Ф Е Д Р
реклама
ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Ф Й ИЙ КИ СК ЕС ЧЕ ИЧ НИ ХН ЕХ ТЕ О--Т КО ИК ИЗЗИ ФИ И Т УТ ТУ ИТ ТИ СТ НС ИН Кафедра «Общая и теоретическая физика» Антонов В.В. КУРС ЛЕКЦИЙ по дисциплине КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Тольятти 2008 Содержание Литература ..........................................................................................................................................4 Лекция 1. Наука как особая сфера культуры...................................................................................5 Введение .........................................................................................................................................5 Наука...............................................................................................................................................7 Знание и научное знание ..........................................................................................................8 Естественные и гуманитарные науки .....................................................................................9 Вненаучные знания. Паранаука и мистицизм ............................................................................9 Философия вненаучного знания............................................................................................10 Мистицизм...............................................................................................................................11 Естественнонаучная и гуманитарная культуры...................................................................12 Научный метод ............................................................................................................................14 О роли математики в естествознании ...................................................................................16 Принципы, нормы и критерии научности.................................................................................17 Современные модели научного знания .....................................................................................18 Модели развития науки...............................................................................................................20 Научные революции....................................................................................................................21 Научная картина мира.................................................................................................................22 Наука как социальный институт ................................................................................................23 Лекция 2. Концепции глобального эволюционизма и самоорганизации материи ....................26 Глобальный эволюционизм как интегративное исследование природных процессов.........26 Открытия, свидетельствующие о глобальной эволюции материи .........................................28 Теория самоорганизации – синергетика....................................................................................30 Закрытые и открытые макросистемы. Эволюционизм «принципа возрастания энтропии»31 Синергетика эволюционизирующих систем.............................................................................32 Точка бифуркации. Случайность и закономерность в неравновесных системах ............33 Классические примеры самоорганизующихся систем........................................................34 Реакция Белоусова-Жаботинского ........................................................................................35 Лекция 3. Уровни организации материи........................................................................................35 Представления о структуре и уровнях строения материи.......................................................35 Макромир. Механическая картина мира...................................................................................36 Электродинамическая картина мира. Концепция о двух видах материи ..............................37 Микромир. Квантово-полевая картина мира ............................................................................38 Атомная физика ......................................................................................................................38 Квантовая механика................................................................................................................39 Корпускулярно-волновой дуализм .......................................................................................42 Лекция 4. Современные космологические концепции .................................................................43 Ньютоновская и эйнштейновская космологические модели Вселенной...............................44 Фридмановские модели Вселенной ...........................................................................................45 Модель горячей Вселенной или Большого Взрыва .................................................................46 Модель горячей Вселенной ...................................................................................................47 Холодная Вселенная...............................................................................................................47 Модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной..............................................................48 2 Время ............................................................................................................................................49 История взглядов на время ....................................................................................................49 Геометрии пространства .............................................................................................................51 Многомерность пространства ....................................................................................................53 Четырехмерное пространство................................................................................................54 Фрактальное пространство ....................................................................................................54 Современная естественнонаучная картина мира .....................................................................56 Общие контуры эволюции Вселенной и принципы ее построения........................................57 Антропный принцип в космологии ...........................................................................................58 Лекция 5. Химическая и биологическая эволюция материи .......................................................59 Наука о веществах и их взаимодействиях.................................................................................59 Методы и концепции химии ..................................................................................................60 Эволюционная химия .............................................................................................................62 Наука о живой природе...............................................................................................................64 Структурные уровни живого .................................................................................................65 Принципы биологической эволюции....................................................................................67 Происхождение жизни на Земле ...........................................................................................71 Лекция 6. Человек как высший результат эволюции Вселенной ................................................74 Биосфера.......................................................................................................................................74 Биогеохимические принципы В.И. Вернадского .....................................................................75 Ноосфера..................................................................................................................................76 Человек. Происхождение человека............................................................................................77 Человек как существо биологическое и социальное................................................................79 Становление социальных отношений...................................................................................80 Генезис сознания и языка.......................................................................................................82 Генезис языка ..........................................................................................................................84 Концепция коэволюции ..............................................................................................................85 Глобальные экологические проблемы в системе «человек – общество – биосфера» ..........86 3 Литература 1. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. М.: Гардарики, 1999, 2003. 2. Концепции современного естествознания / В.Н. Лавриненко, В.П. Ратников и др. М.: Культура и спорт, ЮНИТИ, 1997, 2001. 3. Горелов А.А. Концепции современного естествознания. Курс лекций. М.: 2003. 4. Тулинов В.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2004. 5. Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. – М.: Академический Проект, 2004. 6. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век»», 2005. 7. Канке В.А. Концепции современного естествознания. – М.: Логос, 2004. 8. Философия науки / Мел Томпсон. – Пер. с англ. А. Гарькавого. – М.: ФАИР-ПРЕСС, 2003. 9. Власова С.В. Естественнонаучная культура, или Наука для каждого. – М.: Изд. МПСИ, 2004. 10. Лешкевич Т.Г. Философия науки. – М.: ИНФРА-М, 2006. 11. Эбелинг В., Р. Файстель. Хаос и космос: синергетика эволюции. – Москва-Ижевск, 2005. 12. Солопов Е.Ф. Концепции современного естествознания. – М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 2003. 4 Лекция 1. Наука как особая сфера культуры Введение «В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам. Дело в том, что наука – это одно из наиболее важных духовных движений наших дней. Тот, кто не пытается понять это движение, выталкивает себя из этого наиболее знаменательного явления в истории человеческой деятельности ... И не может быть истории идей, которая исключала бы историю научных идей» (К. Поппер. Открытое общество и его враги. Т. 2, М., 1991, с.327-328). «Концепции современного естествознания» (КСЕ) - современная дисциплина в системе российского университетского образования, знакомящая с естественнонаучными знаниями специалистов гуманитарных и социально-экономических направлений. Объем необходимой для изучения информации довольно большой, поэтому используется концептуальный подход (принцип), позволяющий изучать дисциплину в рамках основополагающей идеи и систем взглядов. Предметом изучения одновременно выступают природа, человек и общество, т.е. предметом изучения являются не конкретно научные и не абстрактно-философские знания, а метанаучные (от греч. Meta – после, за) знания. Метанаука – есть осмысление науки, т.е. анализ ее основных принципов, главных положений, концептуальных оснований. Данный курс скорее информативно-мировоззренческого характера, способствующий осознанию научных принципов и закономерностей развития природы – от микромира до Вселенной и Человека, формирующий представления о важнейших направлениях развития современного естествознания и о современной естественнонаучной картине мира. Название курса связано с тем, что всегда результатами научных исследований являются теории, законы, модели, гипотезы, эмпирические обобщения. Термин «концепция» означает определенный способ понимания, основную точку зрения перечисленных понятий, выражающих сущность предметов, явлений, процессов. С другой стороны, концепция – это система ассоциаций и понятий, которая формируется в процессе развитии нашего сознания. К современному же естествознанию относятся концепции, возникшие в XX веке. Современное естествознание как научная мировоззренческая парадигма в большей степени опирается на физические представления. Физика, обладая научным методом и, формулируя представления о природе на количественном уровне в виде фундаментальных законов и принципов, создала базу объяснения реального физического мира. Без такого объединительного начала, невозможно, изучая порознь отдельные естественные науки, познать природу как единое целое. Но в то же время, отвергая попытки познать духовную жизнь человека научными методами, физика стала терять свои позиции, сталкиваясь с неопознанными и необъясненными явлениями, которые не укладываются в рамки только физических представлений. В этой связи «путеводной звездой» для современных физиков должны быть слова, сказанные, американским физиком Исидор Раби (1898-1988): «физика составляет сердцевину гуманитарного образования нашего времени». Курс "Концепции современного естествознания" аккумулирует историю науки, теоретические, общеначальные и философские аспекты прогресса естественных наук, объяснение и оценку их роли в решении современных технических и, в определенной мере, социальных проблем. Социальные перемены и возможности образования социально-ориентированных (справедливых) обществ, в значительной степени определяются уровнем современного производства, реализацией возможностей научно-технического прогресса, порожденного, прежде всего, успехами естественных наук. 5 Важно также подчеркнуть, само построение концепции и овладение ею также является развитием сознания, а результатом построения концепций современного естествознания является создание научной картины мира или научной парадигмы. Современное единство науки выражает единство мира, в самом широком и универсальном его понимании. Оно (единство) скрепляется логической обусловленностью и органической взаимосвязью абстрактного и конкретного, материального и духовного, внутреннего и внешнего, единичного и всеобщего, теоретического и прикладного. Новый подход в построении современного естествознания выражает эволюционносинергетическая парадигма современного развития науки (методологическая основа), предполагающая органическое соединение принципов универсального эволюционизма и самоорганизации (синергетики) при рассмотрении явлений и процессов материального мира. Университетский курс «КСЕ» расценивается как фактор необходимости формирования у студентов научного миропонимания, основанного на естественнонаучном знании. Знакомство с астрономической и физической картиной мира, биологической и химической эволюцией материи позволяет представить естественнонаучную картину мира в единстве микро-, макро - и мегамиров и тем самым подчеркнуть принцип универсального эволюционизма во Вселенной. Логическим завершением изложения курса будет раскрытие современной естественнонаучной картины мира и будущее науки. Курс является не только обширным, но и чрезвычайно сложным, так как в нем изучаются интегрированно космологические, физические, химические, биологические и другие концепции развития на основе эволюционно-синергетического подхода, порожденного современным естествознанием, который становится доминирующим и в духовном мире, проникая в науки о человеке и обществе. В этой связи задача курса «Концепции современного естествознания» – дать целостное видение мира, представляющего синтез мудрости древних цивилизаций, гуманитарных и естественных наук, стать образно «маяком», освещающему путь к пониманию природы, человека и общества. Предполагается, что дальнейший прогресс науки в XXI в. будет определять учение В. И. Вернадского о ноосфере. Естественнонаучные знания нужны всем – любое перспективное направление деятельности человека прямо или косвенно связано с новой материальной базой и новыми технологиями, и знание их естественнонаучной сущности является залогом успеха. Если классическое естествознание (XVII в.) знаменовало собой новый подход (уровень) изучения природы – аналитический, т.е. применение экспериментально-математических методов, то естествознание в современный период развития науки представляет собой: интегрированную отрасль естественных наук, отрасль, рассматривающую основные концепции в области астрономии, физики, химии, биологии и других наук; философию развития естественных наук в виде целостной системы представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникающей в результате обобщения и синтеза основных естественнонаучных понятий и принципов, наглядно выражаемой и иллюстрируемой естественнонаучной (общенаучной) картиной мира; систему знаний и деятельности по их достижению, объектом которых предстает природа – часть бытия, существующая по законам, созданным активностью людей. Естествознание изучает мир, как он есть, в его естественном состоянии, независимо от человека. Рекомендации по изучению курса. Знания не приходят сами по себе. Как сказал в далекие времена известный мыслитель Василий Великий (ок. 330 – 379): «Надо учиться не стыдясь, а учить не скупясь», и только в этом случае можно надеяться на успех. 6 За новейшей информацией по курсу следует обращаться к научно-популярным журналам. В связи с широкой распространенностью Интернет, можно найти достоверную и проверенную информацию на сайтах государственных университетов, РАН, научно-исследовательских институтов. Но в этой «мировой паутине» можно найти также статьи авторов, отвергнутых научным сообществом. Электронные рефераты по курсу «Концепции современного естествознания» зачастую содержат грубейшие ошибки, неточности, опечатки, а порой сознательно искаженные данные, т.е. не являются надежной информацией. В ТГУ наиболее распространенным учебным пособием по читаемому курсу для студентов является учебное пособие «Концепции современного естествознания» (годы издания 1999, 2003), автором которого является Вячеслав Михайлович Найдыш. Наука Слово "наука" в русском языке имеет очень широкое значение. Наукой является физика, литературоведение, учение о сварке (недаром есть институты сварки), наукой является и искусство плетения лаптей (оборот "он постиг науку плетения", по-русски вполне допустим, а института по последней науке нет только потому, что это сейчас не актуально). Европейской родиной науки можно считать Древнюю Грецию, именно там в V в. до н.э. возникла наука как доказательный вид знания, отличающийся от мифологического мышления. «Учеными» древнегреческих мыслителей в современном значении этого слова сделал их интерес к самому процессу мышления, его логике и содержанию. Античная наука дала нам доныне непревзойденный образец законченной системы теоретического знания – геометрию Евклида. Кроме математической теории античная наука создала космологические модели (Аристарх Самосский), сформулировала ценные идеи целого ряда будущих наук – физики, биологии и т.д. Но как полноценное социально-духовное образование – наука стала с XVII века, когда усилиями Г. Галилея и, особенно, И. Ньютона была создана первая естественнонаучная теория и возникли первые научные объединения ученых (научные сообщества). За 2,5 тыс. лет своего существования наука превратилась в сложное образование со своей структурой. Сейчас оно охватывает огромную область знаний с 15-ю тыс. дисциплин. Число ученых по профессии в мире к концу XX века достигло свыше 5 млн. человек. В общем понимании: Наука – это система сознания и деятельности людей, направленная на достижение объективно-истинных знаний и систематизацию доступной человеку и обществу информации. Наука – это форма человеческих знаний, проверенная практикой, являющихся общим продуктом развития общества и составной частью духовной культуры общества; это система понятий о явлениях и законах действительности; В частном понимании: Наука – это особая сфера целенаправленной деятельности человека как на получение новых знаний (главная цель), так и на разработку новых методов их получения; которая включает ученых с их знаниями и способностями, научные учреждения и имеет своей задачей исследование (на основе определенных методов познания) объективных законов природы, общества и мышления для предвидения и преобразования действительности в интересах общества. [Бургин М.С. Введение в современную точную методологию науки. Структуры систем знания. М.: 1994]. С другой стороны, наука – это и рассказ о том, что в этом мире есть и, в принципе, может быть, а вот что «должно быть» в мире в социальном плане, она не говорит – предоставляя это на предмет выбора «большинством» человечества. Научная деятельность включает в себя следующие элементы: субъект (ученые), объект (все состояния бытия природы и человека), цель (цели) – как сложная система ожидаемых результатов научной деятельности, средства (методы мышления, научные приборы, лаборатории), конечный продукт (показатель осуществленной научной деятельности - научные знания), соци7 альные условия (организация научной деятельности в обществе), активность субъекта – без инициативных действий ученых, научных сообществ научное творчество не может быть реализовано. Сегодня цели науки многообразны – это описание, объяснение, предсказание, истолкование тех процессов и явлений, которые стали ее объектами (предметами), а также систематизация знаний и реализация полученных результатов в управлении, производстве и других сферах общественной жизни, в улучшении ее качества. Но главной определяющей целью научной деятельности является получение знаний о реальности, т.е. научных знаний. Наука в ее современном понимании является принципиально новым фактором в истории человечества, возникшим в недрах новоевропейской цивилизации в XVI – XVII веках. Именно в XVII в. произошло то, что дало основание говорить о научной революции – радикальной смене основных компонентов содержательной структуры науки, выдвижении новых принципов познания, категорий и методов. Социальным стимулом развития науки стало растущее капиталистическое производство, которое требовало новых природных ресурсов и машин. Наука понадобилась в качестве производительной силы общества. Если древнегреческая наука была умозрительным исследованием (в переводе с греческого «теория» означает умозрение), мало связанным с практическими задачами, то только в XVII в. наука стала рассматриваться в качестве способа, обеспечивающего господство человека над природой. Рене Декарт писал: «Возможно вместо спекулятивной философии, которая лишь задним числом понятийно расчленяет заранее данную истину, найти такую, которая непосредственно приступает к сущему и наступает на него, с тем чтобы мы добыли познания о силе ... Затем ... реализовать и применить эти познания для всех целей, для которых они пригодны, и таким образом эти познания (эти новые способы представления) сделают нас хозяевами и обладателями природы» (Декарт Р. Рассуждения о методе. Избр. произв. М., 1950, с.305). Науку с ее особой рациональностью следует рассматривать как феномен западной культуры XVII в.: наука – это особый рациональный способ познания мира, основанный на эмпирической проверке или математическом доказательстве. Знание и научное знание Наука отличается от всех других видов деятельности в обыденной жизни, в политике, в экономике, в искусстве, инженерном деле тем, что в перечисленных сферах человеческой деятельности получение знаний не является главной целью. Знание – это определенное представление всего, чего угодно, в сознании человека, это специфический продукт человеческой деятельности; знание не существует вне человеческого общества. Человек познает окружающий мир в своих повседневных делах и поступках, приобретая при этом знания, необходимые для жизни. Такие знания называются обыденными (или житейскими) или здравым смыслом. Достоверность содержания здравого смысла обычно обосновывается ссылками на авторитеты, на опыт отдельных лиц на общедоступные результаты специализированных видов знания. Научные знания характеризуются осмыслением фактов в системе понятий данной науки, включаются в состав теории, образующей высший уровень научного знания. Особенности научного знания (характерные черты): систематизированность, присутствие теорий, доказательность, открытость для рациональной критики и общедоступность. Формами научного знания выступают: научные факты, гипотезы, проблемы, законы, теории, концепции, научные картины мира. 8 Основными элементами научного знания признаются: установленные факты, закономерности, теории, научная картина мира. Теории – считаются специфическим элементом, присущим только научному знанию. Результатами науки являются не только научные знания, отличающиеся объективностью, систематизацией, логической обоснованностью, открытостью, практической применимостью; это также и научный метод рациональности, который вышел за пределы науки и проникает во все сферы бытия людей; технические и методические новации, которые могут применяться вне науки, прежде всего в производстве; нравственные ценности – образцы честности, объективности, добросовестности, реализуемые в профессиональной деятельности. Главные критерии научного знания – непротиворечивость, подтверждаемость и эффективность. Естественные и гуманитарные науки К настоящему времени сложилась устойчивая традиция разделения всех дисциплин на две большие группы, дающие естественнонаучные и социогуманитарные знания, в связи с чем выделяют два типа наук естественные и гуманитарные. Естественные и гуманитарные науки различаются, прежде всего, объектами исследования. Известное в 60-е гг. XX в. противопоставление "физиков" и "лириков" отражало существование двух дополнительных равноправных способов освоения фактов реального мира - рационалистического, выражающегося в системе наук, и эмоционального, выражающегося в системе искусств. Но главный же корень их противоречия и проблем в том, что все относящееся к естественным наукам – считается «точно», т.е. характеризуется числом, а все относящееся к гуманитарным наукам – считается «неточно». Такое отношение к двум типам наук выразилось образно в сравнении: «только физика – соль, остальное же – ноль». Печатные интенсивные дискуссии того времени между «физиками» и «лириками», показали в итоге как несостоятельность и тех, и других на монопольное обладание истиной, так и необходимость более целостного развития культуры, взаимодействия науки и искусства, развития естественной науки о человеке (антропологии) в его индивидуальном и социальном измерениях. В настоящее время все многочисленные дисциплины объединены в комплексы наук – естественных, общественных, технических, гуманитарных и антропологических. Естествознание – это система знаний и деятельности, объектом которых является природа – часть бытия существующего по законам, созданным активностью людей. Общественные – система наук об обществе – части бытия, постоянно воссоздающегося в деятельности людей, объектом научного познания выступает общество, которое имеет свои особые законы, которое должно быть определенным образом упорядочено. Технические науки - изучают законы и специфику создания и функционирования сложных технических устройств, используемых в различных сферах жизнедеятельности. Гуманитарные науки – системы знаний, предметом которых выступают ценности общества (общественные идеалы, нормы и правила мышления, общения и поведения). Антропологические науки – совокупность наук о человеке, о единстве и различии его природных и общественных свойств. Вненаучные знания. Паранаука и мистицизм В настоящее время в обществе наблюдается резкое усиление паранаучных тенденций - это экстрасенсорика, телепатия и телекинез, полтергейст, непознанные летательные объекты (НЛО) и уфология. Указанная тенденция имела место и в прошлом. Новое заключается в масштабах 9 явления и в степени его распространения. Сегодня осуществляется беспрецедентно широкая пропаганда вненаучных концепций средствами массовой информации (СМИ). Сознание современного человека находится под непрерывным воздействием псевдонаучных концепций. В нашей стране получают все большее распространение различного рода ненаучные виды знания: астрология, магия, эзотерические, мистические и т.п. учения. Постепенно, но достаточно определенно они искажают в общественном сознании естественнонаучную картину мира. Игнорирование научным миропониманием способствует распространению догматического мышления и принижению науки перед религией, мифом, магией и паранаукой. Можно выделить две крайние оценки влияния вненаучного знания на традиционную науку. С одной стороны, резко негативная реакция представителей естественнонаучного сообщества и, с другой стороны, безоговорочное принятие такого знания определенной частью гуманитарной интеллигенции, которая склонна воспринимать вненаучное знание как фундаментальную науку высшего уровня. Если учесть, что именно представители этого социального слоя обеспечивают содержательную часть работы СМИ, то становится понятной одна из причин наблюдаемого масштаба пропаганды вненаучного знания. Неумеренно высокая оценка вненаучного знания и его противопоставление традиционной науке во многом связано с кризисом концепции сциентизма и усилением антисциентистских тенденций в мире в целом. К тому же постоянное повышение абстрактности теоретического знания при отсутствии адекватной пропаганды научного знания со стороны научного сообщества приводит к повышению барьера, разделяющую гуманитарную и научно-техническую интеллигенцию. Это приводит к формированию негативного образа науки в общественном сознании, падению престижности научного труда и снижению интереса к естественно-научному и техническому образованию в молодежной среде. Знание следует называть вненаучным тогда, когда, либо оно само, либо способ его получения не соответствует нормам, общепринятым в науке на данном историческом этапе – это так называемое «анормальное знание». Следует отметить, что анормальное знание неизбежный спутник познавательного процесса, и речь должна идти не об искоренении его, а лишь о формировании в общественном сознании правильного понимания их роли и места в культуре. История свидетельствует, когда власть «поощряет» тех, кто активно ставит статус научного миропонимания в современном обществе не выше, чем любого мифа, то власть «выступает», по существу, за беспредельный мировоззренческий плюрализм. Ушедший в историю земной цивилизации XX в. был в политическом отношении веком конфронтации двух идеологий, веком борьбы капитализма и социализма. Но именно этот период в истории развития цивилизации отмечен грандиозными успехами естествознания и практических его воплощений: создание атомных реакторов (раньше, атомных бомб), телевидения, компьютеров, выход человека в космос, расшифровка генетического кода – эти и другие достижения зримо изменили стиль и образ жизни человека и в то же время породили негативную реакцию общественного сознания на угрозу массового уничтожения, глобальный экологический кризис, непомерную стоимость научных проектов (например, космические программы). Философия вненаучного знания. Вненаучное знание делится с известной долей условности, на заблуждения, связанные с исследованиями людей, убежденных, что они создают подлинную науку, и паранауку (антинауку, псевдонауку, «альтернативную науку»), куда входят такие «науки», как астрология, оккультные «науки», магия, колдовство и т.д. Причем с исторической точки зрения «заблуждающейся разум» является необходимым в силу самого характера процесса познания, и он свойствен любой науке. Представители и приверженцы концепции «постмодернизма» призывают использовать любые учения, вплоть до мистики, суеверий, магии, астрологии и т.д., лишь бы они оказывали терапевтическое воздействие на современное больное общество и индивидов. Они полагают, что статус научного миропонимания в современном обществе не выше, чем любого функциональ10 ного мифа, и выступают, по существу, за беспредельный мировоззренческий плюрализм. Однако подобная позиция при абсолютной нейтральности научного мировоззрения к псевдонауке ведет к интеллектуальному анархизму. Более того, при таком подходе научного сообщества к псевдонауке, который ширится в современном мире, мы можем уже достаточно скоро оказаться свидетелями победы суеверия над научным мировоззрением. Всегда наиболее велико влияние паранауки именно в критические моменты развития общества и индивида. Это потому, что паранаука действительно выполняет некоторую психо- и интеллектуально-терапевтическую функцию, служит определенным средством адаптации к жизни в период социальной и индивидуальной нестабильности. Ведь в трудную минуту всегда легче обратиться к Богу, астрологу, колдуну и т.д., чем к разуму и научному мировоззрению, ибо упование на трансцендентные силы связано лишь с верой и ожиданием свыше какого-то блага. А это освобождает индивида от необходимости делать свой собственный, порой трудный, выбор и от ответственности за положение дел и сравнительно легко обеспечивают душевный комфорт. Между тем строгие научные выводы, обращенные к разуму и совести личности, мало кому приносят счастье и душевное спокойствие, ибо возлагают ответственность за поступки на самого человека. Что же касается рационалистического, научного познания, то ее статус, общекультурное значение и просветительская функция, несовместимы с теми псевдонаучными бессмыслицами, которые непрерывно обрушиваются на голову современного человека. Это требует от научного сообщества более активного распространения научного миропонимания. Ибо игнорирование научного миропонимания может повлечь за собой опасные социальные последствия. Эта опасность возрастает во много раз, когда наблюдается союз политической власти и паранауки. Примерами тут могут служить и инквизиция, и религиозный фанатизм, и фундаментализм, и фашизм, и лысенковщина, а также гонения на кибернетику, генетику и т.д. Современное научное и интеллектуальное сообщество не должно смотреть на засилье псевдонауки со снисходительной усмешкой, ибо оно в таком случае улыбается своей собственной нравственной ущербности. Мистицизм Развитие науки на рубеже XX – XXI вв., как ни странно, соседствует с широким распространением мистики, иррационализма, оккультного, эзотерического (тайного) знания. Мистический опыт определяется как «тип интенсивного религиозного опыта», при котором субъект чувствует себя сливающимся с «космической тотальностью». Мистическое сознание включает веру в непосредственную связь человека со сверхъестественным, веру в чудо. Самое древнее историческое проявление мистики просматривается в первобытных шаманско-оргиастических культурах. «Шаманизм – это установленная обществом и выраженная в определенной форме экстатическая связь людей с потусторонним миром, служащая интересам всего общества». Это достижение разными способами (например, монотонно повторяющимися звуками) «путешествий в иные миры» - проникновение в глубины сознания, заполненного первобытными инстинктами, воспоминаниями детства человеческого рода и элементами коллективного бессознательного. Истоки мистицизма – это бессилие отдельного человека перед природными и общественными силами, противоречия общественной жизни, чувство страха, потребность человека в вере (не обязательно в Бога), комплекс чувств и настроений, связанных с поиском смысла жизни. Индивидуальный тип личности – фантазер, наиболее близок к мистику, ищущему смысл жизни вне реальной жизни. Но именно страх следует считать одним из истоков мистицизма (американский исследователь феномена страха Р. Мэй). Истоком мистицизма в XX в. стало и само научное познание. Некоторые ученые увлечены внешним аналогом между современной физической картиной мира и мистическими образами Древнего Востока (восточным мистицизмом) и во многом склонны к выводу, что «физика становится ветвью психологии». Но такая «параллель» скорее отражает законы психической деятельности человека, а не объективные физические законы материи. 11 Человеку разумному и сейчас надо постоянно различать объективное содержание научных знаний (фактов, законов, принципов, теорий) и их мировоззренческую (философскую, религиозную, нравственно-эстетическую и т.п.) трактовку. Сознание само выбирает (научную, антинаучную, мистическую или промежуточную между ними) картину мира, и обязательно включает в нее свое собственное «я», но опять же, сознание обязано различать субъективное и объективное в создаваемых картинах мира. Квантовая физика, теория относительности открыли много странного, непривычного с точки зрения здравого смысла, обычной земной практики. Это наводит на мышление и размышления даже ученых, что их связь с восточной мистикой и еще более древней мифологией «Тантра может рассматриваться как древняя ветвь квантовой физики» (М. Талбот). Талбот интерпретирует квантовую физику таким образом, что мир не что иное, как суперголограмма, которую сознание творит для себя и которую оно может познавать и даже изменять. В пользу такого представления свидетельствуют обряды – ходить босиком по раскаленным углям, не испытывая болезненных ощущений и не обжигаясь; для нашего времени характерна «космическая религия» - обожествление внеземных цивилизаций, древних ритуальных методов лечения, наукообразие старых мистических представлений. Если традиционный мистицизм обладает таинственностью, сложностью достижения мистического достижения единения человека с божеством, исключительностью посвященных – и озарением очень немногих, то современный же неомистицизм отличается направленностью на получение телесных удовольствий, использованием упрощенной практики йоги (со временем – наркотиков), отличается синкретизмом, т.е. смешением разнородных учений Запада и Востока, растущей массовостью на обладание мистическими знаниями и способностями. Естественнонаучная и гуманитарная культуры Понятием «культура» обозначаются различные явления: от сортов растений до системы положительно значимых ценностей в жизнедеятельности людей. Любой объект есть достояние культурной реальности, если он обработан или переделан людьми для удовлетворения их потребностей. В этом контексте все созданное человечеством есть культура. Однако с точки зрения широкого толкования выражение «все» и «ничего» могут быть поняты как тождественные. Различают три содержательных типа культур – материальная, социальная и духовная. Основные виды духовной культуры: мораль, право, мировоззрение, идеология, искусство, религия, наука. В области науки выделяются системы знаний о природе – естествознание (естественные науки) и системы знаний о позитивно значимых ценностях бытия человека, социальных слоев, государства, человечества – гуманитарные науки. Таким образом, система научных знаний представляет две разновидности культуры: естественнонаучную и гуманитарную. Специфика естественнонаучной культуры состоит в том, что знание о природе постоянно совершенствуется, отличается высокой степенью объективности, представляет собой наиболее достоверный (истинный) массив человеческого знания, кроме того, это глубоко специализированное знание. Специфика гуманитарной культуры состоит в том, что знание о системе ценностных зависимостей в обществе активизируется исходя из принадлежности индивида к определенной социальной группе. В основе актуализации чаще всего лежат общечеловеческие ценности (гуманизм, демократия, права человека, нормы морали и т.