва:
а) происходит вымирание популяции жертвы;
б) резко снижается численность популяции жертвы;
в) резко увеличивается численность популяции хищника;
г) усиливается естественный отбор в обеих популяциях;
д) все ответы верны;
е) верны только б) и в).
9.35. Термин биосфера как концептуальное понятие, впервые употребил (ввел в науку):
а) К. Линней;
б) Э. Зюсс;
в) Ж. Б. Ламарк;
г) Ч. Дарвин;
д) Э. Дарвин;
е) Л. Пастер.
9.36. Учение о биосфере было создано и развито:
а) Ч. Дарвином;
б) Т. Морганом;
в) А.В. Опариным;
г) В.И. Вернадским;
д) Э. Дарвиным.
9.37. В химический состав белков живых организмов входит:
а) 12 видов аминокислот;
б) 15 видов аминокислот;
в) 20 видов аминокислот;
г) 27 видов аминокислот;
д) 120 видов аминокислот.
9.38. Энергия солнечного света при фотосинтезе используется растительной клеткой для:
а) возбуждения электронов в атомах углерода;
б) образования воды;
в) синтеза АТФ;
г) протекания мутагенеза;
д) правильно а) и в);
е) правильно б) и г).
9.39. Совокупность генов какой-либо популяции называется:
а) генотипом;
б) геномом;
в) генофондом;
г) фенотипом;
д) генезисом.
9.40. Совокупность особей одного вида, живущих на одной территории, это:
а) популяция;
б) семья;
в) отряд;
г) стая;
д) сообщество;
е) стадо.
9.41. Среди нижеследующих утверждений определите одно некорректное:
а) клетки являются фундаментальными единицами жизни;
б) у всех клеток есть стенки;
в) все организмы состоят из одной и более клеток;
г) новые клетки образуются при делении других клеток;
д) некорректны утверждения а) и б).
9.42. Организмы, которым свойственно неклеточное строение, а их жизнедеятельность проявляется в клетках других организмов, относят к группе:
а) бактерий;
б) вирусов;
в) водорослей;
г) простейших;
д) радиолярий.
9.43. Клеточное строение всех царств живой природы, сходство строения клеток и их химического состава, служат доказательством:
а) единства органического мира;
б) единства живой и неживой природы;
в) эволюции органического мира;
г) происхождения ядерных организмов от доядерных;
д) правильны утверждения а) и в);
е) правильны утверждения а) и г).
9.44. Единицей размножения организмов является:
а) ядро;
б) цитоплазма;
в) клетка;
г) митохондрия;
д) аппарат Гольджи.
9.45. В процессе фотосинтеза, в отличие от хемосинтеза:
а) используется энергия, освобождаемая при окислении неорганических веществ;
б) углекислый газ используется в качестве источника углерода;
в) хлорофилл поглощает и преобразует энергию солнечного света;
г) в клетках образуются органические вещества из неорганических.
9.46. Энергия, запасенная в молекулах АТФ, используется в клетке в процессе:
а) биосинтеза белка;
б) гликолиза;
в) хемосинтеза;
г) окисления молекулы глюкозы.
9.47. Если возникшее в организме изменение признака не передается по наследству, это значит, что:
а) изменились только хромосомы, а не гены;
б) гены и хромосомы не изменились;
в) изменились и гены, и хромосомы;
г) изменились только гены, а не хромосомы;
д) правильны ответы а) и б);
е) правильны ответы в) и г).
9.48. Фотосинтез, в отличие от биосинтеза белка, происходит:
а) в клетках, содержащих митохондрии;
б) в клетках, содержащих хлоропласты;
в) в клетках, содержащих лизосомы;
г) во всех клетках любого организма;
д) в цитоплазме.
9.49. Какую функцию выполняют белки в реакциях обмена веществ?
а) ферментативную, ускоряют биохимические реакции;
б) снабжают энергией химических реагентов;
в) передают информацию реагентам химических реакций;
г) доставляют аминокислоты;
д) правильны ответы а) и г);
е) правильны все ответы.
9.50. Как в процессе митоза, так и в процессе мейоза происходят(ит):
а) два удвоения хромосом и два деления клетки;
б) одно деление клетки;
в) одно удвоение молекул ДНК;
г) два удвоения молекул ДНК;
д) правильны а) и г).
9.51. Вирусы отличаются от других организмов тем, что:
а) они не имеют собственного обмена веществ;
б) они одноклеточные;
в) они не имеют ядра;
г) в их состав входят только молекулы белков и нуклеиновых кислот.
9.52. Какие процессы происходят в световую фазу фотосинтеза?
а) восстановление углекислого газа протонами водорода, использование энергии молекул АТФ на восстановительные реакции, поступление в клетки из атмосферы углекислого газа;
б) фотолиз воды, синтез молекул АТФ и использование энергии АТФ на восстановительные реакции;
в) восстановление молекул хлорофилла электронами водорода, фотолиз воды и синтез молекул АТФ;
г) поступление углекислого газа в клетки и фотолиз воды.
9.53. Признаки жизнедеятельности вне клеток других организмов не проявляются у:
а) простейших;
б) вирусов;
в) микробов;
г) сине-зеленых водорослей;
д) все ответы правильны;
е) правильны только ответы б) и в);
ж) правильны ответы в) и г).
9.54. Углекислый газ используется в качестве источника углерода в реакциях:
а) синтеза;
б) биосинтеза белков;
в) фотосинтеза;
г) синтеза нуклеиновых кислот.
9.55. Способностью присоединять к себе вещества и перемещать их в клетке или организме обладают молекулы:
а) ДНК;
б) АТФ;
в) белка;
г) РНК,
д) дезоксирибозы;
е) аминокислот.
9.56. Основным источником энергии в организме являются:
а) витамины С;
б) углеводы;
в) витамины В;
г) гормоны;
д) правильны ответы а) и в).
9.57. Какой перечень биологических наук соответствует наукам по уровням организации живой материи:
а) анатомия, физиология, бактериология;
б) анатомия, гистология, цитология;
в) эмбриология, генетика, вирусология;
г) гистология, физиология, бактериология.
9.58. Расположите в правильной последовательности этапы (фазы), прошедшие клеткой в процессе эволюции обмена веществ (метаболизма):
а) гексозомонофосфатный цикл;
б) ферментация; в) фотосинтез;
г) фотофосфорилирование.
9.59. За какое время происходит разложение всей воды на Земле и ее новое образование при фотосинтезе и дыхании:
а) 500 тыс. лет;
б) 1 млн лет;
в) 5 млн лет;
г) 10 млн лет;
д) 50 млн лет;
е) 100 млн лет.
