Концепции современного естествознания. Учебное пособие. Часть 2. Научно-технический прогресс и человек

1

МИНИСТЕРСТВО ВНУТРЕННИХ ДЕЛ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОСТОВСКИЙ ЮРИДИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

В. Н. Герасименко

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Учебное пособие

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ПРОГРЕСС И ЧЕЛОВЕК Часть 2

Ростов-на-Дону 2006

2

УДК 5 Г 37 Герасименко В.Н. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. Часть 2.- Научнотехнический прогресс и человек. - Ростов-на-Дону: РЮИ МВД России, 2006.136 с. Учебное пособие по дисциплине “Концепции современного естествознания” имеет целью ознакомить слушателей с некоторыми аспектами влияния научно-технического прогресса на общество. Пособие подготовлено на основе новой учебной программы и состоит из двух глав. Первая глава посвящена изучению основ метрологии, являющейся важнейшей составной частью гносеологии, приводятся сведения по лабораторной работе “Метод экспертных оценок”. Во второй главе рассматривается влияние ряда выдающихся изобретений на развитие человечества, рассматриваются проблемы биоэтики как формы защиты прав человека, применение научного метода к изучению биосоциальных явлений, подход к моделированию социально-правовых процессов. Подготовлено для курсантов и слушателей очной и заочной форм обучения.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Ростовского юридического института МВД России.

© РЮИ МВД России, 2006

3

Введение История развития цивилизации – непрерывный процесс познания действительности и использования знаний. Предметом познания являются, в том числе, социальные явления и духовная сфера людей. Процесс познания окружающего мира немыслим без измерений. Измерениями, методами и средствами обеспечения их единства занимается метрология, которая охватила область измерений нефизических величин, органолептические измерения, квалиметрию. Изучение разделов метрологии позволяет формировать навыки использования математических методов описания и анализа ситуаций социальной практики, культуры логического,

алгоритмического

и

абстрактного

мышления,

развивать

способности

обоснованного, самостоятельного и оперативного принятия решений, создает базис для изучения общепрофессиональных дисциплин: Криминалистика, Спецтехника и других. В

пособии

обсуждается

патентное

законодательство,

некоторые

изобретения в истории человечества, приводятся подходы к изучению

важнейшие

биосоциальных

явлений, социально-правовых процессов, обсуждаются некоторые разделы биоэтики. Автор выражает благодарность кандидату технических наук Д. В. Медянцеву за внимательное прочтение рукописи, критику и полезные советы.

4

Мы часто подменяем страсти стрессом И в суетливый просвещенный век Не заменить нам творчество прогрессом Пришла пора найти, где человек. В. Владов Философы мечтают как поэты, Поэты сочиняют самолеты, А инженеры улетают за бугор, Моя страна. Для творчества – простор! В. Владов 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ 1.1. ОБЩЕНАУЧНЫЕ МЕТОДЫ ПОЗНАНИЯ Теория познания - ГНОСЕОЛОГИЯ (от др.-греч. γνοξιξ - знание, познание и λογοξ речь, слово, учение или наука) - наука о познании окружающей нас действительности. Объектами познания являются свойства и явления материального и духовного (идеального) мира. В естественных науках методами количественного анализа служат теория и эксперимент. В свою очередь, экспериментальные исследования могут выполняться с применением и без применения технических средств (инструментов). Полученная тем или иным путем количественная информация о свойствах и явлениях окружающего мира перерабатывается, транспортируется и хранится в устройствах и системах ИНФОРМАТИКИ, к которым кроме технических средств можно отнести текстовые документы или, например, мозг человека. Использование количественной информации в народном хозяйстве (включающем научную сферу) служит конечной целью познавательной деятельности. Общенаучные

методы

познания

делятся

на

эмпирические,

эмпирико-

теоретические, теоретические. К эмпирическим относятся: наблюдение, сравнение, контроль,

счет,

измерение,

идентификация,

научный

эксперимент.

