Концепции современного естествознания

0

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Южно-Уральский государственный университет

5(07), К896

В.А. Кукк , С.В. Сергеев, Б.А. Решетников

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Учебное пособие Издание второе, дополненное и переработанное

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по образованию в области автоматизированного машиностроения (УМО АМ) в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», направлениям подготовки дипломированных специалистов – «Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств»; «Автоматизированные технологии и производства»

Челябинск Издательство ЮУрГУ 2006 1

ББК [Ю251.1:5].я7 УДК 50 (075.8) В.А. Кукк , С. В. Сергеев, Б. А. Решетников. Концепции современного естествознания: Учебное пособие. – 2-е изд. доп. и перераб. – Челябинск: Изд-во. ЮУрГУ, 2006. – 270 с. В учебном пособии в необходимом и достаточном объеме изложены все дидактические единицы согласно Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования для гуманитарно-социальных специальностей, специальностей экономики и управления. Содержание учебного пособия поможет студентам сформировать представления о целостной естественно-научной картине мира, расширить их кругозор и повысить общую культуру. Настоящее учебное пособие может быть также использовано для преподавания дисциплины «Основы научных исследований» студентам технических специальностей. Отпечатано с авторского оригинала. Ил. 13, табл. 2, список лит. – 136 назв.

Рецензенты: д-р геол.-минерал. наук, гл. науч. сотр. В. А. Попов (институт минералогии УрО РАН), д-р физ.-мат. наук, проф. М. М. Кипнис (кафедра "Математический анализ" Челябинского государственного педагогического университета), д-р экон. наук, проф. А. Ф. Блюденов (кафедра мировой экономики Челябинского государственного университета)

ISBN 5-696-03563-9

©Коллектив авторов, 2006 ©Издательство ЮУрГУ, 2006.

Книга размещена на сайте http://www.knigka.info/ с согласия коллектива авторов. Воспроизведение всей книги или любой её части в любом виде (электронный, отсканированный), размещение ссылок на данное пособие на другие ресурсы (файловые хостинги) запрещается без письменного разрешения авторов и издательства. 2

ВВЕДЕНИЕ Учебное пособие подготовлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования, программой преподавания дисциплины "Концепции современного естествознания" (КСЕ) студентам гуманитарных специальностей и может быть использовано для преподавания дисциплины "Основы научных исследований" (ОНИ) студентам технических специальностей. Согласно требованиям к уровню подготовки выпускников вузов, они должны обладать всеми навыками, знаниями и умениями, необходимыми в своей профессии. Как известно, эти навыки включают в себя: способность к ведению исследовательской работы, абстрактному логическому мышлению, использованию методов индукции и дедукции и к критическому анализу; умение выявлять и преодолевать неструктурированные проблемы в незнакомых условиях и применять к ним навыки решения возникающих проблем; умение определять и расставлять приоритеты в условиях ограниченных ресурсов и строить свои действия с соблюдением жёсткого графика; способность адаптироваться к новому. Навыки работы специалиста с людьми предполагают его способность: взаимодействовать с другими лицами, общаться с ними, в частности в коллективе; формулировать и делегировать задачи; поощрять стремление людей к творческому росту и помогать им разрешать конфликты; уметь взаимодействовать с лицами, представляющими разные культуры и разные интеллектуальные слои; вести переговоры для достижения приемлемых решений по профессиональным вопросам; трудиться в разнородной культурной среде. Что касается работы специалиста с информацией, здесь требуется от него обязательное умение излагать, обсуждать и действенно отстаивать свои решения в формальной и неформальной обстановке, в письменной и устной форме; слушать и аналитически воспринимать письменную информацию, включая восприятие культурных и языковых различий; находить, получать, систематизировать, письменно оформлять и использовать информацию из устных, печатных и электронных источников. Как сказано в Госстандарте, выпускник вуза должен в результате усвоения дисциплины "Концепции современного естествознания" ознакомиться с основными концепциями в области научных исследований, физики, химии, космологии, геологии, биологии, генетики, антропологии, парапсихологии и экологии. Основной задачей современного образования является развитие творческих способностей студентов, чтобы после окончания учебы выпускник мог стать творческой личностью, способной к различным формам деятельности. На реализацию этих целей и ориентирован данный курс. Авторы полностью согласны с существующим мнением, что актуальность введения в учебный процесс курса "Концепции современного естествознания" обусловлена еще и тем, что в последние годы в нашей 3

стране получают все большее распространение различного рода иррациональные виды знания, такие, например, как астрология, магия, мистические и т. п. учения. Постепенно, но достаточно определенно они вытесняют на периферию общественного сознания естественно-научную картину мира, основанную на рациональных способах его объяснения. Вот почему научная и педагогическая общественность обращает на это особое внимание. Учебное пособие предназначено для студентов вузов, а также для всех интересующихся вопросами истории естествознания и современной естественно-научной картиной мира. Поскольку в процессе учебы студенты-гуманитарии почти не изучают естественно-научных дисциплин, авторы учебника при изложении материала старались ограничиваться минимумом конкретных сведений из области естествознания. Основное же внимание, согласно программе, было обращено на освещение основных концепций современного естествознания. Учебное пособие выполнено в рамках методологических и мировоззренческих проблем научного познания природы. Структура изложения вопросов такова. Весь материал учебного пособия разбит на четыре раздела. В первом разделе "Естествознание в науке и культуре" дается общая характеристика естествознания как основы науки и всей человеческой культуры в целом. Показано стремление научного познания к объективной истине, логически и практически доказательному знанию. В этом разделе анализируется исторический процесс возникновения и развития естествознания от античной натурфилософии до современного уровня науки. Авторами рассмотрены наиболее важные вопросы психологии научного творчества студентов (глава 3). Эта глава построена с учетом диалектического метода и позволяет практически прививать студентам любознательность, способность удивляться, активизировать свою творческую деятельность, как в процессе учебы, так и после нее. В этой же главе приведены современные концепции применения математических методов в естественных науках, которые сегодня, по мнению В. Гейзенберга, все шире используются в психологии, нейрофизиологии, генетике и т.п. В этой своей роли математика несет объединительную миссию для отдельных наук и способствует образованию устойчивых связей между естествознанием и философией. Как известно, к настоящему времени накоплен большой объем научной информации, которую очень сложно усвоить за 5–6 лет обучения в вузе. Поэтому сегодня стало актуальным научить студента успешно систематизировать информацию, выделять в ней главное, оформлять ее и правильно использовать в работе. Этот важный момент подробно рассмотрен в главе 4. Во втором разделе "Современная естественно-научная картина мира" показаны достижения физики, химии, наук о Вселенной. Здесь анализируются проблемы теории относительности, квантовой физики, космологии, даются общие научные представления о возникновении разума 4