9.60. Какие биологические науки относятся к комплексным биологическим наукам:
а) паразитология;
б) биохимия;
в) гидробиология;
г) микология;
д) ни одна из указанных наук;
е) все указанные науки;
ж) только а) и б);
з) только а) и в);
и) только в) и г).
9.61. В фенотип любого организма не включается (ются):
а) поведенческие инстинкты;
б) анатомия;
в) физиология;
г) хромосомный набор.
9.62. Бесполым размножением не является:
а) почкование;
б) образование гамет;
в) клонирование;
г) черенкование;
д) партеногенез.
9.63. Современная теория синтетической эволюции обязательно включает в себя:
а) идеи Ламарка и Сент-Илера;
б) идеи Вернадского и Тейяра де Шардена;
в) идеи Дарвина и Менделя;
г) идеи Дарвина и Ламарка;
д) идеи Маргулис и Лавлока.
9.64. По В. Сукачеву синоним термина экосистема является:
а) биосфера;
б) биоценоз;
в) биогеоценоз;
г) биогеохемоценоз;
д) хемоценоз.
9.65. В современной биологии концепция коэволюции означает:
а) современный этап эволюции человека;
б) взаимное приспособление видов;
в) соединение учений Дарвина и Менделя;
г) естественный отбор;
д) все ответы верны.
9.66. В согласии с учением Льва Гумилева об этногенезе, развитие этносов определяется в основном:
а) солнечной активностью;
б) биогеоценозами;
в) деятельностью пассионариев;
г) географической средой;
д) генотипом;
е) фенотипом.
9.67. Учение Владимира Вернадского о воздействии человеческого разума на эволюцию природы называется:
а) астеносфера;
б) биосфера;
в) ноосфера;
г) криптосфера;
д) антропосфера.
9.68. Согласно Владимиру Вернадскому, живое вещество планеты — это:
а) генофонд;
б) совокупность всех органо-минеральных комплексов;
в) совокупность всех живых организмов;
г) совокупность всех геномов.
9.69. Жизнь с энтропийной точки зрения — это процесс:
а) коэнтропийный;
б) негэнтропийный;
в) квазиэнтропийный;
г) миниэнтропийный.
9.70. Бихевиоризм, развитый в основном американскими учеными, это учение:
а) о популяционно-видовой борьбе особей;
б) о поведении животных в естественных условиях;
в) о поведении животных в неволе;
г) об отношениях в системе «хищник-жертва»;
д) о врожденных инстинктах и рефлексах.
9.71. Вирус как биологический объект представляет собой:
а) нуклеотид;
б) нуклеопротеид;
в) возбудитель инфекционных заболеваний — жидкокристаллическое вещество;
г) возбудитель инфекционных болезней, репродуцирующий внутри живых клеток;
д) полимер — возбудитель инфекций.
9.72. Русскому биологу Николаю Кольцову принадлежит высказывание: «Признаки, передаваемые по наследству, определяются линейным расположением мономеров в полимерных молекулах». В этом заключена идея или гипотеза:
а) биогенетического закона;
б) биологической эволюции;
в) матричного синтеза в органическом мире;
г) происхождения жизни;
д) коэволюции;
е) генетического кода.
9.73. Концепция автопоэза (автопоэзиса) в органическом мире (биосфере) основывается на гипотезе:
а) креационизма;
б) синергизма;
в) панспермии;
г) самопорождения (самосозидания);
д) первенства молекул РНК над молекулами ДНК;
е) левой киральности двойной спирали ДНК.
9.74. Концепция автопоэза (автопоэзиса) была выдвинута и развита:
а) Уотсоном и Криком;
б) Матурана и Варела;
в) Полин-гом и Дельбруком;
г) фон Берталанфи и Эйгеном;
д) Приго-жиным и Хакеном;
е) Бауэром и Кольцовым.
9.75. Ключевая фундаментальная идея (гипотеза) в биологии XX столетия, это идея (гипотеза) о (об):
а) РНК — мире (Чех, Джойс);
б) автопоэзе (автолоэзисе) живых систем (Матурана, Варела);
в) первичности молекулы АТФ в происхождении жизни (Галимов);
г) матричном механизме репродукции хромосом и наследственных признаков (Кольцов);
д) элементарных открытых каталитических системах (Руденко).
9.76. Электрофореграммы (использующие явление электрофореза, явления, заключающегося в движении дисперсных частиц под действием электрического поля), позволяют установить, в том числе:
а) генную структуру ДНК;
б) цветовую гамму электроосажденных металлов;
в) фрагментирование полинуклеотидов;
г) структуру полисахаров;
д) структуру АТФ.
9.77. В проблеме происхождения жизни понятие информация определено Г. Кастлером как:
а) содержание процессов отражения (рефлексии) жизнедеятельности;
б) совокупность приемов, правил или сведений, необходимых для построения алгоритма, оператора жизни;
в) запомненный выбор одного варианта из нескольких возможных и равноправных;
г) отобранный естественным путем единственный вариант из множественного эквивалентного набора;
д) план (алгоритм) построения клетки и всего живого организма.
9.78. Какой вариант соответствует правильному геохронологическому чередованию эонов (эонотем):
а) археозой (архей), фанерозой, криптозой;
б) криптозой, мезозой, кайнозой;
в) палеозой, мезозой, кайнозой;
г) археозой (архей), докембрий, венд;
д) археозой (архей), протерозой, фанерозой;
е) палеозой, фанерозой, рифей.
9.79. Какой вариант соответствует правильному геохронологическому следованию эр (эротем):
а) протерозой, палеозой, кайнозой;
б) палеозой, кайнозой, мезозой;
в) палеозой, рифей, архей;
г) кайнозой, докембрий, рифей;
д) венд, кембрий, карбон;
е) палеозой, мезозой, кайнозой;
ж) протерозой, фанерозой, кембрий.
Тесты к главам 10 и 11 Концепции естествознания о человеке, антропный принцип и Мега-история Вселенной
10-11.1. Все виды деятельности человека относятся к факторам:
а) абиотическим;
б) биотическим;
в) периодическим;
г) действующим непериодически (случайно);
д) правильные ответы а) и в).
10-11.2. Действием только биологических факторов нельзя объяснить появление у человека:
а) S-образного изгиба позвоночника;
б) мышления;
в) извилин головного мозга;
г) прямохождения.