д.). Все это имеет решающее значение в социальной адаптации индивида. В такой трактовке культура представляет систему средств человеческой деятельности, благодаря которой программируется, реализуется стимулируется активность индивида, групп, человечества в их взаимодействии с природой и между собой (инструменталистская культура). Эти средства создаются людьми, постоянно совершенствуются и состоят из трех содержательных типов культур – материальной, социальной и духовной. 12 Материальная культура – совокупность вещественно-энергетических средств бытия человека и общества, включающая: орудия труда, активную и пассивную технику, физическую («телесную») культуру индивида и населения, благосостояние человека и общества и т.д. Социальная культура – включает систему привил поведения людей в различных видах общения и специализированных сферах общественной деятельности, а также этикет, профессиональную, правовую, религиозную, светскую, нравственную, экономическую и другие разновидности нормативной деятельности. Духовная культура – является составной частью культурных достижений человечества, представляет собой многообразную систему знаний, состояний эмоционально-волевой сферы психики и мышления индивидов, и непосредственных форм их выражений – знаков. Универсальным знаком является язык – естественный и искусственный, звуковой (речь) и письменный. В широком смысле, культура – это все то, что создано человеком в ходе его исторического развития; совокупность созданных человеком материальных и духовных ценностей; способность человека производить и использовать ценности. Современный человек живет и всегда жил только при соблюдении определенных условий бытия, прежде всего, удовлетворяя свои потребности в пище, одежде, жилище, тепле, т.е. материальные (биологические) потребности. С развитием цивилизации материальные потребности растут и совершенствуются: люди создали высокотехнологическое производство, возвели города с системами коммуникаций и транспортных сетей, обеспечили себя теплом и электроснабжением, создали широкую сферу услуг, включая медицину и образование. Но только материальные потребности людей не исчерпывают всех их потребностей. У человека всегда востребована духовность – потребность в развитии знаний, чувств и ощущений, развития воли, характера и т.д. Для удовлетворения духовных потребностей им создана наука, искусство, философия, литература, мораль, религия и т.д. Материальными носителями духовного являются – язык, книги, художественно-изобразительные средства. За историю своего существования человеческая цивилизация создала огромные духовные ценности: научную картину мира, художественно–образные произведения; идеи и идеологии; философские системы; религии; правовые и социальные институты; эстетические нормы и т.д. Развитие и совершенствование духовного мира является, в конечном счете, одним из важнейших элементов смысла существования человека на Земле. Можно образно сказать, что именно духовная культура «делает человека Человеком». На рубеже XX – XXI вв. первостепенное значение для культуры стала приобретать ее антропная основа. Важнейшей частью духовной культуры является наука, как самое молодое достижение цивилизации, после религии, искусства, правосознания. Научной культурой называют совокупность систем ценностей, идеалов, стилей мышления, методологических установок, присущих отдельным дисциплинам и их комплексам. Из-за различия естественнонаучного и гуманитарного познания возникло и получило распространение представление о «двух культурах» в науке – естественнонаучной и гуманитарной. В XX в. произошел заметный и все более увеличивающийся разрыв между двумя научными культурами благодаря грандиозным успехам естествознания и последовавшей за этим научнотехнической революции (НТР): овладение атомной энергией, создание всемирных телевизионных систем, выход человека в космос, расшифровка генетического кода и т.д., – в итоге изменился стиль и образ жизни человека. Гуманитарная же культура предъявить что-либо равноценное не смогла. Английский писатель Ч. Сноу «вынужден» был сформулировать альтернативу «двух культур» - научнотехнический и художественно-гуманитарной, - по его мнению, разделенных настолько в современном мире, что представители каждой из них не понимают друг друга. Но естественнонаучная и гуманитарная культуры – это грани единого целого, и в актуальности они не уступают друг другу. 13 Развитие естествознания в XX в. связано с глобальной математизацией науки, приведшей к успешному применению математического моделирования для описания явлений и природных процессов и на этой основе получены выдающиеся открытия. В этой связи естественные науки приобрели статус «точных наук», соответственно гуманитарные науки в массовом сознании перешли в разряд «неточных наук», или вообще «не наук». Сейчас предпринимаются попытки исследования моделей искусства в рамках кибернетики ("кибернетические теории искусства"), но их общим дефектом является стремление к дурно понятой "математизации". На самом же деле и здесь общие принципы должны не привноситься извне, а возникать на базе анализа конкретного материала той или иной области человеческой деятельности. Дискуссию вызывает вопрос, как в эту концепцию входит понятие числа. Это действительно трудный вопрос, потому что возникновение понятия числа столь древнее явление, что едва ли остались следы, как люди пришли к этому понятию, т.е. в результате абстрагирования каких моделей оно возникло... Но оказывается, что это не совсем так - следы остались! Например, они обнаруживаются в японском языке. В этом языке существуют специальные группы числительных, скажем, для круглых предметов, совсем другие числительные для длинных предметов, совсем другие числительные для живых предметов и так далее. С точки зрения, европейской грамматики это оформляется, сейчас, правда, не как различные числительные, а как одни и те же числительные, к которым прибавляются различные суффиксы. Но это вопрос лишь описания этого языкового явления. Можно сделать вывод, что система японских числительных представляет собой некоторый рудимент хода мыслей, в котором люди пришли к абстрактному понятию числа и, где-то на самом первоначальном уровне еще питекантропов, для арбузов была одна система числительных, для дынь - другая, для палок - третья, для людей четвертая. Конечно, это система далеко не уходила - раз, два, три и все, но, во всяком случае, для каждого набора предметов были собственные слова для их счета. Потом постепенно было замечено, что, можно использовать одни и те же слова для всех предметов круглой формы, но для предметов продолговатой формы остались другие слова. Только на очень высокой ступени развития пришли к той мысли, что вообще конкретная суть предметов роли не играет и счет можно производить в совершенно абстрактной форме. Таким образом, моделями здесь были процедуры счета конкретных вещей, причем для каждого конкретного вида предметов использовались свои слова. А потом было замечено, что эти процедуры очень схожи, и было выработано понятие числа, как схемы любого конкретного счета. Но что сложнее, человек, созданный Вселенной или сама Вселенная? В этой связи актуально задуматься над ситуацией: что может означать для современного человека быть богатым? Это не просто обладание желтым пластичным металлом или защищенными банкнотами – это предмет вожделений, страстей, символ власти, престижа среди подобных и зависти, граничащей с ненавистью. И этот смысл управляет поведением человека не меньше природных факторов, а то и больше, раз «люди гибнут за металл». Это реальность, в которой методы исследования, применяемые в естествознании, не эффективны и в которую им «нет доступа», но зато есть возможность гуманитариям компетентно заняться «очеловечиванием», прояснением смысла бытия человека, общества, Вселенной. Сейчас становится очевидным, что ведущей тенденцией развития цивилизации в ближайшем будущем станут интеграционные процессы. Уже сегодня реализуются научные программы «Великого единения» самых разнообразных научных и философских идей. Новому, более высокому уровню цивилизации должна соответствовать более высокая ступень развития человека и человеческого общества в целом в их взаимодействии с природой. Научный метод В одной старой китайской притче некий щедрый рыболов делится своим уловом с голодным крестьянином. Но когда тот приходит за рыбой и во второй, и в третий раз, становится 14 ясно, что много проще решить проблему, научив крестьянина самого ловить рыбу, чем каждый раз заниматься филантропией. Научить, как ловить рыбу, - значит, дать метод, т.е. систему правил, приемов практической деятельности. Основоположником научного метода, провозгласившего, что всякое знание должно базироваться на фактах и эксперименте, стал Френсис Бэкон (1561-1626). Бэкон утверждал, что при сборе данных нужно не только отыскивать то, что подтверждает наши мысли, но учитывать противоречащие им факты. Этим он предвосхитил труды философа XX в. Карла Поппера, сделавшего фальсификацию, а не верификацию подлинной проверкой гипотезы. «Решающая проверка теории происходит, когда вы отыскиваете факты, противоречащие ей». Бэкон усматривал в природе механическую причинность, то есть суть вещей заключается непосредственно в прошлом, а не определяется целями, отнесенными к будущему. Бэкон и другие (включая Ньютона) склонялись к признанию двух божественных книг: одной была Библия – истина, поведанная людям, другая – природа. Но именно механическая причинность привела к устранению влияния религии и личности на научный метод. Это означало, что только наука могла исследовать мир методично, рационально и беспристрастно, но при этом демонстрируя постоянно практическую выгоду своих открытий. [8, с.30]. Не случайно, являясь современником Р. Декарта, Фрэнсис Бэкон выдвинул знаменитый афоризм: «Знание – сила». Ф. Бэкон пропагандировал эксперимент как главный метод научного исследования. Считал, что только с научной инквизицией (пыткой природы) раскрываются тайны природы (сравнение - русское слово «естествоиспытатель»). Сопоставляя естественные науки (физику, биологию, химию) с гуманитарными областями человеческой деятельности (философией, искусством, религией, литературой, музыкой), можно отметить, что истоки их во многом различны. Объекты гуманитарных дисциплин созданы человеком, его вдохновением и талантом и воздействуют на наши эмоции и разум, мы собираем эти сочинения и передаем их из поколения в поколение. Но как творят свои произведения артисты, писатели, композиторы, художники остается тайной. Научные открытия основываются на проведенных наблюдениях и логических выводах из них. Наука ничего не принимает на веру и ее ключевое правило – проверять, и в науке методы получения нового знания объединены в определенную систему так называемую методологию проведения научных исследований. Научный метод представляет собой совокупность приемов или операций применяемых в исследовательской деятельности от наблюдений объекта и события до построения теории и ее проверке. Всякий научный метод – это свод регулятивных правил по выработке нового знания (эмпирического или теоретического). [8, c.19]. Анализ и оценка различных методов осуществляется особым учением – методологией научного познания. Методология – это учение о принципах построения, формах и способах научного познания. [4, с.11]. Методология выделяет общие методы исследования, используемые большинством наук и тесно смыкается с формальной логикой, выясняющей структуру научного знания и описывающая его на языке символов и формул. Знание того, как добывается знание, - означает возможность, во-первых, воспроизводить и проверять достоверность уже имеющегося знания, а во-вторых, получать новое знание. Таким образом, сущность научного метода можно представить такой процедурой получения научного знания, которая позволяет его воспроизвести, проверить и передать другим, а наука – тем и выделяется, что в ней методы получения нового знания стали предметом анализа и открытого обсуждения. А. Пуанкаре справедливо подчеркивал, что ученый должен уметь делать выбор фактов. «Метод – это, собственно, и есть выбор фактов; и прежде всего, следовательно, нужно озаботиться изобретением метода» (А. Пуанкаре. Цит. Соч., с. 291). 15 Европейской родиной науки можно считать Древнюю Грецию только потому, что именно древнегреческими мыслителями был определен метод наведения порядка в хаотичном прежде мире разнообразных опытных данных. И только спустя более 20-ти веков в XVI - XVII вв., была осознана важность экспериментально-математического метода (Г. Галилей и Р. Декарт), на основе которого выросло классическое естествознание. Научный метод – это инструмент в руках человека. Он может подсказать, как добиться того или иного результата. Наука может существенно поднять степень комфортности нашего существования, она знает или будет знать, как это сделать. Но во имя чего все это надо делать, что в конечном итоге хочет человек утвердить на Земле – эти вопросы находятся вне компетенции науки. В этой связи государство, общество смотрит на науку «куда более трезво», т.е. начинают осознавать, что у научного метода есть свои издержки, область действия и границы применимости. Ожидания цивилизованного мира (60-70-е гг. прошлого века) от перспектив развития науки явно стали не восторженными: по крайней мере, с обеспечением всеобщего благополучия наука явно не справилась, это и не входит в функцию науки как социального института. На пути к всемогуществу науки стоят фундаментальные барьеры-границы: это исходная посылка эмпиризма, что конечным источником человеческого знания является опыт (во всех возможных формах), который всегда неизбежно ограничен; это и исходная посылка рационализма как вечного «противника» эмпиризма, основанная на дедуктивной модели развертывания знания; это и сама природа человека – как существа макромира с макропредставлениями, никак неподходящими к микро- и мегамиру. Сформировать макрообраз, полностью адекватный микромиру и мегамиру невозможно. Наш «познавательный аппарат» при переходе к областям реальности, далеким от повседневного опыта, теряет свою надежность. Бесспорно, открывая человеку большие возможности, наука одновременно высвечивает и области невозможного. Все это свидетельствует об одном, что реальный мир гораздо богаче и сложнее, чем его образ, создаваемый наукой. О роли математики в естествознании В классическом естествознании научность (достоверность, истинность) знания стала определяться степенью его математизации. Преимуществом математического языка является его краткость и компактность. В современном естествознании роль математики (другими словами, формализации) очень велика. Выразим некоторые специфические черты математики высказываниями ученых. «Книга природы написана на языке математики» – утверждал Г. Галилей, поэтому «Те, кто хочет решать вопросы естественных наук без помощи математики, ставят перед собой неразрешимую задачу. Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является». «В каждом знании столько истины, сколько есть математики», - вторил ему Э. Кант. По изречению Пифагора: « Все вещи суть числа». Но как заметил академик А.А. Марков (1903-1973): «…математика, в сущности, наука гуманитарная, потому что она изучает то, что человек напридумывал». Джон фон Нейман (1903-1957) – американский математик и кибернетик сказал: «Если люди не верят, что математика проста, то только потому, что не осознают, как сложна жизнь». Один из основателей квантовой механики Вернер Гейзенберг, получивший, кстати, начальное классическое гуманитарное образование, сказал: «Среди конкурирующих научных гипотез истинной следует признать ту, из которой вытекает более гуманитарные, нравственные выводы». Но самым точным определением математики, по мнению Канке В.А. - автора учебника «Концепции современного естествознания», является определение Николая Бурбаки (коллективное имя группы французских математиков): «Математика – наука о структурах; под струк16 турой имеется в виду определенным образом упорядоченное многообразие математических элементов (чисел, функций и т.п.)». И все же для гуманитарного склада мышления математика часто затрудняет восприятие смысла. Это означает, что не все сводится к математике. Научная интуиция и гениальные догадки в процессе познания не формализуются, и формализовать их никогда не удастся. «Логики открытий» не существует. Но и это не значит, что гуманитариям следует пренебрегать математикой, и не использовать ее в своих доказательствах. Принципы, нормы и критерии научности XX в породил отрыв теории от непосредственно наблюдаемой реальности и проверка истинности теории перестала непосредственно осуществляться прямыми наблюдениями и экспериментом по причине невозможности их осуществления. И авторитет науки стал зачастую использоваться для придания большего веса всякого рода откровениям пророков, целителей, исследователей «астральных сущностей». Для разграничения псевдонаучных идей и собственно науки разными направлениями методологии науки сформулированы принципы научности. Один из них - принцип верификации: какое-либо понятие или суждение имеет значение, если оно сводимо к непосредственному опыту, т.е. должно быть эмпирически проверяемо. Если же найти нечто эмпирически фиксируемое для такого суждения не удается, то такое суждение либо тавтология, либо лишено смысла. Но поскольку понятия развитой теории, как правило, не сводимы к данным опыта, то допускается косвенная верификация. Например, указать опытный аналог понятию «кварк» (гипотетическая частица) невозможно, но кварковая теория предсказывает ряд явлений, которые возможно зафиксировать опытным путем, т.е. экспериментально. И тем самым косвенно верифицировать саму теорию. Принцип верификации позволяет в первом приближении отграничить научное знание от явно вненаучного. Однако он не действует там, где система идей скроена так, что решительно все возможные эмпирические факты можно истолковывать в «свою пользу» – это идеология, религия, астрология и т.п. В таких случаях прибегают к другому принципу разграничения науки и ненауки - принципу фальсификации, предложенному английским философом XX в. Карлом Поппером (К.Поппер (1902—1994) - основатель критического рационализма ХХ века). Формулировка принципа фальсификации следующая: критерием научного статуса теории является ее фальсифицируемость или опровержимость, т.е. знание может претендовать на звание «научного», если оно в принципе опровержимо. «В той степени, в которой научное высказывание говорит о реальности, оно должно быть фальсифицируемо, а в той степени, в которой оно не фальсифицируемо, оно не говорит о реальности» (К. Поппер. Открытое общество и его враги. Т. 2, М., 1992, с. 21). К. Поппер обращает серьезное внимание на значительную асимметрию процедур подтверждения и опровержения в познании. Никакое количество падающих яблок не является достаточным для окончательного подтверждения истинности закона всемирного тяготения. Однако достаточно всего лишь одного яблока, полетевшего прочь от Земли, чтобы этот закон признать ложным. Простой и глубокий смысл этого принципа в том, что есть всегда возможность, попытка фальсифицировать, т.е. опровергнуть теории, дающие обратные эффекты подтверждения ее истинности и научности. Можно, правда, заметить, что принцип фальсификации делает любое знание гипотетичным, т.е. лишает его законченности, абсолютности, неизменности. Но это, в принципе, и неплохо: угроза фальсификации держит науку «в тонусе». 17 Теория, неопровержимая в принципе, не может быть научной. К примеру, идея божественного творения мира в принципе неопровержима. Но раз эта идея неопровержима, значит, она вне науки. Любая теория, разрешая одни явления, как правило, запрещает другие. Например, вечный двигатель, превышение скорости света, наследование приобретенных признаков и т.п. К. Поппер даже отважился на утверждение, чем больше теория (наука) запрещает, тем она лучше. Можно дополнить данное утверждение: «чем больше вненаучная теории запрещает, тем она хуже». В науке существуют определенные нормы и идеалы научности, свои эталоны исследовательской работы и хотя они исторически изменчивы, но все же сохраняют некий инвариант таких норм, обусловленный единством стиля мышления, сформулированного еще в Древней Греции. Его принято называть рациональным. Этот стиль мышления основан, по сути, на двух фундаментальных идеях: • природной упорядоченности, т.е. признания существования универсальных, закономерных и доступных разуму причинных связей; • формального доказательства как главного средства обоснованности знания. В рамках рационального стиля мышления научное знание характеризуется следующими методологическими критериями (нормами). Именно эти нормы научности входят в эталон научного знания постоянно. • универсальность, т.е. исключение любой конкретики – места, времени, субъекта и т.п. • согласованность или непротиворечивость, обеспечиваемая дедуктивным способом развертывания системы знания; • простота; хорошей считается та теория, которая объясняет максимально широкий круг явлений, опираясь на минимальное количество научных принципов; • объяснительный потенциал; • наличие предсказательной силы. Для ученых и науки актуален всегда следующий вопрос: какое знание действительно научно? В естествознании важнейшее значение придается характеру подтверждаемости теории эмпирическими фактами. При характеристике естественнонаучной теории, заметьте, используется не термин «истинность», а термин «подтверждаемость». Ученый должен стремиться к точности выражений и не использовать многозначные термины Основной критерий научности естествознания в этой связи – это подтверждаемость теории. Термины же «истинность», «истина» имеет более широкое толкование и используется и в естествознании, и в гуманитаристике, и в логике, и в математике, и в религии, т.е. специфику естествознания он не выражает в сравнении с термином «подтверждаемость», имеющего для естествознания первостепенное значение. В гуманитаристике теории ранжируются по степени их эффективности. В XX-м веке гуманитарные дисциплины стали удовлетворять двум требованиям научного знания: 1) знание должно позволять понимать изучаемые явления и 2) осуществлять по поводу них ретросказание прошлого и предсказание будущего. Оба эти требования гуманитаристика выполняет, но делает это не посредством понятий и гипотетико-дедуктивного метода и не на основе критерия подтверждаемости, а благодаря опоре на ценностные представления, прагматический метод и критерий эффективности – являющиеся тремя главными научными основаниями гуманитаристики. Современные модели научного знания Современная наука держится на определенной методологии – как совокупности используемых методов и учении о методе. Созданная античными мыслителями логика (учение о законах и формах правильного мышления) относилась уже не к самому познаваемому миру непосредственно, а к мышлению о нем. Т.е. объектом мышления стала не природа (окружающий мир), а их мыслительные аналоги – 18 абстракции, понятия, суждения, числа, законы и т.п. Оказалось, что эта идеальная реальность по-своему упорядочена, логична и закономерна, и ничуть не меньше, если не больше, чем сам материальный мир. Знание приобрело свою собственную, относительно самостоятельную сферу бытия – сферу теории. В XVII в. Ф. Бэкон и Р. Декарт сформулировали две разнонаправленные методологические программы развития науки: эмпирическую (индукционистскую) и рационалистическую (дедукционистскую). Под индукцией принято понимать такой способ рассуждения, при котором общий вывод делается на основе обобщения частных посылок. Способ рассуждения в обратном направлении – от общего к частному, называют дедукцией. И хотя методологические программы, выстроенные на эмпиризме и рационализме, ныне считаются устаревшими, они сыграли важную историческую роль: во-первых, они стимулировали огромное множество конкретных научных исследований; во-вторых, определили некоторую структуре научного познания. Современная стандартная модель научного знания выглядит так: познание начинается с установления различных фактов путем наблюдения или эксперимента; на основе творческого интеллекта ученого выдвигается теоретическая гипотеза, и если она снимает найденные противоречия между фактами – это означает рождение новой теории, открытия теоретического закона. Таким образом, модель строения научного знания предполагает движение по цепочке: установление эмпирических фактов – первичное эмпирическое обобщение – обнаружение отклоняющихся от правила фактов – изобретение теоретической гипотезы с новой схемой объяснения – логический вывод (дедукция) всех наблюдаемых фактов, что и является ее проверкой на «истинность». Подтверждение гипотезы превращает (конституирует) ее в теоретический закон. Достижением научного метода в естествознании можно считать выделение в науке двух уровней научного знания – эмпирического и теоретического. Эмпирический уровень знания реализуется в наблюдениях, экспериментах, процессах измерений. Наиболее сложен теоретический уровень знания (метода) – проблема естествознания в выработке понятий. Понятия посредством приборов не фиксируются, на основе экспериментальных данных они изобретаются ученым, который вынужден это делать в форме выдвижения предположительного (гипотетического) знания – гипотезы. Исходя из гипотезы, делаются выводы, но при сопоставлении с экспериментальными фактами. И, наконец, если эти выводы подтверждаются, то теория считается состоятельной. Подобная модель строения научного знания называется гипотетико-дедуктивной (или семантической), по сути основанная на понятийно-дедуктивном способе анализа природных явлений. Формализованное изложение данного метода дано специалистом в области философии наук К.Г. Гемпелем (см. Гемпель К.Г. Логика объяснения. М.: Дом интеллектуальной книги, 1998), который считал применимым его и в сфере гуманитаристики, но по сути это означало абсолютизацию указанного метода. Также значительный вклад в развитие гипотетикодедуктивного метода внес К. Поппер, - своим «принципом опровержимости» или фальсифицируемости и утверждением, что подтверждаемость теории никогда не носит абсолютный характер. В XX в. гуманитарные дисциплины достигли таких успехов, что удовлетворяют двум требованиям, предъявляемым к научному знанию: оно должно позволять понимать изучаемые явления и осуществлять ретросказание прошлого и предсказание будущего, но делает это не посредством гипотетико-дедуктивного метода и на основе критерия подтверждаемости, а благодаря опоре на ценностные представления, прагматический метод и критерий эффективности. Прагматический метод – это ценностно-дедуктивный способ интерпретации поступков людей. Ценности позволяют интерпретировать поступки людей. Например, почему Сократ не покинул Афины, чтобы избежать казни. Любой поступок всегда имеет ценностное содержание. Таким образом, одно из существенных различий естествознания и гуманитаристики в следующем: естествознание оперирует понятиями, а гуманитаристика - ценностями. Именно в силу этого 19 обстоятельства гуманитарные науки позволяют предсказать поведение людей (проиллюстрировать данный вывод соответствующими примерами). Поступки людей дедуцируются из знания их ценностей и определенностей конкретных ситуаций. Поэтому научный метод гуманитарных наук называют прагматическим методом. Греческое pragma означает дело, действие. И если гипотетико-дедуктивный метод – это, по сути, понятийно-дедуктивный способ анализа природных явлений. Прагматический метод – это ценностно-дедуктивный способ интерпретации поступков людей. В обеих методах используется некоторая схема доказательств, вывода, демонстрации, которая выражается термином «дедукция». По предложению К. Гемпеля, схему доказательств по гипотетико-дедуктивному методу, т.е. доказательство на основе понятий и их взаимосвязей (законов) следует называть объяснением. Доказательство же посредством ценностей и их взаимосвязей (законов) называется интерпретацией. Интерпретация – это посредничество, опосредование поступков людей их ценностями. Но ценности не существуют в столь же доступном виде, как объекты естествознания. Ценности относятся к миру мыслей и языка, они не поддаются фиксации посредством технических приборов, т.е. гуманитарные теории невозможно подтвердить подобно тому, как это делается с естественнонаучными теориями. Ценности – это не природные «объекты», они изобретаются людьми. И опыт жизни, осваиваемый людьми в соответствии со знанием, позволяет сопоставлять гуманитарные науки и теории на предмет их эффективности. Если в естествознании предпочтение отдается той теории, которая лучше подтверждается фактами. В гуманитаристике теории ранжируются по степени их эффективности. До сих пор проблемным остается высказывание знаменитого философа Людвига Витгеншейна (1889-1951), автора всемирно известного «Логико-философского трактата»: в мире «нет ценности, а если бы она была, то не имела бы ценности» (Витгенштейн Л. Философские работы. Ч.1. М.: Гнозис, 1994). По Витгенштейну, наука должна иметь дело с фактами, а не с ценностями. И все-таки, следует признать, что у гуманитаристики есть научное основание, есть научный статус – они учат нас искусству жизни и, надо сказать, в настоящее время не без успехов. Модели развития науки В современной методологии науки вопрос о смене научных концепций является одним из самых актуальных и значимых. В первой половине XX в. основной структурной единицей исследования признавалась теория, и вопрос о ее смене ставился в зависимости от ее верификации (эмпирического подтверждения) или фальсификации (эмпирического опровержения). И проблемой номер один считалась проблема сведения теоретического уровня исследований к эмпирическому, что, в конечном счете, оказалось невозможным. Самое сложное переплетение эмпирического и теоретического уровней познания особенно характерно для наиболее продвинутых областей экспериментальной и теоретической физики. Но разделение, выделение уровней познания (эмпирического и теоретического) остается лишь ценным для учения о методологии научного познания. Как заметил А. Эйнштейн: «Но с принципиальной точки зрения желание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершенно нелепо. Потому что в действительности все ведь обстоит как раз наоборот. Только теория решает, что именно можно наблюдать». Начиная с 60-х гг. XX в. американский философ и историк Томас Кун (1922-1996) – амер. физик, философ и историк науки выдвинул концепцию, в соответствии с которой теория до тех пор остается принятой научным сообществом, пока не подвергается сомнению основная парадигма (установка, образ) научного исследования в данной области. Таким образом, в методологию науки было введено понятие – парадигма или образец. Парадигма разграничила нормаль20 ное состояние науки и кризисные моменты, когда целиком меняется научный подход и осуществляется научная революция. Динамика науки была представлена Куном следующим образом: старая парадигма – нормальная стадия развития науки – революция в науке – новая парадигма. В период стабильности господствует стойкая парадигма, но в ней всегда таятся некоторые проблемы, которые постепенно нарастают, вызывая кризис существующей парадигмы. Процесс создания парадигм и изменения их рассмотрен в книге Куна «Структура научных революций». К парадигмам в истории науки Т. Кун причислял, например, аристотелевскую динамику, птолемеевскую астрономию, ньютоновскую механику и т.д. Смену парадигмы научного исследования, можно характеризовать как совершение научной революции. Общий взгляд Куна на науку таков: научная деятельность заключается в основном в рутинном сборе данных и расширении нашего массива знаний, в умении предсказать нечто такое, что заставляет внезапно пересмотреть весь массив данных и увидеть его под новым углом зрения. Согласно парадигмальной концепции научных революций Куна, парадигмы изменяются не на основании доводов разума, а в моменты прозрения мысли, перевороты в науке редки и внезапны. Альтернативную модель развития науки предложил Имре Лакатос (1922-1974) – настоящая фамилия Липшиц – англ. математик, логик и философ, – в книге « Фальсификация и методология научно исследовательских программ». По его мнению, наука прогрессирует за счет исследовательских программ, направленных сугубо на решение возникающих проблем. В разработанной им концепции «Методология научно-исследовательских программ» развитие науки представляется как конкуренция научно-исследовательских программ. Если попперовская теория фальсификации предполагает отбрасывание гипотезы при появлении всего лишь одного противоречащего факта, т.е. теории непрерывно подвергаются испытаниям и могут быть фальсифицированы в любое время, и в не ожидании кризиса по Куну, за которым следует смена парадигмы, то концепция Лакатоса развитие науки связывает с реализацией исследовательских программ и «вытеснение» одной программы другой характеризуется также совершением научной революции. Изменения парадигмы по Лакатосу оказываются сугубо иррациональными, обусловленными выбором группы ученых, которые не в состоянии определить истинную причину перемен. Согласно Лакатосу, прогресс осуществляется посредством научных программ, которые позволяют сопутствующих теориям меняться и тем самым влиять на «жесткое ядро» теорий каждой конкретной программы. Научные революции История науки сегодня неразрывно связана с научными революциями. Экстравагантная точка зрения на природу и характер научных революций разработана К. Поппером: ее называют концепцией перманентной революции. Слово «революция» означает переворот. В применении к науке, это расценивается как изменение интерпретации (объяснения) твердо установленных фактов в старой теории. О радикальном перевороте в области науки можно говорить лишь в том случае, когда изменяются не только отдельные принципы, методы или теории, но и вся научная картина мира. Под научной картиной мира понимается более высокая структурная единица научного исследования, нежели исследовательская программа Лакатоса, объединяющая в себе наиболее существенные естественнонаучные представления эпохи. В истории развития науки вообще и естествознания в частности выделяются три научных революции или другими словами три радикальных смены научных картин мира: аристотелевская, ньютоновская и эйнштейновская. Первая научная революция (VI – IV вв. до н.э.) – означает появление на свет самой науки, точнее древней науки или натурфилософии – общей науки о мире, учения, объединяющим знания человека об объективном мире и о самом себе [8, с.23]. Исторический смысл этой револю21 ции заключается в том, что науку стали отличать от других форм познания и освоения мира, в создании определенных норм и образцов построения научного знания. Наиболее ясно наука была осознана в трудах великого древнегреческого философа Аристотеля, он создал формальную логику или учение о доказательстве, утвердил так называемый канон организации научного исследования, отделил науки о природе от метафизики (философии) и математики. Заданные Аристотелем нормы научности знания, пользовались непререкаемым авторитетом более тысячи лет. Основу вещей, по Аристотелю, составляют следующие четыре причины: материя (лежащий в их основе физический субстрат); форма (их природа, облик или замысел – то, что отличает статую от куска мрамора, из которого ее изваяли); действие, или начало движения (то, что вызвало их появление – или наше понимание понятия «причина»); цель (замысел, намерение) [8, с. 22]. Так называемая античная научная картина мира представляла собой геоцентрическое учение о мировых сферах, собственно утверждение геоцентризма (геоцентрической системы мира или идеальных равномерно вращающихся небесных сфер с принципиально различной физикой земных и небесных тел) было составной частью первой научной революции. И хотя идея геоцентрической системы мира неверна, но это не значит – что ненаучна. Вторая глобальная научная революция (XVI – XVII вв.) – связана с переходом от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической, т. е. сменой научной картины мира и становлением классического естествознания. Классиками естествознания признаны: Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон. Принципиальные отличия созданной науки от античной были в следующем: естествознание заговорило языком математики; наука нашла опору в методах экспериментального исследования явлений, античные представления о космосе сменились концепцией бесконечной вечно существующей Вселенной; механика становится доминантой всего науки и как следствие, создается механическая картина мира; сформировался идеал научного знания – абсолютно истинная картина природы на базе экспериментально – математического естествознания. Третья научная революция (на рубеже XIX – XX вв.) – в этот период последовала серия открытий в физике: электрона, радиоактивности, строения атома и т.д. Новой парадигмой научного знания становится теория относительности как новая теория пространства, времени и тяготения и квантовая механика с вероятностным характером законов микромира и корпускулярноволновым дуализмом в фундаменте материи. Эйнштейновский переворот означал отказ от всякого рода центризма вообще: все системы отсчета равноправны. Стало ясно, что единственно верную и абсолютно точную картину не удастся нарисовать никогда. Любая из научных картин мира может обладать лишь относительной истинностью. Позднее, но в рамках так называемой неклассической картины мира произошли миниреволюции в космологии (концепции нестационарной Вселенной), биологии (становление генетики) и др. Таким образом, три глобальные революции предопределили три стадии развития науки. Между первой и второй лежит исторический период почти в 2000 лет, между второй и третьей чуть больше 200 лет. Четвертая научная революция, по мнению многих ученых, стоит «на пороге» человеческой цивилизации. Можно заметить, что научные революции, в отличие от социально-политических, «не противоречат», говоря научных языком, сформулированному Н. Бором принципу соответствия: всякая новая научная теория не отвергает начисто предшествующую, а включает ее в себя на правах частного случая, но при этом обе теории (и старая, и новая) могут мирно сосуществовать, т.е. мирно сосуществовать «старые» и «новые» ученые. Научная картина мира Понятие «Научная картина мира» (НКМ) используется в естествознании с конца XIX в. Активно понятие «картина мира» вводил в обиход Л. Витгенштейн, ученик Б. Рассела. 