и материи. В частности, рассматриваются вопросы кибернетики об управлении сложными системами с обратной связью. В главе 9 дается совокупное понятие строения сложных систем, функционального подхода и информации как меры организованности системы. Уделено внимание синергетике, которая объясняет сложные вопросы происхождения материи и самоорганизации материальных систем. Авторами приведено в качестве примера простое, с точки зрения понимания, явление неустойчивости вращающегося тела в твердой среде (глава 9). В третьем разделе "Научное понимание сущности жизни" в общих чертах представлены достижения естествознания при изучении живой природы: современное понимание жизни и ее возникновения на Земле, закономерности исторической эволюции жизни; синтез эволюционной теории и генетики. Особое внимание уделено вопросам экологии, в том числе экологической обстановке на Урале с конкретными примерами и фактами. В четвертом разделе "Современная наука о человеке" анализируются представления о происхождении человека и цивилизации, структуре сознания и самосознания, взаимосвязи сознательного и бессознательного, биологического и социального в жизни человека. Необходимо отметить, что авторы стремились в доступной форме, соблюдая последовательность событий, ясно изложить все требуемые для изучения вопросы. Отдельные фрагменты данного учебного пособия были использованы в последние годы в процессе преподавания КСЕ. Как нам кажется, это способствовало приобретению студентами умения обосновывать свою мировоззренческую позицию в области естествознания, учило их применять полученные знания при решении своих профессиональных задач, пользуясь современными научными методами. Нельзя не сказать и о том, что все это позволяло повышать общую культуру студентов, расширяло их кругозор. Раздел I

ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В НАУКЕ И КУЛЬТУРЕ Глава 1. ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ И ГУМАНИТАРНАЯ КУЛЬТУРЫ 1.1. О взаимоотношениях двух типов культур Человек обладает знанием об окружающей его природе (Вселенной), о самом себе и собственных произведениях. Это делит всю имеющуюся у него информацию на два больших раздела — на естественно-научное (естественное в том смысле, что изучается то, что существует независимо от 5

человека, в противоположность искусственному — созданному человеком) и гуманитарное (от "гомо" — человек) знание [1]. Под этими терминами понимают две различные традиции, которые сформировались в изучении природы, т.е. в естествознании, с одной стороны, и в исследовании явлений духовной жизни общества, т.е. в гуманитарных науках, с другой. Это различие обусловлено самой спецификой объектов изучения естественных и гуманитарных наук. В природе действуют стихийные и независимые от человека процессы, в обществе ничего не совершается без сознательных целей, интересов и мотиваций. На этом основании естественно-научную культуру нередко противопоставляют культуре гуманитарной. Поскольку методы исследования в естествознании сформировались раньше, чем в гуманитарных науках, то в истории познания делались неоднократные попытки перенести их целиком и полностью, без соответствующих изменений и уточнений, в гуманитарные науки [2]. Такие попытки не могли не встретить сопротивления и критики со стороны специалистов, изучавших явления социальной жизни и духовной культуры. Иногда подобное сопротивление сопровождалось полным отрицанием какого-либо значения методов естествознания для исследования социально-культурных и гуманитарных процессов. Однако в последние десятилетия под влиянием научно-технической революции и возникновения новых общенаучных и междисциплинарных направлений исследования былая конфронтация между естествоиспытателями и гуманитариями все больше уступает место согласию и стремлению понять и использовать методы друг друга. Самое главное различие между естественно-научной и гуманитарной культурами выражается в истолковании их подхода к основным функциям науки, важнейшие из которых — объяснение, понимание и предсказание явлений [3, 4]. Сначала определимся с основными понятиями. Поскольку речь идёт о типах культур, то в определении нуждается само понятие "культура". Культура (от лат. Cultura — возделывание, воспитание, образование, развитие, почитание) — определённый уровень развития общества, творческих сил и способностей человека, выраженный в типах и формах организации жизни и деятельности людей, а также в создаваемых ими материальных и духовных ценностях [5]. С помощью данного понятия подчёркивается надприродный, чисто социальный характер человеческого бытия. Культура — это всё, что создано человеком как бы в добавление к природному миру, хотя и на основе последнего. Однако мир человеческой культуры существует не рядом с природным, а внутри него и потому неразрывно с ним связан. Следовательно, всякий предмет культуры имеет природную основу и его социальное содержание и оформление. 6

В более узком смысле слово "культура" означает сферу духовной жизни людей [6]. Она включает в себя предметные результаты деятельности человека, а также человеческие силы и способности, реализуемые в деятельности (знания, умения, навыки, уровень интеллекта, нравственного и эстетического развития, мировоззрение, способы и формы общения людей). Каждая общественно-экономическая формация характеризуется определенным типом культуры, который меняется с переходом от одной общественно-экономической формации к другой. При этом наследуется все ценное из прошлого. Развитие культуры, а значит, развитие любого общества зависит от множества факторов: производственно-экономических, социальных, политических, этнических, идеологических и т. д. Но всегда творцом культуры остается живой человек. Процессы овладения культурой новыми поколениями и механизмы их приобщения к достижениям культуры изучаются специалистами. В настоящее время выявлено три типа трансляции культуры. 1. Способ приобщения культуры через обучение старшими поколениями младших. Этот тип культуры достаточно консервативен и господствует в традиционных обществах. Здесь люди неохотно включаются в процессы нововведений, не любят самостоятельности и инициативы. Творчество здесь не связано сo знанием чего-то принципиального. 2. Обучение взрослых и детей у своих сверстников. В этом случае новации и нововведения, самостоятельное творчество характерны для людей любого поколения. При этом типе культуры формируется высокий творческий потенциал общества. Именно такая передача культурных достижений свойственна всем великим цивилизациям Земли. 3. Приобщение к культуре, когда старшие поколения учатся у своих детей. Молодежь значительно легче схватывает новшества, она не отягощена грузом прошлого опыта, ее характеризует склонность к переменам, и у нее достаточно высоко развит творческий потенциал (подростки, например, гораздо быстрее осваивают компьютер, чем люди старшего поколения, то же относится и к современной радио-, теле- и видеопродукции). К такому виду культур переходит все большее количество народов, в том числе и Россия делает шаги в направлении от традиционной трансляции культуры к формированию современного творческого потенциала. Интересен взгляд современных исследователей. Они рассматривают цивилизацию как нечто внешнее по отношению к человеку, противостоящее ему и на него воздействующее, в то время как культура всегда является внутренним достоянием человека, показывает меру его развития и служит как бы символом его духовного богатства. Сегодня все больше приверженцев получает триада: "человек, человечество, человечность", т.е. все определеннее проявляется стремление уравнять ритмы истории и ритмы жизни человека и человечества, приподнять ценности гуманизма. В настоящее время коренные изменения в культуре происходят на протяжении жизни уже одного поколения. Потеря национального культурного разнообразия 7