10-11.3. Почему людей всех рас относят к одному виду? Это потому, что:
а) клетки содержат одинаковое число хромосом;
б) они сходны по строению, жизнедеятельности, числу и составу хромосом, вступают в брак и имеют полноценных детей;
в) прямоходящие, обладают речью и мышлением;
г) они имеют одного предка — австралопитека.
10-11.4. В органе зрения человека функцию линзы выполняет:
а) зрачок;
б) сетчатка;
в) хрусталик;
г) роговица.
10-11.5. Укажите правильную хронологическую последовательность предков современного человека:
а) питекантроп, австралопитек, неандерталец, кроманьонец;
б) австралопитек, человек умелый, человек прямоходящий, человек разумный;
в) синантроп, питекантроп, кроманьонец, человек разумный;
г) питекантроп, гейдельбергский человек, синантроп, неандерталец.
10-11.6. Каковы доказательства происхождения человека от животных?
а) одинаковая структура клеток животных и человека, палеонтологические исследования;
б) кровь животных и человека практически идентичны, внутренние органы имеют полное сходство в своем функционировании;
в) сходство строения и жизнедеятельности человека и млекопитающих животных и их зародышей, наличие у человека рудиментов и атавизмов, палеонтологические находки древних людей;
г) сходная структура ДНК человека и животных, наличие у человека рудиментов и атавизмов.
10-11.7. Под воздействием в основном биологических факторов эволюции у людей сформировались:
а) развитое мышление;
б) расовые различие;
в) общественный образ жизни;
г) речь.
10-11.8. Все расы входят в один вид — человек разумный, что свидетельствует о(об):
а) одинаковом уровне физического развития людей разных .рас;
б) генетическом единстве рас;
в) одинаковом психическом развитии людей разных рас;
г) существенных генетических различиях между расами.
10-11.9. Появление у предков человека S-образного позвоночника произошло под влиянием:
а) абиотических факторов;
б) социальных факторов эволюции;
в) биологических факторов эволюции;
г) антропогенных факторов.
10-11.10. Под воздействием только социальных факторов эволюции у людей сформировались:
а) речь;
б) трудовая деятельность и общество;
в) эмоции;
г) мышление.
10-11.11. Наш непосредственный предок это:
а) рамопитек;
б) синантроп;
в) кроманьонец;
г) неандерталец.
10-11.12. Женский пол у человека является:
а) гетерогаметным по половым хромосомам;
б) гомогаметным по Х-хромосоме;
в) гомогаметным по "У-хромосоме;
г) все ответы неверны.
10-11.13. Численность населения Земли составляет на начало XXI века (в млрд чел.):
а) около 12;
б) более 6;
в) более 9;
г) почти 4;
д) 8; е) 10.
10-11.14. Появление человека на Земле относится к геохронологическому периоду:
а) пермскому;
б) кембрийскому;
в) неогеновому;
г) четвертичному.
10-11.15. Упругие волны, не воспринимаемые человеческим ухом, это:
а) инфразвук;
б) ультразвук;
в) оба верны;
г) оба неверны.
10-11.16. Наше время в истории (геохронологии) Земли называется:
а) юрский период мезозойской эры;
б) неогеновый период кайнозойской эры;
в) четвертичный период кайнозойской эры;
г) палеоген.
10-11.17. Расположите в библейском порядке (из книги Моисея «Бытие») творения Бога:
а) флора и фауна;
б) человек;
в) небо и земля;
г) твари земные.
10-11.18. Какой человек стал именоваться Человеком разумным (Homo sapiens)?
а) неандерталец;
б) рамопитек;
в) кроманьонец;
г) синантроп.
10-11.19. Перечислите 6 основных химических элементов (так называемых органогенов или биогенов), входящих в состав всякого живого организма.
10-11.20. Какие из признаков человека не наследуются?
а) дыхание;
б) питание;
в) самозащита;
г) речь;
д) цвет глаз.
10-11.21. Мужской пол у человека является:
а) гетерогаметным по половым хромосомам;
б) гомогаметным по Х-хромосоме;
в) гомогаметным по У-хромосоме;
г) все ответы верны;
д) все ответы неверны.
10-11.22. Обезьяноподобный предок современного человека, живший в Восточной Африке 4-3 млн. лет тому назад — это:
а) дриопитек;
б) афарский австралопитек;
в) рамапитек;
г) синантроп;
д) яванский человек;
е) неандерталец.
10-11.23. Согласно современным представлениям человек разумный появился в период:
а) архей;
б) кайнозой;
в) криптозой;
г) мезозой;
д) докембрий;
е) голоцен;
ж) палеоген.
10-11.24. Установите правильную последовательность эволюции наших предков:
а) прямостоящий — умелый — разумный;
б) разумный — прямостоящий — умелый;
в) умелый — прямостоящий — разумный;
г) прямостоящий — умелый — разумный.
10-11.25. К какому виду человека современная наука относит неандертальца:
а) умелый;
б) разумный;
в) прямостоящий;
г) яванский;
д) синантроп.
10-11.26. Человечество выживет лишь в том случае, если:
а) сохранится озоновый слой;
б) будет поддерживаться биологическое разнообразие;
в) не наступит ни похолодания, ни потепления климата;
г) повышающееся антропогенное воздействие на биосферу не превзойдет некоторого предельного порогового уровня;
д) если удастся победить инфекционные и онкологические заболевания.
Тесты к главе 12 Концепции постнеклассического естествознания и теории самоорганизации
12.1. Жесткий детерминизм (линейная причинно-следственная связь) лежит в основе:
а) неклассического естествознания;
б) классического естествознания;
в) теории самоорганизации;
г) теории катастроф;
д) постнеклассического естествознания.
12.2. Реальные природные процессы лавинообразного роста развиваются, как правило:
а) по экспоненте;
б) в режиме с обострением (неограниченного возрастания за конечное время);
в) в режиме бифуркаций;
г) в режиме странных аттракторов;
д) в режиме динамического хаоса.
12.3. Какие из приведенных ниже характеристик систем наиболее полно и точно соответствуют сущности синергетики:
а) нелинейность, эмерджентность, закрытость, стационарность;
б) нестабильность, открытость, диссипативность, нелинейность;
в) открытость, неравновестность, линейность, катастрофичность;
г) стабильность, стационарность, негэнтропийность, закрытость,
12.4. Создателем концепций синергетики в науке стал:
а) Владимир Вернадский;
б) Никита Моисеев;
в) Герман Хакен;
г) Илья Пригожин;
д) Норберт Винер;
е) Владимир Арнольд.