22 НКМ – основа рационалистического мировоззрения, опирающаяся на совокупный потенциал науки той или иной эпохи. НКМ – более строгое понятие, чем «образ мира» или «видение мира», представляет собой синтез научных знаний, соответствующих конкретно-историческому периоду развития человечества. НКМ – это целостная система представлений об общих свойствах и закономерностях природы, возникшая в результате обобщения и синтеза основных естественно-научных понятий, принципов, методологических установок. НКМ – это система наиболее обобщенных представлений об окружающей действительности, формирующаяся как результат неограниченной экстраполяции достоверных знаний на область, еще недоступную такой проверке. НКМ начинает формироваться в эпоху возникновения научного естествознания в XVI-XVII вв. и в отличие, например от религиозной или мифологической картины мира, строится на основе определенных фундаментальных научных теорий, служащих ее основанием. В современной науке НКМ рассматривается как одна из важнейших ценностей культуры. Фундаментальной основой и стратегией развития современной НКМ выступают принципы глобального эволюционизма, объединяющие принцип эволюции и принцип системности. Принципы глобального эволюционизма характеризуют взаимосвязь самоорганизующихся систем различной степени сложности и связывают основные уровни организации мира единой цепью эволюционных преобразований. Различают собственно общенаучную картину мира и картины мира отдельных наук. В частности, физическая картина мира (ФКМ) выступает определяющим элементом (фундаментом) НКМ. ФКМ – это обобщенное представление о природе, основанное на данных физической науки (на современном этапе ее развития) – это своеобразный синтез философских и физических идей. Структура НКМ включает центральное теоретическое ядро, обладающее относительной устойчивостью, фундаментальные допущения, условно принимаемые за неопровержимые, и частные теоретические модели, которые постоянно достраиваются. В структуре научной картины мира можно выделить два главных компонента: понятийный и чувственно-образный. Понятийный представлен философскими категориями, принципами, общенаучными понятиями и законами, а также фундаментальными понятиями отдельных наук. Чувственно-образный компонент НКМ – это совокупность наглядных представлений о тех или иных объектах и их свойствах. Наука как социальный институт Одним из этапов эволюции человеческой культуры является наука, которая вобрала в себя достижения других отраслей культуры и представляет собой качественно новое явление. Но до сих пор не решен главный вопрос в развитии науки – в выборе вектора ее развития: или на понимание человеком себя, и мира, окружающего его, или на покорение природы? В свое время Ф. Бэкон писал, что «истинной и закономерной целью наук должно быть обогащение жизни человека новыми открытиями и новым могуществом», а Р. Декарт дополнил, чтобы люди могли стать «хозяевами природы». Наука находится в процессе перманентного развития, (перманентных революций – выражение К. Поппера). И предугадать в каком направлении она будет продвигаться, и какими будут следующие открытия невозможно. Современная наука подошла к пониманию трех механизмов эволюции: диссипативные структуры в неживой природе, естественный отбор в живой природе, культура в человеческом обществе. Но эволюция мира не запрограммирована однозначно, к тому же наука ограничена возможностями наших чувств и законов мышления. Создаваемая наукой информация о мире в последнее время должна проходить и экологическую «экспертизу». Развитие науки достигло такого могущества, что оно способно привести к уничтожению биосферы и ее самой. Изучая все более сложные системы, наука все чаще сталкивается с фактами созидательного характера 23 эволюции материи, но все более сложное всегда и более разрушительно, но и одновременно способное к дальнейшему самосовершенствованию. Это объективно усиливает ответственность всех за творимое на Земле. Как сказал однажды швейцарский писатель Фридрих Дюрренматт: «То, что касается всех, может быть решено только всеми». Наука – это не только форма общественного сознания, направленная на объективное отражение мира и снабжающая человечество пониманием закономерностей. Наука, по сути, явление социальное, ее зачатки появились еще в античность, примерно 2,5 тыс. лет. Важной предпосылкой становления науки как социального института является наличие систематического образование подрастающего поколения. В Древней Греции ученые организовывали философские школы, например, Академия Платона, Лицей Аристотеля и занимались исследованиями по своему собственному желанию. В известном пифагорейском союзе, основанном Пифагором, молодые люди должны были проводить в школе целый день под наблюдением учителей и подчиняться правилам общественной жизни. В Западной Европе наука как социальный институт возникла в XVII в, в связи с необходимостью обслуживать нарождающееся капиталистическое производство и стала претендовать на определенную автономию, т.е. происходит признание социального статуса науки. В 1662 г возникает Лондонское Королевское общество, в 1666 г. – Парижская академия наук. Важные предпосылки такого признания можно усмотреть в создании средневековых монастырей, школ и университетов. Первые университеты средневековья датируются XII-ым веком, но в них господствовала религиозная парадигма мировосприятия, преподавателями были представители религии. Светское влияние проникает в университеты лишь спустя 400 лет. Как социальный институт наука включает в себя не только систему знаний и научную деятельность, но и систему отношений в науке (ученые создают и вступают в различные социальные отношения), научные учреждения и организации. Институт (от лат. institut – установление, устройство, обычай) предполагает действующий и вплетенный в функционирования общества комплекс норм, принципов, правил, моделей поведения, регулирующих деятельность человека; это явление над индивидуального уровня, его нормы и ценности довлеют над действующими в его рамках индивидами. Родоначальником такого институционального подхода в науке считается Р. Мертон. Понятие «социальный институт» отражает степень закрепленности того или иного вида человеческой деятельности – существуют политические, социальные, религиозные институты, также институты семьи, школы, брака и т.д. Способы социальной организации ученых подвержены изменениям и это обусловлено как особенностями развития самой науки, так и изменением ее социального статуса в обществе. Наука как социальный институт зависит от других социальных институтов, которые обеспечивают необходимые материальные и социальные условия для ее развития. Институциональность обеспечивает поддержку тем видам деятельности и тем проектам, которые способствуют укреплению конкретной системы ценностей. Социальные условия науки – это совокупность элементов организации научной деятельности в обществе, государстве. К ним относятся: потребность общества и государства в истинных знаниях, создание сети научных учреждений (академии, министерства, НИИ и объединения), государственная и частная поддержка науки денежными средствами, вещественноэнергетическое обеспечение, коммуникационное (издание монографий, журналов, проведение конференций), подготовка научных кадров. В настоящее время ни один из научных институтов не будет сохранять и воплощать в своей структуре принципы диалектического материализма или библейского откровения, а также связь науки с паранаучными видами знания. Для современной науки характерно превращение научной деятельности в особую профессию. Неписанным правилом в этой профессии является запрет на обращение к властям использования механизма принуждения и подчинения в разрешении научных проблем. От ученого 24 требуется постоянное подтверждение его профессиональности, через систему объективной оценки (публикации, ученые степени), так и через общественное признание (звания, награды), т.е. требование научной компетенции становится ведущим для ученого, а арбитрами и экспертами при оценке результатов научного исследования могут быть только профессионалы или группы профессионалов. Наука берет на себя функцию перевода личных достижений ученого в коллективное достояние. Но вплоть до конца 19 в. для подавляющего большинства ученых научная деятельность не являлась главным источником их материального обеспечения. Как правило, научные исследования проводились в университетах, и ученые обеспечивали себя за счет оплаты их преподавательской работы. Одной из первых научных лабораторий, принесшей значительные доходы, была лаборатория созданная немецким химиком Ю. Либихом в 1825 г. Первая награда за научные исследования (медаль Копли) была утверждена Лондонским Королевским обществом в 1731 г. Самой высокой престижной наградой в области физики, химии, медицины и физиологии с 1901 г. является Нобелевская премия. История Нобелевских премий описана в книге «Завещание Альфреда Нобеля». Первым лауреатом Нобелевской премии (1901) в области физики стал В.К. Рентген (Германия) за открытие лучей, названных его именем. Сегодня наука не может обойтись без помощи общества, государства. В развитых странах сегодня на науку затрачивается 2-3% всего ВНП. Но зачастую коммерческая выгода, интересы политиков воздействуют сегодня на приоритеты в области научно-технических исследований. Общество посягает и на выбор методов исследования, и даже на оценку полученных результатов. Институциональный подход развития науки является сейчас одним из доминирующих в мире. И хотя главными недостатками его считают преувеличение роли формальных моментов, недостаточное внимание к основам поведении людей, жесткий предписывающий характер научной деятельности, игнорирование неформальными возможностями развития, однако соответствие членов научного сообщества принятым в науке нормам и ценностям дополняется этосом науки как важной характеристики институционального понимания науки. По мнению Мертона, следует выделять следующие черты научного этоса: Универсализм – объективная природа научного знания, содержание которого не зависит от того, кем и когда оно было получено, важна лишь достоверность, подтверждаемая принятыми научными процедурами; Коллективизм – всеобщий характер научного труда, предполагающий гласность научных результатов, их всеобщее достояние; Бескорыстие, обусловленное общей целью науки – постижением истины (без соображений престижного порядка, личной выгоды, круговой поруки, конкурентной борьбы и пр.); Организованный скептицизм – критическое отношение к себе и работе своих коллег, в науке ничего не принимается на веру, и момент отрицания полученных результатов рассматривается как элемент научного поиска. Ценность в науке – параметр порядка нового качества. Процессы оценки и оптимизации, как известно, играют в нашей жизни решающую роль. Каждый человек стремится повысить качество собственной жизни, промышленность стремится все время совершенствовать свою продукцию, государство старается нести ответственность за условия жизни своих граждан. На Земле в ходе эволюции жизни и связанных с нею комплексных систем фундаментальное значение имели процессы селекции (отбора). Селекция в эволюционной системе всегда связана с оценкой и конкуренцией. Селекция – это отбор положительно оцененных видов в ходе конкурентной борьбы между различными видами. Конкуренция возникает в ситуации, когда все входящие в систему виды (подсистемы) оказываются принципиально способны к существованию в данных условиях и преследуют общую цель, которая не для всех достижима в равной степени. Когерентный процесс в таких условиях приводит к выходу из борьбы и исчезновения одного или нескольких видов (подсистем). Конкуренция приводит к селекции, т.е. к отбору, но процес25 су отбора предшествует процесс оценки. По Ч. Дарвину, в конкурентной борьбе выживает наиболее приспособленный вид. Важнейшим новым понятием в теории естественного отбора является понятие «ценности» или «приспособляемости». Понятие ценности впервые введено в 18 в. Адамом Смитом при разработке экономической теории. Фундаментальные идеи А. Смита были впоследствии развиты Риккардо, Марксом, Шумпетером и др. В ином контексте идея «ценности» была использована Мальтусом. С середины 19 в. идея «ценности» нашла применение в биологии благодаря трудам Дарвина, Уоллеса, Геккеля, Спенсера и др. Ценность есть нефизическое свойство вида (подсистемы) в динамическом смысле. Ценность выражает сущность биологических, экологических, экономических и социальных взаимодействий в контексте динамики системы в целом. Понятие ценности занимает важное место и в современной теории информации. Но для разных научных дисциплин характерны общие черты определения понятия ценности: 1. Ценность является свойством всей системы и не может считаться свойством отдельного, изолированного элемента. Целое в этом смысле есть нечто большее, нежели сумма составляющих его частей. 2. Ценность имеет решающее значение для структуры и динамики эволюционной системы. Характерной особенностью ценности является конкурентная борьба между элементами системы и осуществляемый в ходе такой борьбы отбор. 3. Динамика систем с оценкой необратимо и неразрывно связана с определенными экстремальными принципами. Экстремальные принципы могут быть связаны со скалярными функциями и полными дифференциалами только в особых случаях; как правило же, они носят ярко выраженный комплексный характер и определяются большим числом критериев. С оценкой ассоциируют следующие три функции: а) регулирующая функция, б) дифференцирующая функция, в) стимулирующая функция. Процессы оценки и оптимизации имели важнейшее значение для возникновения жизни и сопряженной с этим обработки информации. Данный факт подтверждается рядом наблюдений за поведением моделируемых систем (исследования, проводимые школой М. Эйгена). Все это должно подвести к новому пониманию природы мироздания. На основании естественнонаучных исследований становится ясно, что самоорганизация при соответствующих условиях может служить фундаментом для протекания процессов оценки, оптимизации и дальнейшего повышения уровня сложности систем. Сегодня много усилий ученые прикладывают к тому, чтобы постичь глубинный смысл, содержащийся в понятии «ценность информации». По мнению основателя синергетики Г. Хакена, более точная формулировка понятия «ценность информации» требует моделирования динамики поведения получателя информации. Лекция 2. Концепции глобального эволюционизма и самоорганизации материи Глобальный эволюционизм как интегративное исследование природных процессов Идея развития (эволюции) мира – одна из важнейших идей европейской цивилизации. Но проникновение этой идеи происходило сначала в геологию, биологию, социологию, гуманитарные науки в XIX в. – 1-ой половине XX в. независимо от других отраслей познания. В науках физико-химического содержания вплоть до 2-ой половины XX в. господствовала исходная абстракция закрытой обратимой системы, в которой фактор времени не играет роли. Правда в 26 термодинамику было введено эволюционное понятие «энтропия» и представление о необратимых процессах зависящих от времени, - другими словами в физическую науку была введена «стрела времени». В общих чертах естественнонаучная картина XIX в. представляла Вселенную как равновесную и неизменяемую с бесконечным временем существования, в которой вполне вероятны случайные локальные возмущения наблюдаемых неравновесных образований с заметной организацией структур (галактик, планетных систем и т.д.). Появление же жизни на нашей планете рассматривалось как противоестественное явление или артефакт («искусственно сделанный»), как «отклонение» в существовании Вселенной, как временное явление и с остальным космосом не связанное. И только к концу XX в. естествознание нашло теоретические и методологические средства для построения единой модели универсальной эволюции, средства для выявления общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы с планетой Земля (геогенез), возникновение человека и общества (антропосоциогенез). Такой моделью явилась концепция глобального эволюционизма, в настоящее время - одна из доминирующих концепций в науке. Универсальный эволюционизм (как принцип) постепенно приобретает статус общенаучного и объединяет изучение окружающего нас материального мира, человека в нем и общества. Концепция глобального эволюционизма оформилась в 80-е гг. XX в. Выйдя из недр естественных наук, базируясь на закономерностях Вселенной, глобальный эволюционизм отличается универсальностью и огромным интегративным потенциалом. Он включает в себя четыре типа эволюции: эволюцию космическую, химическую, биологическую и социальную, т.е. претендует на создание нового типа целостного знания. По мнению В.С. Степина и Л.Ф. Касавиной, обоснованию глобального эволюционизма способствовали три важнейших современных научных подхода: теория нестационарной Вселенной, концепция биосферы и ноосферы и идеи синергетики. По мнению философов: «…процесс социального эволюционирования предполагает становление нового мирового порядка не как покорение одной цивилизации другими, а как возникновение и становление общемировой, общепланетарной цивилизации, субъект которой – человечество в целом. Значимым становится императив «Думать глобально – действовать локально». Отличительным симптомом и признаком такой универсализации является возможность быстрой сетевой компьютерной связи человека с интеллектуальными ресурсами всего человечества, коллективным интеллектом и «мозгом планеты»» [10, с.187]. Принципиальная особенность современного естествознания в единой убежденности ученых о том, что материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития. Первая эволюционная теория, созданная в XIX в. Ч. Дарвином, стала основой теоретической биологии, в его учении о происхождении видов, был впервые предложен механизм осуществления идеи эволюции. Была также сделана попытка переноса дарвинских идей в социологию Г. Спенсером, но это уже было за пределами естествознания. За последние десятилетия в недрах каждой науки сформировался «свой» эволюционизм, рассматриваемый через призму конкретных научных знаний (идея эволюции завладела и физикой, и космологией, и химией). Их синтез становится необходимостью для построения современной естественнонаучной картины мира, дающей целостное (а не фрагментарное) представление о мире, взаимодействии его уровней (микро-, макро-, и мегамира), живой и неживой природы и универсальных законов эволюции. К настоящему времени выявлен ряд факторов, оказывающих влияние на эволюцию природных систем. К их числу относятся: открытость, нелинейность, неравновесность, неконтролируемость и т.д. Уже высказана концепция коэволюции, согласно которой природная система и ее окружение эволюционируют совместно, поддерживая существование друг друга. 27 В результате радикального обновления представлений об устройстве мирозданья стали «властвовать» законы, являющиеся принципами отбора, допускающими существование так называемых бифуркационных состояний, т.е. состояний, из которых даже в отсутствие случайных факторов возможен переход материального объекта в целое множество новых состояний. Во всех процессах, имеющихся во Вселенной, неизбежно присутствуют случайные факторы, влияющие на ее развитие; все процессы протекают в условиях некоторого уровня неопределенности. Поэтому в бифуркационном состоянии дальнейшая эволюция оказывается принципиально непредсказуемой, поскольку эволюционное развитие будет определяться, прежде всего, теми неконтролируемыми случайными факторами, которые будут действовать в переходах. Другая основополагающая концепция – концепция так называемой «стрелы времени», характеризующей направление необратимой эволюции природной системы: ее рождение, жизнь и гибель. Существенную роль в эволюционных представлениях играет концепция самоорганизации в хаосе, т.е. возникновения упорядоченных структур. Сказанное дает представление о сущности универсального эволюционизма. В целом универсальный эволюционизм означает, что наша Вселенная есть некая единая система и ее эволюция представляет собой рост разнообразия форм материальной организации. Универсальный эволюционизм есть попытка построения общепланетарной теории исследования природных процессов в свете их космического единства. Именно поэтому современная методология естествознания, нацеленная на создание естественнонаучной картины мира (ЕНКМ), идею глобального (универсального) эволюционизма, возводит в ранг принципа, то есть материальный мир не может существовать вне развития. Идеи универсального эволюционизма и свойства общественного человеческого сознания имеют много общего: стержневая идея эволюционизма – это сквозная линия развитие от низших форм движения к высшим. Эта линия допускает развитие, усложнение и усовершенствование, вследствие чего процессы природы и процессы в обществе могут рассматриваться с некоторых единых позиций. Идеи универсального эволюционизма обладают и универсальной гибкостью и могут быть использованы в решении обществоведческих проблем гуманитарных наук. Новая мировоззренческая парадигма, основанная на представлениях самоорганизации (синергетики), устраняет различия между естествознанием и обществознанием и дает возможность создать универсальную эволюционно-синергетическую картину мира. Н.Н. Моисеев писал: «Мы на пороге новой культуры – синтеза глобального духовного сознания и глобального научного знания». Открытия, свидетельствующие о глобальной эволюции материи В 20-х гг. XX в. происходит открытие расширения Вселенной или иначе – ее нестационарности (А.А. Фридман), американский астроном Хаббл обнаруживает «красное смещение» галактик и открывает закон «разбегания» галактик во Вселенной – закон Хаббла v = rH, где Н – постоянная Хаббла. В 40-х гг. XX в. создается концепция Большого взрыва, указывающая на историческую последовательность появления во Вселенной различных химических элементов. Наука считает, что спустя лишь «три минуты» после «взрыва» начали образовываться ядра водорода и гелия, а первые атомы легких элементов возникли через несколько сотен тысяч лет после «взрыва». Звезды первого поколения (Солнце – звезда второго поколения) были самыми «чистыми» звездами из которых впоследствии образовалось все разнообразие химических элементов. Дарвинская теория эволюции показывает непрерывное нарастание сложности организации растительных животных организмов (от одноклеточных до человека) через механизм естественного отбора. Миллионы видов животных и растений были отбракованы этим механизмом, остались лишь самые эффективные. 28 Эволюционные идеи при наложении их на процесс образования сложных молекулярных соединений, представляют Вселенную на стадии, когда она только «готовилась» к рождению жизни. Об этом говорит тот факт, что из более, чем 100 известных химических элементов основу живого составляют лишь шесть: углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их общая доля в живых организмах составляет около 98%. В состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор - они дают примерно 2%. Еще 20 элементов – участвуют в зависимости от среды обитания и состава питания. Мир химических соединений также не менее диспропорционален или асимметричен. Ныне известно около 8 млн. химических соединений: 96% из них – это органические соединения, составленные из всё тех же 6 – 18 элементов. Из остальных химических элементов природа создала не более 300 тыс. неорганических соединений. Столь разительное несоответствие возможно объяснить, совершенно очевидным отбором тех химических элементов, свойства которых (прочность и энергоемкость образуемых ими химических связей, легкость их перераспределения и т.п.) «дают преимущество» при переходе на более высокий уровень сложности и упорядоченности вещества [2, с. 61]. Аналогичный механизм отбора просматривается и на следующем «витке» эволюции: из многих миллионов органических соединений в построении биосистем заняты лишь несколько сотен. Из 100 известных аминокислот для составления белковых молекул живых организмов природой использовано только 20. К настоящему времени сформулированы первые теории химической эволюции как саморазвития каталитических систем, пока еще малообоснованные, но важен сам факт «обращения» современной химии в «эволюционную веру». В XX в. эволюционное учение интенсивно развивалось и в рамках его прародительницы – биологии. Наибольшие успехи достигнуты на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован генетический механизм передачи наследуемой информации, выяснены роль и структура ДНК РНК, найдены методы определения последовательностей нуклеотидов в них и т.п. Но при этом дарвинская концепция эволюции стала тем основным руслом, в которое вливаются все специализированные биологические знания. Наконец, сейчас идеи эволюции, движущие силы эволюции любых объектов нашего мира претендует описать новое научное направление (появившееся в 70-х гг. XX в.) – синергетика. В XX в., по мере изучения природы на всех уровнях организации материи, выяснилось, что каждому уровню присущи эволюционные процессы, приводящие к развитию и совершенствованию всех форм материального мира, а не только растительного и животного мира, как это считалось в XIX в. В микромире – это эволюционное формирование первичного элементного состава вещества в результате термоядерного синтеза и последовательное образование в природе всех элементов таблицы Менделеева; это также установление процессов самоорганизации и эволюции химических молекулярных систем. На макроуровне - обнаружен и исследован целый ряд эволюционно развивающихся неживых систем в направлении повышения уровня организации. В живой природе развитие органического мира рассматривается в соответствии с эволюционной теорией Ч. Дарвина. В мегамире – сформулирована эволюционная теория расширяющейся Вселенной. Зарождение Вселенной выводится из ее некоего исходного состояния в результате Большого взрыва, приведшего, в конечном счете, к ныне наблюдаемому облику Вселенной. История развития Земли, последовательность образования геосферных оболочек в настоящее время рассматривается на основе эволюционной теории. Таким образом, важную роль в концепции универсального эволюционизма играет идея отбора, новое возникает как результат отбора наиболее эффективных формирований, неэффективные – отбраковываются историческим процессом; но качественно новый уровень организации материи окончательно самоутверждается тогда, когда он оказывается способным впитать в 29 себя предшествующий опыт исторического развития материи. Эта закономерность характерна не только для биологической формы движения, но и для всей эволюции материи [1, с. 428]. Сама же идея глобального эволюционизма становится и регулятивным принципом: с одной стороны он дает представление о мире как о целостности, позволяет осмысливать общие законы бытия в их единстве, а с другой – ориентирует современное естествознание на выявление конкретных закономерностей глобальной эволюции материи на всех ее структурных уровнях, на всех этапах ее самоорганизации[1, с. 429]. Теория самоорганизации – синергетика Как итог развития нелинейной неравновесной термодинамики появилась совершенно новая научная дисциплина синергетика - наука о самоорганизации и устойчивости структур различных сложных неравновесных систем: физических, химических, биологических и социальных. В современном обществе особенно возросла роль новых научных направлений. Новые информационные технологии и средства вычислительной техники, достижения генной инженерии и биотехнологии изменяют материальное состояние цивилизации и уклад нашей жизни. Радикально меняется и сама система научного познания – человек всегда стремился постичь природу сложного, сейчас горизонт научного познания расширился до невообразимых размеров и наука вышла на уровень изучения процессов, которые происходят за время ∼ 10-23 с и расстояниях ∼10-15 см, а на другом конце (космология и астрофизика) изучают процессы, происходящие за время ∼1018 с и на расстояниях ∼1028 см (возраст и радиус Вселенной). Во Вселенной большинство реальных объектов рассматриваются как открытые системы – это значит, что они обмениваются энергией, веществом и информацией с окружающей средой. Сейчас идеи глобальной эволюции, движущие силы эволюции любых объектов нашего мира претендует описать новое научное направление (появившееся в 70-х гг. XX в.) – синергетика (в пер. с древнегреч. – содействие, соучастие). Начало новой дисциплине – синергетике, положило выступление Германа Хакена в 1973 г. на первой конференции, посвященной проблемам самоорганизации. Самоорганизация мыслится как глобальный эволюционный процесс. Синергетика рассматривается как теория сложных самоорганизующихся систем, как новое междисциплинарное исследование, являющееся по существу научным рубежом современного естествознания. Синергетика – оказалась востребованной в современном естествознании для обоснования наметившейся тенденции глобального эволюционного синтеза всех естественно-научных дисциплин, которую сдерживает разительная асимметрия процессов деградации и развития в живой и неживой природе. Появилась же синергетика как результат исследований в области нелинейного (выше второго порядка) математического моделирования сложных открытых систем. Нелинейным открытым системам присуще свойство самоорганизации или самоусложнения, они гораздо богаче закрытых, линейных систем. Именно синергетика открывает для точного, количественного математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п. Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: например, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции и космологических процессов. Основной вопрос синергетики – существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Один из основоположников синергетики Г. Хакен определяет понятие самоорганизующейся системы следующим образом: «Мы называем систему самоорганизующейся, если она без специфического воздействия извне обретает какую-то пространственную, временную или функциональную структуру. Под специфическим внешним воздействием мы понимаем такое, которое навязывает системе структуру или функционирование. В случае же самоорганизующихся систем испытывается извне неспецифическое воздействие….». 30 Основные свойства самоорганизующихся систем – открытость, нелинейность, диссипативность (от латинского – dissipatio – разгонять; рассеивать свободную энергию). Открытые системы – это необратимые системы с факторами времени, случайности, закономерных и флуктуационных процессов, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии и информации, необходимого для существования неравновесных систем, неизбежно стремящихся к однородному равновесному состоянию. Нелинейные системы – это неравновесные системы с избирательным характером реакции на внешние воздействия среды, со способностью активно воспринимать различия во внешней среде и «учитывать» их в своем функционировании на основе положительной обратной связи и скачкообразным характером поведения, приводящим к радикальному качественному изменению системы. Диссипативные системы – это такие открытые системы, по которым рассеиваются возмущения, и в которых при больших отклонениях от равновесия возникают упорядоченные состояния; это системы с необычной чувствительностью к всевозможным воздействиям и в связи с этим сильно неравновесные; это особое динамическое состояние неравновесной системы с определенным параметром порядка, заключающееся в своеобразном макроскопическом проявлении процессов, протекающих на микроуровне, с явно выраженным качественным отличием от того, что происходит с каждым отдельным ее микроэлементом и благодаря чему, могут спонтанно возникать новые типы структур, совершаться переходы от хаоса и беспорядка к порядку и организации, возникать новые динамические состояния материи. Таким образом, диссипация как процесс затухания движения, рассеяние энергии, информации играет конструктивную роль в образовании структур в открытых системах и в большинстве случаев реализуется как переход избыточной энергии в тепло, но для нелинейных систем с диссипацией практически невозможно предсказать конкретный путь развития такой системы, так как реальные начальные условия никогда не могут быть заданы точно, а точки бифуркации даже при малых возмущениях могут сильно изменить ход событий. Главная идея синергетики – это идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка и хаоса в результате процесса самоорганизации. Она доказывает, что даже в «неживой» или неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. На языке математики и физики – история развития природы – это история образования все более и более сложных нелинейных, открытых и диссипативных систем. Закрытые и открытые макросистемы. Эволюционизм «принципа возрастания энтропии» В классической науке (XIX в.) господствовало убеждение, что материи, изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию, что в энергетическом смысле и означало неупорядоченность, т.е. хаос. Заслуга в утверждении этого убеждения принадлежит равновесной динамике – одной из классических физических теорий. Именно она своим вторым началом (законом) термодинамики выделяет односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах. Суть закона раскрывается в формулировке немецкого физика-теоретика Рудольфа Клаузиуса: «Теплота не переходит самопроизвольно (сама по себе) от более холодного тела к более теплому». Для отражения этого процесса в термодинамику им же вводится новое понятие – энтропия (1865) – с греч. – поворот, превращение, и устанавливает ее важную особенность: в замкнутой системе энтропия либо остается неизменной в случае обратимых процессов, либо возрастает в случае необратимых процессов. В эволюционном же понимании, энтропия характеризует меру беспорядка системы, а тенденция к разрушению всякой упорядоченности выражается принципом возрастания энтропии. В этой связи максимальному значению энтропии должно соответствовать полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу. 31 Точная формулировка второго начала термодинамики выражается через понятие энтропии: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает». Второе начало устанавливает закон возрастания энтропии в системе, не обменивающейся с внешним миром ни энергией, ни веществом, выражает увеличение молекулярного хаоса до тех пор, пока система не достигнет термодинамического равновесия Энтропия позволяет отличать, в случае изолированных систем, обратимые процессы (энтропия максимальна и постоянна) от необратимых (энтропия возрастает). Л. Больцман (1844 – 1906) и М. Планк (1858 – 1947) сформулировали один из важнейших законов природы, связывающий энтропию S и вероятность состояния W системы: S = −k ln W , k – постоянная Больцмана. Закон математически иллюстрирует, что чем более вероятно состояние системы (т.е. чем ближе W к единице), тем больше энтропия. Именно противоречие между вторым началом термодинамики и примерами высокоорганизованного окружающего нас мира было разрешено с появлением более пятидесяти лет назад и последующим естественным развитием нелинейной неравновесной термодинамики открытых систем. Большой вклад в становление этой новой науки внесли И.Р. Пригожин (бельгийский физик русского происхождения Илья Романович Пригожин за работы в этой области в 1977 году был удостоен Нобелевской премии), П. Гленсдорф, Герман Хакен. Необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных, замкнутых системах рано или поздно приводит к превращению всех видов энергии в тепловую, которая рассеется, т.е. в среднем равномерно распределится между всеми элементами системы, что и будет означать термодинамическое равновесие, или полный хаос. Если наша Вселенная замкнута, то ее согласно второму закону равновесной термодинамики ждет участь полного хаоса, именно к такому ошибочному выводу о так называемой «тепловой смерти» Вселенной пришел Р. Клаузиус, когда попытался распространить принцип возрастания энтропии на такую Вселенную. Но дарвиновская теория эволюции первой засвидетельствовала - живая природа почему-то не стремится в состояние термодинамического равновесия и тем более хаоса. Возникла явная нестыковка в новом научном понимании неживой и живой природы. И только при замене модели стационарной (замкнутой) Вселенной на модель развивающейся (расширяющейся) Вселенной с нарастающим усложнением организации материальных объектов – от элементарных и субэлементарных частиц в начале Большого взрыва до наблюдаемых сейчас звездных систем, наука для сохранения непротиворечивой картины мира запостулировала наличие у материи в целом не только разрушительной – стремление к хаосу, но и созидательной тенденции – стремление к самоорганизации. Наука еще раз убедилась, что материя обладает неисчерпаемыми свойствами, а сама подошла к новому рубежу ее познания – к очередному «порогу» научной революции. Синергетика эволюционизирующих систем Синергетика родом из физических дисциплин – неравновесной термодинамики и радиофизики; она становится одним из важнейших принципов построения современной научной картины мира. Стоит отметить, что постулат о способности материи к саморазвитию в философию был введен достаточно давно. А вот его необходимость в фундаментальных естественных науках (физике, химии) начинает осознаваться только сейчас. Разработка постулата осуществляется по нескольким направлениям: синергетика (Г. Хакен), неравновесная термодинамика (И. Пригожин) и др., но общий смысл развиваемого ими комплекса идей носит название синергетического (термин Г. Хакена). Главный мировоззренческий сдвиг, который производит синергетика, можно выразить следующим образом: 32 а) процессы разрушения и созидания, деградации и эволюции во Вселенной по меньшей мере равноправны; б) процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Таким образом, синергетика претендует на открытие некоего универсального механизма, с помощью которого осуществляется самоорганизация как в живой, так и в неживой природе. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее к более сложным и упорядоченным формам организации. Отсюда следует, что объектом синергетики могут быть отнюдь не любые системы, а только те, которые удовлетворяют по меньшей мере двум условиям: • они должны быть открытыми, т.е. обмениваться веществом или энергией с внешней средой; • они должны также быть существенно неравновесными, т.е. находиться в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. Но именно такими являются большинство известных нам природных систем. Изолированные системы классической термодинамики - это определенная идеализация, в реальности такие системы - исключение, а не правило. Что касается Вселенной как универсальной системы организации материи, если считать ее открытой системой, то возникает вопрос, что же может служить ее внешней обменной средой? Современная физика полагает, что такой средой для нашей вещественной Вселенной является вакуум. Точка бифуркации. Случайность и закономерность в неравновесных системах Синергетика утверждает, что развитие открытых и сильно неравновесных систем протекает путем нарастающей сложности и упорядоченности. В цикле развития такой системы наблюдаются две фазы: А) Период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию. Б) Выход из критического состояния одномоментно, скачком и переход в новое устойчивое состояние с большей степенью сложности и упорядоченности. Важная особенность: переход системы в новое устойчивое состояние неоднозначен. Достигшая критических параметров система из состояния сильной неустойчивости как бы «сваливается» в одно из многих возможных новых для нее устойчивых состояний. В этой точке (точки бифуркации) эволюционный путь системы как бы разветвляется, и какая именно ветвь развития будет выбрана — решает случай! Но после того как «выбор сделан», и система перешла в качественно новое устойчивое состояние — назад возврата нет. Процесс этот необратим. Отсюда следует, что развитие таких систем имеет принципиально непредсказуемый характер. Можно просчитать варианты ветвления путей эволюции системы, но какой именно из них будет выбран случаем - однозначно спрогнозировать нельзя. Классические статистические законы здесь явно не работают, это явление иного порядка. Ведь даже если такая «правильная» и устойчиво «кооперативная» структура и образовалась бы случайно, что почти невероятно, то она тут же распалась бы. Но она не распадается при поддержании соответствующих условий (приток энергии извне), а устойчиво сохраняется. Значит, возникновение таких структур нарастающей сложности не случайность, а закономерность. В настоящее время осуществляется поиск и разработка процессов самоорганизации открытых неравновесных систем различных уровней организации и не безуспешно. К таким процессам отнесены механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова - Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика. Все это - примеры самоорганизации систем самой различной природы, но одной общности, когда хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и сложных макроструктур. 