К

эмпирико-

теоретическим относятся: анализ и синтез, индукция и дедукция, проверка гипотез, историко-логический метод, моделирование. Теоретические методы познания включают в себя: абстрагирование, формализацию, аксиоматику, обобщение /1/.

5

Эмпирические методы познания предназначены для извлечения содержательной характеристики отражения, т.е. для получения информации. Следует принимать во внимание ограниченность этих методов, которая определяется интервалом времени исследования, границами

исследуемого

объекта

и

возможностями

технических

средств.

Эта

ограниченность не дает возможности непосредственно получать с их помощью обобщающие положения и законы. Законы природы открывают путем изучения результатов, полученных от эмпирических методов познания на основе применения эмпирико-теоретических и теоретических методов познания. Эмпирико-теоретические методы позволяют выделять из объектов и явлений разные стороны, расчленять предмет познания на составляющие для более глубокого их изучения. Эмпирико-теоретические

методы

обеспечивают

наиболее

полное

извлечение

дополнительной информации, содержащейся в неявном виде в результатах, полученных с помощью эмпирических методов, установление степени истинности гипотез, составляют основу методов проектирования новых технических средств и технологических процессов, основу технических наук и методов повышения производительности труда на производстве. Теоретические методы познания направлены на изучение абстрактных объектов, их свойств и отношений. Эти методы дают возможность получать новые знания об изучаемых объектах и явлениях путем исследования формальных свойств и отношений между абстрактными объектами. Совокупность теоретических методов является наиболее мощным инструментом

для

прогнозирования,

создания

новых

областей

знания,

основой

фундаментальных наук. Общенаучные методы познания основаны на принципе отражения. Отражение общее свойство материи, которое выражается в способности материальных тел посредством собственных изменений воспроизводить особенности взаимодействующих с ними тел. Для изучения объекта, процесса, явления, свойства с применением научного метода используются общенаучные методы познания. Для изучения объекта, процесса, явления, свойства, например, в генезисе привлекаются необходимые для этого (по мнению исследователя) общенаучные методы познания (рис.1). Для изучения объекта, процесса, явления, свойства, например, в динамике также привлекаются необходимые для этого (по мнению исследователя) общенаучные методы познания (рис.1).

6

Научный метод

Изучение обьекта в генезисе,становлении,статике,динамике во взаимедействии и взаимосвязях с другими обьектами,со сех сторон

Общенаучные методы познания

Эмпирико-теоретические

Теоретические

Абстрагирование Формализация Аксиоматика Обобщение

Моделирование Анализ и синтез Индукция и дедукция Проверка гипотез Историко-логический метод

Наблюдение Сравнение Контроль Счет Измерение Идентификация Научный эксперимент

Эмпирические

Рис.1. Применение научного метода и общенаучных методов для изучения объекта познания. Метрология представляет собой науку об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В этой науке рассматривается общая теория измерения, единицы физических величин и их системы, методы и средства измерений, основы обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений, методы передачи размеров единиц от эталонов или образцов измерений к рабочим средствам измерений. Метрологию можно определить и как науку о получении количественной информации опытным путем. количественная

информация

получается

Опытным путем, т.е. экспериментально,

посредством

измерений.

Таким

образом,

МЕТРОЛОГИЯ (от др.-греч. μετρον - мера и λογοξ ) - наука о получении измерительной

7

информации. В качестве таковой метрология является важнейшей составной частью гносеологии. Наблюдением называют целенаправленное отражение изучаемого объекта. Оно является наиболее доступным и простым методом познания, реализуемым как с помощью органов чувств человека, так специальных технических средств. Наблюдение — составная часть всех эмпирических методов познания. Как метод познания наблюдение должно удовлетворять

ряду

основных

требований:

преднамеренности,

планомерности,

целенаправленности и систематичности /1/ . Сравнением называют установление в процессе отражения сходства или различия объектов или явлений. Общеизвестны слова "Все познается в сравнении". Действительно, методом сравнения устанавливается прежде всего то, что является общим для ряда объектов и явлений, а значит, и более существенным, что в дальнейшем целесообразно подвергнуть более детальному изучению. При сравнении необходимо выполнять два основных требования: 1) сравнивать объекты, обладающие общими однородными свойствами; 2) сравнивать по наиболее существенным свойствам. Сравнением в области технических наук называют установление соотношения интенсивности однородных отражаемых свойств эмпирических объектов с целью получения ответа “больше”, “меньше” или “равны”. Известно, что различные эмпирические объекты могут проявлять себя в основном в двух отношениях, а именно; эквивалентности и порядка. Соответственно, сравнение объектов может быть реализовано по эквивалентности и по интенсивности. На сравнении как методе познания основаны два основных рода информационных процедур: распознавание объектов в отношении эквивалентности, примерами которого является дихотомия, т. е. классификация по наличию или отсутствию свойства; распознавание в отношении интенсивности. Контроль является отражением качественной стороны свойства объекта при котором устанавливается соответствие между состоянием объекта по данному свойству и нормой. Контролю подвергаются, главным образом, состояние продукта или изделия производства. Счетом называют отражение количественного свойства совокупности качественно однотипных эмпирических объектов, в процессе которого устанавливается соответствие между их численностью и числом из натурального ряда чисел. При счете, устанавливается взаимнооднозначное соответствие между совокупностью объектов но их количеству и числом из натурального ряда чисел. Для осуществления счета необходимо различать в отдельности каждый объект.

8

И з м е р е н и е является отображением свойств объекта, которые проявляют себя в отношениях эквивалентности, порядка и аддитивности ограниченным рядом именованных натуральных чисел. Измерение обеспечивает непосредственную связь между экспериментом и теорией, высокую достоверность научных исследований и высокое качество изделий современного производства. - Г. Галилей: “Считай то, что считаемо, измеряй то, что измеряемо; а то, что не измеряемо, делай измеряемым”. - Д. И. Менделеев: “Наука начинается с тех пор, как начинают измерять; точная наука немыслима без меры”. - У. Кельвин: “Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить”. Для того чтобы точно управлять, нужно точно измерять все параметры, по которым осуществляется управление, объектом, в том числе и качеством изделий. В связи с этим поставлена задача количественной оценки качества продукции. Измерение является основным средством познания окружающего мира. И д е н т и ф и к а ц и я является отражением зависимостей между величинами, характеризующими эмпирический объект, числовыми аналитическими моделями. Она тесно связана с методами физического и математического моделирования. Идентификация начинается с классификации данного физического объекта либо процесса на основе выявления и анализа его характерных особенностей. Затем, следуя основной классификации разновидностей

эмпирических

разновидностью

данный

объектов

объект

данного

идентичен.

При

типа,

устанавливают,

этом

находят

с

с

какой

определенной

достоверностью вид математической модели объекта, отражающей зависимость между его параметрами, определяют значения основных параметров модели, степень точность и достоверности оценки. Научным отражение

э к с п е р и м е н т о м называют целенаправленное комплексное

сложного

эмпирического

объекта,

характеризующегося

системой

взаимосвязанных величин, совокупностью их математических моделей. К области опытных исследований относятся также и испытания сложных объектов. Испытаниями называют совокупность экспериментальных операций, направленных на определение тех значений параметров объектов, которые соответствуют заранее заданным условиям и состоянию объекта. Для реализации научных экспериментов и испытаний создаются все более сложные автоматические системы.