12.5. Синергетика и теория диссипативных структур относятся к наукам:
а) социально-экономического направления;
б) физического направления;
в) междисциплинарного направления;
г) биологического направления;
д) химического направления.
12.6. Основной чертой (характеристикой) глобального эволюционизма является:
а) разрушение упорядоченности систем и переход к хаосу;
б) направленность развития на структурную упорядоченность;
в) направленность изменений в область странных аттракторов;
г) приобретение системой эмерджентных свойств.
12.7. Кибернетика была создана в основном усилиями:
а) Мандельштама, Витте и Андронова;
б) Винера, Эшби и Шеннона;
в) Кювье, Тома и Арнольда;
г) Пуанкаре, Ляпунова и Гелл-Манна;
д) Колмогорова, Ляпунова, Эшби.
12.8. Наследственная изменчивость, согласно теории эволюции Чарльза Дарвина, способствует:
а) обострению конкуренции между видами;
б) обострению конкуренции между популяциями;
в) повышению эффективности естественного отбора;
г) колебанию численности популяций.
12.9. Фактор эволюции, проявляющийся в обострении конкуренции между особями одного и разных видов, называют:
а) борьбой за существование;
б) естественным отбором;
в) изоморфизмом;
г) гомеостазом;
д) наследственной изменчивостью;
е) модификационной изменчивостью.
12.10. Межвидовая борьба играет большую роль в эволюции, так как она:
а) насыщает популяции мутациями;
б) обостряет конкуренцию;
в) ведет к изоляции популяций одного вида;
г) увеличивает разнообразие фенотипов.
12.11. В популяции возникают и в процессе размножения накапливаются мутации, происходит борьба за существование и естественный отбор, поэтому популяцию принято считать:
а) единицей эволюции;
б) единицей системы органического вида;
в) формой существования вида;
г) элементом экосистемы.
12.12. Отбор, в результате которого сохраняются особи со средним проявлением признака, а выбраковываются особи с отклонением от нормы, называют:
а) методическим:
б) стихийным;
в) стабилизирующим;
г) движущим.
12.13. Естественный отбор — направляющий фактор эволюции, так как:
а) способствует сохранению особей со сложившимся генотипом;
б) способствует обострению взаимоотношений между особями разных видов;
в) способствует обострению взаимоотношений между особями популяций;
г) способствует формированию приспособлений к среде обитания.
12.14. В сохранении путем естественного отбора особей с полезными в определённых условиях среды обитания признаками состоит его (естественного отбора) роль:
а) планетарная;
б) космическая;
в) генетическая;
г) творческая.
12.15. Какую роль играет онтогенез в эволюции вида?
а) в процессе онтогенеза возникают модификации;
б) в процессе онтогенеза на организм воздействует среда обитания;
в) в процессе онтогенеза особи кратко повторяют историю вида;
г) в процессе онтогенеза возникают мутации.
12.16. В процессе эволюции в экосистемах (биогеоценозах) сформировались цепи питания (трофические цепи), основу которых составляют связи:
а) территориальные;
б) внутривидовые;
в) пищевые;
г) генетические.
12.17. Макроэволюция в живом мире в отличие от микроэволюции:
а) играет творческую роль;
б) ведет к образованию классов, типов, отделов;
в) ведет к образованию популяций;
г) ведет к образованию новых видов и животных.
12.18. Согласно второму началу термодинамики энтропия замкнутой изолированной системы со временем должна:
а) убывать;
б) возрастать;
в) сохраняться;
г) исчезнуть;
д) колебаться.
12.19. Пройдя точку бифуркации, любая природная (органическая) система:
а) случайно выбирает путь нового развития;
б) переходит в состояние динамического хаоса;
в) успокаивается в полюсе странного аттрактора;
г) коллапсирует в положение аттрактора.
12.20. Самоорганизация в системах любого иерархического уровня является выражением действующих в ней:
а) детерминистских законов;
б) вероятностных законов,
в) нелинейных законов;
г) законов динамического хаоса;
д) законов фрактальности.
12.21. Какое толкование понятия синергетика является наиболее точным:
а) синфазное действие частей системы;
б) когерентная организация частей в целое;
в) синхронное деление системы на части;
г) сотрудничество, совместное действие;
д) сосредоточение разделенных частей в целое;
е) содружество, обеспечивающее эмерджентность системы.
12.22. Термином фракталъность определяют:
а) геометрическую кривизну пространств;
б) дробную размерность тел и пространств;
в) самоподобие геометрических конфигураций пространств;
г) множество самоподобных структур;
д) структуру дискретного пространства-времени;
е) антиэнтроиийность процессов самоорганизации систем;
ж) проявление эмерджентных свойств у четырехмерного многобразия систем.
12.23. Под термином аттрактор понимается:
а) точка бифуркации;
б) область притяжения решений;
в) область расслоения решений;
г) множественность решений;
д) инфинитность движений;
е) притяжение к центру симметрии.
12.24. Понятием бифуркация определяется:
а) область эволюции и кризисов жизни;
б) стационарность состояний;
в) ветвление решения в критической точке;
г) сцепление частей в целое;
д) рождение паттерна организаций;
е) кривизна пространства-времени;
ж) диссипативность структур.
Тесты к главе 13 Математика и естественнонаучная реальность мира
13.1. Кто из античных мыслителей первым указал на математическую сущность природы:
а) Архимед;
б) Аристотель;
в) Конфуций;
г) Пифагор;
д) Платон;
е) Евклид.
13.2. Какой математический аппарат (раздел математики) лежит (используется) в основе классического естествознания:
а) вариационное исчисление;
б) дифференциальное и интегральное исчисление;
в) векторный анализ и теория поля;
г) дифференциальная геометрия;
д) теория групп.
13.3. Какой раздел математики используется физической теорией для объяснения электромагнитных явлений и процессов:
а) дифференциальная геометрия;
б) векторный анализ и теория поля;
в) теория групп;
г) теория множеств;
д) аналитическая геометрия;
е) матричное исчисление;
ж) риманова геометрия.
13.4. Математикой явлений атомного (квантового) микромира является:
а) теория множеств;
б) теория бесконечномерных гильбертовых пространств;
в) геометрия Римана;
г) топология;
д) функциональный анализ;
е) дифференциальное и интегральное исчисление;
ж) геометрия пространства-времени Минковского;
з) тензорный анализ.
13.5. Кто из математиков первым опроверг пятый постулат Евклида (постулат параллельных прямых):
а) Риман;
б) Лобачевский;
в) Гамильтон;
г) Гедель;
д) Клиффорд;
е) Гаусс.