равноценна утрате разнообразия генетического и очень опасна для будущего человечества. Люди должны научиться жить вместе, что может стать основой новой морали и новых отношений в мире человечества. Единство человечества и национальное разнообразие — две стороны одной и той же медали. Культура — одна из важнейших характеристик человеческой жизнедеятельности. Каждый индивид представляет собой сложную биосоциальную систему, функционирующую за счет взаимодействия с окружающей средой. Необходимые, закономерные связи индивида с окружающей средой определяют его потребности, т.е. такие вещи природной и культурной среды, которые необходимы человеку для его нормального функционирования, жизнедеятельности и развития. Большинство потребностей человека удовлетворяется посредством труда. Система человеческой культуры — это мир вещей, предметов, созданных человеком для удовлетворения его потребностей. Таким образом, под культурой в самом широком смысле этого слова принято понимать все то, что создано человеком (его деятельностью, трудом), человечеством в ходе его истории, в отличие от природных процессов и явлений, т.е. главная отличительная черта человеческой культуры состоит в том, что она созидается человеческим трудом. А процесс труда всегда осуществляется при непосредственном участии и направляющем воздействии сознания человека, его мышления, знаний, чувств, воли. Значит, культура — это "опредмеченный" мир человеческой духовности. Культура есть продукт человеческой деятельности, а деятельность есть способ бытия человека в мире. Результаты человеческого труда постоянно накапливаются, и потому система культуры исторически развивается и обогащается. Многими поколениями людей создан грандиозный, колоссальный мир человеческой культуры. Все, что созидается и используется человеком в производстве (сельскохозяйственном и промышленном), на транспорте, сооружено строителями, все, что достигнуто человечеством в правовой, политической, государственной деятельности, в системах образования, медицинского, бытового и других видов обслуживания, в науке, искусстве, религии, философии — все это принадлежит миру человеческой культуры. Поля и фермы, выращенные человеком леса и парки, промышленные (фабрики, заводы и т.п.) и гражданские (жилые дома, учреждения и др.) постройки, транспортные коммуникации (дороги, трубопроводы, мосты и т.д.), линии связи, политические, правовые, образовательные и другие учреждения, научные знания, художественные образы, религиозные доктрины и философские системы — все это вещи человеческой культуры. Сейчас на Земле не просто найти такое место, которое бы в той или иной мере не было освоено человеческим трудом, которое не затронули бы деятельные руки человека, на котором не было бы печати человеческого духа. 8

Мир культуры окружает каждого. Каждый человек как бы погружен в море вещей, предметов человеческой культуры. Более того, индивид становится человеком постольку, поскольку он усваивает (выработанные предыдущими поколениями людей) формы деятельности по производству и использованию предметов культуры. В семье, в школе, в высшем учебном заведении, на работе, в общении с другими людьми мы осваиваем систему предметных форм культуры, "распредмечиваем" их для себя. Только на этом пути человек изменяет сам себя, развивает свой внутренний духовный мир, свои знания, интересы, навыки, умения, мировоззрение, ценности, потребности и др. Чем выше степень освоения человеком достижений культуры, тем больший вклад он может внести в ее дальнейшее развитие. Развитие физики, биологии, общественных наук дало нам множество факторов, которые невозможно охватить единым взглядом. Ученые, работающие в близких областях, перестают понимать друг друга. Можно ли с этой точки зрения говорить о физиках, экономистах, юристах, биологах и т.д. как о представителях единой культуры, вносящих вклад в общую цивилизацию? Английский писатель Чарльз Сноу [5] сформулировал альтернативу "двух культур" — научно-технической и художественно-гуманитарной. По его мнению, они настолько разделены в современном мире, что представители каждой из них не понимают друг друга (вспомним деление на "физиков" и "лириков" в 60-х и 70-х гг. XX в.). Между ними образовалась пропасть, которая все время углубляется и расширяется, так как духовное и физическое необъединимы. Без высокого профессионализма, конкретных детальных знаний дальнейшие исследования могут исчерпать себя. Необходим комплексный, разноплановый анализ, опирающийся на данные различных наук, требующий синтеза знаний, появления единых точек зрения, ведущий не только к объединению различных дисциплин, развитию конкретных областей знаний, но и к новому, целостному видению мира. И оно не менее необходимо для человека, чем конкретные знания конкретных наук. Объяснение в самой общей форме можно определить как подведение явления, факта или события под некоторый общий закон, теорию или концепцию. Действительно, чтобы объяснить, например, факт, необходимо логически вывести высказывание о факте из определенного общего высказывания или утверждения, в качестве которых чаще всего выступают законы и теории. Мы должны постараться найти такое высказывание и подвести под него конкретный факт, случай или событие. Чтобы объяснить, почему яблоки падают на землю, Ньютону, по малоправдоподобной легенде, пришлось открыть закон всемирного тяготения. В экономике для объяснения равновесия на рынке обращаются к закону спроса и предложения и т.п. Среди историков и других ученых-гуманитариев есть также немало исследователей, которые заявляют, что методы объяснения оказываются вообще бесполезными в гуманитарных науках, поскольку в них главное 9

внимание должно быть обращено не столько на общность, сколько на индивидуальность, неповторимость и даже уникальность событий и явлений духовной и социальной жизни. Поэтому они считают главным или даже почти единственным способом их исследования метод понимания, связанный с их истолкованием. Пониманием называют способ, посредством которого можно интерпретировать или истолковывать явления и события индивидуальной духовной жизни и гуманитарной деятельности. В гуманитарной методологии различают два подхода к процессу понимания, которые условно можно назвать психологическим и теоретическим. К психологическому относят понимание, основанное на переживании одним человеком духовного опыта другого, его чувств, настроений, мотиваций и т.п. Теоретическое понимание основывается, прежде всего, на интерпретации, или истолковании определенных фактов, событий и процессов. Суть интерпретации в гуманитарной деятельности состоит в раскрытии целей, мотиваций и смысла действий и поступков людей. В этом отношении такое понимание сближается с телеологическими объяснениями. Так, например, тексты, которые были написаны на древних языках, плохо сохранились, они трудно поддаются переводу, а потому их нелегко понять. В этом случае понимание сводят только к раскрытию и усвоению того смысла, который вложил в текст его автор. Считается, что если раскрыт этот смысл, то тем самым он был понят. Именно так рассматривают понимание не только в обыденном познании и обучении, но и при переводе текстов с чужого языка на родной. Несколько иначе обстоит дело с интерпретацией исторических событий, но и они истолковываются обычно c позиции результатов, достигнутых в настоящее время. Для исследования же явлений природы вводятся понятия, открываются законы и строятся научные теории, с помощью которых интерпретируют эти явления. Следовательно, достигают определенного понимания существующей в природе регулярности, повторяемости и закономерности, но такое понимание по своему характеру ближе к естественно-научному объяснению. Поэтому понимание — это более сложный, противоречивый и запутанный процесс, чем объяснение. Различие между ними состоит в том, что если объяснение сводится к логическому выводу, то понимание — к интерпретации. К логическому выводу обращаются и при предвидении событий, явлений и иных новых фактов. Предвидение, или предсказание, по логической структуре не отличается от объяснения. Объяснение относится к событиям и фактам настоящим, а часто и к прошлым, предвидение же направлено к будущим событиям. Оно играет решающую роль не только в развитии теоретического знания, но особенно в процессе практического применения этого знания, обеспечивая возможность прогнозирования явлений и событий.