9

М о д е л и р о в а н и е – - упрощенное представление об объекте, процессе, явлении на основе количественных данных о наиболее существенных свойствах. На моделировании базируется любой метод научного исследования как теоретический (при котором используются знаковые, абстрактные модели), так и экспериментальный (использующий предметные модели). А н а л и з – 1) Расчленение (мысленное или реальное) объекта на элементы; анализ неразрывно связан с синтезом. 2) В формальной логике – уточнение структуры рассуждения. С и н т е з – соединение (мысленное или реальное) различных элементов объекта в единое целое (систему); синтез неразрывно связан с анализом. И н д у к ц и я – умозаключение от фактов к некоторой гипотезе (общему утверждению). Д е д у к ц и я – вывод по правилам логики; цепь умозаключений (рассуждение), звенья которой (высказывания) связаны отношением логического следования. Началом (посылками) дедукции являются аксиомы, постулаты или просто гипотезы, имеющие результатом – следствия из посылок, теоремы (частное). Если посылки дедукции истинны, то истинны и ее следствия. Дедукция – основное средство доказательства. П р о в е р к а г и п о т е з – установление степени соответствия выдвинутого предположения реальному распределению единиц исследования в пространстве переменных. Гипотеза – это утверждение о том, какую конфигурацию может принять при проверке распределение единиц исследования в пространстве переменных. Гипотеза логически вытекает из достигнутого

данной областью науки уровня знаний. Гипотетические

отношения между переменными – смысловое ядро теории. И с т о р и к о – л о г и ч е с к и й м е т о д – набор приемов позволяющий реконструировать логику исторических процессов. Предполагает выявление временных этапов развития исследуемого объекта, характерных для каждого из них особенностей и изменений выделения историзма в типологических обобщениях событий и фактов. А б с т р а г и р о в а н и е – мысленное отвлечение от ряда свойств и отношений изучаемого объекта с целью выделения существенных для данного рассмотрения его признаков. Ф о р м а л и з а ц и я – изучение объектов, процессов, явлений, свойств в виде определенной системы правил, и формирование представления о них отвлекаясь от некоторых особенностей.

10

А к с и о м а т и к а – предполагает дедуктивное построение научных теорий при котором в основание теории кладутся некоторые не доказываемые в этой теории положения (аксиомы). О б о б щ е н и е – выявление общих признаков (свойств, отношений, тенденций развития и т.д.) предметов рассматриваемой области, влечет за собой появление новых понятий, законов, теорий.

1.2. РОЛЬ ИЗМЕРЕНИЙ В ТЕОРИИ ОТРАЖЕНИЯ Большинство реальных объектов познания обладает таким многообразием свойств, что получить количественную информацию о каждом из них невозможно. Как правило, это и не нужно. С помощью средств измерений получают количественную информацию о наиболее существенных свойствах объектов. Первоначально эта информация содержится в отклике средств измерений на входное воздействие. Измерительная информация позволяет сформировать модель объекта - упрощенное представление о нем на основе количественных данных о наиболее существенных свойствах. Чем большее число свойств учитывается, чем точнее количественная информация о них, тем полнее модель отражает реальный объект. Во избежание лишних измерительных процедур качественное представление о модели

объекта

(номенклатура

свойств,

представляющих

интерес)

должно

быть

сформировано заранее (apriori). Измерительные задачи состоят в получении конкретных количественных данных. Модели объектов служат отражением реальности в нашем сознании. Роль измерений в теории отражения является определяющей /2/. 1.3. ИЗМЕРЯЕМЫЕ СВОЙСТВА И ИХ МЕРЫ Любое свойство может проявляться в большей или меньшей степени, т.е. имеет количественную характеристику. Следовательно, любое свойство может быть измерено. Особо следует подчеркнуть возможность измерений в нематериальной сфере. К ним относятся, например, измерения красоты, неопределенности, качества и др. “Всякое качество имеет бесконечно много количественных градаций” (Фридрих Энгельс, “Диалектика природы”) и, следовательно, может быть измерено. Раздел метрологии, посвященный измерению качества, называется КВАЛИМЕТРИЕЙ.