13.6. Теорема какого математика утверждает неполноту любой формально-логической системы:
а) Минковского;
б) Римана;
в) Геделя;
г) Гильберта;
д) фон Неймана;
е) Тарского.
13.7. Какая геометрия (названная именем этого математика) лежит в основе общей теории относительности (теории тяготения) Эйнштейна:
а) Лобачевского;
б) Минковского;
в) Евклида;
г) Римана;
д) Декарта;
е) Гильберта.
13.8. Новой раздел современной математики (математики конца XX века) — фрактальную геометрию — создал:
а) Рене Том;
б) Бенуа Мандельброт;
в) Норберт Винер;
г) Джон фон Нейман;
д) Владимир Арнольд;
е) Эварист Галуа;
ж) Андрей Колмогоров;
з) Карл Гаусс.
13.9. Объекты окружающей нас внешней и внутренней природы (горы, облака, деревья, кустарники, нервная, кровеносная системы и т. д.) как таковые по пространственной сути более всего адекватны геометрии:
а) римановой;
б) евклидовой;
в) фрактальной;
г) проективной;
д) аффинной;
е) аналитической;
ж) Лобачевского.
13.10. Современная физика больших энергий (физика элементарных частиц, она же квантовая хромодинамика) использует, в основном, математический аппарат:
а) теории групп;
б) дифференциального и интегрального исчисления;
в) теории поля;
г) римановой геометрии;
д) матричного исчисления;
е) теории катастроф;
ж) топологии.
13.11. Какие из указанных научных методов относятся к всеобщим методам познания:
а) динамические и статистические;
б) анализ, синтез и моделирование;
в) диалектический и метафизический;
г) формализации, аксиоматизации и гипотезирования;
д) проектирования и символический.
Ключи к тестам
Глава 1
1-в,
2-т, ???
3-б,
4-б,
5-в,
6-а,
7-6,
8-6,
9-6,
10-в,
11-б,
12-б,
13-г,
14-в,
15-в,
16-6,
17-в,
18-а,
19-6,
20-6,
21-(правильная последовательность - гбадв),
22- (правильная последовательность — вбдаг),
23- (правильные ответы: а — факт, б — факт, в — факт, г — закон, д — гипотеза),
24- (правильные ответы: а — неверно, б — неверно, в — верно, г — верно, д — верно).
Глава 2
1-в,
2-б,
3-в,
4-в,
5-б,
6-в,
7-а,
8-6,
9-г,
10-г,
11-в,
12-б,
13-в,
14-а,
15-в,
16-в,
17-в,
18-б,
19-г,
20-6,
21-в,
22-а,
23-г,
24-б,
25-в,
26-г,
27-в,
28-в,
29-б,
30-а,
31-д,
32-г,
33-д,
34-в.
Главы 3, 4 и 5
1-в,
2-в,
3-б,
4-б,
5-г,
6-а,
7-6,
8-б,
9-в,
10-в,
11-г,
12-в,
13-г,
14-в,
15-в,
16-в,
17-в,
18-в,
19-6,
20-в,
21-в,
22-6,
23-а,
24-в,
25-в,
26-6,
27-б,
28-б,
29-6,
30-6,
31-6,
32-а,
33-в,
34-г,
35-6,
36-а,
37-а,
38-б,
39-6,
40-а,
41-в,
42-б,
43-а,
44-в,
45-6,
46-г,
47-б,
48-в,
49-б,
50-г,
51-в,
52-в,
53-б,
54-в,
55-д,
56-г,
57-в,
58-в,
59-а,
60-г,
61-в,
62-а,
63-а,
64-6,
65-в,
66-6,
67-а,
68-в,
69-6,
70-6,
71-6,
72-в,
73-в,
74-б,
75-в,
76-в,
77-в,
78-г,
79-в,
80-б,
81-е,
82-а,
83-г,
84-6,
85-а,
86-в,
87-6,
88-а,
89-а,
90-а,
91-в,
92-а,
93-а,
94-б,
95-а,
96-б,
97-а,
98-в,
99-а,
100-б,
101-а,
102-б,
103-а,
104-а,
105-6,
106-в,
107- (Wo = 1, Wl = 10, W2 = 45, W3 = 120, W4 = 120, W5 = 252),
108- (Sf - Si = kN ln2).
Главы 6-7
1-в,
2-B,
3-B,
4-б,
5-в,
6-a,
7-6,
8-б,
9-б,
10-6,
11-в,
12-б,
13-б,
14-б,
15-в,
16-Д,
17-б,
18-г,
19-6,
20-B,
21-6,
22-в,
23-a,
24-B,
25-B,
26-a,
27-a,
28-6,
29-a,
30-B,
31-B,
32-B,
33-Г,
34-б,
35-в,
36-г,
37-г,
38-б,
З9-в,
40-а,
41-в,
42-6,
43-в,
44-б,
45-г,
46-в,
47-б,
48- (реакция физическая — термоядерного синтеза, водород, дейтерий, тритий),
49-а,
50-в,
51-б,
52-в,
53-а,
54-6,
55-в,
56-д,
57-г,
58-в,
59-г,
60-д.
Глава 8
1-а,
2-г,
3-в,
4-в,
5-6,
6-б,
7-а,
8-г,
9-6,
10-в,
11-б,
12-6,
13-в,
14-в,
15-б,
16-б,
17-ж,
18-6,
19-в,
20-в,
21-в,
22-6,
23-в,
24-а,
25-в,
26-в,
27-в,
28-6,
29-а,
30-6,
31-а,
32-6,
33-6,
34-в,
35-а,
36-6,
37-г,
38-в,
39-б,
40-а,
41- а) х, 6) ф, в) ф, г) ф;
42- а) х, б) х, в) ф, г) ф;
43- а) ф, б) ф, в) х, г) х;
44- а) ф, б) ф, в) х, г) х;
45- а) х, б) ф, в) х, г) ф;
46- а) ф, б) х, в) ф, г) ф;
47- а) х, 6) ф, в) ф, г) ф;
48- а)1, б) 2, в) 1, г) 3;
49- а) 1, б) 3, в) 2, г) 1;
50- а) 1, 3; 6) 2, 3; в)2, 4; г) 1, 4;
51-в,
52-в,
53- б,
54-6,
55-в,
56-г,
57-а,
58-в,
59-д,
60-г.