33 В рамках физических представлений синергетических моделей - цивилизация в целом и конкретное общество в частности рассматриваются как сложные неравновесные системы, устойчивость которых обеспечивается взаимопониманием внешних и внутренних причин развития. Синергетические модели современной физики находят применение и в самоорганизации социально-экономических процессов, кризисов развития человеческого общества, процессов глобализации. Современное естествознание становится по существу постнеклассической интегративной наукой с ведущей ролью новой «синергетической физики» и тенденцией перехода от познавательной сущности науки к научному методу решения проблем экономического, социального, политического и культурного характера, получению обоснованных прогнозов будущего развития. Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. В обобщенном виде новизну синергетического подхода можно выразить следующими позициями: • Хаос не только разрушителен, но и созидателен, конструктивен; развитие осуществляется через неустойчивость (хаотичность). • Линейный характер эволюции сложных систем, к которому привыкла классическая наука, не правило, а, скорее, исключение; развитие большинства таких систем носит нелинейный характер. А это значит, что для сложных систем всегда существует несколько возможных путей эволюции. • Развитие осуществляется через случайный выбор одной из нескольких разрешенных возможностей дальнейшей эволюции в точках бифуркации. Следовательно, случайность — не досадное недоразумение, она встроена в механизм эволюции. А еще это значит, что нынешний путь эволюции системы может быть и не лучше отвергнутых случайным выбором. Классические примеры самоорганизующихся систем Ячейки Бенара. Классическим примером образования структур нарастающей сложности из хаотического движения считается явление в гидродинамике, а точнее состояние гидростатической неустойчивости в жидкости. названное ячейками Бенара. В 1900 году была опубликована статья Х. Бенара с фотографией структуры, по виду напоминавшей пчелиные соты (рис. 1 а, б). Рис. 1. Ячейки Бенара: а) общий вид структуры; б) отдельная ячейка Эта структура образовалась в ртути, налитой в плоский широкий сосуд, подогреваемый снизу, после того как температурный градиент превысил некоторое критическое значение. Весь слой ртути (может быть и другая вязкая жидкость) распадался на одинаковые вертикальные шестигранные призмы с определенным соотношением между стороной и высотой (ячейка Бенара). В центральной области призмы жидкость поднимается, а вблизи вертикальных граней опускается. Возникающая на поверхности жидкости (ртути) при определенных условиях диссипативная пространственная структура, была названа ячейками Бенара. 34 Механизм образования ячеистой структуры: При подогреве жидкости, находящейся в сосуде круглой или прямоугольной формы, между нижним и верхним ее слоями возникает некоторая разность (градиент) температур ΔТ = Т2 – Т1. Если градиент мал, то перенос тепла происходит на микроскопическом уровне и никакого макроскопического движения не происходит (для малых до критических разностей ΔТ < ΔТkp жидкость остается в покое, тепло снизу вверх передается путем теплопроводности). При достижении температуры подогрева критического значения Т2 = Тkp (соответственно ΔТ = ΔТkp) начинается конвекция. Однако при достижении некоторого критического значения градиента в жидкости внезапно (скачком) возникает макроскопическое движение, образующее четко выраженные структуры, так называемые пространственно диссипативные структуры. Сверху такая макроупорядоченность выглядит как ячеистая структура, похожая на пчелиные соты. С позиции физики происходит фазовый переход – образовалась новая структура, но переход неравновесный, и требует подвода внешней энергии. Итак, при возникновении организованного конвекционного потока огромное число микрочастиц (молекул жидкости) как «по команде» начинают вести себя согласованно, хотя до этого пребывали в хаотическом движении, каждая молекула как бы «знает», что делают все остальные, и «желает» двигаться в общем строю. Реакция Белоусова-Жаботинского Другой пример относится к самопроизвольным периодическим химическим реакциям, впервые открытым Б. Белоусовым в 1951 г. Как и с ячейками Бенара, суть периодических реакций – в возникновении организованных потоков и структур. При реакции окисления лимонной кислоты с присутствием специфического катализатора в определенной последовательности возникали окислительно-восстановительные процессы, и раствор самопроизвольно периодически менял цвет. В последствии подобного типа, проделанные с другими веществами, получили названия реакций Белоусова-Жаботинского. Реакции, приводящие к временным структурам, в химии отнесены к колебательным реакциям – или автокаталитическим по химической терминологии, или к автоволновым процессам по физической терминологии. В автокаталитических реакциях продукты каталитически ускоряют саму реакцию и скорость ее растет с ростом концентрации ее продуктов. Автоволны – это самоподдерживающие волны, которые распространяются в активных средах с распределенной запасенной энергией или средах, с подводимой энергией извне. Автоволновые процессы, относящиеся к самоорганизующимся процессам, получили свое наибольшее развитие в работах представителей русской школы теории колебаний, в том числе в нелинейных средах, Л. Мандельштама (1879-1944), А. Андронова (1901-1952) и др. Так называемый «русский подход» к проблемам самоорганизации имеет более глубокий смысл, поскольку на его основе анализируют многие процессы в природе и обществе. Следует отметить, что И. Пригожин и его школа, занимающаяся неравновесной термодинамикой, пользуются своей терминологией для описания динамики неустойчивых структур, а не синергетической, введенной Г. Хакеном (термин «синергетика» означает «совместное действие»). Лекция 3. Уровни организации материи Представления о структуре и уровнях строения материи Два представления о структуре материи были сформулированы примерно 2500 лет назад в античной натурфилософии: атомистическая концепция Демокрита (Демокрит, ок. 469-370 до. н.э. – ему приписываются более 70 подлинных сочинений по философии и другим наукам, но утерянные) и континуальная доктрина Аристотеля (Аристотель, 384-322 до н.э. – основатель собственной школы в Ликее и создатель сочинения «Метафизика»). По первому представлению – материя делима до определенного предела – до атомов, которые могут соединяться различными способами и порождают все многообразие объектов и явлений реального мира. По Де35 мокриту мир образован двумя фундаментальными началами – атомами и пустотой, а материя обладает атомистической структурой. По второму представлению – признавалась бесконечная делимость материи, материя непрерывна, а пространство – вместилище, непрерывно заполненное материей, без пустот, материя изначально является бесструктурной. Данные представления о структуре материи просуществовали вплоть до начала XX в. Атомы рассматривались как плотные образования материи, как предел физического его деления. В рамках атомистической концепции строения материи была развита классическая механика Ньютона, которая доминировала в описании природы вплоть до начала XX в. Однако в рамки механической картины мира не вписывалась оптика. Электродинамика Максвелла привела в итоге к поразительному открытию в науке: свет является разновидностью электромагнитных волн. Это открытие совершенно иначе представило проблему строения материи, это открытие в итоге привело к признанию существования электромагнитного поля как нового вида физической реальности, что обусловило поворот от идей атомизма к континуальной концепции строения материи. Но эта концепция не отрицала атомистической концепции вообще, а отрицала лишь ее конкретную механическую модель, более того атомизм был возрожден на более глубоком уровне строения материи – само электричество оказалось «атомистичным», состоящим из электронов – мельчайших электрически заряженных частиц. Следующий шаг в развитии наших представлений о структуре материи совершил де Бройль, который показал, что не только световые волны обладают дискретной структурой, но и микрочастицам вещества присущ волновой характер (т.н. корпускулярно-волновой дуализм). Согласно же представлениям современного естествознания на природу, все природные объекты представляют собой упорядоченные, структурированные и иерархически организованные системы. В неживой природе в качестве структурных уровней организации материи выделяют: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, физический вакуум, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы – галактики, системы галактик – метагалактику. В живой природе к структурным уровням организации материи относят: системы доклеточного уровня – нуклеиновые кислоты и белки; клетки как особый уровень биологической организации, представленные в форме одноклеточных организмов и элементарных единиц живого вещества; многоклеточные организмы растительного и животного мира; надорганизменные структуры, включающие виды, популяции и биоценозы и, наконец, биосферу как всю массу живого вещества. В современном естествознании выделяют три уровня строения материи. Макромир – мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта: пространственные величины выражаются в мм, см, м, км, а время в с, мин, час, год. Микромир – мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов от 10-8 до 10-15 см, а время жизни – от бесконечности до 10-24 с. Мегамир – мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется в парсеках или световых годах, время существования объектов миллиарды лет. Макромир. Механическая картина мира В истории изучения природы выделяется два этапа: донаучный и научный. Донаучный или натурфилософский охватывает период от античности до становления экспериментального естествознания в XVI-XVII вв. В этот период учения о природе основывались на умозрительных философских принципах. Наиболее значимой была концепция дискретного строения материи – атомизм: - все тела состоят из атомов – мельчайших в мире частиц. Античный атомизм был первой теоретической программой объяснения целого как суммы отдельных составляющих его частей. Исходными началами в атомизме выступали атомы и пустота. Сущность протекания природных процессов 36 объяснялась на основе механического взаимодействия атомов, их притяжением и отталкиванием. Механическая программа описания природы, выдвинутая в античном атомизме, наиболее полно реализовалась в классической механике, со становления которой начинается научный этап изучения природы. Формирование научных взглядов на строение материи относится к XVI в., когда Г. Галилеем была заложена основа первой в истории науки физической картины мира – механической. Он разработал методологию нового способа описания природы – научно-теоретического. Суть его в том, что выделялись только некоторые физические и геометрические характеристики, которые становились предметом научного исследования. Выделение отдельных характеристик объекта позволяло строить теоретические модели и проверить их в условиях научного эксперимента. Такая методологическая концепция Галилея стала решающей в становлении классического естествознания. И. Ньютон, опираясь на труды Галилея, разработал строгую научную теорию механики, описывающую и движение небесных тел, и движение земных объектов одними и теми же законами. В рамках механической картины мира Ньютона и его последователей материя рассматривалась как вещественная субстанция, состоящая из отдельных частиц – атомов и корпускул. Пространство, в котором находится материя, было трехмерное и описывалось евклидовой геометрией, оно абсолютно постоянно и всегда пребывает в покое. Время представлялось как величина, не зависящая ни от пространства, ни от материи. Считалось, что все физические процессы можно подчинить законам механики. Движение рассматривалось как перемещение в пространстве по непрерывным траекториям в соответствии с законами механики. А все физические явления сводились к перемещению материальных точек. Философское обоснование механическому пониманию природы дал Р. Декарт, который считал, что мир можно описать совершенно объективно, без учета человека-наблюдателя (концепция абсолютной дуальности, т.е. независимости мышления и материи). Образ Вселенной в связи с этим представлялся гигантским механизмом, где события и процессы являют собой цепь взаимосвязанных причин и следствий. Отсюда утвердилась и вера в то, что теоретически можно точно реконструировать любую прошлую ситуацию во Вселенной или предсказать будущее с абсолютной определенностью. И. Р. Пригожин назвал эту веру в предсказуемость «основополагающим мифом классической науки». Механический подход к описанию природы оказался необычно плодотворным. На основе ньютоновской механики были созданы гидродинамика, теория упругости, механическая теория тепла, молекулярно-кинетическая теория и ряд других теорий. Физика как наука достигала огромных успехов в своем развитии и заняла лидирующее положение среди других наук. Электродинамическая картина мира. Концепция о двух видах материи В XVIII – XIX вв. в науке стали изучаться две области явлений – оптические и электромагнитные, которые не могли быть полностью объяснены в рамках механической картины мира. Так, например, оптические явления описывались одновременно как механической корпускулярной теорией, так и волновой теорий. А такие оптические явления как дифракция и интерференция объяснялись только волновой теорией (Х. Гюйгенс, Т. Юнг, О.Ж. Френель). Суть интерференции можно описывалась парадоксальным утверждением: свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. И причина в том, что свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, или волновое движение. Эксперименты английского ученого М. Фарадея и теоретические работы английского физики Дж. К. Максвелла в области электромагнитных явлений в итоге разрушили представления о дискретном веществе как единственном виде материи и положили начало электромагнитной картине мира. М. Фарадей приходит к выводу, что учение об электричестве и оптика взаимосвязаны и образуют единую область. Его идеи стали исходным пунктом исследований Дж. К. 37 Максвелла, который, используя математические методы, «перевел» модель силовых линий Фарадея в математическую формулу. И что удивительно, в его теории вспомогательного математического понятие «поле сил» переросло в самостоятельную физическую реальность – электромагнитное поле, как бы подтверждая утверждение Галилея – «Книга природы написана на языке математики». «Электромагнитное поле – это та часть пространства, которая содержит в себе и окружает тела, находящиеся в электрическом или магнитном состоянии». Дж. Максвелл чисто математическим путем нашел систему дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитное поле, и тем самым обобщил все ранее установленные экспериментальные законы электромагнитных явлений (Кулона, Ампера, Био-Савара) и открытое М. Фарадеем явление электромагнитной индукции. Единая сущность света и электричества, которую М. Фарадей предположил в 1845 г., а Дж. К. Максвелл теоретически обосновал в 1862 г., была экспериментально подтверждена немецким физиком Г. Герцем в 1888 г. В экспериментах Г. Герца в результате искровых разрядов между двумя заряженными шарами появлялись электромагнитные волны. Он рассчитал скорость распространения электромагнитных волн, которая оказалась равна скорости света. Это прямо подтвердило гипотезу Максвелла о том, что электромагнитные волны распространяются со скоростью света. После экспериментов Г. Герца в физике окончательно утвердилось понятие поля, как объективно существующей физической реальности. Был открыт качественно новый, своеобразный вид материи. К концу XIX в. физика пришла к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. Вещество и поле различаются по своей сущности: • вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно, • вещество обладает массой, а поле – нет, • вещество мало проницаемо, а поле полностью проницаемо, • скорость движения вещества << с (с = 300000 км/с – скорость света), скорость распространения поля равна с. Но в результате последующих революционных открытий в физике (конец XIX в. – начало XX в.) оказались разрушенными представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Микромир. Квантово-полевая картина мира Квантовая механика – это полная загадок и парадоксов дисциплина, которую мы не понимаем до конца, но умеем применять. Гелл-Манн Атомная физика Гениальную догадку, что вещество состоит из мельчайших частиц – атомов выдвинули в античное время древнегреческие мыслители Левкипп и Демокрит. Через века научные основы атомно-молекулярного учения были заложены в работах русского ученого М.В. Ломоносова (1711-1765), французских химиков Л.Лавуазье)1743-1794) и Ж. Пруста (1754-1826), английского химика Дж. Дальтона(1766-1844), итальянского физика А. Авогадро (1777-1856) и других исследователей. Но вплоть до конца XIX века химия была убеждена, что атом есть наименьшая неделимая частица простого вещества. В конце XIX в. начале XX в. физика выходит на уровень исследования микромира. Научные открытия этого периода опровергают представления об атомах как последних и неделимых структурных элементах материи. Первыми на сложную структуру атома указали немецкие ученые Г.Р. Кирхгоф (1824-1887) и Р.В. Бунзен (1811-1899), изучая спектры испусканий и поглощения различных веществ. Они 38 обнаружили, что каждому химическому элементу соответствует характерный, присущий только ему набор спектральных линий в спектрах испускания и поглощения. Сложную структуру атома подтверждали опыты по изучению ионизации, открытие и исследование катодных лучей. Изучение свойств катодных лучей привело к заключению, что они состоят из мельчайших отрицательно заряженных частиц. В 1895 г. Дж. Дж. Томсон (1856-1940) открывает электрон – отрицательно заряженную частицу, входящую в состав всех атомов (определяется масса и величина заряда электрона). Французский физик А.А. Беккерель (1852-1908) открывает явление радиоактивности (1896 г.): случайно обнаруживает при изучении люминесценции, что соли урана излучают без предварительного освещения. Радиоактивное излучение представляет собой самопроизвольное превращение неустойчивых ядер атомов в результате ядерных излучений (альфа-, бета-, гамма-лучей, открытых позднее) в другие ядра химических элементов. Французские физики Пьер и Мария Кюри, изучая явление радиоактивности, открывают новые элементы – полоний и радий. Первые модели атома появились в 1904 г.: японский физик Хантаро Нагаока (1865-1950) представил строение атома аналогичным строению Солнечной системы – положительно заряженная часть атома – Солнце, вокруг которой по кольцеобразным орбитам движутся электроны, как планеты вокруг Солнца. В модели Дж. Томсона положительное электричество было «распределено» по сфере, в которую вкраплены электроны. Опыты английского ученого Э. Резерфорда (1871-1937) с альфа-частицами (масса альфа частицы примерно составляет 8000 масс электрона) привели к открытию ядра в атоме (1912 г.) – положительно заряженной частицы, размером порядка 10-14 м, в которой фактически сосредоточена вся масса атома (размер же самого атома составляет 10-10 м). Тем самым опыты Резерфорда опровергли модель атома Томсона и подтвердили планетарную модель атома Нагаока. В атоме водорода вокруг ядра обращается всего лишь один электрон. Заряд ядра положителен и равен по модулю заряду электрона, имеет массу в 1836 раз большую массы электрона. Это ядро было названо Резерфордом протоном и стало рассматриваться как элементарная частица. Установление сложной структуры атома оценивается как крупнейшее событие в науке начала XX века. Однако планетарная модель атома Резерфорда противоречила законам электродинамики Максвелла, т.к. по законам электродинамики вращающийся вокруг ядра электрон должен был излучать электромагнитные волны, теряя энергию на излучение, электрон должен «упасть на ядро», а атом «прекратить» свое существование. Но в действительности этого не происходит, атомы устойчивы и могут существовать, не излучая электромагнитных волн. Датский физик Н. Бор (1885-1962) устраняет возникшее противоречие, выдвижением двух знаменитых постулатов в 1913 г. (постулаты Бора), ставшие основой принципиально новых теорий микромира – квантовой механики и квантовой электродинамики. Свои постулаты он обосновывает идеей М. Планка о существовании квантов электромагнитного поля, развитой затем А. Эйнштейном. Но теория Бора фактически была теорией для одного атома – атома водорода. К тому же Н. Бор не объяснил свои знаменитые постулаты, постулаты «сделали атом водорода устойчивым, запретив излучать электромагнитные волны в стационарном состоянии». Теория Бора не могла описывать многоэлектронные атомы, и это связано с волновыми свойствами электрона. Как известно, в конце XIX в. после создания Дж. Максвеллом теории электромагнетизма выяснилось, что материя предстает в виде двух форм – вещественной и полевой. Квантовая механика При изучении микрочастиц ученые обнаружили у них особенность обладать как волновыми, так и корпускулярными свойствами. В конце XIX века в физике возникла ситуация, получившая название «ультрафиолетовая катастрофа». Немецкий физик-теоретик Макс Планк (18581947), исследуя тепловое излучение, приходит к выводу, что в процессе излучения энергия мо39 жет быть отдана или поглощена не непрерывно и не в любых количествах, а лишь в неделимых порциях – квантах. Энергия каждой такой порции вычисляется по формуле: E = hν или E = h ω , h 2π – постоянная Планка, ν или ω – частота колебаний. где h или Введенное Планком 14 декабря 1900 г. представление об излучении порциями (квантами) стало фундаментом для создания квантовой теории (термин «квантовая механика» ввел М. Планк), считается днем рождения квантовой теории и началом новой эры естествознания (Нобелевская премия по физике М. Планку была присуждена в 1918 г.). Идея Планка получила развитие в работах А. Эйнштейна (1879-1955), в 1905 г. он переносит идею квантования на излучение вообще и вводит понятие дискретности света, т.е. приходит к признанию корпускулярной структуры света: свет - это поток квантов (фотонов). Эйнштейновское представление о световых квантах (фотонах) стало основой для создания им же теории фотоэффекта, суть которой заключается в выбивании электронов из вещества под действием электромагнитных волн. Эксперименты показали, что наличие или отсутствие фотоэффекта определяется не интенсивностью падающей волны, а ее частотой. При фотоэффекте электроны, поглощая фотоны, увеличивают свою энергию и в результате способны покинуть вещество. За правильность толкования фотоэффекта А. Эйнштейн получил Нобелевскую премию (1921 г.). Теория фотоэффекта была успешно подтверждена экспериментально амер. физиком Р. Милликеном (1868-1953), за что он тоже получил Нобелевскую премию (1923 г.). В 1926 г. австрийский физики Э. Шредингер (1887-1961) создал математическую волновую модель атома в виде волнового дифференциального уравнения Шредингера dψ 2 m + [E − U ( x)]ψ ( x) = 0 h dx , h= Е и U(x) – соответственно полная и потенциальная энергия частиц, m – масса частиц, h - постоянная Планка, ψ ( х ) – волновая функция, определяющее поведение волн материи. Причем волновая функция ψ ( х ) не позволяет абсолютно точно определить положение электронов в атоме, они расплываются в некое «облако» и можно говорить лишь о вероятности нахождения электронов в том или ином месте атома, которая характеризуется квадратом ам2 ψ( х) плитуды волны . Таким образом, волны материи приняли абстрактно-математический облик и получили символическое значение как «волны вероятности» (М. Борн). Уравнения квантовой механики оказались волновыми (квантовые объекты обладают одновременно и волновыми свойствами). Предложенная Шредингером для описания квантовых явлений, а именно частицы, свободно движущейся по оси Х, волновая функция ψ ( х ) = e − i h ( Et − px ) , где р – импульс, х – координат, t – время, Е – энергия, i = − 1 , h – постоянная Планка, называϕ ( p, x) ется таковой потому, что в ней используется экспоненциальная функция типа e . Операции с волновыми функциями позволяют вычислить вероятности квантовомеханических событий. Волновая функция описывает не сам субъект как таковой и даже не его потенциальные возможности. И в концептуальном отношении понятие волновой функции важнее, нежели вероятностное наступление события. В науке главное – дать адекватное экспериментальным данным объяснение. Квантовая механика не имеет альтернативы в лице классической физики. В плане осмысления квантовых явлений классическая физика не проще квантовой механики, но она просто-напросто не подтверждается. 40 Но наука – это не только самые развитые теории, но и их предшественницы, все теории, объединенные научным сходством. Классическая и квантовая механика, прежде всего, используют одни и те же понятия таких физических параметров, как координата (x, у, z), импульс (рх, ру, рz) момент импульса М, энергия Е. Отличие лишь в том, что в квантовой механике указанным параметрам соответствуют операторы, обозначаемые символами с крышечками, например ∂ ∂ ( pˆ x , pˆ y pˆ z ) p̂ x = −ih ∂x операторы импульсов : и т.д., где ∂x – символ частной производной. Наиболее характерное для квантовой механики уравнение имеет вид: Âψ = aψ , где Â – оператор параметра, ψ – волновая функция, a – значение параметра, фиксируемое в эксперименте. Это уравнение получило эпитет «изящного» уравнения: смотрите, как просто устроен мир. Осмысление именно этого уравнения дает разгадку многих неразрешимых с позиций классической физики проблем. Примеры. Согласно принципу наблюдаемости В. Гейзенберга, «разумно включать в теорию только величины, поддающиеся наблюдению…». Но дело обстоит иначе, чем кажется на первый взгляд. По Эйнштейну «только теория решает, что именно можно наблюдать», но и в аргументации Эйнштейна не учитывается в полной мере специфика квантовой механики. Âψ = a nψ измерение имеет дело непосредстВ главном уравнении квантовой механики: венно только с a n , собственными значениями оператора Â . В квантовой физике появляются конструкты, волновая функция и оператор, которые в принципе не могут быть зарегистрированы в эксперименте, т.е. квантово-механическая реальность открывается физику в эксперименте лишь одной своей гранью. О наглядности квантово-механических явлений. Все что происходит с квантовыми объектами до фиксации собственных значений a n того или иного оператора Â , в эксперименте не фиксируется в непосредственном виде, а потому не дано в наглядной форме. И все попытки представить себе квантовые объекты и происходящие с ними процессы в наглядной, т.е. подвластной чувствам, форме только игнорируют специфику квантовой механики. И на вопрос, что представляет собой свободно движущаяся, т.е., еще не вступившая во взаимодействие с макроскопическими условиями наблюдения, частица должен быть таким: движущаяся частица есть действительно частица, для которой характерны возможности, описываемые квантово-механическими уравнениями. Для квантово-механических явлений характерны соотношения неопределенностей: Принцип неопределенности ΔxΔp x ≥ h – немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976) показал, что чем точнее измеряется местоположение частицы (координата), тем труднее предсказать ее скорость (импульс) и наоборот, можно узнать один или другой параметр, но не оба сразу – указанное соотношение неопределенности стало принципом неопределенности, т.к. показывает принципиально вероятностный характер предсказания событий. Принцип дополнительности Н. Бора (1928 г.) – дает более широкую трактовку принципа неопределенности Гейзенберга, в обобщенной формулировке смысл принципа дополнительности состоит в том, что получение экспериментальной информации об одних физических параметрах неизбежно приводит к потере других, дополнительных параметров, которые характеризуют это же явление (эффект) с несколько другой стороны. В физическом смысле такими дополнительными друг к другу сущностями, кроме указанных координат и импульса, могут быть волновое и корпускулярное проявление вещества или излучения, энергия и длительность события или измерения, выражаемая соотношением ΔEΔt ≥ h . 41 Также для квантово-механических явлений характерны: туннельный эффект, принцип суперпозиции, статистические закономерности и вероятностная предсказуемость. Современная теория строения атома также основана на квантово-механических представлениях; в частности, используя новые представления о свойствах электрона, В. Паули сформулировал принцип, позволяющий объяснять расположение электронов по оболочкам. В. Паули(1900-1958) – немецкий физик-теоретик, лауреат Нобелевской премии 1945 г за открытие принципа запрета – принципа Паули, им же введен термин «нейтрон». Классическое представление о планетарной модели атома и орбитах электронов было заменено волновой механикой и квантовой теорией элементарных процессов Результаты и идеи квантовой механики позволили построить теорию о движении заряженных микрочастиц, учитывая их квантово-механическую природу – квантовую электродинамику (квантовую теория поля). Важнейшим законом ее является закон взаимного превращения двух видов материальных субстанций – вещественной и полевой материи – друг в друга. Согласно квантовой теории поля, невозможно такое состояние, когда нет и поля, и частиц, т.е. невозможна пустота. Строго говоря, поле не может перестать существовать, в своем наинизшем энергетическом состоянии оно выступает как вакуум. Для вакуума характерны не свободные, самостоятельные, наблюдаемые, а виртуальные частицы, порождаемые и сразу же поглощаемые им. Вакуум – это облако виртуальных частиц, вполне реальная физическая среда; как бы обволакивающая любые невиртуальные частицы. Механизм квантово-полевого взаимодействия осуществляется в соответствии с концепцией близкодействия, т.е. за конечный промежуток времени. Американский физик Р. Фейнман разработал способ графического изображения взаимодействия элементарных частиц, при котором виртуальные частицы изображаются волнистыми или пунктирными линиями. Невиртуальные частицы изображаются прямыми линиями. Пример. Взаимодействие двух частиц посредством одного виртуального кванта. Рис. 2. Взаимодействие двух частиц посредством одного виртуального кванта Физические явления в микромире подчиняются другим законам, чем в классической и релятивистской механике. Но существует ли тяготение в микромасштабах, на этот вопрос могла бы ответить квантовая теория гравитации, но ее пока нет, поскольку нет теории тяготения, согласованной с квантово-механическими принципами. Согласно Эйнштейну, гравитация проявляется в кривизне пространства-времени, поэтому в так называемой квантовой теории гравитации Вселенной структура пространства-времени и его кривизна должны флуктуировать, поскольку квантовый мир никогда не находится в покое и имеет вероятностный характер. Но эти флуктуации не обнаруживаются из-за малой величины постоянной Планка. Существенным «недостатком» квантовой теории становится то, что она ничего не внесла нового в понимание процессов времени при движении квантовых частиц. Ни Ньютон, ни Эйнштейн в своих уравнениях движения не получили «стрелы времени», и тем самым разрешили телам и частицам вольно двигаться во времени. А квантовое уравнение движения Шредингера со своей знаменитой волновой функцией превратило это движение с «непредсказуемый блуд» во времени. Корпускулярно-волновой дуализм К концу XIX в. физика приходит к выводу, что материя существует в двух видах: дискретного вещества и непрерывного поля. В классической науке утверждается понятие поля, как объективно существующей физической реальности, как качественно новый, своеобразный вид материи, определяются сущности вещества и поля: 42 вещество дискретно и состоит из атомов, а поле непрерывно, • вещество обладает массой, а поле – нет, • вещество мало проницаемо, а поле полностью проницаемо, • скорость движения вещества много раз меньше скорости света ( v << c), • с = 300000 км/с – скорость электромагнитных волн. Но открытия в физике в конце XIX – начале XX века в итоге привели к созданию квантовой механики, которая фактически разрушила представления классической физики о веществе и поле как двух качественно своеобразных видах материи. Представление о корпускулярно-волновом дуализме возникло при рассмотрении электромагнитного поля. Была установлена особенность электромагнитного излучения различных длин волн: электромагнитные излучения больших длин волн проявляют в основном континуальные волновые свойства света, а малых длин волн (гамма лучи) – дискретные (корпускулярные) или квантовые свойства. Физика начала XX века открывает диалектическое единство двух классических противоположностей – частиц и волн и выражает его «философски» как корпускулярно-волновой дуализм. Французский физик Луи де Бройль (1892-1987), опираясь на законы симметрии, в 1924 г выдвинул идею распространения принципа корпускулярно-волнового дуализма света на все частицы микромира, имеющие массу покоя. Согласно де Бройлю, любому телу с массой m, движущемуся со скоростью v, соответствует волна с длиной h λ= mv . • Аналогичная формула была известна раньше, но только применительно к квантам света – фотонам. Вскоре гипотеза де Бройля экспериментально подтвердилась открытием дифракции электронов на кристаллах (амер. физики К. Дэвисон, Л. Джермер). В дальнейшем были выполнены опыты по обнаружению дифракции нейтронов, атомов и даже молекул. Тот факт, что один и тот же объект проявляется и как частица и как волна, разрушал традиционные классические представления. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по его огромным областям. В квантовой физике эти два описания реальности являются взаимоисключающими, но равно необходимыми для того, чтобы полностью описать рассматриваемые явления. Лекция 4. Современные космологические концепции Во второй половине XX в. астрономия вступила в период научной революции, которая изменила способ астрономического познания – на смену классическому пришел «неклассический» способ астрономического познания Мегамир или космос современная наука рассматривает как системную организацию в форме планет и планетных систем, возникших вокруг звезд; звезд и звездных систем – галактик; система галактик – Метагалактики. В этой связи термин «Вселенная» приобретает более узкое специфически научное толкование. На современном этапе эволюции Вселенной вещество в ней находится в основном в звездном состоянии; 97% вещества в нашей Галактике сосредоточено в звездах. В других звездных системах (галактиках) предполагается, что «звездная субстанция» составляет более 99,9% их массы. Большинство галактик имеет эллиптическую или спиралевидную форму. Сами галактики образуют так называемые «облака» или «скопления галактик», содержащих до несколько тысяч отдельных звездных систем. Распределение галактик в пространстве указывает на суще43 ствование определенной упорядоченной системы – Метагалактики. Метагалактика или гигантская система галактик, включает в себя все известные космические объекты. Ньютоновская и эйнштейновская космологические модели Вселенной С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным воззрениям приходят научные представления о происхождении Вселенной. Вселенная – от толкования как места вселения человека, благодаря ее доступности эмпирическому наблюдению и размышлению о ней в настоящее время изучается наукой, называемой космологией или наукой о космосе. Космология нацелена на открытие упорядоченности нашего мира, т.е. законов его функционирования как единого упорядоченного целого. Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Если наука (естествознание имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами) формулирует универсальные законы на основе экспериментальных данных, то Вселенная в этом смысле уникальна, так как к ней методологические правила науки остаются неприемлемыми. Все заключения о происхождении и развитии Вселенной не являются законами, а лишь космологическими моделями, т.е. возможными вариантами объяснения. Первым ученым, который обнаружил силы космической значимости, был И. Ньютон, первооткрыватель закона всемирного тяготения. По Ньютону, если предположить, что космическое вещество первоначально было равномерно распределено по всему бесконечному космическому пространству, то различные его части сгущались бы, образуя Солнце и, как он считал, неподвижные звезды, а также планеты; светимость же звезд он объяснял ссылкой на Творца [Гуревич Л.Э., Чернин А.Д. «Происхождение галактик и звезд». М.: Наука, 1987]. Воззрения Ньютона относятся к 1692 г. Позднее они неоднократно воспроизводились философом И. Кантом и математиком П. Лапласом, но все ограничивалось пронаучными, сугубо гипотетическими рассуждениями. В классической ньютоновской космологической модели Вселенной вопрос об ее эволюции не ставился. Вселенная представлялась всесуществующей и бесконечной в абсолютном пространстве и времени. В такой Вселенной изменяться могут только конкретные космические системы, но не «мир в целом». Такое постулирование бесконечности и стационарности Вселенной логически приводит к парадоксам: гравитационному и фотометрическому, которые не разрешимы в рамках классической астрономии. Суть гравитационного: если Вселенная бесконечна, значит в ней бесконечное число небесных тел, то сила тяготения должна быть тоже бесконечно большой и вся Вселенная должна сколлапсировать, т.е. сжаться до объекта, подобного «черной дыре», а не существовать вечно. Суть фотометрического: если существует бесконечное число небесных тел, то должна быть бесконечная светимость неба, но этого не наблюдается. Все современные космологические модели Вселенной основываются на общей теории относительности А. Эйнштейна, согласно которой пространство и время определяются распределением гравитационных масс во Вселенной из этого следует так называемая «кривизна пространства» и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Свойства Вселенной как целого (ее прошлое, настоящее, будущее) ставятся наукой в зависимость от средней плотности материи в ней. Математическая теория тяготения Эйнштейна предлагает несколько решений «устройства» Вселенной, т.