11

Каждое свойство может быть охарактеризовано по-разному. Свойство нагретости тел, например, может характеризоваться средней скоростью теплового движения молекул, а может термодинамической температурой. Свойство пространственной протяженности можно характеризовать расстоянием между двумя точками пространства, а можно - углом между направлениями на них из точки наблюдения. Неопределенность числового значения случайной величины характеризуется энтропией или доверительным интервалом при выбранной доверительной вероятности и т.д. Понятно, что для удобства общения и обеспечения единства измерений все должны пользоваться одинаковыми характеристиками. Их называют мерами. Согласованные меры узакониваются соглашениями. В физике и ее технических приложениях меры получили название физических величин. К ним относятся длина, сила, масса, давление, время, скорость и др. В экономике мерами служат экономические показатели. Это стоимость, прибыль, цена, затраты и т.д. В квалиметрии меры называются показателями качества. Вещественные меры имеют вполне определенную количественную характеристику размер. Они могут быть однозначными (гиря, калибр) и многозначными (транспортир, измерительная линейка). Широко применяются наборы мер (набор гирь, магазин сопротивлений). Представление о мерах восходит к библейским временам. Евангелистами Матфеем, Марком и Лукою приводятся слова Иисуса Христа: “...какою мерою мерите, такою и вам отмерят”. В откровении Иоанна Богослова (Апокалипсис) в книге за семью печатями упоминается всадник на вороном коне, держащий меру в своей руке. Это свидетельствует о том, что понятие меры относится к общечеловеческим ценностям, является достоянием цивилизации. 1.4. РАЗМЕРНОСТЬ Формализованным отражением качественного различия физических величин является их размерность. Размерность обозначается символом dim, происходящим от слова dimension, которое в зависимости от контекста может переводиться и как размер, и как размерность. Размерность основных физических величин обозначается соответствующими заглавными буквами. Для длины, массы и времени, например, dim l = L ; dim m = M

; dim t

= T . При определении размерности

производных величин руководствуются следующими правилами:

12

1. Размерности правой и левой частей уравнения не могут не совпадать, т.к. сравниваться между собой могут только одинаковые свойства. Алгебраически могут суммироваться только величины, имеющие одинаковые размерности. 2. Алгебра размерностей мультипликативна, т.е. состоит из одного единственного действия - умножения. 2.1. Размерность произведения нескольких величин равна произведению их размерностей. Так, если зависимость между значениями величин Q , A, B, C имеет вид

Q = ABC , то dim Q = dim

A * dim B * dim C .

2.2. Размерность частного при делении одной величины на другую равна отношению их размерностей, т.е. если Q = A / B , то dim Q = dim

A / dim

B

.

2.3. Размерность любой величины, возведенной в некоторую степень, равна ее размерности в той же степени. Так, если Q = A n , то n

dim Q = П dim A = dim n A . 1

Например,

если

скорость

dim υ = dim l / dim t = L / T = LT −1

определять

по

формуле

l v= , t

то

. Если сила по второму закону Ньютона F = ma , где

a = υ / t - ускорение тела, то dim F = dim m * dim a, a = ML / T 2

. Таким образом,

всегда можно выразить размерность производной физической величины через размерности основных физических величин с помощью степенного одночлена: dim Q = Lα M β T γ ..., где L, M , T , … - размерности соответствующих основных физических величин;

α , β , γ ,... - показатели размерности. Каждый из показателей размерности может быть положительным или отрицательным, целым или дробным числом, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то такая величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины (например, логарифм отношения мощностей или напряжений).