Глава 9
1-г,
2-г,
3-6,
4-6,
5-в,
6-б,
7-в,
8-б,
9-а,
10-6,
11-г,
12-а,
13-а,
14-в,
15-г,
16-а,
17-г,
18-Г,
19-а,
20-в,
21-6,
22-а,
23-в,
24-г,
25-в,
26-в,
27-а,
28-в,
29-г,
30-6,
31-г,
32-6,
33-6,
34-г,
35-6,
36-г,
37-в,
38-в,
39-в,
40-а,
41-6,
42-в,
43-а,
44-в,
45-в,
46-а,
47-б,
48-6,
49-а,
50-в,
51-а,
52-в,
53-6,
54-в,
55-г,
56-б,
57-6,
58-багв,
59-г,
60-з,
61-г,
62-6,
63-в,
64-в,
65-6,
66-г,
67-в,
68-в,
69-6,
70-в,
71-г,
72-в,
73-г,
74-6,
75-г,
76-а,
77-в,
78-д,
79-е.
Главы 10-11
1-г,
2-6,
3-б,
4-в,
5-6,
6-в,
7-6,
8-6,
9-в,
10-6,
11-в,
12-6,
13-6,
14-г,
15-в,
16-в,
17-вагб,
18-в,
19-а,
20-в,
21-а,
22-6,
23-е,
24-в,
25-6,
26-г.
Глава 12
1-6,
2-6,
3-6,
4-в,
5-в,
6-6,
7-6,
8-в,
9-а,
10-6,
11-а,
12-в,
13-г,
14-г,
15-г,
16-в,
17-6,
18-6,
19-а,
20-в.
Глава 13
1-г,
2-6,
3-6,
4-6,
5-6,
6-в,
7-г,
8-6,
9-в,
10-а,
11-6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Рекомендуемая литература
1.1. Основная
Горелов А. А. Концепции современного естествознания. — М., 2005. — 336 с.
Горохов В. Г. Концепции современного естествознания. — М., 2003. — 412 с.
Грушевицкая Т. Г., СадохинА. П. Концепции современного естествознания. — М., 1998. — 384 с.
Карпенков С. X. Концепции современного естествознания. — М., 1997. — 520 с.
Рузавин Г. И. Концепции современного естествознания. — М., 1999. — 288 с.
Степин В. С., Горохов В. Г., Розов М. А. Философия науки и техники. — М., 1995. — 384 с.
Суханов А. Д., Голубева О. Н. Концепции современного естествознания. — М., 2004.
Торосян В. Г. Концепции современного естествознания. — М., 2002. — 208 с.
1.2. Дополнительная
Абачиев С. К. Концепции современного естествознания: экспериментальный лекционный курс (в 2 ч.) / С. К. Абачиев. — М.: Академия социально-экономического прогнозирования и моделирования, 1998. Ч. 1. — 216 с, Ч. 2. — 190 с.
Азимов Айзек. Путеводитель по науке. От египетских пирамид до космических станций. — М., 2004. — 788 с.
Галимов Э. М. Феномен жизни: между равновесием и нелинейностью. Происхождение и принципы эволюции. — М., 2001. — 256 с.
Девис П. Суперсила. — М., 1989.
Капра Ф. Дао физики. — СПб., 1994.
Капра Ф. Паутина жизни. Новое научное понимание живых систем. — М., 2003.
Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Законы эволюции и самоорганизации сложных систем. — М., 1994.
Крюков Р. В. Концепции современного естествознания (конспект лекций). — М., 2005. — 176 с.
Мамардашвили М. К. Стрела познания. Набросок ес-тественноисторической гносеологии. М.: Школа «Языки русской культуры», 1997. — 304 с.
Пригожин И. От существующего к возникающему. Время и сложность в физических науках. — М.: Наука, 1985. — 328 с.
Фейнберг Е. Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. — М., 1992.
1.3. Использованная литература
Абачиев С. К. Концепции современного естествознания: экспериментальный лекционный курс (в 2 ч.) / С. К. Абачиев. — М.: Академия социально-экономического прогнозирования и моделирования, 1998. Ч. 1. — 216 с, Ч. 2. — 190 с.
Агекян Т. А. Звезды, галактики, Метагалактика. — М.: Наука, 1968. — 376 с.
Азимов А Краткая история химии (Развитие идей и представлений в химии). (Пер. с англ.). — М.: Мир. 1983. — 187 с.
Акимов О. Е. Естествознание. Т. 1. Донаучные формы: мифы и философия. — Комсомольск-на-Амуре, 1996. — 430 с.
Аршинов В. И. Синергетическое познание в контексте единства двух культур // Высшее образование в России. — № 4, 1994.
Буданов В. Г. Концепция естественнонаучного образования гуманитариев: эволюционно-синергетический подход // Высшее образование в России. — № 4. 1994.
Бурбаки Я. Очерки по истории математики. — М: ИЛ, 1963. — 252 с.
Бурундуков А, С. Концептуальные структуры знания. Ч. 1., — Владивосток, Дальрыбвтуз, 2002. — 466с.
Бурундуков А. С. Фундаментальные структуры: эмпирические системы. — Владивосток, Дальнаука, 2005. — 304 с.
Вавилов С. И. Исаак Ньютон. — М.: АН СССР, 1961.
Василькова В. В. Порядок и хаос в развитии социальных систем (синергетика и теория социальной самоорганизации). СПБ. Изд. «Лань», 1999. — 480 с.
Вернадский В. И. Философские мысли натуралиста. — М., 1988.
Волков Ю. Г. Гуманистическое будущее России. — М.: ВШ, 1995.
Воронцов-Вельяминов Б. О. Очерки о Вселенной. — М.: Наука 1980.
Вяльцев А. Н. Дискретное пространство — время. — М.: Наука, 1965. — 400с.
Гинзбург В. Л. О теории относительности. — М.: Наука, 1979
Голин Г. М., Филонович С. Р. Классики физической науки. — М.: ВШ, 1989
Горелов А. А. Концепции современного естествознания. — М., 1997.
Готт В. С. Философские вопросы современной физики. — М.: Высш. школа, 1988. 343 с.
Гребенников Е.А. Николай Коперник. — М.: Наука, 1973.
Грехнев В. С. Этносы как общности людей // Философия и общество. — 1999, № 4.
Григорьева Т. П. Синергетика и Восток // Вопросы философии. — 1997. № 3. С. 90-102.
Гумилев Л. Н. Этногенез и биосфера Земли. — Л.: ЛГУ, 1989.
Девис П. Суперсила. — М.: Мир. 1989. — 272 с.
Девис П. Случайная Вселенная. — М.: Мир, 1985.
Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. — М.: Наука. 1985. — 384с.