е. обуславливает наличие многих космологических моделей Вселенной. Первая из них была разработана самим А. Эйнштейном в 1917 г. Он разделял убеждение Ньютона, что звезды по отношению друг к другу находятся в стационарном положении. Но объяснить такое положение звезд одними силами тяготения затруднительно. Поэтому Эйнштейн ввел в уравнение общей теории относительности специальный член – лямбду (λ), который должен был в математической форме отобразить наличие сил отталкивания неведомой природы. Прием, использованный Эйнштейном, в науке называется ad hoc (ад хок), что в переводе с латинского означает «для данного случая». Эйнштейн использо44 вал данный прием за неимением лучшего. Но вскоре ему представилась возможность отказаться от него. В такой модели Вселенной локальные искривления пространства-времени гравитирующими массами приводят к глобальному искривлению, делающему Вселенную замкнутой по пространственным координатам. В этой цилиндрической модели Эйнштейна временная координата не искривляется (время равномерно течет от прошлого к будущему). Впоследствии цилиндрическая модель была усовершенствована голландским астрофизиком Виллем де Ситтером, предположившим на основании наблюдаемого красного смещения, что время в удаленных частях Вселенной течет замедленно (искривление по временной координате) - модель замкнутой гиперсферы. Обе эти стационарные модели Вселенной имеют два недостатка: необходимость предположить существование дополнительных взаимодействий, препятствующих сжатию Вселенной под действием гравитирующих масс, и проблема “утилизации” света, испущенного звездами в предшествующие моменты времени в замкнутое пространство. В эйнштейновской модели Вселенной материя распределена в среднем равномерно, а гравитационное притяжение масс компенсируется универсальным космологическим отталкиванием. Время существования Вселенной бесконечно, т.е. не имеет ни начала, ни конца, а пространство безгранично, но конечно. Вселенная в целом стационарна, бесконечна во времени и безгранична в пространстве. Фридмановские модели Вселенной В 1922 – 1924 гг. молодой математик и геофизик А.А. Фридман (1888-1925) (Советская Россия), изучая уравнения общей теории относительности Эйнштейна, показал, что они приводят к гравитационной неустойчивости Вселенной, в зависимости от плотности вещества в ней она либо расширяется, либо сжимается. В 1922-23 гг. в статьях «О кривизне пространства» и «О возможности мира с постоянной отрицательной кривизной пространства» нашел нестационарные решения гравитационного уравнения Эйнштейна, теоретически доказав возможность существования нестационарной (расширяющейся) Вселенной. Этот результат лег в основу современной космологии. Фридман рассмотрел три решения уравнений Эйнштейна, описывающих Вселенную с «расширяющимся» пространством. Если средняя плотность вещества и излучения во Вселенной равна некоторой критической величине (ρкр ≈ 10-29 г/см3), мировое пространство оказывается евклидовым и Вселенная неограниченно расширяется от первоначального точечного состояния. Если плотность меньше критической, пространство обладает геометрией Лобачевского и также неограниченно расширяется. И наконец, если плотность больше критической, пространство Вселенной оказывается римановым, расширение на некотором этапе сменяется сжатием, которое продолжается вплоть до первоначального точечного состояния. Решающее значение для выводов Фридмана имело открытие Э. Хаббла (американский астроном Эдвин Пауэлл Хаббл (1889-1953)), который обнаружил факт разлета скоплений звезд, галактик (1929). Так называемое «красное смещение» приходящих от галактик излучений свидетельствовало о их удалении от Земли. Хаббл вывел соотношение: V = H ⋅r, V – скорость удаления галактики, H = 75 – 80 км/с⋅Мпк или (3 – 5)10-18 с-1 – постоянная Хаббла, r – расстояние до галактики в парсеках (1 пк ≈ 3,1⋅1016 м). Смысл постоянной Хаббла в следующем, величина, обратная постоянной Хаббла, есть возраст Вселенной. Расчеты показывают, что если принять Н ≈ 75 км/с⋅Мпк, то возраст Вселенной t = 1/H ≈ 13,5 млрд. лет. Но средняя плотность вещества во Вселенной неизвестна, и мы сегодня не знаем, в каком из пространств Вселенной мы живем. На сегодняшний день модель расширяющейся Вселенной, предложенная Фридманом, наиболее популярна (красное смещение и конечная светимость неба объясняются эффектом Доплера, и нет необходимости во введении компенсирующих гравитацию взаимодействий), глобально 45 искривленной из-за наличия гравитирующих масс. И обсуждаются в основном две ее модификации: 1. Замкнутая модель (геометрический аналог - расширяющаяся гиперсфера) предсказывает постепенное замедление расширения вследствие торможения гравитационными силами с последующим переходом к сжатию. 2. Открытая модель (геометрический аналог – «седло») замедляющееся расширение, происходящее бесконечно долго. В настоящее время предпочтение отдается открытой модели, поскольку оценки средней плотности вещества во Вселенной, сделанные на основе наблюдаемой концентрации звезд, показывают, что гравитационные силы не способны остановить происходящее с наблюдаемой скоростью разбегания. Оценки могут существенно измениться в пользу закрытой модели при наличии в космосе скрытых масс несветящегося вещества (например, за счет ненулевой массы покоя нейтрино). Следует также специально отметить, что для модели расширяющейся Вселенной характерно отсутствие какого-либо центра «разбегания» галактик. Расширяется в целом межгалактическая среда. «Разбегаются все галактики. С какой бы галактики не наблюдалась картина космического расширения, всякий она выглядит единообразно: чем дальше от места наблюдения находится галактика, тем с большей скоростью она удаляется от этого места». И так называемый горизонт видимости расположен на расстоянии не большем, чем может пройти свет за 13 млрд. лет. Модель горячей Вселенной или Большого Взрыва В основе современных представлений об эволюции Вселенной лежит модель горячей Вселенной, или «Большого Взрыва» (Big Bang), предложенная в 1948 г. Основы ее были заложены в трудах американского физика русского происхождения Дж. (Г.А.) Гамова и его сотрудников в конце 40-х гг. XX в. Основа теории такова: физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва примерно 15-20 млрд. лет назад, когда все вещество и энергия современной Вселенной были сконцентрированы в одном сгустке с плотностью свыше 1025 г/см3 и температурой свыше 1016 К. Такое представление соответствует и модели горячей Вселенной. Правда, науке неизвестно, откуда взялось такое гигантское количество изначальной энергии? Но принятое научным сообществом расширение Вселенной оказывается естественным следствием теории Большого Взрыва и это следует расценивать, как огромный мировоззренческий прорыв в интеллектуальном мире. По предположению Г.А. Гамова все элементы Вселенной образовались в результате ядерных реакций в первые моменты после Большого Взрыва. По современным же представлениям около 98% существующего в природе гелия образовалось в первые секунды после Большого Взрыва. С эволюционной точки зрения Вселенная проходит определенные этапы, в ходе которых образуются химические элементы в результате ядерных реакций и их структуры. Данная модель Вселенной сейчас обосновывается такими экспериментальными наблюдениями. 1. Излучение спектральных линий звезд показывает, метагалактика имеет единый химический состав (77% водорода, 22% гелия, 0,8% кислорода, 0,1% железо и 0,1% на остальные элементы). 2. Спектры элементов удаленных галактик демонстрируют систематическое смещение в красную часть спектра. Смещение линейно растет с увеличением расстояния до галактик. 3. Из космоса регистрируется однородное и изотропное излучение наполняющее все космическое пространство (оно соответствует излучению черного тела с температурой 2,7 К, его плотность составляет примерно 450 фотонов/см3. 46 4. Распределение галактик в метагалактике соответствует некоторой постоянной плотности, порядка 0,3 барионов/м3. Для сравнения: в нашей Галактике средняя концентрация вещества ∼ 1 атом/см3. 5. По косвенным выводам из анализа процессов радиоактивного распада в метеоритах, следует, что некоторые компоненты химического состава метеоритов, возможно возникли 14-24 млрд. лет назад. По расчетам Гамова, в качестве следов от БВ должно остаться микроволновое излучение малой энергии, соответствующее излучению абсолютно черного тела, нагретого всего лишь до 5 К (около – 268°С). Экспериментальным подтверждением расчетов стало открытие в начале 1965 г. реликтового излучения с температурой около 3К (американцы А.А. Пензиас и Р.В. Вилсон обнаружили приходящее со всех сторон фоновое излучение, температура которого по современным оценкам около. 2,7 К). Первооткрыватели этого излучения ничего не знали о его космологической значимости, но многие космологи, узнав о нем, отнесли это открытие к фундаментальному (И.С. Шкловский предположил его называть реликтовым, т.е. остаточным от ранних эпох Вселенной). Наличие реликтового излучения означает, что Большой Взрыв произошел не в отдельной, избранной точке космоса – Большой Взрыв характерен для всего изначального космоса. Модель горячей Вселенной В первые моменты температура Вселенной была столь высока, что в ней могли существовать лишь самые легкие элементарные частицы: фотоны, нейтрино и т.д. Быстрое расширение горячего сжатого “газа” вело к его охлаждению. Уже на первых секундах расширения стало возможным образование электронов и протонов, существующих в виде горячей плазмы и сильно взаимодействующих друг с другом и излучением, на долю которого приходилась основная доля энергии во Вселенной. Таким образом, на ранней стадии, длящейся около 1 млн. лет во Вселенной преобладали электромагнитные и ядерные взаимодействия. Спустя указанный срок температура упала до величины, допускающей рекомбинацию электронов с протонами в нейтральные атомы водорода. С этого момента взаимодействие излучения с веществом практически прекратилось, доминирующая роль перешла к гравитации. Возникшее на стадии горячей Вселенной и постепенной остывающее в результате ее расширения излучение дошло до нас в виде реликтового фона. Сам факт возможности моделирования процессов, происходящих в первые секунды и минуты существования Вселенной, следует рассматривать как огромное достижение современного естествознания – оно приближает нас к самому акту «сотворения мира». Хотя представления о первых секундах жизни Вселенной во многом основаны на гипотезах и гипотетических экстраполяциях, но физические условия, существовавшие в то время, когда возраст Вселенной составлял 10-4 с, когда температура достигала 1012К, а вся наблюдаемая Вселенная была «сжата» до размеров Солнечной системы, сегодня можно экспериментально воспроизводить на современных ускорителях элементарных частиц. Раннюю Вселенную можно на языке физики представить как гигантскую лабораторию природы, в которой энергия, высвободившаяся в результате Большого Взрыва, пробудила физические процессы, не воспроизводимые в земных условиях. Холодная Вселенная На последующей стадии, так называемой “холодной” Вселенной, на фоне продолжающегося расширения и остывания вещества стали возникать гравитационные неустойчивости: за счет флуктуаций плотности водородного газа стали возникать зоны его уплотнения, притягивающие к себе газ из соседних областей и еще больше усиливающие собственное гравитационное поле. Самоорганизация вещества во Вселенной (сложная неравновесная система, описываемая нелинейными уравнениями гравитации) в конечном итоге привела к возникновению крупномас47 штабной квазиупорядоченной межгалактической ячеистой структуры, а ее дальнейшая фрагментация дала начало будущим галактикам и звездам. Анализ деталей этого процесса возможен на основании весьма сложных уравнений гидрогазодинамики - теории нестационарного движения вещества, до сих пор удовлетворительно не разработанной. Достаточно ясно, что в результате гравитационного сжатия выделяющаяся энергия в конечном итоге приводила к вторичному разогреву «водородного топлива» до температур, достаточных для начала термоядерных реакций водородного цикла. Ученые выдвигают гипотезы не только далекого прошлого Вселенной, но и прогнозируют ее далекое будущее. «Закрытые» модели предполагают, что в будущем расширение Вселенной сменится ее сжатием. Исходя из общей массы Вселенной (1052 т), предполагают, что примерно через 30 млрд. лет она начнет сжиматься и через 50 млрд. лет вновь вернется в сингулярное состояние. Полный цикл расширения и сжатия Вселенной составляет примерно 100 млрд. лет. В «открытых» космологических моделях Вселенной предполагается, что уже через 1014 лет многие звезды остынут, примерно через 1019 лет большая часть остывших звезд покинут свои галактики в виде «черных карликов», центральные области галактик превратятся в «черные дыры». Дальнейшая эволюция будущей Вселенной выглядит не вполне ясной, но прогнозируется «тепловая смерть» Вселенной с конечным состоянием из сверхдлинных квантов и электроннопозитронной плазмы. Модель раздувающейся (инфляционной) Вселенной Еще в 1927 г. бельгийский ученый Ж. Леметр, который ввел понятие начала Вселенной как сингулярности (т.е. сверхплотного состояния) и рождения Вселенной как Большого взрыва, показал по своим расчетам, что радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12 см, а ее плотность составляла 1096 г/см3. Но и для современной науки наибольшие сложности связаны с осмыслением природы космической сингулярности (от англ. singularity – оригинальность, своеобразие). По мнению ученых, сингулярность должна быть такой, чтобы вызванные ею процессы соответствовали действительной картине Вселенной. В первоначальных моделях горячей Вселенной не удавалось объяснить происхождение скоплений галактик. Происхождение космических образований такого рода, по-видимому, следует объяснять не процессами, случившимися после Большого Взрыва, а присущими его изначальной природе. Американец А. Гут (1980) в этой связи предложил модель раздувающейся, инфляционной (от лат. inflatio – вздутие) Вселенной. Суть его гипотезы состоит в том, что в квантовом вакууме в условиях чрезвычайно высокой энергии частиц последние создают сильное натяжение. Эти натяжения адекватны отрицательному давлению, которое и может служить первотолчком к раздуванию, т.е. давление внутри вакуума не положительно (оно направлено внутрь среды). Квантовый вакуум можно представить как «перегретую жидкость», которая может сразу «вскипеть». Отрицательное давление можно интерпретировать как гравитационные силы отталкивания. Под действием этих гигантских сил квантовый вакуум быстро, практически мгновенно расширяется, приблизительно за 10-30 с его размеры увеличиваются в 1030 раз. В результате расширения сам вакуум охлаждается, а заключенная в нем гигантская энергия высвобождается в виде излучения, с температурой примерно 1028 К. При такой сверхвысокой температуре элементарные лептоны и даже гипотетические частицы – кварки не существуют. Для вакуума с отрицательным давлением характерны квантовые флуктуации – они как раз и предполагаются начальными состояниями будущих галактик и их скоплений. Итак, согласно современным представлениям, БВ есть не что иное, как длящееся короткое мгновение (∼10-30 с) расширение высокоэнергетического квантового вакуума или творение Вселенной из вакуума особой природы. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10-45 с после начала расширения. Начало Вселенной определяется физикамитеоретиками как состояние квантовой супергравитации с радиусом Вселенной в 10-50 см (размер атома 10-8 см, атомного ядра 10-13 см). Основные события в ранней Вселенной разыгрывались за промежуток времени от 10-45 до 10-30 секунд. В этой модели начальное состояние Вселенной 48 является вакуумным. Физический вакуум – это форма материи, лишенная вещества и излучения, но возбужденное состояние такого вакуума способно создавать космическую силу отталкивания, порождающая раздувание «пузырей пространства» – зародышей одной или нескольких вселенных. Различия между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10-30 с, далее принципиальных расхождений нет. Время История взглядов на время В «Исповеди» Августина (354 – 430), христианского теолога и церковного деятеля, есть слова: «Если меня никто об этом не спрашивает, я знаю, что такое время. Если бы я захотел объяснить спрашивающему, нет, не знаю». Существует много подходов к описанию явлений и событий во времени. Этим занимается, в частности, хронология - наука, имеющая дело с разделением времени на регулярные периоды, расположением событий в порядке из возникновения, установлением соответствия дат к известным событиям и выявлением несоответствий в датах, вызванных различием в системах применяемых в древности и сегодня. Астрономическая хронология основана на астрономических явлениях и законах. Даты астрономических явлений могут быть определены весьма точно математическими вычислениями. Например, дата исторического явления устанавливается или проверяется с высокой степенью точности, если событие сопровождается астрономическим явлением (типа солнечного затмения). Так, например, шотландская история свидетельствует: когда король Норвегии Хекон IV (Старый) приплыл с норвежским флотом, чтобы наказать короля Шотландии, он высадился на Оркнейских островах. В это время на Солнце появилось тонкое яркое кольцо. Британский физик Д. Бревстер показал, что кольцевое затмение Солнца было видно в той местности 5 августа 1263 г. Летописец Кирик из Новгородского Антониева монастыря 11 августа 1124 г. записал: «Пред вечерней ноча убывати солнца и погибе все. О велик страх и тьма быть». В летописи и в «Слове о полку Игореве» сказано: У донца был Игорь, только видит – Словно тьмой полки его прикрыты, И воззрел на светлое он Солнце – Видит: Солнце – что двурогий месяц, А в рогах был словно уголь горящий; В темном небе звезды просияли, У людей в глазах позеленело. Это было, как установили астрономы, 1 мая 1185 г., накануне сражения Игоря с половцами. Геологическая хронология построена на изучении окаменелостей, ископаемых, структуры земных недр. Точность определения датировки очень мала и не позволяет установить связь событий на разных континентах. А без таких сравнений история Земли остается в значительной степени загадкой. Только открытие радиоактивности изменило ситуацию. Появились методы радиометрического датирования. Сделавшие возможным вычисление абсолютного возраста минералов и определения геологических дат с беспрецедентной точностью. Политическая хронология определяет даты и последовательность событий в истории нации, стран, человечества. Наиболее древние нации связывали историю со сроком службы некоторого деятеля, короля. Эта система дала довольно полную хронологию, но события между смертью короля и приходом его преемника иногда были пропущены, в ряде случаев правление непопулярных руководителей исключалось из письменных источников. 49 Хронология древнего Египта начинается с воцарения первого фараона 1-й династии Менеса (3100 – 3066 гг. до н.э.). Египетский год начинался с восхода звезды Сириус и содержал 365 дней. Египетские жрецы-астрологи, сопоставляя вид звездного неба с днями наступления разливов реки Нил, установили, что разливы наступают через несколько дней после первого утреннего появления на небе самой яркой звезды неба. Эту звезду прозвали Изидой-Сотис (Сириус) – слезой богини плодородия Изиды. Промежуток времени между двумя последовательными утренними появлениями этой звезды составлял 360 суток, поэтому продолжительность первого солнечного календаря составляла 360 дней (12 месяцев по 30 дней) и только значительно позже его продолжительность была увеличена до 365 суток. Эра греческих Олимпиад была рассчитана с 1 июля 776 г. до н.э., греческие астрономы ввели два цикла: по 235 лунных месяцев (почти точно 19 лет) и 940 лунных месяцев (около 76 лет). В Римской хронологии эра основания города (ab urde condita или AUC) начинается с 22 апреля 753 г. до н.э. Христианская хронология, используемая нами, основана в 525 г. монахом Дионисием Малым (Ексигуусом), считавшим, что Иисус Христос родился в 753 г. после основания Рима. В 2000 г. наступил 2754 год от основания Рима (АГС). В то же время мусульмане отметили 137-й год хиджры, 5760-й год – иудеи. Римский ученый-монах Дионисий в 248 г. эры римского императора Диоклетиана (Первый год эры Диоклетиана соответствует 284 г. н.э.) предложил вести летоисчисление от новой эры, названной им эрой «от рождества Христова». Он объявил, что 248 г. соответствует 532 г. н.э., и рекомендовал следующий год нумеровать 533 годом. Так возникла новая или наша эра, от которой ведется счет лет до настоящего времени. Число 532 взято из соображений более легкого пути предвычисления даты празднования пасхи, чем Дионисий и занимался. Древнегреческий математик и астроном Метон еще в 432 г. до н.э. установил, что 235 лунных месяцев содержат столько же суток (6940д), сколько их заключено в 19 тропических годах. Поэтому через каждые 19 лет одинаковые лунные фазы приходятся на одни и те же календарные числа месяца. Этот период известен в астрономии под названием круга Луны или метонова цикла. Так как полнолуние наступает в одни и те же календарные даты через 19 лет, а пасха празднуется только в воскресенье, которое бывает раз в 7 дней, а период високоса равен 4, то Дионисий просто нашел общее наименьшее кратное этих чисел 19⋅7⋅4 = 532. Следовательно, пасха приходится в воскресенье одной и той же даты через каждые 532 года. В России новая эра исчисления была введена Указом Петра I с 1 января 1700 г. До этого на Руси счет годов велся «от сотворения мира», а новый календарный год с 1492 г. начинался с 1 сентября (сентябрьский стиль). В истории западных цивилизаций с основными проблемами хронологии сталкиваются в согласовании дат, исчисленных в различных календарях, типа юлианского, григорианского и мусульманского. Так что же такое время? Как его можно измерить? Каков возраст Вселенной? Кратчайший промежуток времени, который мы можем ощутить, порядка 0,1 с. Время реакции человека на внешний сигнал составляет около 0,2 с. Естественные единицы времени, с которыми мы имеем дело в повседневной жизни: день, год, времена года, лунные сутки – основаны на циклических изменениях, наблюдаемых в природе. Прямой зафиксированный опыт человечества распространяется примерно на 5000 лет – именно этому времени соответствуют первые памятники письменности шумерской цивилизации. Интервалы времени, отвечающие геологическим событиям, измеряют с применением «радиоактивных часов». Процесс радиоактивного распада нельзя ускорить или замедлить. Он протекает с постоянной скоростью, характерной для данного элемента. Так, например, при радио50 активном распаде одни из 1,6⋅1011 атомов изотопа рубидия превращается за год в атом стронция, то есть до полного исчезновения такого изотопа рубидия необходимо, по крайней мере, 1011 лет. Но на земле он обнаружен. Для урана эта постоянная составляет 10–10, для калия – 10–9. И они есть в земной коре. Следовательно, Земля не могла существовать вечно и «возраст» материала, из которого состоит Земля, не может превышать несколько миллиардов лет. Самая древняя порода, обнаруженная на Земле (в Антарктиде), имеет возраст 3900 ± 300 млн. лет. Недавние исследования найденных в Эфиопии каменных орудий труда показали, что их возраст около 2,5 млн. лет. Возраст определен по соотношению изотопов аргона в исследованных образцах. Точно таким же способом оценено время существования Солнечной системы – по измерению содержания радиоактивных элементов в метеоритах. Оказалось, что все метеориты имеют примерно одинаковый возраст – 4-5 млрд. лет. Одна из последних оценок возраста Вселенной – 16±2 млрд. лет. Метод нуклеокосмохронологии показал, что возраст одной из самых старых звезд CS22892-052 составляет от 13 до 21 млрд. лет. Но насколько можно верить этой оценке, если она сделана по спектру одной всего звезды по одиночной линии излучения тория? Таким образом, в самой природе, существуют физические явления и процессы, определяющие направление течения времени. В отличии от пространства, в каждую точку которого можно снова и снова возвращаться (и в этом отношении оно является как бы обратимым), время – необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвращаться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Необратимые процессы лежат в основе многих процессов, с особой отчетливостью они появляются на биологическом уровне. В 30-х гг. XX в. английский астрофизик А.С. Эддингтон (1882 – 1944) ввел понятие «стрелы времени». Приведем примеры процессов, характеризующих направление времени, воплощающих необратимость времени. Излучение – волны всегда испускаются источником и являются расходящимися, затухающими по прошествии времени (т.е. уходящими в будущее). Но не обнаружены волны, сходящиеся к источнику из прошлого (хотя теоретических можно решить уравнения, рассматривающие эту возможность). Термодинамика – второе начало устанавливает закон возрастания энтропии в системе, не обменивающейся с внешним миром ни энергией, ни веществом, выражает увеличение молекулярного хаоса до тех пор, пока система не достигнет термодинамического равновесия. Эволюция – для незамкнутых систем свойственна динамическая самоорганизации материи. Она наблюдается в биологической эволюции, эволюция общества и эволюции Вселенной в целом. Эволюция, другими словами, это возрастание порядка в системе, следовательно она противоречит второму началу термодинамики – закону возрастания энтропии. Радиоактивный распад – происходит необратимое преобразование одних атомов в другие, обратного процесса не наблюдается. Например, конечным продуктом распада урана является свинец. Геометрии пространства Уже в античном мире мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени. Знаменитый врач и философ из города Акраганта Эмпедокл считал «пустого пространства не существует». Демокрит утверждал, что пустота существует, как материи и атомы, и необходима для их перемещений и соединений. И только в «Началах» древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов обрели строгую математическую форму. В это время зарождается геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве. 51 На протяжении двух тысячелетий не один математик высказывал сомнение в физической истинности аксиомы Евклида о параллельных, которая гласит: Если две прямые пересечены третьей, то они пересекаются в той полуплоскости относительно секущей, где сумма односторонних внутренних углов меньше двух прямых. (Знаменитый пятый постулат). а 1 b 2 Рис. 3 Это означает, что если углы 1 и 2 в сумме меньше 180°, то прямые а и b, будучи продолженными достаточно далеко пересекутся (на рисунке – справа). Евклид имел достаточно веские основания, чтобы сформулировать свою аксиому именно так. Он мог бы утверждать, что если сумма углов 1 и 2 равна 180°, то прямые а и b никогда не пересекутся, сколько бы их не продолжали, т.е. что прямые а и b в этом случае параллельны. Пятый постулат оказался самым проблемным, в другой формулировке он гласит: из одной точки на плоскости можно провести только одну прямую, которая не будет пересекаться с данной, сколько бы ее ни продолжали. Евклид явно опасался предположить, что могут существовать две бесконечные прямые, которые никогда не пересекутся. Существование таких прямых не подкреплялось опытом и отнюдь не было самоочевидным. Т.е. этот постулат не был очевиден, так как никто не мог бы его экспериментально подтвердить даже в воображении – нельзя же линию продолжать в бесконечность. Но на основе аксиомы о параллельных и других аксиом своей геометрии Евклид доказал существование бесконечных протяженных параллельных прямых. Самого Евклида придуманный им вариант аксиомы о параллельных не устраивал. После Евклида не один десяток самых выдающихся математиков, не говоря уже о менее известных, пытались заменить аксиому о параллельных и вывести ее из других аксиом. С геометрией Евклида связывался тот взгляд, что пространство везде одно и то же. Она исходила из пяти аксиом или постулатов. Как уже известно, многих математиков не удовлетворял пятый постулат, который гласил, что из одной точки на плоскости можно провести только одну прямую, которая не будет пересекаться с данной, сколько бы ее ни продолжали. Этот постулат не был очевиден. Великий математик Карл Фридрих Гаусс (1777 – 1855) первым признал пятый постулат аксиомой и что, его можно заменить другими аксиомами, построив новую геометрию. Начиная с 1833 г. К. Гаусс разрабатывал свой вариант неевклидовой (астральной) геометрии. В письме к математику и астроному Фридриху Вильгельму Бесселю (1784 – 1846) признавался, что вряд ли когда-нибудь опубликует свои открытия в области неевклидовой геометрии из опасения насмешек, или, как выразился Гаусс, криков беотийцев (в переносном смысле – невежд). И лишь Николай Иванович Лобачевский (1793 – 1856) в России, Янош Бойаи (1802 – 1860) в Венгрии и Георг Бернхард Риман (1826 – 1866) в Германии (ученик К. Гаусса) построили новую геометрию, заменив пятый постулат. Б. Риман заменил его на аксиому: через точку, лежащую вне данной прямой на плоскости, нельзя провести ни одной параллельной, все они будут пересекаться с данной. Н.И. Лобачевский и Я. Бойаи допустили, что … существует множество прямых, которые не пересекутся с данной. 52 Для наглядной иллюстрации этих геометрий рассмотрим пространство двух измерений, называемое поверхностью. Евклидова геометрия реализуется на плоскости, Римана – на поверхности сферы, Лобачевского – на так называемой псевдосфере (отрицательной сфере). Построим фигуру «треугольник» на этих трех поверхностях. 1 2 3 Рис. 4 В геометрии Евклида сумма углов треугольника равна 180°, у Римана – больше 180°, а у Лобачевского – меньше 180° (рис. 1, 2, 3). Вообще, пространство имеет три измерения, для каждая геометрии характерна своя кривизна пространства: в евклидовой геометрии кривизна нулевая, у Римана – положительная, у Лобачевского – Бойая – отрицательная. Кривизна пространства понимается в науке как отступление его метрики от евклидовой, что точно описывается в языке математики, но не проявляется каким-то наглядным образом. Лобачевский и Риман считали, что только физические эксперименты могут показать нам, какова геометрия нашего мира. Эйнштейн в общей теории относительности сделала геометрию физической экспериментальной наукой, которая подтвердила характер пространства Римана. Общая теория относительности заменяет закон тяготения Ньютона новыми уравнениями тяготения и закон Ньютона становиться предельным случаем эйнштейновских уравнений. Интересен ответ А. Эйнштейна корреспонденту американской газеты «Нью-Йорк Таймс». На вопрос: в чем суть его теории относительности, Эйнштейн ответил: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы и пространство, и время». Многомерность пространства Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе «Об обращениях небесных сфер». Теория Коперника направила движение естественнонаучной мысли к признанию безграничности и бесконечности пространства. В рамках новой физической гравитационной картины мира развитой И. Ньютоном, утверждается представление о бесконечном пространстве, в котором находятся космические объекты, связанные между собой силой тяготения. Раскрывая сущность времени и пространства в своем основополагающем труде «Математические начала натуральной философии», Ньютон характеризует их как «вместилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве – в смысле порядка положения». Он предлагает различать два типа понятий пространства и времени: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные). В теории тяготения Ньютона считается, что пространство евклидово, а частицы движутся криволинейно только под действием сил. Ньютоновская концепция пространства и времени, на основе которой строилась физическая картина мира, оказалась господствующей вплоть до конца XIX века. Пространство считалось бесконечным, плоским, «прямолинейным», евклидовым. Его метрические свойства описывались геометрией Евклида. Оно рассматривалось как абсолютное, 53 пустое, однородное и изотропное (нет выделенных точек и направлений) и выступало в качестве «вместилища» материальных тел, как независимая от них инерциальная система. Время понималось абсолютным, однородным, равномерно текущим. Оно сразу и везде во всей Вселенной «единообразно и синхронно» и выступает как независимый от материальных объектов процесс длительности. Классическая механика сводила время к длительности, фиксируя определяющее свойство времени «показывать продолжительность события». (См.: Аксенов Г.П. «О причине времени» // Вопросы философии. – 1996. – №1, с.43). Значение указаний времени в механике считалось абсолютным, не зависящим от состояния движения тела отсчета. В XIX в. в физике появляется новое понятие – «поле», что, по словам Эйнштейна, явилось «самым важным достижением со времени Ньютона» (Эйнштейн А., Инфельд Л. «Эволюция физики». – М.: Мол. Гвардия, 1966. - с.220). Открытие существования поля в пространстве между зарядами и частицами было очень существенно для описания физических свойств пространства и времени. Структура электромагнитного поля описывается с помощью четырех уравнений Максвелла, устанавливающих связь величин, характеризующих электрические и магнитные поля с распределением в пространстве зарядов и токов. Как заметил сам Эйнштейн, теория относительности возникает из проблемы поля. Четырехмерное пространство Специальная теория относительности (СТО), созданная в 1905 г. А. Эйнштейном, стала результатом обобщения и синтеза классической механики Галилея – Ньютона и электродинамики Максвелла – Лоренца. Создатель СТО сформулировал обобщенный принцип относительности, который теперь распространяется и на электромагнитные явления, в том числе и на движение света. Этот принцип гласит, что никакими физическими опытами, производимыми внутри данной системы отсчета, нельзя установить различие между состояниями покоя и равномерного прямолинейного движения. Второй принцип устанавливает предельную скорость распространения материальных воздействий 300000 км/с. Эта скорость не может складываться ни с какой скоростью и для всех систем является постоянной, а все движущиеся тела на Земле по отношению к скорости света имеют скорость, равную нулю. В СТО наблюдается неразрывная связь относительного и абсолютного как одно из проявлений физической симметрии. Поскольку скорость света является абсолютной величиной, то и связь пространства и времени обнаруживается как некоторая абсолютная величина. Она выражается в пространственно-временном интервале по формуле s = l 2 + c 2t 2 . В каждой системе отсчета длина тела и временной промежуток будут различны, а эта величина останется неизменной. СТО объединила пространство и время в единое четырехмерное пространство-время и установила зависимость свойств пространства-времени от скорости движения тел. В общей теории относительности Эйнштейна (ОТО), или теории тяготения, предполагается, что единое пространство-время неевклидово, а частицы перемещаются вдоль путей, которые при заданной кривизне пространства совпадают с кратчайшими между собой двумя точками. Эйнштейн расширяет принцип относительности, распространяя его на неинерциальные системы отсчета. Фрактальное пространство Способы описания пространства и объектов в пространстве развиваются и сегодня. Известно, что линия имеет размерность 1 (число координат), плоскость – размерность 2, тело – размерность 3. Но можно ли представить себе множество с размерностью 3/2? В 1919 г. немецкий математик Ф. Хаусдорф (1868 – 1942) математически строго определил такое пространство. В 1975 г. математик Ш. Мандельбройт (1899 – 1983) назвал пространства с дробной размерностью фрактальными (от англ. «fraction» - дробь). Сопоставляя классическую геометрию с но54 вой, фрактальной геометрией, он писал: «Почему геометрию часто называют холодной и сухой? Одна из причин заключается в ее неспособности описать форму облака, горы, дерева или берега моря. Облака – это не сферы, линии берега – это не окружность, и кора не является гладкой, и молния не распространяется по прямой. Природа демонстрирует нам не просто более высокую степень, а совсем другой уровень сложности. Число различных масштабов длин в структурах всегда бесконечно. Существование этих структур бросает нам вызов в виде трудной задачи изучения тех форм, которые Евклид отбросил как бесформенные, - задачи исследования морфологии аморфного». Простейшим примером объекта, описываемого с помощью новой геометрии, является снежинка, открытая Г. Кохом в 1904 г. Рост снежинки ничем не ограничен, она внутренне бесконечна и самоподобна. Следует заметить вновь, что представления о фрактальных пространствах были введены совершенно формально, безотносительно к каким-либо физическим объектам. Сегодня же стало ясно, что они позволяют описывать разнообразные физические явления: свойства поверхности кристаллов, процессы в магнитных материалах, образование новых материалов при внешних воздействиях и др. Приведем определения пространства, даваемые математикой и физикой. В современной математике пространство определяют как множество каких-либо объектов, которые называют его точками. Ими могут быть геометрические фигуры, функции, состояния физических систем и т.д. Рассматриваются их множество как пространство, отвлекаются от всяких их свойств и учитывают только те свойства их совокупности, которые определяют принятыми во внимание ли введенными (по определению) отношениями. Эти отношения между точками и теме или иными фигурами, т.е. множествами точек, определяют «геометрию». (Математика // Физический энциклопедический словарь. М., 1983). Физический энциклопедический словарь (М., 1983) дает следующее определение: «... пространство выражает порядок сосуществования отдельных объектов, время – порядок смены явлений ...». Стремительное развитие естествознания дает веские основания считать, что на глубинных уровнях микромира пространство и время прерывны и подобно материи «квантованы», т.е. складываются из неделимых «порций». Прогнозируемый квант пространства может иметь размер порядка 10-35 м, (порядка планковской длины, характеризующей масштаб проявления квантовых свойств), но до реального проникновения в мир таких масштабов современной науке еще далеко. А универсальность пространства трех измерений, дополнена построением теоретической модели многомерных пространств (в теории супергравитации, например, использовано одиннадцать измерений пространства-времени). Сейчас не считается и универсальной характеристикой однонаправленность времени от прошлого к будущему. Так в модели «пульсирующей Вселенной» предполагается, что ныне наблюдаемое расширение Вселенной может при определенных условиях смениться сжатием. А математические уравнения, описывающие эту фазу эволюции, изменяют знак времени с положительного на отрицательный, т.е. время как бы «потечет вспять». Общая теория относительности (ОТО) показала, что метрические свойства пространствавремени определяются распределением и движением тяготеющих масс материи, и наоборот, силы тяготения в каждой точке пространства зависят от материи. Еще более глубокие представления о пространстве и времени дает квантовая теория поля. Например, в квантовой электродинамике по иному следует понимать пустоту – вакуум. Вакуум является сложной системой виртуально рождающихся и поглощающихся фотонов, электроннопозитронных пар и других частиц. Вакуум рассматривается как особый вид материи – как поле в состоянии с минимально возможной энергией. Т.