10

1.2. Интеграция естественно-научной и гуманитарной культур Гуманитарные и естественные науки, а также формирующиеся на их основе типы культур разделены, но вместе с тем они нуждаются друг в друге и они не столько противоположны, сколько взаимодополнительны. Такое неразрывное единство двух культур может быть обусловлено несколькими соображениями. Во-первых, традиционная дифференциация научного знания, характерная для естественных, технических и гуманитарных наук, подготовила основание для междисциплинарной взаимосвязи сложившейся их системы. Во-вторых, аппарат современного научного знания фактически приспособлен для реализации интегративных представлений, которые обусловлены внутренней логикой формирования науки, универсальностью структур и приемов научного мышления. В-третьих, разрешение общечеловеческих (глобальных) проблем возникающих в рамках цивилизаций в конце XX в., требует активизации процессов, связанных именно с интегративными тенденциями в структуре науки. Осознается значение проблемного подхода в науке, сбываются прогнозы В.И. Вернадского [2], который еще в 30-х гг. XX в. отмечал реальность стирания граней между отдельными науками, целесообразности для ученых специализироваться не по наукам, а проблемам. Традиционный дисциплинарный подход, выявляя свою ограниченность, постепенно заменяется проблемным подходом, в рамках которого обобщение научных и практическиx представлений происходит в контексте разрешения определенных задач (или их системы) социальной практики. Выход на уровень взаимообогащения принципов и методов отражения объективной реальности, присущих естественно-научному, гуманитарному и художественному познанию, есть процесс "гуманизации" науки и "онаучивания" искусства, выявления закономерностей, управляющих как природными, так и социокультурными процессами. Единство знания все более осознается как одна из реальностей XXI в. Сегодня всё более проявляется тенденция к единству физического знания, т.е. формулирование общих теорий, пытающихся объяснить с единой точки зрения многообразие данных физического эксперимента. И хотя физики еще далеки от завершения единой физической теории, они объединяют свои усилия в процессе реализации программы единой теории физического взаимодействия. Аналогичные тенденции в определенной степени характерны для всей современной системы наук о природе, человеке и обществе. Формируются науки и междисциплинарные направления научных исследований (систематика, синергетика и др.), ориентированные на выявление и познание общих закономерностей, управляющих процессами самоорганизации в системах разной природы (физических, химических, биологических, социальных и др.). 11

Основу взаимного проникновения двух культур составляет представление о "единстве мира", которое и обусловливает, в конечном счете, единство научного и гуманитарного знания. Из единства естественно-научного и социокультурного бытия выводится единство знания о мире, основанное на единой системе методов. Тем самым обозначается идея общности теоретических и социокультурных оснований научного знания [7]. Синергетический подход к развитию социоприродных систем принципиальным образом меняет представление о формирующейся культуре, как совокупности духовных, материальных и природных ценностей, созданных и сохраненных в процессе социокультурного развития цивилизации. В заключении отметим, что несмотря на всю неоспоримость тенденций сближения естественно-научной и гуманитарной культур, речь не идёт о полном их слиянии. Вполне необходимым и достаточным будет разрешение конфликта между ними на основе принципа дополнительности. Вопросы для повторения 1. Что означает понятие "культура"? 2. Каковы типы трансляции культуры? 3. Каковы основные особенности "двух культур" — естественно-научной и гуманитарной? 4. Какие основные тенденции научного знания характерны для XXI в.? Библиографический список 1. Бернал, Дж. Наука в истории общества / Дж. Бернал. — М.: Мир, 1958. 2. Вернадский, В.И. Труды по общей истории науки / В.И.Вернадский. — М.: Прогресс, 1988. 3. Данилов, В.С. Новая технократическая волна на Западе / В.С. Данилов. — М.: Мир, 1986. 4. Добров, Г.М. Наука о науке / Г.М. Добров. — Киев: Наук. думка, 1989. 5. Сноу, Ч. Две культуры / Ч. Сноу. — М.: Мир, 1973. 6. Филатов, В.П. Образы науки в русской культуре / В.П. Филатов// Вопросы философии. —1990. — № 5. 7. Ясперс, К. Смысл и назначение истории / К. Ясперс. — М.: Мир, 1994. Глава 2. ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О НАУКЕ 2.1. Понятие о науке и взаимосвязь науки, техники и материального производства Главное назначение научной деятельности — получение знаний о реальности. 12

По содержанию же научное знание характеризуется стремлением к истине, к раскрытию наиболее глубоких и общих оснований рассматриваемого круга явлений, в предельном случае всего мира в целом. Наука играет огромную роль в развитии человеческого общества. Она пронизывает все сферы нашей деятельности как материальной, так и духовной и по праву является неотъемлемым звеном социальнополитического развития страны. В литературе имеется ряд определений понятия "наука". Одни из них определяют науку как сумму знаний, достигнутых человеком, другие — как род человеческой деятельности, направленный на расширение познаний человеком законов окружающей природы и развития общества [1]. Однако наиболее общим определением можно считать следующее: наука — сфера человеческой деятельности, функции которой состоят в выработке, теоретическом обобщении, проверке истинности и изыскания возможностей применимости объективных знаний. Следовательно, наука как одна из форм общественного сознания направлена на получение новых знаний и установление способов их практического применения. Реализация этих способов осуществляется непосредственно через технику. Этим подчеркивается огромное значение науки и техники в нашей жизни. Так было не всегда. Зачатки науки и техники появились еще в древнем мире, но развивались они обособленно друг от друга. Древние греки, например, создав одну из замечательных культур, старались познать природу, но тяжелую работу у них выполняли рабы, а не созданные на основе научного прогресса машины. Только в Новое время, по мнению В. Гейзенберга, отношение человека к природе превращалось из созерцательного в практическое, т.е. естествознание превратилось в технику, точнее, оно соединялось с техникой в единое целое. Техника — это совокупность искусственных средств, используемых в деятельности людей. Техника является одной из форм реализации научных знаний. Поэтому развитие современной техники обусловлено развитием науки, которая теперь играет ведущую роль по отношению к технике. Значительные технические новшества достигаются в наше время не путем эмпирических поисков, а через приложение научно-теоретических знаний. В свою очередь, потребности развития техники стимулируют и направляют научные исследования. О тесной связи между наукой и техникой свидетельствует даже термин "научно-техническая революция". Современный этап научно-технического прогресса — эпоха НТР — это коренное преобразование производительных сил общества на основе превращения науки в ведущий фактор развития общественного производства и всей жизни общества. Наука превращается в непосредственную производительную силу, тесно переплетается с техникой и производством, и это изменяет весь облик общественного производства, условия, характер и 13