Канке В. А Основные философские направления и концепции науки. Итоги XX столетия. — М.: Логос, 2000. — 320 с.
Капра Ф. Дао физика. — СПБ: Орис, 1994. — 304 с.
Китайгородский А. И. Порядок и беспорядок в мире атомов. — М.: Наука, 1977.
Клайн М. Математика. Утрата определенности. — М.: Мир, 1984.
Клайн М. Математика. Поиск истины. — М.: Мир, 1988.
Климонтович Ю. Л. Термодинамика хаотических систем // Успехи физических наук. — 1994. № 7. Т. 164, С. 783-784.
Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Синергетика как новое мировидение: диалог с И. Пригожиным // Вопросы философии. — 1992, № 12.
Князева Е. Н., Курдюмов С. П. Антропный принцип в синергетике // Вопросы философия. 1997. № 3. С. 62-79.
Колясников Ю. А. Наноминералогия воды и биосферные процессы. — Магадан, 2000.
Комацу М. Многообразие геометрии. — М.: Знание, 1981.
Коноплева Н. П., Попов Ю. Н. Калибровочные поля. — М.: Атомиздат, 1980. — 240 с.
Конструкции времени в естествознании: на пути к пониманию феномена времени. Ч. 1. / Под ред. Б. В. Гне-денко. — М.: МГУ, 1996. — 304 с.
Концепции самоорганизации: становление нового образа мышления. — М.: Наука, 1994.
Концепции современного естествознания (Учебное пособие). — Ростов на Дону, Феникс, 1997. — 448 с.
Крушинский Л. В. Проблемы поведения животных. — М., 1993 г.
Кузнецов Б. Г. История философии для физиков и математиков. — М.: Наука, 1974. — 352 с.
Кузнецов Б. Г. Пути физической мысли. — М.: Наука, 1968. — 350 с.
Кулаков Ю. И., Владимиров Ю. С, Карнаухов А. В. Введение в теорию физических структур и банарную геометро-физику. — М.: Архимед, 1992. — 182 с.
Куманевский К. История культуры Древней Греции и Рима. — М.: ВШ, 1990.
Кун Томас С. Структура научных революций. — М.: Прогресс, 1975.
Курдюмов С. П., Малинецкий Г. Г., Потапов А. Б. Синергетика — новые направления // Математика. Кибернетика. — 1989, № 11.
Ласло Э. Основания трансдисциплинарной единой теории // Вопросы философии. — 1997. № 3.
Левин Е. П. Астрономия. — М.: Просвещение, 1998.
Лешкевич Т. Г. Философия науки. Традиции и новации. — М.: ПРИОР, 2001. — 428 с.
Логунов А. А. Основы теории относительности. — М.: МГУ, 1982. — 116 с.
Лоренц К. Агрессия. — М., 1994.
Лоскутов А. Ю., Михайлов А. С. Введение в синергети
ку. — М.: Наука, 1990. — 272 с. /
Лурье С. В. Историческая этнология. — М.: Аспект, 1997.
Майнцер К. Сложность и самоорганизация. // Вопросы философии. — 1997. № 3.
Манн-Боргезе Э. Драма океана. — Л.: Судостроение, 1982.
Медведев Б. В. Начала теоретической физики. — М.: Наука, 1977.
Методологические принципы физики (история и современность) — М.: Наука, 1975. — 512 с.
Мечников Л. И. Цивилизация и великие исторические реки. — М.: 1995.
Моисеев Н. Н. Экология человека глазами математики. — М.: Молодая гвардия, 1988. — 254 с.
Моисеев Н. Н. Естествознание и гуманитарное мышление// Общественные науки и современность. — № 2, 1989.
Моисеев Н. Н. Человек и ноосфера. — М.: Прогресс, 1990.
Молчанов Ю. Б. Четыре концепции времени в философии и физике. — М.: Наука. 1977. — 192 с.
Назаретян А. П. Универсальная (Большая) история -учебный курс и поле междисциплинарного сотрудничества // Вопросы философии. 2004. № 4, С. 70-80.
Нарликар Дж. Неистовая Вселенная. — М.: Мир. 1985.
Новиков И. Д. Эволюция Вселенной. — М.: Наука, 1990.
О систематике частиц. Атомы, ядра, элементарные частицы. — М.: Атомиздат. 1970.
Пайерлс Р. Е. Законы природы. — М.: ГИФМЛ, 1962. — 340 с.
Панов А. Д. Кризис планетарного цикла Универсальной истории lnfml.sai.msn/SETI/koi/krizis. 2003
Паули В. Физические очерки. — М.: Наука, 1975
Пенроуз Р. Структура пространства-времени. — М.: Мир, 1972.
Перель Ю. Г. Развитие представлений о Вселенной. — М.: 1982. — 392 с.
Периодический закон и строение атома. — М.: Атомиздат, 1971.
Пригожин И. От существующего к возникающему. — М.: Наука, 1985. — 327 с.
Пригожин И., Стингерс И. Порядок из хаоса: новый диалог человека с природой. — М.: Прогресс, 1986. — 431 с.
Пригожин И. Переоткрытие времени // Вопросы философии. — № 8. 1989.
Принципы относительности. — М.: Атомиздат, 1973.
Пуанкаре А. О науке. — М., 1983.
Радунская И. Кванты и музы. — М.: Советская Россия, 1980.
Рузавин Г. И. О природе. — ML: Мысль, 1968. — 302 с.
Самоорганизация в науке: опыт философского осмысления. — М.: Арго, 1994.
Самоорганизация в природе и обществе. СПб., Наука. — 1994. — 127 с.
Самоорганизация в технических системах. — Киев: ИК, 1991. — 89 с.
Слезин Ю. Б. Концепции современного естествознания. Петропавловск-Камчатский КГТУ, 2001. — 124 с.
Степин В. С. Философская антропология и философия. — М.: ВШ. 1992.
Степин В. С, Горохов В. Г., Розов М. А. Философия науки и техники. — М., 1995. — 384 с
Тейлор Э., Уилер Дж. Физика пространства-времени.
— М.: Мир, 1971.
Терлецкий Я. П. Парадоксы теории относительности.
— М..: Наука. 1996. — 120 с.
Тимафеев-Рееовский Н. В. Биосфера и человечество.
— «Курьер», 1973. Томилин А. Занимательно о космогонии. — М., 1975.
Фок В. А. Квантовая физика и строение материи. — Л.: ЛГУ, 1965.
Фрейд 3. Психология бессознательного. — М.: Просвещение. 1980. — 448 с.