е. квантовая механика показывает, что пространство и время нельзя оторвать от материи, что вакуум – это одно из состояний материи. 55 Оказалось, что минимальное состояние энергии не характеризуется ее нулевой плотностью. Минимум ее оказался равным 0,5hν. А по выражению известного советского физика – ядерщика Я. Зельдовича: «допустив это,… мы немедленно обнаруживаем, что все волны вместе дают бесконечную плотность энергии». Специфика микромира не соответствует обыденным представлениям о соотношении части и целого, это и многое другое в микромире являются фундаментальными проблемами современной теоретической физики. Современная естественнонаучная картина мира Развитие физики показывает, что происходит непрерывное движение от понимания отдельных, частных проблем ко все более общим законам природы. В шутку можно сказать, что Ньютон внес «новый тон» (new tone) в описание динамических законов природы, тем самым оправдывая свою знаменитую фамилию Newton. А то, что фундаментальные законы природы должны представлять нечто единое и незыблемое или краеугольный камень – на это обратил внимание А. Эйнштейн, оправдывая, словно по воле Провидения, свою столь же знаменитую фамилию Einstein. Современную постнеклассическую физику отличает то, что она подмечает в каждом шаге развития физики как бы упрощение ее законов и теорий в сторону их фундаментальности. Это исторически подтвердил еще в XIV в. францисканский монах и философ У. Оккам формулировкой принципа с названием «бритва Оккама»: «Чем ближе мы находимся к некоторой истине, тем проще оказываются законы, выражающие эту истину» или «не приумножай сущностей сверх необходимого». Современная естественнонаучная картина мира на основе физических представлений «физики существующего» отличается более фундаментальным уровнем рассмотрения явлений природы. Сформулирована концепция атомистического строения материи – все сущее состоит из 12 фундаментальных фермионов (частиц): 6 кварков различных ароматов и цветов и 6 лептонов с различными лептонными зарядами. Все многообразие природных явлений сводится к четырем видам фундаментальных взаимодействий – гравитационному, сильному, слабому и электромагнитному. Считается, что в окрестностях точки Большого Взрыва при Т > 1032К эти взаимодействия были объединены. Существующий мир (природа, социум и обществ в целом) основан на фундаментальном вероятностном принципе обобщения закономерностей, вытекающем из квантовой физики. Объекты материального мира рассматриваются как открытые системы, обменивающиеся с окружающей средой веществом, энергией, информацией. Для них характерны разнообразие, неустойчивости эволюции, нелинейные соотношения, процессы самоорганизации. Нелинейность стала фактором присущим всем процессам и явлениям живой и неживой природы и общества. Идея единства (подчинения единым фундаментальным законам природы) жизни природы, Земли, Вселенной, физической и духовной жизни человека, жизни и эволюции общества рассматривается на основе идеи В. Вернадского о ноосфере как симбиозе человечества и остальной природы, обеспечивающей их коэволюцию, взаимодействие и способ существования. Современная естественнонаучная картина мира дополняется и преобразуется синергетической картиной мира, объясняющей с единых позиций большинство глобальных процессов, используя нелинейность связей в различных моделях и системах. Постнеклассическое естествознание рассматривает материальный мир как процесс, который в синергетической картине мира представляется глобальной иерархической самоорганизующейся системой. На фундаментальном уровне природа едина. Н.Н. Моисеев писал: «Очень многое не ясно и скрыто от нашего взора. Тем не менее, сейчас перед нами развертывается грандиозная гипотетическая картина процесса самоорганизации материи от Большого Взрыва до настоящего времени, когда материя познает себя, когда ей присущ Разум, способный обеспечить ее целенаправленное развитие». 56 И не случайно, фундаментальная теоретическая физика подошла к разработке концепций, в которых объективно существующий мир уже не исчерпывается материальным миром, еще существует, так называемая реальность высшего порядка, определяющая структуру и эволюцию материального мира. Общие контуры эволюции Вселенной и принципы ее построения Крупные открытия второй половины XX в. позволяют сформировать общие контуры научной картины мира - это создание модели Большого Взрыва и расширяющейся Вселенной – в космологии (науки в целом о Вселенной); построение кварковой модели атома, установление типов фундаментальных взаимодействий, и построение первых теорий их объединения – в теоретической физике. Именно эти науки формируют общие контуры естественнонаучной картины мира. Современной науке известна хронология эпохальных событий во Вселенной, а во многом и сами механизмы эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Общие контуры эволюции Вселенной: • примерно 20 млрд. лет назад – произошел Большой Взрыв, • 3 мин спустя – образование вещественной основы Вселенной (фотонов, ядер легких элементов, электронов и др. частиц), • 300 – 500 тысяч лет спустя – появление атомов (легких элементов), • 19-17 млрд. лет назад – образование разномасштабных структур (галактик), • 15 млрд. лет назад – появление звезд первого поколения, образование атомов тяжелых элементов, • 5 млрд. лет назад – рождение звезды Солнце, • 4,6 млрд. лет назад – образование планеты Земля, • 3,8 млрд. лет назад – зарождение жизни, • 450 млн. лет назад – появление растений, • 150 млн. лет назад – появление млекопитающих, • 2 млн. лет назад – начало антропогенеза. Контуры эволюции Вселенной построены на следующих принципах естествознания: системность, глобальный эволюционизм, самоорганизация, историчность. Эти принципы в целом отвечают фундаментальным закономерностям существования и развития живой и неживой природы и общества. Системность означает воспроизведение наукой того факта, что наблюдаемая Вселенная представляет как наиболее крупная из всех известных нам систем, состоящая из огромного множества элементов разного уровня сложности и упорядоченности. Системный способ объединения элементов выражает их принципиальное единство: благодаря иерархическому включению систем разных уровней друг в друга каждый элемент любой системы, оказывается, связан со всеми элементами всех возможных систем. (Например, человек – биосфера – планета Земля – Солнечная система – галактика – …). Глобальный эволюционизм – это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции. Самоорганизация – это наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. Это принципиальные особенности формирования современного взгляда на эволюцию Вселенной, определяющие ее общие контуры, а также сам способ организации разнообразного научного знание в нечто целое и последовательное. Особенностью формирования взглядов на эволюцию Вселенной - это признание историчности, следовательно, принципиальной незавершенности настоящей, да и любой другой научной картины мира. Та, которая сейчас есть, порождена как предшествующей историей, так и специ57 фическими социокультурными особенностями. К тому же, развитие общества и Вселенной осуществляется в разных темпоритмах и это делает в итоге идею создания абсолютно истинной картины мира практически неосуществимой. Антропный принцип в космологии Как и в античные времена, по-прежнему актуальным остается вопрос о познаваемости мира. Космологические знания выводят человека за пределы математических теорий на постановку такого вопроса: способен ли человек познать происхождение Вселенной, а вместе с ней и самого себя? На сколько жизнь человека вписывается в общую теорию Вселенной и имеет ли она какое-то непреходящее значение. Попыткой ответа стало применение, скорее гуманитарного, антропного принципа (АП), согласно которому наша Вселенная обладает наблюдательными свойствами именно потому, что эти свойства допускают возможность существования наблюдателя, т.е. человека. Антропный принцип впервые был предложен нашим соотечественником Г. Идлисом в 1958 г и затем Б. Картером в 1974 г., но в неявном виде он уже функционировал и раньше в виде антропоморфизма. Этот принцип применяется в слабом и сильном вариантах. Слабый антропный принцип. На свойства Вселенной накладываются ограничения наличием нашей разумной жизни. То, что наблюдают астрономы, зависит от присутствия наблюдателя. Или в формулировке Дикке - Картера: «Наше положение во Вселенной с необходимостью является привилегированным в том смысле, что оно должно быть совместимо с нашим существованием как наблюдателей». Сильный антропный принцип. Свойства Вселенной должны быть такими, чтобы в ней обязательно была жизнь. Или «Вселенная (и, следовательно, фундаментальные параметры, от которых она зависит) должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». В различных формулировках антропного принципа речь идет, по сути, о единстве космоса и человека и той роли, которую выполняет последний в этом единстве. Согласно этим принципам между фундаментальными свойствами Вселенной и возможностью существования в ней жизни установлены строго определенные отношения. Эти свойства количественно выражаются через фундаментальные постоянные (например, постоянная Планка) и при их незначительном изменении может сильно измениться сценарий развития Вселенной и самой жизни во Вселенной. Получается, что антропный принцип превращает факт появления человека во Вселенной из случайного, незначительного в центральный, приоритетный. Сильный вариант антропного принципа предполагает некое «принуждение», словно Вселенной присуща некая цель, состоящая в порождении человеческой жизни, и мы вовсе не случайны, а встроены в порядок вещей с самого начала. Но человек, как существо, способное к пониманию, занимает во Вселенной действительно центральное положение для современной науки три суждения не вызывают особый сомнений: 1) человек – существо космическое; 2) человек познает Вселенную доступным ему образом; 3) в качестве познающего существа человек не имеет в космосе альтернативы. Именно эти суждения и споры вокруг них дали слабый антропный принцип: то, что человек может наблюдать, ограничено условиями его существования и сильный антропный принцип: то, что на некотором этапе эволюции Вселенной допускается существование наблюдателей. Сильный антропный принцип, по сути, за то, чтобы изучаемый космос должен соответствовать природе наблюдателей. Но долженствование – это этический феномен, где имеется возможность выбора или специального проекта. Для космологии как науки характерен не критерий 58 долженствования, а критерий подтверждаемости. Космология дает картину того, что есть, а не того что должно быть. Таким образом, сильный антропный принцип в космологии не является научным положением, он – результат подмены критерия подтверждаемости знания критерием долженствования знания. Такая подмена в космологии приводит к мистификации научного знания в неадекватных, по сути дела, формулировках антропного и теистического принципов. Различия в объяснении причин космической эволюции связаны в первую очередь с расхождением мировоззренческих установок. Существуют две концепции эволюции Вселенной: концепция самоорганизации и концепция креационизма или теистического (от греч. Theos – бог) космологического принципа. По первой концепции материальная Вселенная является единственной реальностью, в ней идет самопроизвольное упорядочивание систем в направлении становления все более сложных структур. Динамический хаос порождает порядок. Эта концепция отвечает в большей степени слабому АП. Согласно второй концепции, концепции творения, эволюция Вселенной связывается с реализацией программы, определяющей реальность более высокого порядка, чем материальный мир, т.е. Вселенная эволюционизирует по проекту космического Творца. Физическая структура Вселенной запрограммирована на появление жизни, на конечную цель космической эволюции – появление человека во Вселенной в соответствии с законами Творца. Но астрономия и космология обнаружили немало закономерностей, и все они присущи не потусторонним силам, а самим космическим объектам и процессам. Лекция 5. Химическая и биологическая эволюция материи Наука о веществах и их взаимодействиях Термин «химия» происходит (по Плутарху) от одного из древних названий Египта – понятием Хеми («черная земля») и в первоначальном смысле означал «египетское искусство». Позже химия определялась как искусство делания золота и серебра. Существует и иная точка зрения, связанная с греческим hymia - искусство литья. Наука о веществах зародилась в передовой стране древнего мира - Египте. Металлургия, керамика, производство стекла крашение, парфюмерия, косметика достигли там значительного развития задолго до нашей эры. Наука о веществах и их взаимодействиях, химия, считалась в Египте «божественной наукой» и находилась целиком в руках жрецов. Не случайно термин «алхимия» появился именно на арабском Востоке. Целью алхимиков было, создание «философского камня», способного все металлы превращать в золото. Золото же было практически востребовано развивающейся торговлей в Европе, а известных месторождений было мало. В основе взглядов алхимиков лежали представления Аристотеля, который основными началами природы считал абстрактные «принципы» (простейших форм) - холод, тепло, сухость и влажность. Комбинируя их и наделяя ими «первичную материю» (первоматерия лишена всякой формы, всяких свойств и качеств), Аристотель выделил четыре «основных элемента»: землю, огонь, воздух и воду. Алхимики к принципам и элементам Аристотеля добавили растворимость (соль), горючесть (сера), металличность (ртуть). Научное определение химического элемента, когда еще не было открыто ни одно из них, сформулировал английский химик и физик Р. Бойль. Первым был открыт химический элемент фосфор в 1669 г., потом кобальт, никель и другие. Открытие французским химиком А.Л. Лавуазье кислорода и установление его роли в образовании различных химических соединений позволило отказаться от прежних представлений об «огненной материи» (флогистоне). С появлением в науке точных количественных методов, открытием закона сохранения массы, представлением об атомном строении вещества, кстати, являющимся одним из самых древних и существующих в современной науке, дало возможность Дж. Дальтону (1766 – 1844) в 59 1803 г. сформулировать закон кратных отношений, утверждающий, что элементы входят в соединение некоторыми порциями, и сделать вывод о дискретном строении вещества. Именно Дальтон ввел в современную науку представление об атомах как мельчайших частицах, из которых образованы все вещества, и понятие «атомный вес». Сразу же после освоения наукой понятия об атомах, стали предприниматься попытки систематики химических элементов. Русскому ученому Д.И. Менделееву (1834 – 1907) удалось открыть периодический закон, систематизирующий все известные на момент открытия (1869) химические элементы, и предсказать существование новых. А после открытия гелия (сначала на Солнце) появилась новая группа элементов в периодической системе – под названием, инертные газы (гелий, аргон, криптон, неон, ксенон). В периодической системе Д.И. Менделеева насчитывалось 62 элемента, в 1930-е гг. она заканчивалась ураном (Z = 92). В 1999 г. было сообщено об открытии 114-го элемента. После опытов Резерфорда стала известна сложная структура атома: массивное положительно заряженное ядро, окруженное отрицательно заряженными электронами, значительно боле легкими, чем ядро. Размер ядра – 10 –15м. В периодической таблице атому соответствует химический элемент с определенным атомным номером от 1 до 92. Существуют также и трансурановые элементы с номерами больше 92. Они имеют малые времени жизни и в природе при естественных условиях не встречаются. Сведение качественных различий между атомами к количественным, позволило понять структуру периодического закона Менделеева и принципы систематизации атомов. Применение в современной химической науке физических методов исследования вещества позволило выявить физическую природу химизма, т.е. внутренние силы, которые объединяют атомы в молекулы, представляющие собой прочную квантово-механическую целостность. Такими силами оказались химические связи, проявляющие свойства валентных электронов. Электрон в таких случаях выглядит как электронное облако, располагающее в поле действия атомного ядра. С открытием физиками природы химизма как обменного взаимодействия электронов химики совершенно по-другому стали рассматривать химическое соединение – оно стало более широким понятием. Это вещество, атомы которого за счет обменного взаимодействия (химической связи) объединены в частицы-молекулы, комплексы, монокристаллы или иные агрегаты. Химическое соединение может состоять и из одного элемента, например, Н2, О2, С (графит, алмаз). Понятие «молекула» было введено французским химиком П. Гассенди (1592-1655) именно как «соединение атомов». На основе современных достижений химии появилась возможность замены металлов керамикой. В настоящее время в мире более 95% изделий из металла в своей основе содержит железо, такое его потребление ведет к дефициту (в земной коре доля железа составляет всего 4,6% , а кислорода и кремния – 47% и 27,5%. Поэтому стоит задача заменить железо наиболее распространенным кремнием. В последние годы ученые открыли новую группу металлоорганических соединений с войной структурой, из-за чего они получили название «сэндвичевых соединений». Молекулы такого соединения представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом металла или атомы двух металлов. Пока они практического применения не нашли, но рассматриваются как доказательство наличия электронно-ядерного взаимодействия у молекул. Методы и концепции химии Химические знания до определенного момента накапливались эмпирически. Но когда их стало много, назрела необходимость в классификации и систематизации. Основоположником системного подхода в химии стал Д.И. Менделеев. Системный подход позволил ему в 1869 г. открыть периодический закон и разработать Периодическую систему химических элементов. Его периодический закон сформулирован в следующем виде: свойства простых тел, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от величины 60 атомных весов элементов (в современной трактовке - от величины заряда ядра атома (порядкового номера). Всю картину современной химии в состоянии объяснить четыре концептуальные системы химических знаний. Их можно показать следующим образом: 1. 1660-е гг. Учение о составе. 2. 1800-е гг. Структурная химия. 3. 1950-е гг. Учение о химических процессах. 4. 1970-е гг. Эволюционная химия. О качественном росте знаний в химии при переходе от одной концептуальной системы к другой можно судить на примере изготовления синтетического каучука. Сам факт его получения в промышленном масштабе был грандиозным успехом. Но такой каучук оказался очень дорогим. Еще в 1909 – 1913 гг. русский ученый С.В. Лебедев установил, что каучук может быть получен на основе бутадиена (дивинила), который в природе не существует. Но его получали из этилового спирта с 28% выходом. Спирт же получали из зерна, свеклы и картофеля. Таким образом, на уровне структурной химии было организовано производство синтетического каучука. С разработкой учения о химических процессах синтез каучука стали производить из дивинила, получаемого пиролизом нефти. Такое производство каучука функционирует и сегодня. Но в настоящее время появилась возможность получать дивинил на четвертой – эволюционном уровне развития химии. В этом случае реакцию пиролиза нефтяного сырья осуществляют в условиях плазмы при температуре 4-5 тыс. град. Один небольшой реактор – плазмотрон диаметром 20 см и длиной 60 см, обслуживаемый одним человеком, способен заменить пиролизный завод. Характеристика четырех концептуальных систем химии 1. Учение о составе решает три главные проблемы: проблему химического элемента, проблему химического соединения, проблему вовлечения все большего числа элементов в производство новых материалов. Первая проблема была решена Д.И. Менделеевым созданием Периодической системы элементов. Первым же кто дал представление о химическом элементе как «простом теле» или как о пределе химического разложения вещества Р. Бойль. А.Л. Лавуазье с открытием кислорода отвергает теорию флогистона («огненная материя»). Открытие физической природы химизма позволило рассмотреть химические связи – как обменное взаимодействие электронов, как «перекрывание электронных облаков». В результате этого химия стала поновому решать и проблему химического соединения. К особым видам химических соединений относятся макромолекулы. Они обычно состоят из большого числа атомов, до нескольких тысяч, и обладают качественно новыми свойствами, как это философски имеет место в соотношении целого и его частей. Органическими молекулами являются те, которые содержат углерод, образованные из него вещества также относят к органическим (1700 тысяч). Начиная с середины 20-го в. новые химические элементы стали использоваться в синтезе элементоорганических соединений от алюминия до фтора. 2. С возникновением структурной химии появляется инструмент качественного преобразования веществ. В свое время на химиков оказала влияние теория валентности Ф.А. Кекуле и присущие его формулам схематизм. Теория химического строения А.М. Бутлерова способствовала активным действиям химиков. В 1860 – 1880 гг. синтезируют анилиновые красители фуксин, анилиновую соль, ализарин; получают взрывчатые вещества – тринитротолуол, тринитрофенол; лекарственные вещества – аспирин и др. Но структурная химия не могла указать пути производства этилена, бензола и др. диеновых углеводородов. Как позже оказалось, все эти процессы легко осуществляются посредством химической кинетики и термодинамики. Производство, основанное на основе органического синтеза, использовало дорогостоящее сырье сельскохозяйственного производства – зерно, жиры, молочные продукты. 61 Благодаря достижениям структурной химии был открыт новый класс металлоорганических соединений «сэндвичевые соединения». Их рассматривают как наглядную демонстрацию наличия у молекул единой системы электронно-ядерного взаимодействия. Структурная неорганическая химия – это, по существу, химия твердого тела и физика твердого тела – занимается решением проблем получения сверхпрочных, сверхчистых, термостойких, с запрограммированными дефектами кристаллической решетки материалов. Решение одной из главных проблем нашли с переводом выращивания кристаллов в условиях невесомости на орбитальных станциях. 3. Учение о химических процессах – это область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. Методы управления химическими процессами (реакциями) подразделяются на термодинамические и кинетические, при которых ведущую роль играют те или иные катализаторы. К примеру, реакция синтеза аммиака очень проста с точки зрения состава и структуры исходных элементов: N2 + 3H2 = NH3. Но эта реакция идет со смещением равновесия «влево», и для нее требуется особое термодинамическое управление. На протяжении столетия, с 1813 по 1913 гг., она не могла быть осуществлена, так как химия не знала способов управления такой реакцией. Открытие Я.Х. ВантГоффа и А.Л. Шателье позволило установить, что синтез аммиака происходит на поверхности твердого катализатора при сдвиге равновесия «вправо» за счет применения высоких давлений. Одним из химических процессов органической химии является полимеризация – синтез макромолекул полимеров. Полимеры не имеют кристаллической структуры и состоят из большого числа повторяющихся звеньев – органических макромолекул. Термин «полимер» введен в 1833 г. шведским химиком Й.Я. Берцелиусом (1779-1848). Термодинамические методы позволяют управлять химическими процессами только при их направленности в прямую или обратную сторону. Термодинамика не оперирует понятием времени. Функции управления скоростью химических процессов выполняет химическая кинетика. Она устанавливает зависимость химических процессов от множества структурно-кинетических факторов: от строения реагентов до способов их смешивания, конструкции самого реактора и т.д. 4. Под эволюционными проблемами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений. Они привлекли внимание исследователей в 1970-е годы, так как в этом видится способ «освоить опыт лаборатории живого организма» и понимание, как из неорганической материи возникает органическая, а вместе с нею и жизнь. Первым ученым, осознавшим высокую упорядоченность и эффективность химических процессов в живых организмах, был основатель органической химии Й.Я. Берцелиус. Он установил, что основой лаборатории живого организма является биокатализ. Для освоения каталитического опыта живой природы и реализации его в промышленном производстве химики наметили ряд перспективных путей. 1. Развитие исследований в области металлокомплексного катализа с ориентацией на соответствующие объекты живой природы. 2. Моделирование биокатализаторов на клеточном уровне. 3. Использование достижений химии иммобилизованных систем (суть которой в закрепление выделенных из живого организма ферментов на твердой поверхности), дает возможность ферментативно обезвреживать сточные воды. 4. Изучение всего каталитического опыта живой природы с перспективой создания аналогов живых систем. Эволюционная химия Эволюционная химия как научное направление оформляется во 2-ой половине XX века. До этого химию, в отличие от биологии, «происхождение видов» вещества не интересовало. Эво62 люционную химию можно считать как бы предбиологией – наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем. Химики давно пытались понять, каким образом из неорганической материи возникает органическая как основа жизни на Земле. И.Я. Берцелиус первым установил, что основой живого является биокатализ, т.е. присутствие различных природных веществ в химической реакции, способных управлять ею, замедляя или ускоряя ее протекание. Эти катализаторы в живых системах определены самой природой. Для решения проблемы биокатализа и использования его результатов в промышленных масштабах химическая наука разработала ряд методов – это использование приемов живой природы, применение отдельных ферментов для моделирования биокатализаторов, освоение механизмов живой природы и другие. Эволюционная химия главное место отводит проблеме «самоорганизации» систем. Как известно в процессе возникновения на Земле предбиологических систем шел отбор необходимых элементов для появления жизни и ее функционирования и из более 100 химических элементов, многие принимают участие в жизнедеятельности живых организмов, но только шесть составляют основу живых систем, они получили название органогенов. В состав биологически важных компонентов живых систем входят еще 12 элементов: натрий, калий, кальций, магний, железо, цинк, кремний, алюминий, хлор, медь, кобальт, бор. Еще 20 – участвуют в зависимости от среды обитания и состава питания. Особая роль отведена природой углероду. Этот элемент способен организовать связи с элементами, противостоящими друг другу, и удерживать их внутри себя. Атомы углерода образуют почти все типы химических связей. На основе 6 органогенов и еще около 20 других элементов природа создала около 8 млн. различных химических соединений (96% из них органические соединения). Для химической науки (и науки вообще) остается загадкой, как природа из такого огромного количества соединений образовала сложнейших высокоорганизованный комплекс – биосистему. Выводы в этой связи таковы: На ранних стадиях химической эволюции мира катализ отсутствовал (при температуре выше 5000 К), т. к. условия высоких температур, электрических разрядов и радиации препятствуют образованию конденсированного состояния. Проявление катализа начинается при смягчении температурных условий и образовании первичных твердых тел (при температуре ниже 5000 К). Роль катализаторов возрастала по мере понижения температуры и приближении физических условий к земным. Появление относительно несложных систем, как СН3ОН, СН2, НС, СН, Н2СО и др, а также оксикислот, аминокислот и первичных сахаров было некаталитической подготовкой старта для большого катализа. Отбор активных соединений происходил в природе из тех продуктов, которые получились относительно большим числом химических путей, и обладали широким каталитическим спектром. В 1969 г. появилась общая теория химической эволюции и биогенеза, выдвинутая ранее (1964 г.) А.П. Руденко (1925-2004) (МГУ), в этой теории осуществлен синтез двух подходов – «субстратного» и «функционального» - к проблеме самоорганизации предбиологических систем. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции: эволюционные изменения катализатора происходят в том направлении, где проявляется его максимальная активность. Таким образом, и на этой стадии эволюции природы происходил отбор наиболее нужных ей веществ для создания живых организмов. Самопроизвольная автокаталитическая реакция в природе «служит делу эволюции, является как бы «орудием» отбора наиболее прогрессивных 63 эволюционных изменений катализаторов. В этом смысле биокатализ с участием ферментов связан с проблемами биогенеза и происхождении жизни». Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного потока трансформируемой энергии. Теория самоорганизации открытых каталитических систем имеет ряд важных следствий: 1. стала возможна классификация катализаторов по уровню их организации (от кристаллов, близким к идеальным, к микрогетерогенным и коллоидным системам); 2. началось изучение катализа как динамического явления, связанного с изменением катализатора в ходе реакции; 3. была дана конкретная характеристика предела химической эволюции и переходу от хемогенеза к биогенезу. Другой моделью добиологической фазы образования макромолекул и их эволюции является теория молекулярной самоорганизации М. Эйгена (р. 1927), которая позволяет применить физические представления теории информации, кибернетики и термодинамики к эволюции живых систем. В этой модели организм рассматривается как открытая термодинамическая система, которая обменивается веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Живая открытая система пытается получить от окружающей среды именно свободную энергию и отдать ей «омертвленную» для него связанную энергию – энтропию, которую нельзя превратить в работу для процессов, происходящих в живом организме. Обмен веществом (метаболизм) и информация связаны между собой. Молекулы – мономеры, переходя из внешней среды в организм, несут информацию, которая внутри организма перерабатывается и закрепляется при процессах полимеризации и деструкции (распада до мономеров), т.е. первоначальная информация об окружающем мире для живого организма закодирована химическим путем. Например, «память» макромолекул – это фиксированная последовательность химических связей. Полимеризация идет путем самоинструктируемой репродукции (воспроизведении) образованных макромолекул. Если скорость репродукции больше скорости распада, то макромолекулы растут, в противном случае – распадаются. По Волькенштейну, «вымирают» те молекулы, которые не обладают максимальной селекционной ценностью. Таким образом, количественное понимание принципа естественного отбора Дарвина определяется в данной теории ценностью информации и степенью ее незаменимости для живого организма, в таком подходе физически можно осмыслить дарвиновское определение «наиболее приспособленный». Информация в теории Эйгена оценивается по способности макромолекул с саморепродукции, в этой связи, предшественниками живых систем могут быть не любые макромолекулы, а лишь те, которые обладают необходимыми информационными свойствами. Тем самым теория Эйгена переносит дарвиновскую эволюцию в форме селекции и отбора на добиологическую стадию развития. Под самоорганизацией в этой теории понимается не только накопление информации при оттоке энтропии при упорядоченности организма, но и построение некоторой структурной копии этой информации в создаваемых макромолекулярных комбинациях. Таким образом, химическая наука на ее высшем эволюционном уровне углубляет представления о мире. Концепция эволюционной химии: о химической эволюции на Земле, о самоорганизации и самосовершенствовании химических процессов, о переходе от химической эволюции к биогенезу, являются убедительным аргументом, подтверждающим научное понимание происхождения жизни во Вселенной. Жизнь во всем ее многообразии возникла на Земле самопроизвольно из неживой материи, она сохранилась и функционирует уже миллиарды лет. Наука о живой природе Биология: от греч. «биос» – жизнь, «логос» – учение – совокупность наук о живой природе. Задача общей биологии – выявление и объяснение общих свойств и многообразия живых организмов между собой и взаимодействие их с окружающей средой. 64 Среди основных направлений биологии сейчас усиленно развивается физико-химическая биология, использующая методы и подходы химии, физики и математики (биохимия, молекулярная биология, биофизика). Вплоть до середины 20 в. статус биологии был по преимуществу феноменологическим (от греч. phenomenon – являющееся). Для современной биологии характерно исследование не только как именно происходит биологический процесс, но и каковы его динамические истоки, т.е. характерен микродинамический концептуальный или молекулярно-биологический подход, на уровне белков, нуклеиновых кислот, углеводов, жиров и т.д. По уровню изучения (уровню организации) живой материи различают: молекулярную биологию, учение о клетке, или цитологию (от греч. «цитос» - клетка), учение о тканях, или гистология (от греч. «гистос» - ткань), науку об органах – анатомию, или органологию, биологию организмов и биологию групп организмов – популяций, видов и т.д. Структурные уровни живого Мир живого чрезвычайно многообразен, имеет сложную структуру. На основе разных критериев могут быть выделены различные уровни, или подсистемы, живого мира. Наиболее распространенными является выделение на основе масштабности следующих уровней организации живого. Молекулярный – живая система состоит из большого количества элементарных единиц – мономеров; с этого уровня в живой системе начинается обмен веществ и превращение энергии, передача наследственной информации и др. и выделяется существование трех типов биологических полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты, а также важные для организма такие органические соединения – липиды. Клеточный – структурной и функциональной единицей живых организмов, саморегулирующейся и самовоспроизводящей является клетка; свободноживущих неклеточных форм жизни на Земле не существует. Тканевый – совокупность сходных по строению клеток и межклеточного вещества, объединенных выполнением общей функции. Органный – органы – это структурно- функциональные объединения нескольких типов тканей. Организменный – многоклеточный организм представляет собой целостную систему органов, специализированных для выполнения различных функций. Популяционно-видовой – совокупность организмов одного и того же вида, объединенных общим местом обитания, образует популяцию как систему надорганизменного порядка. В этой системе осуществляются эволюционные преобразования. Биогеоценотический – совокупность организмов, объединенных обменом веществ и энергии в единый природный комплекс. Биосферный – система высшего порядка, охватывающая все явления природы на нашей планете, с круговоротом веществ и превращением энергии, связанные с жизнедеятельностью всех живых организмов, обитаемых на Земле. Всем уровням организации живой материи присущи черты, отличающие ее от неживой материи. Элементный состав неживой природы в основном представляется кислородом, кремнием, железом, магнием, алюминием и по убывающей другими элементами. В живых же организмах около 98% массы приходится на четыре элемента: водород, кислород, углерод и азот. К основным чертам (признакам) живого относят: обмен веществ, самовоспроизведение (репродукция), наследственность, изменчивость, рост и развитие, раздражимость, дискретность, саморегуляция, ритмичность, энергозависимость. Обмен веществ или метаболизм – складывающийся из процессов: ассимиляции (анаболизм) и диссимиляции (катаболизм). Живые организмы поглощают и усваивают из окружающей сре65 ды различные вещества. В клетках непрерывно протекают процессы биологического синтеза, из простых низкомолекулярных веществ с участием ферментов образуются сложные высокомолекулярные соединения. Самовоспроизведение – способность к размножению, воспроизведению себе подобных; осуществляется на всех уровнях организации живой материи на основе реакции матричного синтеза, т.е. на основе информации, заложенной в последовательности ДНК и связанное с явлением наследственности. Наследственность – обусловлена постоянством строения ДНК – носителем наследственной информации; способность организмов передавать свои признаки, свойства и особенности развития из поколения в поколение. Изменчивость – способность организмов приобретать новые признаки и свойства на основе изменения биологических матриц; свойство противоположно-связанное с наследственностью, связанное с изменением наследственных задатков – генов, определяющих развитие тех или иных признаков. Рост и развитие – способность к развитию – всеобщее свойство материи, для живой формы существования материи представляется индивидуальным развитием или онтогенезом, и историческим развитием, или филогенезом (эволюцией); это необратимый, направленный, закономерный процесс изменения объектов живой и неживой природы; развитие сопровождается ростом – увеличением его массы. Раздражимость – свойство организма избирательно реагировать на изменение внешней и внутренней среды; реакция многоклеточных животных на раздражение осуществляется с участием нервной системы – рефлекс. Реакции простейших животных и низших растений – таксис или тропизм, с прибавлением названия раздражителя, например, фототаксис, гелиотропизм. Дискретность – жизнь на Земле проявляется в виде дискретных (разделенных) форм; отдельный организм или биологическая система состоит из отдельных изолированных, отграниченных в пространстве частей, но тесно связанных и взаимодействующих между собой частей, образующих структурно-функциональное единство; дискретность вида представляет собой возможность его эволюции через сохранение индивидов с полезными для выживания признаками. Саморегуляция (авторегуляция) – способность живых организмов поддерживать постоянство своего химического состава и интенсивность течения физиологических процессов. Например, понижение концентрации АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – универсального аккумулятора (накопителя) энергии в клетке – служит сигналом, запускающим процесс ее синтеза и наоборот. Повышение концентрации глюкозы в крови приводит к усилению выработки гормона поджелудочной железы – инсулина, уменьшающего содержание сахара в крови. Ритмичность – свойство присущее как живой, так и неживой природе, связанное с распространением в природе колебательных процессов; обусловлена космическими ритмами (повторяемостью, периодичностью): вращение Земли вокруг Солнца (сезонные ритмы) и своей оси (суточные ритмы), фазами Луны и т.