содержание труда, структуру производительных сил, оказывает воздействие на все стороны жизни [2, 3]. Научно-техническая революция повысила благосостояние народов, которые в первую очередь воспользовались её результатами (преимущественно развитые страны). В этих странах была существенно снижена детская смертность и одновременно возросла продолжительность жизни. Произошли кардинальные изменения в быту: обычными предметами обихода стали телевизоры, магнитофоны, видеотехника, персональные компьютеры. Жизнь стала более удобной и комфортной. О степени развития стран судят по тому, насколько в них используются достижения НТР. Но вот какое противоречие имеет место. Применяя какое-либо достижение науки, и получая при этом определённый результат, часто вслед за ожидаемой пользой человек имеет нежелательные последствия. Это можно проследить в промышленности, сельском хозяйстве, энергетике. Природа разрушается, исчезают или становятся редкими и заносятся в "Красную книгу" отдельные виды животных и растений, загрязняются реки, моря, океаны, атмосфера, почва, литосфера. Природа может существовать без человека, а вот человек вне природы жить не может и поэтому, что плохо для природы, в итоге отрицательно сказывается на человеке. Роль науки в жизни общества неуклонно возрастала на протяжении последних столетий. Соответственно, можно говорить и о возрастании мировоззренческого значения науки. Наука и НТР в целом продолжают и поныне оказывать огромное воздействие на формирование мировоззрения людей. Причем как сами научные достижения, например синергетика, так и их применение в традиционных направлениях научного поиска (информатика). Научные достижения оказывают как положительное, так и отрицательное влияние, о чем свидетельствует современная экология. Мировоззренческое значение имеют и новые научно-методологические средства, как, например, системный подход. Есть все основания думать, что и в обозримом будущем мировоззренческое значение науки будет возрастать [6]. Существует воздействие и в обратном направлении. Не только НТР влияет на мировоззрение, но и мировоззренческие сдвиги оказывают большое влияние на направление научных исследований. В настоящее время науку как систему в целом условно подразделяют на естественные и социально-философские науки. Первые изучают законы и явления окружающей природы и включают в себя физику, химию, биологию и др., вторые — закономерности общественной жизни (к ним относятся: история, политология, философия и др.). Среди естественных наук особое место занимают технические, направленные на разработку и совершенствование имеющихся средств, машин и устройств для осуществления производств, процессов и удовлетворения различных потребностей общества. Наука через технику тесным образом связана с производством, что превращает ее в непосредственную производительную силу общества. Процесс производства каждого нового продукта, новых 14

технических средств начинается в кабинетах ученых и в лабораториях исследователей. Прежде чем вещь будет произведена реально, она должна быть так или иначе произведена идеально. На пути от "идеального" возникновения продукта к "реальному" расположены различные звенья цепи, имеют место разные виды деятельности. Каковы эти звенья? "Дологические" предпосылки исследования. Сюда относится художественно-образная основа интеллектуальной деятельности мышления, воображения, ассоциативные способности, интуиция, которые служат импульсом научного творчества. Данное звено представляет собой ту сферу, где искусство смыкается с наукой, где образная художественная деятельность переводится в рациональный план. В этой, к сожалению, наименее исследованной до сих пор сфере — генетический исток и тайна научных открытий. Методология мировоззрения представляет собой область производства духовных средств производства в науке, т.е. методов и приемов мышления, методов и приемов научного познания. Эту сферу обслуживают преимущественно философия и научные дисциплины, возникшие на стыке философских и конкретных наук [7]. Затем следуют фундаментальные исследования, т.е. выработка таких гипотез, концепций, теорий в конкретных областях научной деятельности, которые могут в конечном итоге послужить основой для создания новых, а также для усовершенствования существующих изделий, материалов и технологических процессов. Производя фундаментальные исследования, ученый, зачастую, совершенно не представляет себе, когда и какое именно практическое значение получат их результаты. Вопрос о практическом использовании результатов обретает некоторую определенность на стадии прикладных исследований. Последние направлены на выявление путей и способов применения познанных законов и явлений природы для целей производства. Следующее звено — опытно-конструкторские разработки [8]. Результаты, полученные в прикладных исследованиях, здесь подвергаются дальнейшей разработке с целью конструирования, испытания и усовершенствования технических устройств, новых технологических процессов и т.п. На этой стадии начинается внедрение научных достижений в производстве. Кончается ли на этом научно-исследовательский процесс? Оказывается, нет. Даже после того, как новое изделие вступило в стадию массового производства (или новая технология уже внедрена и т.д.), оно нуждается в заботе исследовательской, так сказать "материнской" организации. Последняя принимает участие в проведении дополнительных производственных исследований, которые делятся на три категории: 1) исследование новых производственных методов в действии; 2) исследование методов стандартизации и контроля качества продукции; 3) исследования, связанные с устранением "узких мест" в производстве с необходимостью сложного ремонта, отработки и совершенствования техники в процессе ее эксплуатации. 15

Но и тогда, когда научные достижения окончательно внедрены в производство, новый вид продукции, новая технология и т.д. нередко продолжают быть объектом дальнейшего совершенствования со стороны изобретателей. Цель исследовательской деятельности, следовательно, должна включать также изобретательскую деятельность, которая ныне постепенно становится организованной, осуществляется все чаще на основании научного подхода к делу образованными кадрами. Наконец, замыкающим структурным звеном цепи, связывающей науку с производством, является собственно производственная деятельность. Описанная цепь структурных звеньев не исчерпывает собой всей науки, она характеризует только ту часть науки, которая ориентирована на вещественный элемент производства — технику. Но наука не замыкается только на технике, она замыкается и на человеке, выступая в качестве ориентированной на личность. Важным критерием научности является наличие цели научного познания, которая определяется как постижение истины ради самой истины, или теоретичность. Если наука направлена только на решение практических задач, она перестает быть наукой в полном смысле этого слова. Так, существовавшие на Востоке научные знания, использовались лишь в качестве вспомогательных в религиозных магических церемониях и ритуалах. Поэтому мы не можем говорить о наличии там науки как самостоятельного культурного феномена. Отличительной чертой научного знания является его рациональный характер. Сегодня это положение кажется тривиальным, но ведь вера в возможности разума появилась далеко не сразу и не везде. Восточная цивилизация так и не приняла этого положения, отдавая приоритет интуиции и сверхчувственному восприятию. Этот критерий тесно связан со свойством интерсубъективности научного знания, которое понимается как общезначимость, общеобязательность знания, его инвариантность, возможность получить один и тот же результат разными исследователями. Определяющими признаками науки являются также наличие экспериментального метода исследования и математизация науки. Эти признаки появились в Новое время, придав науке современный облик, а также связав ее с практикой. 2.2. Зарождение науки, основные тенденции её развития История зарождения науки насчитывает многие тысячи лет. Первые элементы наук появились в древнем мире в связи с потребностями общественной практики и носили сугубо практический характер. Всего же (с точки зрения истории науки) человечество в своем познании Природы прошло три стадии и вступает в четвертую [6]. На первой из них сформировались общие представления об окружающем мире как о чем-то целом, едином. Появилась так называемая 16