13

Теория

размерности

повсеместно

применяется

для

оперативной

проверки

правильности формул. Формальное применение алгебры размерностей иногда позволяет определить неизвестную зависимость между физическими величинами. Количественной характеристикой любого свойства служит размер, хотя не принято говорить “размер длины”, “размер массы”, “размер цены”, “размер показателя качества”. Говорят просто “длина”, “масса”, “цена”, “показатель”. Размер нужно отличать от значения выражения размера в определенных единицах измерений. Например, 0,001 км; 1 м; 100 см; 1000 мм - четыре варианта представления одного и того же размера. Опять-таки не принято говорить “значение размера массы составляет”, или “значение цены равно”. Говорят: “масса составляет (или равна) 3 кг”, “цена 2 рубля”, “скорость 15 м/с”. Составная часть значения - отвлеченное число - называется числовым значением. Оно показывает, на сколько единиц размер больше нуля, или во сколько раз он больше размера, принятого за единицу измерения. Значение Q , следовательно, выражается через размер

единицы измерения [Q ] и числовое значение q следующим образом: Q = q[Q ] .

Как и размер, значение от выбора единиц не зависит (в отличие от числового значения).

1.5. АКСИОМЫ МЕТРОЛОГИИ

Основной постулат метрологии: отсчет является случайным числом /3 /.

Первая аксиома метрологии: без априорной информации измерение невозможно. Первая аксиома метрологии относится к ситуации перед измерением и говорит о том, что если об интересующем нас свойстве мы ничего не знаем, то ничего и не узнаем. С другой стороны, если о нем известно все, то измерение не нужно. Таким образом, измерение обусловлено дефицитом количественной информации о том или ином свойстве объекта или явления и направлено на его уменьшение. Наличие априорной информации о любом размере выражается в том, что его значение не может быть равновероятным в пределах от - ∞ до + ∞ . Это означало бы, что априорная энтропия +∞

H 0 = − ∫ p(Q) log[ p(Q)]dQ = ∞ −∞

14

и для получения измерительной информации I = H0 − H при любой апостериорной энтропии Н потребовалось бы бесконечно большое количество энергии. Здесь уместно напомнить слова Д.Габора, приведенные Л.Бриллюэном в статье “Теория информации и ее приложение к фундаментальным проблемам физики”, о том, что “ничто не дается даром, в том числе информация”. В полной мере это относится и к измерительной информации. Вторая аксиома метрологии: измерение есть ни что иное как сравнение. Вторая аксиома метрологии относится к процедуре измерения и говорит о том, что нет иного экспериментального способа получения информации о каких бы то ни было размерах, кроме как путем сравнения их между собой. Народная мудрость, говорящая о том, что “все познается в сравнении”, перекликается здесь с трактовкой измерения Л.Эйлером, данной свыше 200 лет тому назад: “Невозможно определить или измерить одну величину иначе как приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение, в котором она находится с ней”. Третья аксиома метрологии: результат измерения без округления является случайным. Третья аксиома метрологии относится к ситуации после измерения и отражает тот факт, что на результат реальной измерительной процедуры всегда оказывает влияние множество разнообразных, в том числе случайных факторов, точный учет которых в принципе невозможен, а окончательный итог непредсказуем. Вследствие этого, как показывает практика, при повторных измерениях одного и того же постоянного размера, либо при одновременном измерении его разными лицами, разными методами и средствами получаются неодинаковые результаты, если только не производить их округления (огрубления). Это отдельные значения случайного по своей природе результата измерения.

1.6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ШКАЛЫ

Шкала

порядка

представляет

последовательность размеров

собой

ранжированный

Q1 < Q 2 < Q 3 < ... < Q j < ...,

ряд

-

упорядоченную

каждый из которых больше

предыдущего, хотя сами размеры неизвестны. Если есть возможность опытным путем сравнить интересующий нас размер Q i с одним из членов ранжированного ряда Q j 〉

то

экспериментальное решение неравенства Q i 〈 Q j можно рассматривать как результат

15

измерения, дающий некоторую количественную информацию о Q i .

В соответствии с

третьей аксиомой метрологии решение о том, что i-ый размер меньше j-го либо больше или равен ему, носит случайный характер, т.е. выполняется с той или иной вероятностью, зависящей от силы неравенств. Решение (результат измерения) может оказаться ошибочным. При Q i >> Q j или Q i