д. Энергозависимость – живые тела это открытые системы, в которых непрерывно происходит обмен веществом и энергией с окружающей средой. Одно из определений жизни с материалистических позиций было дано более 100 лет назад немецким философом-марксистом Ф. Энгельсом (1820-1895): Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел. Современный отечественный ученый М.И. Волькенштейн (1912-1992) так определял это понятие: «Живые тела, существующие на Земле, представляют собой открытые саморегулирующиеся и самовоспроизводящиеся системы, построенные из биополимеров – белков и нуклеиновых кислот». 66 Американский физик Ф. Типлер в книге «Физика бессмертия» предложил самое краткое определение жизни: «Я определяю жизнь как некую закодированную информацию, которая сохраняется естественным отбором». Принципы биологической эволюции Издавна люди пытались найти объяснение многообразию и причудливости мира. На протяжении тысячелетий господствовало элементарное объяснение, которое состояло в том, что будто бы все виды организмов были созданы однажды в их нынешних формах и больше никогда не изменялись. Так сказано в Библии, таких же взглядов придерживался Аристотель. Церковь до сих пор проповедует, что все многообразие организмов, населяющих Землю, явилось результатом акта божественного творения мира за шесть дней, а любое другое объяснение она воспринимает как оскорбление веры. Эта концепция, признающая неизменность видов живых существ и рассматривающая многообразие живого мира как результат его творения Богом, получила название креационизма (от лат. ... – создание, творение). Под влиянием идеи о неизменности всего живого была предложена шведским натуралистом Карлом Линнеем искусственная классификация видов животных. Однако, обнаруженные в разных местах Земли ископаемые останки странных животных и растений, совершенно непохожих на современных, позволили сделать некоторыми ученым вывод, что организмы, населяющие Землю, не неизменны, а претерпевают эволюцию. Благодаря работам французского биолога Жана-Батиста. Ламарка (1744 – 1829), была объяснена изменчивость видов двумя факторами: влиянием внешней среды и наследственностью. Ж. Ламарк обнародовал свою теорию в классическом труде «Философия зоологии», которое опередило время на 60 лет и не было понято современниками. Жорж Кювье (1769 – 1832) – великий французский палеонтолог и основатель теории катастроф, считавший, что виды животных и растений возникли независимо один от другого и укладывавший историю Земли в 7 тыс. лет, был главным противником Ламарка. В «Философии зоологии Ламарк провозгласил принцип эволюции всеобщим законом живой природы, он верно понимал взаимодействие двух сил в природе – приспособления и наследственности. Ему недоставало лишь дарвиновской идеи естественного отбора в борьбе за существование. Наконец, Чарльз Дарвин в своей знаменитой работе «Происхождение видов путем естественного отбора», вышедшей в 1859 г., он обобщил отдельные эволюционные идеи, создал теорию эволюции. Суть эволюционной теории Дарвина состоит в следующем. Всему живому свойственен процесс размножения. Каждый вид с помощью этого процесса сохраняет себя на Земле. Так как организмов каждого вида рождается слишком много, не все могут обеспечить себя пищей и выжить. В действительности же заселение нашей планеты каким-нибудь одним видом растений или животных не происходит. Выживают лишь те особи, которые обладают признаками, дающими преимущества в борьбе за существование. Те, кто выжил, передают эти выгодные признаки своему потомству, и, таким образом, в природе происходит «переживание наиболее приспособленных», совершенствование. Изменчивость (новые признаки) закрепляются наследственностью, и естественный отбор приводит к прогрессивному развитию – к эволюции. Эволюция в природе всегда идет на пользу виду. Теория Дарвина разгадала «священную тайну» природы; естественным выводом из нее было объяснение происхождения человека от высокоорганизованных млекопитающих животных. В 1871 г. выходит в свет работа Дарвина «Происхождение человека и половой отбор», которая вызвала бурю возмущения среди теологов. Сегодня теория эволюции находит все новые области применения. К примеру, современная физика обосновывает концепцию универсальной эволюции: от Большого взрыва – до этапа исторической эволюции человека и общества. С точки зрения теории эволюции, все многообразие живой природы является результатом действия трех взаимосвязанных факторов (основных принципов): наследственности, изменчивости и естественного отбора. 67 Весь ход эволюции видов ведет к тому, что генетические и иные признаки, обеспечивающие выживание, встречаются от поколения к поколению все чаще в данном виде (популяции), определяя главное направление его развития. Лучше всего эволюционные процессы проявляются на популяционном уровне. Популяция – это длительно существующие группы особей, устойчиво сохраняющиеся на протяжении жизни многих поколений. Популяция, так или иначе, изолирована от соседних совокупностей особей данного вида. Виды – как правило, состоят из нескольких популяций. Появление элементарных эволюционных изменений в популяции, передающихся по наследству через несколько поколений, зависит от следующих факторов: перестройки носителей наследственности – генов, популяционных волн, изоляции и естественного отбора. Перестройка генов, или мутационный процесс, является основой разнообразия особей в популяции. Но этот процесс не является решающим фактором эволюции. Популяционные волны – резкие колебания численности особей из-за различных природных колебаний. Этот фактор тоже не определяет направление эволюции. Изоляция – уменьшает возможность обмена генетической информацией с другими группами особей данного вида, выступает как фактор, закрепляющий начальную стадию дифференциации генофонда обособившейся группы. Также не задает направления эволюционному процессу. Естественный отбор – является основным фактором, направляющим эволюционные изменения. Его результаты проявляются в ходе смены многих поколений. Он имеет четкую направленность – повышение способности к выживанию, к оставлению потомства. Таким образом, эволюция есть направленный процесс исторического изменения живых организмов. Клетка - как «первокирпичик» живого. Так называемые «первокирпичики» имеются на каждом из уровней организации природы. В сфере физических наук такую роль играют фундаментальные частицы – кварки, которые не имеют внутренней структуры (экспериментально не открыты). В сфере химических наук – это более крупные частицы – атомы различных химических элементов, причем атом более устойчивая и стабильная частица, чем кварк. Подобная фундаментальная частица есть и в биологии. Это – живая клетка. Именно она является мельчайшей системой, обладающей всем комплексом свойств живого, в том числе и носителем генетической информации. Создание клеточной теории (основатели нем. ученые Т. Шванн и М.Я. Шлейден), стало одним из крупнейших достижений биологии XIX в. Исследования в области цитологии (учении о живой клетке) показали, что клетки имеют некоторые общие свойства в строении и функционировании (обмен веществ, саморегуляция, передача наследственной информации). Клетки весьма многообразны. Они могут существовать как одноклеточные организмы (амебы), а также и в составе многоклеточных. У клеток разный срок существования. Размеры клеток колеблются от одной тысячной сантиметра до 10 см (редко). Клетки имеют сложную структуру. В живой клетке по массе содержится около 70% кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3 % азота - (органогены), фосфора, серы и др. хим. элементов – десятые доли процента, йод, фтор и др. элементы – тысячные и десятитысячные доли процента. Она обособляется от внешней среды оболочкой, но через нее обеспечивается взаимодействие с внешним миром. Обмен веществ, обеспечиваемый клетками – важнейшее свойство всего живого, называемое метаболизмом клеток, который в свою очередь служит основой сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клетки называют гомеостазом. Гомеостаз – постоянство состава клетки, поддерживается обменом веществ, или метаболизмом. Обмен веществ – сложный, многоступенчатый процесс, от доставки в клетку исходных продуктов до выделения «отходов» из клетки. 68 К настоящему времени известно существование организмов с клеточным строением, но без ядра, так называемые прокариоты или безъядерные клетки. Они исторически являются предшественниками вполне развитых, имеющих ядро клеток, впервые появившихся около 3 млрд. лет тому назад – эукариотов. К прокариотам, т.е. древнейшим, относятся бактерии, сине-зеленые водоросли. Безъядерные клетки способны выполнять все свойственные типичным клеткам функции, включая обмен вещества, поддержание стабильности и т.п. В последнее время к миру живого относят вирусы, которые не имеют клеточной структуры (бесклеточные организмы). Это один из наиболее опасных видов мутагенов, не случайно в переводе с лат. (Virus – яд). Эти мельчайшие живые организмы можно рассмотреть только в электронный микроскоп. Все необходимые для их жизнедеятельности вещества они получают, проникая в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию. У человека вирусы вызывают множество заболеваний, включая грипп и спид (синдром приобретенного иммунодефицита). Зараженный вирусом СПИДа человек становится беззащитным перед любой инфекцией. Ген. Кто и как в клетке обеспечивает управление всеми сложными процессами? Исчерпывающего ответа на этот вопрос пока нет. Но общепризнано, что нити управления внутриклеточным обменом находятся в особых структурах в ядре клетки, в очень длинных цепях молекул нуклеиновых кислот ДНК, РНК, исходной структурной единицей которых является ген. Это своего рода природное кибернетическое устройство, содержащее инструкцию, информацию, коды, определяющие характер всей деятельности клетки, как по обмену вещества, так и по самовоспроизведению. Открытие в XX в. структуры и функционирования генетического аппарата клетки в развитии биологии сыграло такую же роль, как и открытие атомного ядра в физике. Если открытие ядра позволило человеку овладеть практически неисчерпаемыми запасами энергии, то открытие генов дало возможность людям вмешиваться в свойства живой клетки, управлять механизмами наследственности, практически решать задачи клонирования (копирования) живых организмов. Это крупнейшее открытие современной генетики также связано с установлением способности генов к перестройке, изменению. Эта способность называется мутированием. Результатом мутаций может быть появление организма нового вида – мутанта. Факторы, вызывающие мутации называются мутагенами. В последние годы в связи с загрязнением окружающей среды, повышением фона радиации возрастает число стихийных вредных мутаций. К примеру, ежегодно в мире рождается около 75 млн. детей, из них около 2% (ок. 1,5 млн.) – с наследственными болезнями, вызванными мутациями. По современным представлениям, живые организмы могут жить при температурах до 100°С. Но границы жизни до сих пор остаются неизвестными. Биосфера – термин, появившийся в конце XIXв. и характеризующий область активной жизни, охватывающий нижнюю часть атмосферы, гидросферу и верхнюю часть литосферы. Это активная оболочка Земли (В.И. Вернадский). В.И. Вернадским сформулированы три основных принципа эволюции биосферы как целостного образования. Синтетическая теория эволюции. Популяционно-генетический подход В XX в. динамичное развитие биологического познания привело к открытию молекулярных основ живого. Наука непосредственно приблизилась к решению величайшей проблемы – раскрытию сущности жизни. Вступление в XX в. ознаменовалось в биологии зарождением генетики как науки. Исходным событием явилось переоткрытие законов Менделя в 1900 г., т.е. в начале XX в. биология поднялась до уровня понимания открытия Менделя (опыты по скрещиванию различных сортов гороха). Далее последовали эмпирические открытия в области генетических исследований. Генетические эксперименты начались проводиться на разных объектах, как растительных, так и животных (мушка дрозофилы). За относительно короткий срок учение о наследственности было поставлено на качественно иной уровень 69 В России становление генетики происходило несколько позже и уже в 20 – 30-е гг. XX в. отечественная генетика достигала выдающихся результатов. Генетика – это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Центральным понятием генетики является «ген». Это элементарная единица наследственности; по своему уровню – внутриклеточная молекулярная структура; по химическому составу – это нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор. Вершиной теоретического обобщения накопленного генетикой эмпирического материала в первые десятилетия XX в. стала хромосомная теория наследственности. Непосредственно основания хромосомной теории наследственности были разработаны в 1902 – 1907 гг. нем. цитологом и эмбриологом Теодором Бовери и амер. генетиком Уолтером Саттоном, а завершенная полная формулировка была дана в работах амер. биолога Томаса Х. Моргана и его школы (А.Г. Стертевант, Г. Дж. Меллер, К. Бриджес и др.), удостоенных за разработку этой теории Нобелевской премии. Хромосомная теория наследственности не снимала противоречий между дарвинизмом и генетикой. Шагом на пути их преодоления явилось создание синтетической теории эволюции (СТЭ) – синтеза классического дарвинизма, генетики, систематики, палеонтологии, экологии. Тем самым биология перешла с классического на неклассический уровень познания. Идейные основы СТЭ сложились в научной школе русского генетика С.С. Четверикова (1880 – 1959), его исследования показали, что мутационный процесс происходит в природных популяциях и по мере старения вида в нем накапливается все больше мутаций, а полная изоляция популяции и естественный отбор приводят к образованию нового вида. СТЭ строится на следующих принципах и понятиях: Элементарной «клеточкой» биологической эволюции является не организм, не вид, а популяция. Популяция – это элементарная эволюционная структура. Элементарный эволюционный материал – это мутации, обычно случайно образующиеся. Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием элементарных эволюционных факторов, таких как: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор. Как уже отмечалось, естественный отбор – является ведущим эволюционным фактором, направляющим эволюционный процесс. Популяция – это самовоспроизводящаяся и трансформирующаяся совокупность особей. Самовоспроизведение придает особую биологическую значимость популяции. При этом смерть является заключительным итогом жизни особи, а не популяции. Смерть – участь особей. Популяция выступает как последовательная смена поколений и обладает интегративными свойствами, которые отсутствуют у особей. Другое название этого свойства – биологическая эволюция (от лат. evolution – развертывание). Строго говоря отдельный организм растет и развивается, но не эволюционизирует. Определяющий критерий эволюции – инфинитность, т.е. отсутствие конца (смерти). С этих позиций как раз популяция (а не особь) есть элементарная единица биологического эволюционного процесса. Главная идея концепции Дарвина (дарвинизма) состояла в обусловленности эволюции естественным отбором, но она неопределенно раскрывала механизм наследования приобретенных особью благоприятных для жизни ее потомства признаков. Сейчас с учетом генетических представлений эволюционное учение выступает в новом свете. Появление синтетической теории эволюции (30-ые гг. XX века) связано с объединением двух обособленных концепций – менделизма и дарвинизма. И во второй половине XX в. эта теории сродни популяционно-генетическому подходу (интерпретации, истолкования). Логика ПГП представляется в следующей интерпретации биологической эволюции: генотип – фенотип – адаптация – естественный отбор. Логика дарвинизма: фенотип – адаптация – естественный отбор – генотип. 70 С позиций ПГП неверно, что наследуются приобретенные признаки, наследуются геномы, т.е. генетическое содержание родительских гамет. Фенотип не определяет генотипа, наоборот, генотип обуславливает фенотип. Естественный отбор влияет, прежде всего, на генный материал. Происхождение жизни на Земле Происхождение жизни на Земле явилось третьим значительным этапом в ряду происхождения нашей Вселенной и происхождения Земли. Но только 3 мая 1924 г. на собрании Русского ботанического общества ученый-биохимик А. И. Опарин (1894-1980) с новой точки зрения рассмотрел проблему возникновения жизни. Его доклад «О возникновении жизни» стал исходной точкой нового взгляда на вечную проблему нашего появления на Земле. Необходимо подчеркнуть, что независимо от Опарина к таким же выводам пришел английский ученый-физиолог Джон Холдейн (1860-1936). Общим во взглядах Опарина и Холдейна было объяснение возникновения жизни в результате химической эволюции. Оба они подчеркивали огромную роль первичного океана как огромной химической лаборатории, в которой образовался «первичный бульон». Условия появление жизни. Зарождение жизни не произошло само по себе, а совершилось благодаря определенным внешним условиям, сложившимся к тому времени. Главные условия возникновения жизни: • соответствующая масса и размеры планеты; • наличие воды на планете – физико-химические свойства воды: наибольшая теплоемкость, низкая теплопроводность, расширение при замерзании, хороший растворитель и др.; • наличие углерода на планете Земля в виде графита и карбидов - из карбидов при их взаимодействии с водой образовывались углеводороды; • доступ внешней энергии в разных формах: лучистая энергия Солнца, в частности ультрафиолетовый свет, электрические разряды в атмосфере и энергия природных радиоактивных веществ. Образование биополимеров – коацерватов. На ранней стадии образования органический веществ из неорганических произошел предварительный отбор химический соединений способных к дальнейшему усложнению, т.е. эволюции организмов предшествовала почти в миллиард лет химическая эволюция. В ходе которой для построения любого сложного органического соединения живых организмов было отобрано всего лишь 29 составных белков – низкомолекулярных соединений (мономеров). В число их входят 20 аминокислот, 5 азотистых оснований для образования нуклеиновой кислоты, глюкоза – источник энергии, жиры – накопитель энергии и материал для мембран клеток. Когда же на Земле возникли вещества подобные белкам, начался переход от органических соединений к живым существам. Первоначально, органические вещества находились в морях и океанах в виде растворов, т.е. соединения на основе углерода образовали «первичный бульон» гидросферы. В них не было какого-либо строения, какой-либо структуры. Но когда подобные органические соединения смешивались между собой, в растворах образовывались упорядоченные молекулярные структуры – биополимеры: белки и нуклеиновые кислоты в виде как особые полужидкие, студенистые образования — коацерваты. Коацерваты – мельчайшие коллоидные частицы – капли, обладающие осмотическими свойствами. В них концентрировались все находящиеся в растворе белковые вещества, и но они не обладали важнейшим биологическим свойством воспроизведения себе подобных. Но предпосылками возникновения живого в них уже содержалось, к тому же они объясняют появление биологических мембран как самого «трудного» этапа химической эволюции жизни. Первичная атмосфера Земли содержала в основном метан, аммиак, водяной пар и водород, поэтому бескислородная среда способствовала длительному процессу синтеза биополимеров: кислород, как сильный окислитель, разрушал бы этот процесс. 71 Кроме коацерватов в «первичном бульоне» накапливались полинуклеотиды, полипептиды и различные катализаторы, без которых невозможно образование способности к самовоспроизведению и обменную веществ. В результате образовались сложные ультрамолекулярные системы – пробионты - включающие в себя ферменты – белковые катализаторы, и механизм генетической информации - нуклеиновые кислоты как носителей этой наследственной информации – это можно считать моментов возникновения жизни на Земле – как особой формы существования материи с обменом с внешней средой, воспроизведение себе подобных, постоянное движение и развитие и т.п. Пробионты нуждались в различных химических соединениях — нуклеотидах, аминокислотах и др. Из-за низкой степени генетической информации, пробионты обладали достаточно ограниченными возможностями, т.к. использовали для своего роста готовые органические соединения, синтезированные в ходе химической эволюции, и если бы жизнь на своем раннем этапе существовала только в форме одного вида организмов, то первичный бульон был бы достаточно быстро исчерпан. Однако благодаря тенденции к приобретению большого разнообразия свойств, и в первую очередь, к возникновению способности синтезировать органические вещества из неорганических соединений с использованием солнечного света, этого не произошло. Коацерватные капельки обладали определенным внутренним строением. Частицы вещества в них были расположены не беспорядочно, как в растворе, а с определенной закономерностью. При образовании коацерватов возникали зачатки организации, однако, еще очень примитивной и неустойчивой. Для самой капельки эта организация имела большое значение. Любая коацерватная капелька была способна улавливать из раствора, в котором плавает, те или иные вещества. Они химически присоединялись к веществам самой капельки. Таким образом, в ней протекал процесс созидания и роста. Но в любой капельке наряду с созиданием существовал и распад. Тот или иной из этих процессов, в зависимости от состава и внутреннего строения капельки, начинал преобладать. Образовавшиеся коацерватные капельки плавали в растворе разнообразных веществ, капельки улавливали эти вещества и росли за их счет. Скорость роста отдельных капелек была неодинакова. Она зависела от внутреннего строения каждой из них. Если в капельке преобладали процессы разложения, то она распадалась. Вещества, ее составляющие, переходили в раствор и поглощались другими капельками. Более или менее длительно существовали лишь те капельки, в которых процессы созидания преобладали над процессами распада. Таким образом, все случайно возникающие формы организации сами собой выпадали из процесса дальнейшей эволюции материи. Каждая отдельная капелька не могла расти беспредельно как одна сплошная масса — она распадалась на дочерние капельки. Но каждая капелька в то же время была чем-то отлична от других и, отделившись, росла и изменялась самостоятельно. В новом поколении все неудачно организованные капельки погибали, а наиболее совершенные участвовали в дальнейшей эволюции материи - происходил естественный отбор коацерватных капелек. Рост коацерватов постепенно ускорялся. Причем научные данные подтверждают, что жизнь возникла не в открытом океане, а в шельфовой зоне моря или в лагунах, где были наиболее благоприятные условия для концентрации органических молекул и образования сложных макромолекулярных систем. Но главная проблема в происхождении жизни состоит в объяснении возникновения матричного синтеза белков как величайшего качественного скачка в эволюции материи, жизнь возникла не тогда, когда образовались пусть даже очень сложные органические соединения, отдельные молекулы ДНК и др., а тогда, когда начал действовать механизм нонвариантной редупликации. В ходе предбиологического отбора наибольшие шансы на сохранение имели те коацерваты, у которых способность к обмену веществ сочеталась со способностью к самовоспроизведению. Знание условий, которые способствовали возникновению жизни на Земле, позволяют понять, почему в наше время невозможно появление живых существ из неорганического мира. Теперь живые существа появляются только вследствие размножения. 72 Возникновение на Земле простейших живых существ: прокариотов - эукариотов – одноклеточных. Длительная эволюция совершенствования коацерватов привела к новой форме существования материи — к возникновению на Земле простейших живых существ, это произошло к концу биохимической стадии развития жизни – с появлением структурных образований – мембран, сыгравших важную роль в построении клеток. Строение первых живых организмов было совершеннее, чем у коацерватных капелек, но оно было несравненно проще нынешних живых существ. Биологические мембраны-органеллы, ответственны за форму, структуру и активность клетки. Биологические мембраны построены из агрегатов белков и липидов, способных отграничить органическое вещество от среды и служить защитной молекулярной оболочкой. Предполагается, что образование мембран могло начаться еще в процессе формирования коацерватов. Но для перехода от коацерватов к живой материи были необходимы не только мембраны, но и катализаторы химических процессов — ферменты или энзимы. Отбор коацерватов усиливал накопление белково-подобных полимеров, ответственных за ускорение химических реакций. Результаты отбора фиксировались в строении нуклеиновых кислот. Система успешно работающих последовательностей нуклеотидов в ДНК усовершенствовалась именно путем отбора. Возникновение самоорганизации зависело как от исходных химических предпосылок, так и от конкретных условий земной среды. Самоорганизация возникла как реакция на определенные условия. При самоорганизации отсеивалось множество различных неудачных вариантов, до тех пор, пока основные черты строения нуклеиновых кислот и белков не достигли оптимального соотношения с точки зрения естественного отбора. Благодаря предбиологическому отбору самих систем, а не только отдельных молекул, системы приобрели способность совершенствовать свою организацию. Это был уже следующий уровень биохимической эволюции, который обеспечивал возрастание их информационных возможностей. На последнем этапе эволюции обособленных органических систем сформировался генетический код. После образования генетического кода эволюция развивается вариациями. Чем дальше она продвигается во времени, тем многочисленнее и сложнее вариации. Первые организмы на Земле были одноклеточные – прокариоты. Прошли сотни миллионов лет самоорганизации прокариот, когда из них образовались эукариоты, т.е. в клетке сформировалось ядро с веществом, содержащим код синтеза белка, ядрышко, находящееся в ядре и другие структурные элементы. С появлением эукариот наметился выбор растительного или животного образа жизни, различие между которыми заключается в способе питания и связано с важнейшим для всего живого процессом – фотосинтезом. Т.е. растения и животные были мельчайшими одноклеточными существами, подобными живущим в наше время бактериям, сине-зеленым водорослям, амебам. Вначале пищей для живых существ были только органические вещества, возникшие из первичных углеводородов. Но с течением времени количество таких веществ уменьшилось. В этих условиях первичные живые организмы выработали в себе способность строить органические вещества из элементов неорганической природы — из углекислоты и воды. В процессе последовательного развития у них появилась способность поглощать энергию солнечного луча, разлагать за счет этой энергии углекислоту и строить в своем теле из ее углерода и воды органические вещества. Так возникли простейшие растения — сине-зеленые водоросли. Остатки синезеленых водорослей обнаруживаются в древнейших отложениях земной коры. Другие живые существа сохранили прежний способ питания, но пищей им стали служить первичные растения. Так возникли в своем первоначальном виде животные. Но исключительное разнообразие жизни осуществлялось на единообразной биохимической основе: нуклеиновые кислоты, белки, углеводы, жиры и несколько более редких соединений типа фосфатов. Основные химические элементы, из которых построена жизнь, — это углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Очевидно, организмы используют для своего строения простейшие и наиболее распространенные во Вселенной элементы, что обусловлено самой природой этих элементов. Например, атомы водорода, углерода, кислорода и азота (органогены) имеют не73 большие размеры и образовывают устойчивые соединения с двух и трехкратными связями, что повышает их реакционную способность. А образование сложных полимеров, без которых возникновение и развитие жизни вообще невозможны, связано со специфическими химическими особенностями углерода. Сера и фосфор присутствуют в относительно малых количествах (десятые доли процентов), но их роль для жизни особенно важна. Химические свойства этих элементов дают возможность образования кратных химических связей. Сера входит в состав белков, а фосфор — составная часть нуклеиновых кислот. Возникновение на Земле многоклеточных живых существ. Возникнув, жизнь стала развиваться быстрыми темпами показывая ускорение эволюции во времени. Если развитие от первичных пробионтов до аэробных форм потребовало около 3 млрд. лет, то с момента возникновения наземных растений и животных прошло около 500 млн. лет. Птицы и млекопитающие развились от первых наземных позвоночных за 100 млн. лет, приматы выделились за 12-15 млн. лет, для становления человека потребовалось около 3 млн. лет. Большим событием в истории последовательного развития живой природы стало возникновение многоклеточных организмов, т. е. живых существ, состоящих из многих клеток, объединенных в один организм. Постепенно, но значительно быстрее, чем раньше, живые организмы становились все сложнее и разнообразнее. Фотосинтез с появлением на Земле простейших растений сопровождался поступлением в атмосферу кислорода. Предполагается, что нынешнее содержание кислорода в атмосфере (21%) было достигнуто 250 млн. лет назад в результате интенсивного развития растений. Истинная основа жизни образовалась в результате появления клетки, в которой биологические мембраны объединили отдельные органеллы в единое целое. Первые клетки были примитивны и не имели ядра. Но такие клетки существуют и в настоящее время. Удивительно, ведь они появились более 3 млрд. лет назад. Первые клетки были прообразом всех живых организмов: растений, животных, бактерий. Позже, в процессе эволюции, под воздействием дарвиновских законов естественного отбора клетки совершенствовались и появились специализированные клетки высших многоклеточных, растений и животных — метафитов и метазоа. В качестве объединяющей зависимости между химической эволюцией переходящей затем в биохимическую и биологическую эволюцию можно привести следующую: • атомы • простые молекулы • сложные макромолекулы и ультра молекулярные системы (пробионты) • одноклеточные организмы. Итак, живой мир сотворен. На это потребовалось более 3 миллиардов лет, и это было самым трудным. Не поддается перечислению огромное количество вариантов развития исходных углеродных соединений. Однако самым важным был результат – возникновение жизни на Земле. Лекция 6. Человек как высший результат эволюции Вселенной Биосфера Культура древнего мира не признавала разделения на живое и неживое. Все существующее в мире и доступное наблюдению представлялось живым (анимизм). С накоплением опыта общения с природой сформировались представления о границе между живым и неживым. Живое от неживого можно отделить по следующим признакам: питание, дыхание, выделение, подвижность и рост, размножение, раздражимость, гомеостаз, дискретность. 74 В процессе исторического развития и естественного отбора на Земле сформировались группы организмов – сообщества, тесно связанные с определенными природными зонами и поясами (биомы). Совокупность растений, животных, грибов и микроорганизмов в локальной среде обитания (населяющих участки суши или водоемов с более и менее однородными условиями существования) называется биоценозом. Отдельные участки земной поверхности с определенными природно-климатическими условиями (географическая среда обитания живых организмов) называют геоценозами. В качестве составных частей биоценозы и геоценозы входят в более сложную систему – биогеоценоз (термин В.Н. Сукачева 1880-1967)). Или системы, создаваемые как результат взаимодействия (обмен веществом и энергией) биоценоза с окружающей средой обитания (водоемы, лесные массивы) называются биогеоценозом или экосистемами (термин англ. ботаника А. Тенсли). Самый высокий уровень организации жизни на Земле – биосфера. Впервые этот термин был использован в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом (1831-1914). Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания (вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами). Биосфера – это совокупность связанных между собой биологическим круговоротом веществ и энергий биогеоценозов на поверхности Земли, с одновременной миграцией атомов химических элементов через живое вещество. В совокупности биогеоценоз или экосистема – это элементарные ячейки суперсистемы – биосферы. За все время исторического эволюционного развития Земли, на ней возникло и исчезло колоссальное количество различных видов растений и живых организмов (около 500 млн.). В настоящее время насчитывается около 1,2 млн. видов животных и 0,5 млн. видов растений. Минеральных же видов неживой природы («косное вещество») насчитывается лишь всего около 10 тыс. видов. Эволюция жизни постепенно приводит к росту и углублению дифференциации внутри биосферы, которая подчиняется закону: чем выше видовой уровень дифференциации, тем меньше соответствующая ему биомасса (занимаемый объем). Большое значение для понимания эволюции жизни и роли всех процессов в становлении и функционировании биосферы на Земле сыграли работы и идеи выдающегося отечественного ученого В.И. Вернадского (1863-1945). Его комплексное учение о биосфере с особой ролью живого вещества, опирается на три, им же сформулированных, основных биогеохимических принципа эволюции биосферы как целостного образования. Биогеохимические принципы В.И. Вернадского Первый принцип. Биогенная миграция химических элементов всегда стремится к максимальному значению, но с сохранением постоянной химической основы эволюционных процессов органического мира. Вовлекая неорганическое вещество в биотический круговорот, живое способно со временем проникать в ранее недоступные области и увеличивать перерабатывающую активность. Освоение новых областей осуществляется за счет увеличения разнообразия форм живых организмов. Второй принцип. Эволюция видов, приводящая к созданию устойчивых форм жизни, идет в направлении, увеличивающем биогенную миграцию составляющих биосферы. Появление человека можно считать как закономерность биогеохимического процесса, связанного с резким ростом процесса переработки окружающей среды. Третий принцип. Заселение планеты должно быть максимально возможным для всего живого вещества. 75 Процесс заселения планеты есть следствие геометрической прогрессии размножения живых организмов и размеров планеты. Учитывая исключительно высокие темпы размножения живых организмов, этот принцип можно интерпретировать, как правило, полной заселенности Земли в любое геологическое время. По современным оценкам масса всех живых организмов на Земле близка к 5⋅1013 т. Живое вещество производит на Земле непрерывную работу по переработке своего окружения, по его изменению. Эта функция живого вещества ставит биосферу в особое положение, как активного начала, изменяющего газовый состав атмосферы, минеральный состав литосферы, почву, гидросферу. Человек, являясь частью живого вещества, также участвует в реализации геохимической функции живого вещества. Но при этом живое вещество служит основным системообразующим фактором и связывает динамическую гармонию (динамическое равновесие живых организмов различного уровня) биосферы в единое целое. В биосфере следует именно человека учитывать как решающего фактора преобразования органических и неорганических форм. Как уже явственно видно последствия появления человека как существа обладающего разумом, и его связь с биосферой многофункциональны. Для удовлетворения своих потребностей человек использует десятки и сотни видов диких живых организмов. С одной стороны, он одомашнил или вывел большое количество животных и культурных видов растений, тем самым значительно увеличив разнообразие органических форм в биосфере. С другой стороны, многие виды животных и растений были подвергнуты им беспощадному сознательному или несознательному уничтожению. В таком взаимодействии живая природа не остается нейтральной, живое активно приспосабливается к новым условиям существования и присутствию человека: многие насекомые и грызуны приспособились к ядам, применяемым человеком; популяции и виды – приспосабливаются к техногенной и загрязненной среде обитания. Человек как особая форма жизни с разумом способен существовать в целом автономно внутри биосферы, создавая себе техносферу. Если при формировании биосферы все биоценозы лишь поддерживают системную целостность путем обмена веществом и энергией, то человек, помимо этих функций, в первую очередь производит овеществление природы, создавая новые искусственные предметы, которые далеко не все гармонируют с окружающей действительностью. Кроме того, сделанное человеком, как правило, не способствует созданию новых запасов энергии, кроме запасов разрушительного характера, ставящих на грань катастрофы само существование не только разумной жизни, но жизни как таковой (изобретение ядерного оружия и приобретение как следствие, как «платы» - глобального терроризма). Таким образом, в ходе эволюции происходит процесс планетарной интеграции, – усиления и развития взаимозависимости и взаимодействия живого и неживого, а эволюция человеческого сообщества подвела мышлению планетарного масштаба или планетарному разуму. Человек начал осознавать, что именно существование жизни на Земле коренным образом изменяет облик нашей планеты и сознание разумного существа («homo sapiens») на ней - человека. Ноосфера Огромное влияние человека на природу и масштабные последствия его деятельности послужили основой для создания учения о ноосфере. Термин «ноосфера» (гр. noos – разум) переводится буквально как сфера разума. Впервые его ввел в научный оборот в 1927 г. фр. ученый Э. Леруа. Он рассматривал ноосферу как некое идеальное образование, внебиосферную оболочку мысли, окружающую Землю. Учение о ноосфере было сформулировано и в трудах одного из его основателей В.И. Вернадского, после детальной разработки его же учения о биосфере. Он употребляет понятие «ноосфера» в разных смыслах: 1) как состояние планеты, когда человек становится крупнейшей преобразующей геологической силой; 2) как область активного проявления научной мысли; 3) как главный фактор перестройки и изменения биосферы. 76 В настоящее время под ноосферой понимается сфера взаимодействия человека и природы, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится главным определяющим фактором развития. У Вернадского в его учении о биосфере живое вещество преобразует верхнюю оболочку Земли. Постепенно вмешательство человека все увеличивается, поэтому стержень учения, Вернадского о ноосфере в том, что человек несет ответственность за эволюцию планеты. В структуре ноосферы. В связи с этим человеку следует соизмерять свои потребности с возможностями биосферы. Воздействие на нее должно быть дозировано разумом в ходе эволюции биосферы и общества. Постепенно биосфера преобразуется в ноосферу, где ее развитие приобретает направленный характер. Сегодня, спустя несколько десятилетий после смерти ученого, говорить об устойчивой разумной деятельности человека (т.