натурфилософия, которая была вместилищем идей и догадок. Так продолжалось до XV столетия. С XV–XVI вв. началась аналитическая стадия, т.е. расчленение, выделение частностей, приведших к возникновению и развитию физики, химии и биологии, а также целого ряда других, более частных естественных наук. Наконец, в настоящее время делаются попытки обосновать принципиальную целостность всего естествознания и ответить на вопрос, почему именно физика, химия, биология и психология стали основными и как бы самостоятельными разделами науки о Природе? Происходит также и дифференциация науки, т.е. создание узких областей какой-либо науки, однако, общая тенденция идет именно к интеграции науки. Поэтому последнюю стадию (четвертую), начинающую осуществляться, называют интегрально-дифференциальной. Рассмотрим подробнее эти эволюционные процессы науки. Собственно наука в современных её формах начала складываться в XVII–XVIII вв. и в силу основной закономерности своего развития превратилась в нашу эпоху в силу, оказывающую значительное влияние на все стороны жизни общества. Ещё на заре своего развития человечество улучшало условия жизни за счет познания и некоторого преобразования окружающего мира. Столетиями и тысячелетиями накапливающийся опыт соответствующим образом обобщался и передавался последующим поколениям. Механизм наследования и накопления сведений постепенно совершенствовался за счёт установления определённых обычаев, традиций, а затем — и письменности. Так возникла исторически первая форма науки — наука античного мира, предмет изучения которой составила вся природа в целом. В этот период возникли первые основы химии, которая использовалась для извлечения металлов из руд, крашения тканей, выделки кожи. Потребности отсчета времени, ориентирования на Земле, предсказания сезонных явлений привели к созданию основ астрономии. Несколько раньше возникли основы математики, включающей в себя в то время элементы арифметики и геометрии. Первоначально созданная (античная) наука ещё не делилась на отдельные обособленные области и имела черты натурфилософии. Природа рассматривалась в целостности, с выдвижением на первый план общего и пренебрежением частностями. Натурфилософии соответствовал метод наивной диалектики и стихийного материализма, когда гениальные догадки переплетались с фантастическими вымыслами об окружающем мире. В V–IV вв. до н.э. из натурфилософской системы античной науки в самостоятельные области познания выделяются математика, астрономия, зоология и ботаника, минералогия, география, начался процесс дифференциации науки и внедрения самостоятельных по своему предмету и методам отдельных дисциплин.

17

Со второй половины XV в. в эпоху возрождения начинается период значительного развития науки, начало которой характеризуется накоплением большого фактического материала о природе. Переход от науки философии к первому периоду в развитии естествознания происходил достаточно долго — почти тысячу лет, что было связано с отсутствием в то время движущих сил развития науки, а также слабым развитием техники. Второй период в развитии естествознания занимает время от середины XVI в. до конца XIX в. Именно в этот период были сделаны выдающиеся открытия в физике, химии, механике, математике, биологии, астрономии, геологии. Были открыты законы: всемирного тяготения (И. Ньютон — конец XVII в.), сохранения массы в химических превращениях (М.В. Ломоносов, А. Лавуазье — вторая половина XVIII в.), периодический закон в химии (Д.И. Менделеев — вторая половина XIX в.). Подлинный переворот в естествознании произошел в результате трех великих открытий — создания Ч. Дарвином эволюционной теории, открытия клетки и закона сохранения и превращения энергии. Такой существенный скачок в развитии науки способствовали дальнейшему прогрессу и дифференциации. В науке XVII в. господствовал метафизический метод мышления, который опирался на абсолютизацию материалов (результатов), исследование только частностей и рассмотрение отдельных явлений. В конце XIX в. – начале XX в. революция в естествознании вступила в новую, специфическую стадию, физика переступила порог микромира, был открыт электрон (Д. Томсон, 1897 г.), заложены основы квантовой механики (М. Планк, 1900 г.), обнаружен дискретный характер радиоактивного излучения. В середине XX в. окончательную победу одержал метод научного познания, основанный на материалистической диалектике. В современных условиях изменяется характер научного исследования, подход к изучению явлений природы. На место прежней изоляции отдельных дисциплин приходят их взаимодействие, проникновение одной в другую. К настоящему времени уже насчитывается около 1300 самостоятельных научных дисциплин и свыше 300 специальностей, процесс дифференциации науки продолжается. В то же время происходит процесс сближения и связи отдельных наук, который называется интеграцией. Интеграционные процессы являются одной из характерных черт современного этапа развития науки. Одновременно идущие процессы её дифференциации и интеграции взаимно переплетаются, переходят один в другой. На основе взаимодействия этих процессов происходит становление новых научных дисциплин. Одной из главных черт развития науки является её сближение с общественной практикой, производством. На ранних стадиях техника и производство существенно опережали развитие науки. Они давали науке уже готовый материал для анализа обобщения, ставя перед ней задачи, диктуемые практикой. 18

Сближение науки и техники, их взаимный интерес и влияние одной на другую получило новый импульс в XVI–XVIII вв. в связи с развитием мануфактурного и машинного производства, а также мореплавания. Развитие отдельных дисциплин науки происходит не единым фронтом, а выдвижением в отдельные периоды времени далеко вперед ее отдельных дисциплин. В XVII–XVIII вв. одиночным лидером была механика, в XIX в. — физика, химия, биология, астрономия, в конце XIX в. лидерство вновь перешло к физике (атомной и субатомной), что продолжалось до середины XX в. Настоящий период развития науки характеризуется групповым лидерством. Кроме физики микромира и твердого тела получили значительное развитие кибернетика, космонавтика, биоорганическая химия, генетика, бионика, в совокупности и взаимосвязи составляющие основу научнотехнического прогресса настоящего времени. Бурное развитие науки стимулировало зарождение науковедения, изучающего закономерности функционирования и развития науки, структуры и динамику научной деятельности, экономику и организацию науки, нормы взаимодействия её с другими сферами материальной и духовной жизни общества. Наука — производительная сила современного общества Основной особенностью современного периода научно-технической революции является конкретное коренное изменение соотношения между наукой и производством. В настоящее время формируется единая, тесно взаимодействующая система "наука — техника — производство", где ведущая роль принадлежит науке. Теперь обязательным условием научного и технического прогресса стало опережающее развитие науки, составляющее сущность научно-технической революция, основу её поступательного развития. Необходимость в опережающей роли науки обусловлена вовлечением в сферу практической деятельности человека новых веществ с ранее неизвестными свойствами, использованием новых видов энергии, дальнейшем изучении непознанных явлений природы и т.д. Наука изучает законы и закономерности этих явлений, их свойства, разрабатывает рекомендации по их практическому применению. Именно наука играет сейчас ведущую роль в решении глобальных проблем будущего — энергетической, экологической, продовольственной. Опережающее развитие науки создает прочную основу для прогресса техники, производства на основе научных достижений. Производство все больше выступает как техническое приложение и воплощение достижений в науке. Следовательно, наука в целом, а не отдельные дисциплины, все в большей степени превращается в непосредственную производительную силу общества [8, 9]. Однако, превращаясь в производительную силу, наука не становится дополнительным элементом производительных сил. Она своими методами 19