Фридман А, А. Мир как пространство и время. — М.: Наука. 1965. — 112 с.
Хакен Г. Синергетика. — М.: Мир, 1980. — 404 с.
Хакен Г. Синергетика: иерархии неустойчивостей в самоорганизующихся системах и устройствах. — М.: Мир, 1985. — 419 с.
Хегеле П. Г. Рассчитан ли космос на человека? — «Поиск», № 5, 2001.
Хойл Ф. Галактики, ядра и квазары. — М.: Мир, 1968.
Чайковский Ю. В. Междисцишшнарность современного эволюционизма. В кн.: Концепции самоорганизации в исторической ретроспективе. — М.: Наука, 1994. — С. 198-237.
Чанышев А. Н. Философия Древнего мира (история философии). — М.: ВШ, 2003. — 703 с.
де Шарден Тейяр Пьер. Феномен человека. — М., 1973.
Шеренга великих математиков. — Варшава, 1970.
Шкловский И. С. Вселенная. Жизнь. Разум. — М.: Наука, 1965. — 284 с.
Эйнштейн А. Собрание сочинений в 4 томах. — М., 1965-67 гг.
Элементарные частицы и компенсирующие поля. — М.: Мир, 1964.
Ячин С. Е. Культура критического разума (Пособие по философии современности для интеллектуалов). — Владивосток. Изд. ДВГТУ, 1996. — 280 с.
2. Обзор рекомендованной литературы
В современной отечественной учебной литературе имеются учебники и учебные пособия, достаточно полно и оригинально раскрывающие основное содержание курса КСЕ. Безусловно, это книги, указанные нами в списке основной и дополнительной литературы, а также отчасти книги, приведенные в списке использованной нами литературы при подготовке нашего курса «Начала современного естествознания» (в 3 частях). Эти последние источники можно использовать при работе над рефератами. Помимо того, рекомендуем при написании рефератов использовать отечественные и переводные научно-популярные издания «Природа», «Наука и жизнь», «Наука и религия», «Химия и жизнь», «В мире науки», «Сознание и физическая реальность», «На грани невозможного», а также Интернет-источники. Список серверов, обслуживающих мировое информационное пространство и хранящих в своей памяти материалы по естествознанию — приведен в учебнике М. И. Потеева. Концепции современного естествознания. — СПб.: Изд-во «Питер», 1999.
Приступая к изучению современного естествознания, прежде всего надо ознакомиться с программой и требованиями, предъявляемыми к усвоению данной дисциплины. Это можно сделать по нашим книгам.
История естествознания дана только в ряде пособий, именно, в пособиях Грушевицкой и Садохина, Горохова, Чанышева, под ред. Самыгина. Вопросы философии и методы науки наиболее полно рассмотрены в книгах Степи-на, Розова и Горохова, Лешкевич, Канке, пособиях Торо-сяна, Горохова.
Концепции физического естествознания, космологии и космогонии, в том числе гипотезы о строении и возникновении Земли и Солнечной системы оригинально изложены в книгах Горохова, Торосяна, Хорошавиной, Карпенкова, Рузавина, Грушевицкой и Садохина, Потеева, лекциях Бабушкина. Современные концепции естествознания. — СПб.: «Лань», 2001.
Концепции химии наиболее полно изложены в пособиях Карпенкова, Грушевицкой и Садохина, Рузавина, Воронова, Гречнева и Сагдеева. Основы современного естествознания. — М.: Высшая школа, 1999.
Концепции общей биологии и биологии человека лучше всего изложены в учебном пособии под ред. Самыгина, в пособии Воронова, Гречнева и Сагдеева, учебниках Потеева и Мотылевой, Скоробогатова и Сударикова. Значительное место в последней книге занимают гипотезы о происхождении жизни.
Концепции самоорганизации и эволюции достаточно подробно рассмотрены в учебниках Мотылевой, Скоробогатова и Сударикова, Карпенкова, Торосяна, Потеева, Грушевицкой и Садохина, а также в монографии Концепции самоорганизации в исторической ретроспективе. — М.: Наука, 1994.
По всем указанным темам мы рекомендуем также читать наши книги, а проверить себя можно по тестам, приведенным в данном нашем учебном пособии. Помимо этого можно рекомендовать также тесты по КСЕ, подготовленные и изданные В. В. Кравченко.
Содержание
Предисловие 3
РАЗДЕЛ I
Теоретико-концептуальный и естественноисторический 9
1. Принципы, методы и философские концепции науки и естественнонаучного познания ,...9
2. Генезис основных концептуальных понятий современного естествознания античными и средневековыми цивилизациями 33
3. Концепции и принципы классического физического —
механистического и термодинамического естествознания 110
4. Концепции и принципы неклассического - полевого,
квантового и квантово-полевого физического
естествознания 144
5. Фундаментальные принципы и обобщенные положения
современного физического естествознания 185
6. Космологические и космогонические концепции
естествознания о Вселенной 213
7. Естествознание о Земле и планетах Солнечной системы 246
8. Концепции и принципы химического естествознания 265
9. Концепции и принципы биологического естествознания 293
10. Концепции и гипотезы естествознания о человеке 338
И. Антропный принцип и мега-история Вселенной 375
12. Концепции постнеклассического естествознания
и теорий самоорганизации 410
13. Математика и естественнонаучная реальность мира 468
Заключение 489
РАЗДЕЛ II
Список тем рефератов , 493
РАЗДЕЛ III
Контрольно-аттестационный 5Т4
ЛИТЕРАТУРА 592
1. Рекомендуемая литература 592
2. Обзор рекомендованной литературы 600
Серия «Высшее образование»
Савченко Валерий Нестерович Смагин Виктор Павлович
НАЧАЛА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
КОНЦЕПЦИЯ И ПРИНЦИПЫ Учебное пособие
Ответственный
редактор Н. Мажникова
Технический
редактор И. Булгакова
Корректор А. Кравченко
Компьютерный
дизайн: С. Демченко
Дизайн обложки: Ю. Ханукаева
Сдано в набор 18.06.2006 г. Подписано в печать 15.07.2006 г. Формат 84х108 1/32. Бумага типографская № 2. Гарнитура Школьная. Тираж 5 000. Заказ № 292.
Издательство «Феникс» 344082, г. Ростов-на-Дону, пер. Халтуринский, 80.
Отпечатано с готовых диапозитивов в ЗАО «Книга».
344019, г. Ростов-на-Дону, ул. Советская, 57. Качество печати соответствует предоставленным диапозитивам.