е. о том, что мы достигли состояния ноосферы) оснований нет. Человечеству предстоит решить, прежде всего, множество проблем человеческого характера, а не природного. А о ноосфере правильнее говорить, как о том идеале, к которому следует стремиться человеку (созвучной с наивной, доброй и такой же далекой мечтой о самом справедливом обществе). Человек. Происхождение человека Человек на Земле – самое молодое существо. Если представить истории Земли в рамках одного года, то за четверть часа до Нового года (примерно в 23.45) появляется человек. А вся наша эра занимает только самую последнюю минуту уходящего года (сравнение датского этнографа Й. Бьерре). Еще более короткий период существования homo sapiens на земле обозначает известный ученый П. Тейяр де Шарден: «Тридцать тысяч лет. Длительный период в масштабе нашей жизни. Одна секунда для эволюции». Человек, человеческий разум и общество являются вершиной естественного развития Земли и ее биосферы. Настоящую эпоху эволюции Земли характеризуется развитием разума и переходом от биосферы к ноосфере – сфере взаимодействия природы и общества, в пределах которой разумная человеческая деятельность становится определяющим фактором эволюции. В.И. Вернадский писал, что человек не является случайным, независимым от окружающего мира существом, он есть неизбежное проявление закономерного природного процесса. И именно под влиянием одного вида живого вещества – цивилизованного человечества (его мысли и труда) биосфера переходит в новое состояние – в ноосферу. Вопрос о месте человечества в истории Земли обязательно переходит в проблему, касающуюся будущей судьбы человека как вида на этой планете. На данном уровне развития научного знания, она (проблема) не может быть решена однозначно. «Единственное определенное утверждение о будущем нашего вида состоит в том, что его существование конечно. Из всех когда-либо существовавших видов 99,999% исчезло. Среднее время существования рода плотоядных – только 10 млн. лет, а среднее время существования вида гораздо короче. Реально жизнь на Земле уже наполовину в прошлом, она началась, судя по ископаемым, около 3 млрд. лет назад, а Солнце примерно через 4 млрд. лет превратиться в красный гигант и поглотит в своем огне жизнь на Земле, а в конечном счете и саму Землю» (Левонтин Р. Человеческая индивидуальность: наследственность и среда. – М.: Прогресс, 1993. – с.200). Но человеческий разум и деятельность не имеют предела совершенствования и развития. По сути всего лишь за не более, чем 10 тыс. лет человек освободился от биологических ограничений, присущим нашим животным предкам. Человечество, так или иначе, решит проблему собственного выживания. Первым идеологом космического расселения людей в другие звездные миры был русский ученый К.Э. Циолковский. Открытие, сделанное в 1996 г. американскими исследователями, на основании изучения метеорита, имеющего марсианское происхождение и упавшего 13 тыс. лет назад в Сибири, свидетельствует о том, что на Марсе в примитивных формах существовала жизнь. Следовательно, вполне допустимо, что жизнь существует, причем в развитых формах, и в других галактиках. И вполне возможно встреча землян с представителями иных цивилизаций. 77 Биологический организм человека принадлежит к типу хордовых, подтипу позвоночных, классу млекопитающих, отряду приматов, семейству гоминид. Социальную же сущность человека методами естествознания раскрыть невозможно. По словам де Шардена, «расшифровать человека, значит, в сущности, попытаться узнать, как образовался мир и как он должен продолжать образовываться». В середине XVIII в. К. Линней положил начало научному представлению о происхождении человека. В своей книге «Система природы» (1735) он отнес человека к животному миру, поместив его в своей классификации рядом с человекообразными обезьянами. Линней первым назвал орангутанга Homo silvetris («человек лесной»). К первой половине XIX в. археологами, палеонтологами, этнографами был накоплен достаточный материал для разработки научной теории антропосоциогенеза, например, открытия археолога Буше де Кравкер де Перта отодвинули происхождение человека далеко за библейскую хронологию. В 1871 г. вышел труд Дарвина «Происхождение человека и половой отбор», в котором он обосновывал два кардинально важных положения: о животном происхождении человека и о том, что современные человекообразные обезьяны представляют собой боковые ветви его эволюции, а человек ведет свое происхождение от каких-то вымерших более нейтральных форм. «Тот, кто не смотрит, подобно дикарю, на явления природы как на нечто бессвязанное, не может больше думать, чтобы человек был плодом отдельного акта творения», - писал Дарвин. В своей книге Дарвин обосновал точку зрения о происхождении человека от обезьяны, более примитивного существа. Главнейшая из находок, как палеонтологический факт, - череп, найденный в долинке реки Неандерталь под Дюссельдорфом в 1856 г. В 1892 г. голландский врач Евгений Дюбуа обнаружил на острове Ява черепную крышку и бедренную кость существ менее развитого, чем неандерталец, которого он назвал питекантропом. Возраст находки равнялся 500 тыс. лет. В 1924 г. в Южной Африке Раймонд Дарт, обнаружил череп, принадлежащий представителю приматов, стоявшему на пороге человеческого развития (возраст находки около 2,6 млн. лет), он назвал его австралопитеком – южной обезьяной. В 20-х годах XX в. в пещере близ Пекина обнаружили еще одного первобытного предка современных людей – синантропа (китайского человека) или человека выпрямленного, жили на земле свыше 400 тыс. лет назад. В конце 50-х гг. XX века в Восточной Африке нашли остатки существа, жившего около 2 млн. лет назад, ученые сделали вывод, что это существо вписывается как промежуточное звено между австралопитеками и синантропом. Обнаруженный предок современного человека был назван «человеком умелым». В 1969 г. был произведен повторный анализ остатков существа, найденного в Индии (1934 г) и названного рамапитеком, живших на Земле ок. 12 млн. лет назад. В настоящее время предполагают, что родословное «древо» человека начинается от дриопитека – настоящей человекообразной обезьяны, которая появилась на Земле 20 млн. лет назад. 14 млн. лет назад – линия дриопитеков дала три ветви. Одна развилась в предков современных больших обезьян – горилл, шимпанзе и орангутангов, ближайших родственников человека. Другая ветвь привела к так называемым гигантопитекам – громадным обезьянам. Третья ветвь привела к возникновению рамапитека, который, по мнению большинства антропологов, является отдаленным предком человека. Но до сих пор еще не удалось найти ни одной находки остатков древних обезьянолюдей, относящиеся ко времени 8 – 5 млн. лет назад. После работ Дарвина материалистическое положение о животном происхождении человека стало основой теории антропосоциогенеза. Но, разработав теорию естественного происхождения человека, Дарвин не включил в нее влияние социального фактора на его развитие и не затронул роли труда в процессе антропогенеза (так называемая трудовая теория антропогенеза, защитником которой был Ф. Энгельс, написавший труд «Роль труда в процессе превращения обезьяны в человека). Идея о роли труда в происхождении человека и общества не потеряла своего значения и по сей день. С появлением мутационной теории эволюции (первые успехи генетики – Хуго де Фриза), согласно которой новые виды возникают скачкообразно, в результате крупных единичных му78 таций в генном наследственном аппарате (геноме). А это никак не связано с естественным отбором по Дарвину. В середине XX в. наиболее широкое распространение в биологии получил обновленный дарвинизм под названием синтетическая теория эволюции (синтез классического дарвинизма с новейшими достижениями генетики). Но и она подвергается критике с распространением в биологии различных сальтационистских концепций, утверждающих скачкообразный характер развития жизни, в том числе и антропогенеза. В эволюции решающее значение придается случайным явлениям. Например, неокатастрофисты полагают, что основное значение в смене форм жизни на Земле имеют массовые вымирания, обусловленные глобальными катастрофами. Но все выше указанные подходы согласуются с теорией самоорганизации систем. В ее основе лежит принцип самоорганизации как движущейся силы развития любых открытых неравновесных систем, т.е. систем, обменивающихся со средой веществом, энергией и информацией, которые переходят от одного качественного состояния к другому в результате скачкообразного процесса. Причем состояние системы после скачка, согласно данной теории, носит случайный характер. К таким системам относятся все биологические системы, включая человека. Но разработка теории самоорганизации началась совсем недавно и связана в науке с направлением под названием синергетика. Находка синантропа (одним из открывателей которого был Тейар де Шарден), позволила заполнить важнейший пробел в ряду антропогенеза и показать, каким путем шло развитие от предчеловека к «человеку разумному». Синантроп оказался тем недостающим звеном между обезьяночеловеком и неандертальцем. Если представить ближайший к homo sapiens ряд общей цепи антропогенеза, то он имеет следующий вид: австралопитек (4 – 2 млн. лет назад) – питекантроп (1,9 – 0,65) – синантроп (400 тыс. лет) - homo sapiens (по де Шардену). А вся цепочка предшественников современного человека, с точки зрения сегодняшнего естествознания, выглядит так: самый древний известный науке предок человека и высших обезьян – рамапитек – жил на территории 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 (примерно 2,5 млн. лет назад) и остатки жилищ (1,75 млн. лет). В Восточной Африке найдены останки «Человека Умелого» - объем мозга 670 куб. см. – зинджантропа, жившего 2 млн. лет назад (1960 г., англ. арх. Луис Лики). От человека умелого прослеживается связь с древнейшим человекообразным существом – австралопитеком, жившим 4 – 2 млн. лет назад. Далее питекантроп – синантроп – неандерталец (ранняя форма homo sapiens), появившийся, по разным данным, от 30 до 40 тыс. лет назад. Но антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса, эволюция осуществляется в процессе постоянного возникновения новых ответвлений, большая часть которых исчезает. Основная проблема в восстановлении эволюции человека состоит в том, что у нас нет близких родственников среди живущих ныне предков. В XIX в. Э. Геккель выдвинул гипотезу о существовании в прошлом промежуточного между обезьяной и человеком вида, который он назвал «питекантропом», он предположил, что предками человека были «древесные обезьяны», которые жили 70 млн. лет назад. От них одна линия эволюции пошла к нашим ближайшим «родственникам» – шимпанзе и гориллам, другая – к человеку, 20 млн. лет назад под влиянием похолодания отступили джунгли и одной из ветвей дриопитеков пришлось спуститься с деревьев и перейти к прямому хождению (так называемые «рамапитеки» (в честь бога Рамы, Индия). В настоящее время в науке можно считать доказанным тот факт, что человек – это продукт естественного развития природы, это законнорожденное дитя биосферы Земли. Человек как существо биологическое и социальное Биологическая эволюция, с тех пор как человек выделился из животного мира (35 – 40 тыс. лет назад), перестала играть решающую роль. Человек эволюционирует благодаря социальной стороне жизни. 79 Значение естественного отбора резко меняется в жизни человека и животных. У животных естественный отбор – главный фактор эволюции, а у человека его роль заключается в сохранении генофонда, в сдерживании мутаций, отрицательно влияющих на его здоровье. Другими словами естественный отбор у человека происходит главным образом на уровне зародышевых клеток. Но меняется ли вместе с социальным обликом человека и его биологическая природа, физический облик, умственные способности? Физическое здоровье – существенно увеличилась средняя продолжительность жизни населения (в развитых странах ее уровень приближается к средней «нормальной» продолжительности жизни homo sapiens 80 – 90 лет). Умственные способности. Английский психолог и антрополог Ф. Гальтон (создатель евгеники – теории о наследственном здоровье человека) убежден в том, что интеллект современного человека снижается. Представители низших классов обладают более низким коэффициентом интеллектуальности – IQ. В то же время именно они имеют большее число детей. Однако прямая зависимость между социальным положением, количеством детей и IQ признана ошибочной. Академик Л.П. Татаринов, связывает мировую тенденцию снижения общей грамотности населения с недооценкой совершенствования системы воспитания и образования. Современные биологи и антропологи полагают, что процесс биологической эволюции человека как вида прекратился со временем появления homo sapiens (мозг человека не изменился со времени появления homo sapiens). Другими словами в основе эволюции человека теперь – развитие интеллекта и целесообразной деятельности. Генетическая информация утрачивает свое главенствующее значение в жизнедеятельности человека и заменяется социальной информацией. Все люди рождаются с одинаковыми генетическими задатками и главная роль в развитии их способностей играют воспитание и образование. Данная концепция получила название пансоциологизма. Рожденный человек наследует не сами способности, а лишь их задатки. Но генетические возможности, задатки реализуются в том случае, если ребенок с раннего детства находится в общении с людьми, в соответствующей социальной среде. Генетический потенциал человека ограничен жестко во времени, т.е. характерные черты человеческого поведения и деятельности приобретаются только через социальное наследование, через передачу социальной программы в процессе воспитания и обучения. Принципиальные изменения в представлении о природе человека вносит теория геннокультурной коэволюции. Гены и культура в этой теории неразрывно связаны между собой. Весьма вероятно, что человек наследует моральные чувства по биологическим каналам (запреты на кровнородственные браки (инцест), агрессивность человека – война – как проявление внутривидовой агрессии). Однако объяснить развитие и происхождение человека преимущественно в терминах и рамках биологии, как это делают представители социобиологии, было бы неверно. Вне социальных условий одна природа еще не делает человека человеком (пример Маугли). Таким образом, при рассмотрении биологических и социальных факторов в развитии человека следует избегать крайностей как панбиологизма, так и пансоциологизма. В первом случае человек низводится до уровня животного. Во втором – предстает как tabula rasa (чистая доска), на которой среда пишет его развитие. Становление социальных отношений Генезис человека – это единый процесс морфофизиологического превращения животного в человека (антропогенез) и стадных объединений животных в человеческое общество (социогенез) – это и биологические предпосылки социальных отношений. Становление социальных отношений способствовало обузданию биологических инстинктов, в том числе проявлений зоологического индивидуализма, замене их отношениями социальной коллективности. Коллективность человеческих объединений обусловлена также характером передачи опыта. 80 Если в биологическом мире опыт передается через естественный отбор, то накопленный в процессе труда опыт, т.е. социальный опыт, надо передавать каждый раз заново от одной особи к другой, от одного поколения к другому. Трудовые навыки не закрепляются генетически, и каждое новое поколение должно усваивать опыт предыдущих поколений, чтобы получить возможность эффективно трудиться. Социальная активность имеет определенные предпосылки в стадах обезьян. Стадо обезьян – довольно организованная целостная структура, некоторая предсоциальная иерархия, в которой каждая особь занимает свое особое место. Многие стороны поведения обезьян регулируются в рамках этой целостной структуры. Прежде всего, существуют отношения доминирования и подчинения: есть вожак, и ему все подчиняются, есть рядовые взрослые, юноши, дети – и у каждого своя форма поведения, выход за рамки которой наказуем. Кроме того, в стадах обезьян немало отношений, выражающих сотрудничество и взаимопомощь. Такие отношения складываются между потомством одной матери, между представителями одного поколения («молодежные группы») и др. В то же время в стадах приматов между отдельными особями подчас устойчиво проявляются антипатия, враждебность и др., но они не являются определяющими. Данные приматологии показывают, что у обезьян фактор помощи превалирует над фактором враждебности, насилия. Так, в естественных условиях наблюдались случаи, когда обезьяне со сломанной рукой соплеменники помогали переправляться через речку или обрыв. Биосоциальное общение у антропоидов поддерживается средствами коммуникации – язык жестов, звуковые сигналы (выражающие радость, печаль, злобу, возбуждение и т.п.), действиями (поцелуи, объятия и др.). Важную роль играет и «демонстрационное манипулирование» как зачаточная форма передачи индивидуального опыта стадному коллективу (или его части). Возникновение разделения труда. Формирование общественных отношений было обусловлено, с одной стороны, расшатыванием стадных отношений и стереотипов стадного поведения, а с другой – укреплением связей особей при производстве орудий деятельности, передачей социального опыта, сплоченностью (в силу привязанности к постоянному месту обитания) и др. Исторической основой собственно человеческих форм общения является разделение труда. В первую очередь происходит становление технологических отношений, связанных с разделением производственного цикла на ряд операций. Этапы производства даже простого орудия труда разделены во времени, а это выдвигает особые требования к организации производства, к психике, сознанию, к развитию памяти. В сфере сознания происходит разграничение целеполагания и целереализации. Если однозвенному процессу производства орудий труда соответствует предметное сознание, т.е. нерасчлененность практического и познавательного отношений, то многозвенному процессу – образное, мифологическое сознание. Определенный тип технологического разделения труда складывается и в связи с охотой. Как показывают археологические данные, охота была ведущей формой деятельности. Если при охоте на мелких животных было достаточно прямого поражения жертвы с помощью ударов твердыми предметами с близкого расстояния, то охота на крупных животных предполагала применение методов непрямого поражения жертвы – загоны в болото, в ямы, с обрыва и др. Конечно, здесь требовалась определенная «стратегия поведения», коллективной организации, определенная (пока, конечно, примитивная) система целеполагания. Кроме того, на такой охоте разделение труда было связано также с преследованием, загоном и поражением жертв: одни члены стада оставались в группе загона, другие – в группе поражения жертв и т.д. Принципиально важно, что охота как форма первобытной деятельности имела коллективный характер. Подобная коллективность выступала основой кооперации как формы организации труда, воплощающей социальный характер трудовой деятельности. Кооперация предполагает, что индивиды сообща планомерно работают в одном производстве, взаимодействуя между собой, или в разных, но взаимосвязанных производствах. Наряду и одновременно с технологическим формируется и социальное разделение труда, которое сначала строилось по естественно-биологическому признаку, прежде всего половозрастному. Это значит, что каждая группа определенного возраста и пола имела свои функции в хозяйственном механизме первобытного стада: одни в основном охотились (большинство муж81 чин); другие (преимущественно женщины) занимались собирательством, обработкой пищи, уделяли больше внимания детям; пожилые изготовляли орудия труда. Естественное разделение труда становится мощным фактором повышения производительности труда и постепенно утверждается, трансформируясь в ранние формы экономических отношений (обмена продуктами и результатами труда). Особенность общественных отношений в первобытном обществе связана с коллективной собственностью на средства и продукты производства. Распределение продуктов тоже носило коллективный характер. В отличие от животных, прежде всего хищников, добыча не поедалась на месте поражения жертвы, а доставлялась к местам обитания (охотничьим лагерям), где делилась между всеми членами стада (очевидно, по принципу доминирования – подчинения, хотя в смягченном варианте) Это, конечно, не исключало отдельных вспышек зоологического индивидуализма – драк, борьбы за пищу, самок, конфликтов и пр. Формирование разделения труда, первичных производственных отношений происходило параллельно ограничению биологических инстинктов, через их подчинение. Первобытное стадо было эндогамной группой, т.е. брачные отношения осуществлялись внутри него, между родственниками. В силу законов генетики это тормозило развитие физической природы человека и могло привести к его вырождению. Дальнейшее развитие общества было возможно только при том условии, что биологические инстинкты будут поставлены под контроль. В эпоху мустье окончательно вступили в силу и запрет брачных отношений внутри первобытного коллектива (агамия), и обязанность вступать в брачные отношения вне своего родового коллектива (экзогамия). Так образовалась исторически первая форма социальной организации брачных отношений – дуально-родовой брак. Это завершило становление социальных начал, основы общественной жизни окончательно выделились из биологического мира. Создание родового общества (35 – 40 тыс. лет назад) означало полную победу социальных факторов развития человека над биологическими, завершение антропосоциогенеза. Генезис сознания и языка Важной стороной антропосоциогенеза являлся генезис сознания. Сознание – высшая форма отражения мира. Носителем сознания выступает человек, обладающий мозгом – высокоразвитой материальной системой, способной осуществлять идеальное отражение мира. Сознание формируется только в системе социального общения людей и поэтому носит социальноисторический характер. Сознание позволяет человеку познавать окружающий мир, переживать свое отношение к нему, регулировать свою деятельность. В сфере сознания складываются цели деятельности человека (идеальное целеполагание), формы мышления (понятие, суждение, умозаключение и др.), чувственно-образные и волевые моменты. Основой сознания является мышление. Именно благодаря мышлению в сознании формируется объективный образ, картина мира. Генезис сознания, как и возникновение человека и общества, носит естественноисторический характер. Сознание складывалось на базе высокоразвитой психики животных – высших приматов. Высшим приматам свойственны способности к обобщению и абстрагированию, а также к оценке знаний и намерений других особей. Основные предпосылки генезиса сознания: • увеличение размеров и качественное (структурное) изменение мозга высших приматов; • трудовая, практическая деятельность; • развитие социальных отношений, разделение труда, коллективность; • развитие коммуникативной, сигнальной деятельности, языка, речи. Основой генезиса сознания является обобщение (и коллективное закрепление) результатов действий по производству орудий труда. Сознание возникает как отражение, прежде всего, тех объективных свойств природных предметов, которые выявляются в процессе производства орудий труда. В этом процессе необходимо взаимодействие между собой двух (по крайней ме82 ре) природных предметов (камней, палок, костей). Результат их взаимодействия (т.е. орудие труда) определяется объективными свойствами таких природных предметов. Ставя во взаимодействие между собой два природных предмета, человек получает возможность выделять их объективные свойства (удар одним камнем по другому дает совсем иной результат, чем удар камнем по дереву: так проявляется объективное свойство твердости). Взаимодействие двух материальных предметов между собой позволяет выделять их объективные свойства, т.е. свойства, не зависящие от того, кто ставит во взаимодействие эти предметы. Это принципиально важно и во многом объясняет, почему труд является основой сознания, познания, мышления. Без учета объективных свойств материальных предметов систематическое производство орудий труда просто невозможно. Другими словами, производя орудия труда, субъект получает возможность выявлять не только преимущественно ситуативные, относительные связи между организмом и средой (что свойственно психике животных), но и объективные связи между предметами, вещами самой природной среды. Животное непосредственно выделяет не объективные свойства предметов среды, а лишь те ее свойства, которые для него биологически значимы, определяются инстинктивными программами поведения. Объективные свойства среды отражаются животными только в ходе исторической эволюции вида, естественного отбора, т.е. через смену поколений, отбор одних и вымирание других особей и др. На уровне человека объективные связи, свойства среды проявляют себя, прежде всего, через устойчивые, повторяющиеся предметные действия субъекта. Их фиксация и выделение из множества случайных, второстепенных действий есть не что иное, как обобщение. Если результат обобщения закрепляется в каком-нибудь знаке, то тогда он может, во-первых, передаваться другим членам коллектива, во-вторых, достаточно долго сохраняться в коллективной памяти. Производство и воспроизводство сознания изначально носит коллективистский характер, оно невозможно вне деятельности и общения людей – развитие форм деятельности и общения есть условие развития сознания. Обобщение, зафиксированное в некотором знаке, в самом широком смысле уже есть познание. Таким образом, в сознании изначально заложен познавательный компонент. Когда мы говорим, что человек обладает сознанием, то, прежде всего, подразумеваем, что человек познает мир, обладает определенной системой знаний. Знания – это выраженные в определенной системе знаков (слово, навык, жест, схема и др.) обобщенные элементы сознания, благодаря которым различаются вещи объективного мира, их существенные и несущественные свойства, сам человек и его отношение к внешнему миру. Система знаний складывается в историческом опыте человечества. Каждый отдельный индивид осваивает ее заново в процессе социализации, обучения, образования, воспитания и др. Безусловно, знание является ядром сознания, но содержание сознания не может быть сведено только к знанию. Оно обладает еще и эмоционально-волевой сферой переживания действительности, которая выражает отношение субъекта к тому, что он отражает, преобразовывает. Это сфера выражения потребностей, интересов и целей. Человек не только познает мир, но и оценивает его свойства с точки зрения их значимости для удовлетворения своих потребностей. Функцию оценки во многом выполняют эмоции человека. Богатая, разнообразная, но вместе с тем и мало управляемая эмоциональная сфера гоминид выступала базой исторического формирования ценностного аспекта сознания человека. Эмоциональный мир человека складывается по мере блокирования необузданной аффективности приматов развивающимися структурами мышления и волей, по мере подчинения эмоций целям и мотивам деятельности. На начальных этапах сознание было предметно-действенным, было включено в акты предметных действий, отсутствовала логика отдельных идеальных действий, наличествовала лишь логика внешнего предметного действия. Поэтому человек не мог воспроизвести каких-либо действий по производству орудий труда в отрыве от них самих. Накапливавшийся опыт такого рода передавался в процессе коллективного подражания. На этом этапе еще не было устойчивого идеального целеполагания как сложившейся подсистемы сознания, о чем свидетельствует случайная, нестабильная форма орудий труда, создаваемых в результате еще во многом инстинктивных действий. В сознании еще не воспроизводилась закономерная связь между нача83 лом, процессом и результатом обработки предмета труда, поскольку логика практических действий была однозвенной (для производства орудий труда требовалось осуществление действий одного типа – скалывание заготовки отбойником). Орудия были однотипны и приспосабливались не к объекту, а к человеку. Качественное изменение характера труда и сознания связано с переходом к многозвенной структуре трудового процесса, к созданию составных и специализированных орудий. Сначала процесс производства разделился на два этапа: на первом изготавливались стандартизованные заготовки для орудий, на втором они превращались в собственно орудия. Вместе с этим возрастали опыт, квалификация, навыки работников, вырабатывались более совершенные приемы использования орудий труда, улучшалась организация труда, развивалось разделение труда. Качественный переход завершился в эпоху мустье, когда действия по изготовлению орудий стали многоступенчатыми — изготовление заготовки из ядрища путем оббивки; скалывание; вторичная подправка. При этом происходит интериоризация сознания, т.е. предметное действие человека, выражающее обобщенное значение, уходит во внутренний план, а непосредственным носителем мысли становится язык. Предметно-действенное сознание сменяется мифологическим – обобщение мира происходит в форме не предметных действий, а идеальных чувственных образов, одновременно развивается стихийно-эмпирическое накопление первобытных рациональных знаний Генезис языка Генезис и развитие сознания неразрывно связаны с генезисом и развитием языка, речи. Н все детали этого процесса известны, но в общих чертах можно воспроизвести его основные направления. Коммуникация животных – необходимое условие их жизнедеятельности, обеспечивающая их взаимодействие и согласованность, стадную организацию, в конечном счете, безопасность. Исходной предпосылкой формирования человеческого языка являлись виды коммуникации животных: зрительно-двигательная, жестовая (позы, жесты, движения, выражающие страх, угрозу, подчинение и др.), действующая только при дневном свете и в пределах видимости; обонятельная (с помощью запахов); звуковая. Звуковая коммуникация имеет ряд несомненных преимуществ: звуки дифференцированы и выражают широкий спектр эмоциональных состояний; звуковой сигнализации не мешает темнота; она воспринимается практически мгновенно. Современные теории языка исходят из того, что у человекообразных обезьян и первобытных людей в зачаточной форме сосуществовали два типа языка – первичный и вторичный. Первичный язык развивался на основе зрительно-двигательной (жестовой) коммуникации и выражал информацию об эмоциональном состоянии и поведенческих установках особи, значимую для другой особи. Вторичный язык формировался на базе звуковой коммуникации, в основе которой были эмоционально окрашенные крики и нейтральные шумы, не сопровождавшиеся видимым возбуждением. В современной приматологии существует целое направление, исследующее способности человекообразных обезьян к жестовой коммуникации. Обучение обезьян языку глухонемых, различным искусственным языкам показало, что обезьяны способны в определенных пределах понимать значения символов языка, оперировать ими и даже создавать новые значения, а также понимать устную речь человека. На начальных этапах антропосоциогенеза, когда развивалось предметно-действенное сознание, развитие и преимущество получила зрительно-двигательная, жестовая коммуникация. Но язык жестов является несовершенной формой коммуникации. Поскольку жест осуществлялся с помощью рук – главных рабочих органов, то он не всегда был возможен (когда руки просто заняты). Жестовый язык не стал полноценным вторым (наряду с предметным действи84 ем) материальным носителем мысли. Для этой роли приемлемы звуковой носитель мысли, звуковая коммуникация. Процесс становления человека включал в себя наряду с развитием языка жестов и параллельное непрерывное совершенствование звуковой коммуникации. Постепенно она приобретала характер вокально-информационной системы. Так, если у человекообразных обезьян было 20 – 30 сигналов, то у австралопитековых их могло быть уже несколько десятков и даже свыше сотни. Язык развивался вместе с развитием речи. Можно предположить, что членораздельная речь возникла в эпоху формирования питекантропа. В его речи присутствовали щелкающие и носовые звуки; наряду с жестами слова обозначали предметы и лишь в отдельных случаях переходили в слова-предложения; речь носила диалогический характер. Но в целом в речи питекантропов и синантропов еще велика доля жестовой коммуникации, а речевые акты подобны телеграфному стилю. Основная тенденция в историческом развитии речи – переход от диалогической к монологической речи, и далее – к внутренней речи, «проговариванию про себя». Эта тенденция определила интериоризацию сознания, его уход во внутренний план. Очевидно, этот переход осуществлялся в эпоху неандертальцев. У неандертальцев совершенствовалась артикуляция. Правда, возможно, были затруднения с произнесением отдельных гласных. Постепенно формировалась простейшая грамматика и синтаксис; появилась монологическая речь; расширялась лексика. Как показывают новейшие макетные исследования ротовой полости неандертальца, неандертальцы в принципе могли общаться с помощью членораздельной звуковой речи, у них уже образовались сложные формы высказываний, синтаксически сложные предложения. Язык всегда предполагает определенную систему знаков. С развитием языка зарождается сложная система знаков как выразителей смыслов и значений сознания. Генезис сознания, становление языка и речи завершились при переходе к верхнему палеолиту, к первобытнообщинному строю, к чувственно-образному мифологическому сознанию. Концепция коэволюции Современное естествознание вводит новое понятие – «коэволюция», означающее взаимное приспособление видов. Именно коэволюция обеспечивает условия взаимного сосуществования и повышения устойчивости биоценоза как системы. Коэволюция является новой перспективной идеей естественных и социальных наук. «По человечески», но не «по природному, животному» и не «по понятиям в обществе» звучит, что решающую роль играет не борьба за существование, а взаимопомощь, согласованность и «сотрудничество» различных видов, в том числе и не связанных между собой генетическими узами. Критика дарвинизма велась со дня его возникновения. Русский ученый и революционер П.А. Кропоткин придерживался точки зрения, в соответствии с которой взаимопомощь является более важным фактором эволюции, чем борьба. Но это не могло поколебать общей теории эволюции, вплоть до появления под влиянием экологических исследований концепции, которая смогла объяснить возникновение полов и другие феномены. Как химическая эволюция – результат взаимодействия химических элементов, так по аналогии биологическая эволюция может рассматриваться как результат взаимодействия организмов. Случайно образовавшиеся более сложные формы увеличивают разнообразие и, стало быть, устойчивость экосистем. Удивительная согласованность всех видов жизни есть следствие коэволюции. Концепция коэволюции хорошо объясняет эволюцию в системе «хищник – жертва» - постоянное совершенствование и того, и другого компонентов системы. В системе «паразит – хозяин» естественный отбор должен вроде бы способствовать выживанию менее опасных для хозяина паразитов и более устойчивых к паразитам хозяев (резистентных). Но так происходит не всегда. Паразиты являются неизбежной системой, обязательной частью каждой экосистемы. Коэволюционная гонка вооружений способствует большему разнообразию экосистемы. Паразиты препятствуют уничтожению хозяевами других видов. 85 Совместная эволюция организмов хорошо видна на следующем примере. Простейшие жгутиковые, живущие в кишечнике термитов, выделяют фермент, без которого термиты не могли бы переваривать древесину и расщеплять ее до сахаров. Встречая в природе симбиоз, можно предположить, что его конечной стадией является образование более сложного организма. Травоядные животные могли развиваться из симбиоза животных и микроскопических паразитов растений. Паразит уже обрел некогда способность производить ферменты для переваривания веществ, имеющихся в организме его хозяина-растения. Животное же делится с паразитом питательными веществами из растительной массы. Концепция коэволюции объясняет и факты альтруизма у животных: заботу о детях, устранение агрессивности путем демонстрации «умиротворяющих поз», повиновение вожакам, взаимопомощь в трудных ситуациях и т.п. Глобальные экологические проблемы в системе «человек – общество – биосфера» Большинство ученых задумываются не о том, какое же будущее ожидает человечество с точки зрения развития вида и старении вида, а о последствиях все большего загрязнении биосферы различного рода отходами, повышения уровня радиации, увеличении мутационной опасности химических загрязнителей и т.п. Угроза дальнейшему существованию человека связана с его культурой бытия. Усиление антропогенного влияния на окружающую среду, технологического давления на мир обусловило начало эпохи глобальных кризисов. В мире ежегодно добывают 3,5 млрд. т нефти, 4,5 млрд. т каменного и бурого угля, такие объемы потребления стали показывать ограниченные возможности природных комплексов поглощать и нейтрализовывать отходы человеческой жизнедеятельности. Создавая мир искусственного, человек активно вмешивается и перестраивает естественные биогеохимические циклы. Загрязнение природы следует расценивать как величайшее нарушение природного порядка. Причинами нарушении природного равновесия (глобальный кризис) к началу XXI в являются усиленный рост потребностей человечества, возросшие масштабы технических средств воздействия общества на природу, истощение природных ресурсов. Особой проблемой становятся новые тенденции развития семьи и семейных отношений (как социальную аномалию следует рассматривать семьи нетрадиционного типа, в принципе не способных к продолжению рода), социальное расслоение и неравенство, нищета и антисанитария планетарного масштаба. Глобальная компьютерная революция и интенсивность процессов информатизации стимулирует лавинообразный рост Н-Т развития. Обилие информации ведет к возникновению синдрома информационной усталости, а также к различным психическим расстройствам. Учеными предлагается в рамках социальной экологии коэволюционная стратегия развития цивилизации XXI века, нацеленная на утверждение в сознании людей новой экологической нравственности. В осмыслении кризисных аспектов складывающейся в мире ситуации огромную роль играет Римский клуб. В 1976 г был опубликован третий доклад Римского клуба «Пересмотр международного порядка», в котором обсуждались условия более устойчивого развития мировой системы. Глобальной проблемой становится общее потепление климата от сжигания топлива и выделения в атмосферу углекислого газа в больших количествах, истощение озонового слоя, препятствующему распространению до поверхности Земли космического излучения, катастрофический дефицит пресной воды, которая составляет всего 2% всех водных запасов Земли. Человечество подошло к черте, после которой должно быть развитие по новому направлению – экотехнологии или технологии на экологической основе. Принципиальным требованием новой технологической парадигмы будет не просто защита природы от техногенного воздействия, а совмещение техники с законами саморегулируемых систем. 86