совершенствует составные части производства: средства труда, предмет труда, сам труд [4, 5]. Рассмотрим основные пути превращения науки в производительную силу. Первый путь состоит в создании на основе достижений науки новых технологических средств и технологических процессов, улучшающих процесс производства и повышающих производительность труда. Он являлся единственным вплоть до конца XIX в. Второй путь превращения науки в производительную силу состоит в совершенствовании самого человека, как главной производительной силы общества. Он стал проявляться ещё в XIX в., но наибольшей значительности достиг в период научно-технической революции. Теперь в производстве широко применяются станки с ПУ, автоматизированные линии, устройства электронно-вычислительной техники, для обслуживания которых требуется не только высокая производительность, но и определенная подготовка человека по математике, физике, химии, кибернетике. Третий путь превращения науки в производительную силу, особенно проявивший себя в последние 20 лет, состоит в совершенствовании на научной основе производительных процессов, начиная от организации труда на отдельном рабочем месте и кончая общей стратегией развития страны. 2.3. Организация научных исследований в Российской Федерации Система научных учреждений РФ Рассматривая такое многогранное явление, как наука, можно выделить три его функции: отрасль культуры, способ познавания мира, специальный институт (в это понятие входят не только высшие учебные заведения, но и научные общества, академии, лаборатории, журналы и т.п.). В нашей стране создана разветвленная сеть учреждений, занимающихся фундаментальными исследованиями в различных отраслях народного хозяйства [7]. К ним относятся: 1) Академия наук РФ (РАН); 2) отраслевые академии Министерств (Академия медицинских наук РФ, Академия педагогических наук РФ, Академия строительства и архитектуры РФ и др.); 3) отраслевые научно-исследовательские институты Министерств, ведомств, вузы. Деление науки на вузовскую, академическую и отраслевую во многом условно в силу тесного взаимодействия этих отрядов единой российской науки. В вузах, которых по данным за 2002 г. в РФ более 500, научные исследования направлены на разработку фундаментальных проблем в той области, для которой данный вуз готовит специалистов. Важное место занимают также исследования по проблемам высшей школы, 20

совершенствованию учебного процесса, повышению качества подготовки выпускников. При вузах с высоким уровнем научных исследований создаются научно-исследовательские институты, работают проблемные научно-исследовательские лаборатории (например, при МГУ, ЮУрГУ). Научно-исследовательская работа в высшей школе Её главная особенность — органическое сочетание учебновоспитательного процесса и научно-исследовательской деятельности коллектива вуза. В этой работе принимают участие педагогический и научный составы вузов, а также студенты. Научно-исследовательская работа (НИР) в вузах преследует три основных цели: 1) использование творческого потенциала вузов для решения важных хозяйственных проблем ускорения научно-технического прогресса. Сегодня в вузах страны работают более 300 тыс. преподавателей, в числе которых более 15 тыс. профессоров, докторов наук и свыше 150 тыс. доцентов, кандидатов наук, что составляет около половины научных работников страны; 2) повышение квалификации преподавательского состава; 3) повышение качества подготовки выпускаемых специалистов за счет совершенствования организации учебного процесса, активного участия их в научной деятельности. В вузе научная работа возглавляется проректором по научной работе и регламентируется перспективным и годовым планами исследования. Различают планы госбюджетных и хоздоговорных НИР. Госбюджетные исследования осуществляются за счет общегосударственных ассигнований на развитие науки; хоздоговорные — выполняются на основе прямых хозяйственных договоров между вузом и заказчиком, который и финансирует исследования. Для решения актуальных научно-технических задач в передовых вузах создаются отраслевые научно-технические лаборатории, работающие на основе хозяйственных договоров с определенной отраслью народного хозяйства. Одним из важных направлений вузовской науки являются исследования, направленные на совершенствование учебного процесса. Участие в исследовательской работе — важнейший фактор повышения квалификации преподавательского состава: во-первых, готовятся кадры высшей квалификации — кандидаты и доктора наук; во-вторых, повышается эрудиция, расширяется кругозор преподавателя; в-третьих, преподаватель может успешно осуществлять творческую подготовку студентов, учить их, как пользоваться приобретенными знаниями.

21

Особенности организации научно-исследовательской работы студентов Современная научно-техническая революция представляет собой совокупность коренных, качественных изменений технических средств, технологии, организации и управления производством на основе новых научных принципов. Эта революция подготовлена не только развитием науки и производительных сил, но и теми глубокими социальными изменениями, которые произошли в обществе в результате мирового революционного процесса. Важнейшая особенность НТР заключается в неизмеримо возросшей роли науки в развитии производительных сил, для приведения в действие которых требуется все большее количество квалифицированных работников [10]. В связи с этим возникает объективная необходимость приобретения научных знаний всеми участвующими в общественном производстве. Нельзя себе представить идеал будущего общества без соединения обучения с производительным трудом молодого поколения: ни обучение и образование без производительного труда, ни производительный труд без параллельного обучения и образования не могли бы быть поставлены на ту высоту, которую предполагают современный уровень техники и состояние научного знания. Носителями научных знаний в общественном производстве являются, в первую очередь, ученые и инженерно-технические работники, которые оказывают непосредственное воздействие на все этапы производственных процессов. Чем больше в стране высокообразованных людей, тем с большим успехом решаются важнейшие научно-технические и производственные проблемы. Поэтому в условиях современной НТР высшее образование приобретает важнейшую роль, от него в значительной мере зависит научнотехнический, экономический и военный потенциал государства [11]. Современный инженер в отличие от инженера начала ХХ в., который, можно сказать, учился своей профессии один раз на всю жизнь, должен непрерывно доучиваться. Поэтому, в какой бы области ни работал специалист, он должен быть динамичным, мобильным, способным непрерывно повышать свою квалификацию, умеющим творчески мыслить и самостоятельно решать принципиально новые задачи, адаптироваться к быстро изменяющимся условиям деятельности. Таким образом, решающее значение для выпускника высшего учебного заведения приобретает не только овладение суммой конкретных знаний и навыков, но как главная цель — умение их самостоятельно добывать, приобретать, систематизировать. Творческая активность личности, отражая высокий уровень социальной зрелости человека, является результатом воспитания и самовоспитания личности, обучения и воздействия на неё общественных отношений. В свою очередь творчество в широком смысле слова можно определить как естественно-исторический процесс материалистического познания мира. Естественно, творческая активность может быть присуща людям в любой сфере социальной жизни: везде, выполняя определенные обязанности, можно 22

искать и находить более эффективные способы работы, повышать производительность труда. Но особо важное значение творческая активность имеет в сфере науки, искусства и общественного производства, и именно здесь она имеет ярко выраженный интеллектуальный характер и предполагает наличие и постоянное включение в свою деятельность знаний о новейших достижениях науки, техники, технологии и участие на этой основе в их развитии и совершенствовании. Особенностью студенческой научной работы является то, что её главной задачей является не решение важнейших научных проблем, а приближение студентов к самостоятельной работе, углубление их знаний, развитие творческого подхода к решению поставленных задач. Чтобы повысить качество подготовки студентов, необходимо научить их не только усваивать имеющийся фактический материал, но и вырабатывать собственные решения. Развитие творческой активности студента возможно только в процессе коллективной исследовательской деятельности, при выполнении творческой работы, постановки экспериментов, обсуждении результатов исследования и т.д. Для успешного выполнения студенческой научно-исследовательской работы необходимо соблюдение следующих основных условий. 1. Активное участие студентов в научной работе на протяжении всего времени обучения. 2. Последовательное увеличение сложности решаемых задач с постепенной ориентацией студента в направлении профиля его специализации. 3. Обеспечение преемственности при выполнении научной работы каждым студентом. 4. Обеспечение преемственности в научной работе студентов старших и младших курсов, 5. Тесная связь научной работы студентов с научной и учебной работой кафедры. Научная работа студентов является составной частью учебного плана вуза и организуется на основе "Положения о научной работе студентов". Главную роль в организации научно-исследовательской работы студентов играет профилирующая кафедра. Она разрабатывает формы научно-исследовательской деятельности студентов, определяет основные направления, в которых формируется тематика. Эти направления должны отражать специфику будущей специальности и быть тесно связанными с научными направлениями кафедр. Научная работа студентов имеет две основные формы. Первая из них выполняется в научных кружках, студенческих конструкторских бюро, в хоздоговорных лабораториях и т.п. Эта работа не только развивает навыки самостоятельности, но и способствует развитию повышенных способностей, формированию будущих научных работников. Вторая форма — учебно-исследовательская работа студентов — обязательна для всех студентов, она предусмотрена учебными планами. 23

Привлечение студентов младших курсов к выполнению конструкторских и исследовательских работ совместно со старшекурсниками обеспечивает преемственность научных исследований, расширяет кругозор молодых исследователей. Очень полезной является помощь студентов младших курсов старшекурсникам, выполняющим курсовое или дипломное проектирование, благодаря которой они узнают характер своих будущих работ, накапливают опыт работы, получают ясное представление о специфике исследования от его начала до завершения. Одновременно совершенствуются научнометодические навыки студентов старших курсов, выступающих в качестве "микроруководителей". Начиная научно-исследовательскую работу на младших курсах, создаются благоприятные условия для перерастания отдельных тем в курсовые и дипломные проекты. Руководство научной работой студентов — одна из обязанностей профессорско-преподавательского состава вуза. Качество руководства, его уровень определяют успех выполнения работы. Опыт показывает, что один преподаватель может успешно руководить работой четырех–пяти студентов. Подведение итогов научно-исследовательской работы студентов является одной из форм её контроля. Эти итоги подводятся на научных семинарах кафедры, научно-технических конференциях факультета, вуза. Лучшие работы публикуются в научной печати, докладываются на областных и республиканских конференциях, выдвигаются на конкурсы студенческих работ. Система подготовки научных и научно-педагогических кадров в РФ В связи с бурным развитием науки потребность в высококвалифицированных научных кадрах непрерывно возрастает. Подготовка кадров высшей квалификации — одна из главных организаторских задач науки [8]. Опыт показывает, что этот фактор в значительной мере определяет уровень развития науки и производства в стране, степень её технического прогресса. Основной и хорошо зарекомендовавшей себя формой подготовки научных и научно-педагогических кадров в нашей стране является аспирантура. В неё отбираются наиболее способные и подготовленные специалисты, как правило, после определенного времени их производственной деятельности (не менее двух лет). Обучение в очной аспирантуре длится 3 года, в заочной — 4 года. На очное отделение принимаются лица до 35 лет, на заочное — до 45 лет, успешно сдавшие приемные экзамены и прошедшие по конкурсу. За время обучения аспирант получает стипендию, которую ему выплачивают ежемесячно. Перед поступлением в аспирантуру желательно сдать кандидатские экзамены (философия, иностранный язык, спецдисциплина). Подготовка аспирантов ведется по индивидуальному плану, утвержденному на весь период обучения. За период обучения аспирант проводит научноисследовательскую работу, проходит педагогическую подготовку. По 24

результатам своей работы аспирант готовит и защищает кандидатскую диссертацию, которая характеризует способность аспиранта к самостоятельному научному исследованию. Наряду с традиционной формой подготовки научных и педагогических кадров через аспирантуру широко распространена подготовка этих кадров из числа соискателей ученой степени. Соискатели прикрепляются к научноисследовательским институтам или вузам для сдачи кандидатских экзаменов, а также подготовки диссертации под руководством научного руководителя без отрыва от производства. Подготовка докторов наук осуществляется из числа наиболее активно ведущих научную деятельность кандидатов наук, работающих в вузах, научно-исследовательских институтах и на производстве. Докторская диссертация представляет собой существенный шаг в науке, связанный с разработкой новых научных направлений и решением крупных научных проблем, имеющих важное хозяйственное значение. Одной из форм подготовки докторов наук является докторантура, которая заключается в освобождении кандидатов наук в возрасте до 40 лет от их основной производственной деятельности сроком на 3 года для завершения работы над диссертацией и внедрения её результатов в производство. Защита кандидатских и докторских диссертаций осуществляется в специализированных диссертационных Советах в вузах и научноисследовательских институтах. Для оценки качества диссертаций и их соответствия предъявляемым требованиям учёным советом назначаются официальные оппоненты из числа ведущих учёных в данной области и ведущее предприятие, которые представляют официальные заключения по диссертации. Контролирует все диссертационные работы Высшая аттестационная комиссия, в которую входят ведущие учёные страны. Учёные звания доцента и профессора работникам вузов и научно-исследовательских институтов в настоящее время присваиваются Министерством образования РФ. Вопросы для повторения 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Что такое наука? Чем отличается естествознание от других наук? Что означает, что мир познаваем? Может ли познание быть абсолютным? Наука — благо или зло? Каковы этапы развития естествознания? В чём суть научно-исследовательской работы? Библиографический список

1. Ильин, В.В. Природа науки / В.В. Ильин, А.Т. Калинкин. — М.: Прогресс, 1985. 25

2. Йорданов, И. Наука как логическая и общественная система / И. Йорданов. — Киев: Наук. думка, 1979. 3. Кочергин, А.М. Методы и формы научного познания / А.М. Кочергин. — М.: Наука, 1990. 4. Кукк, В.А. Сфера услуг (на украинском языке) / В.А. Кукк. — Киев: Научная мысль, 1970. — С.23–24 5. Кукк, В.А. К вопросу о принципах разграничения сфер общественной деятельности: Тем. сб. науч. тр. / В.А. Кукк.— Челябинск: ЧГТУ, 1996 6. Кун, Т. Структура научных революций / Т. Кун. — М.: Мир, 1977. 7. Лакатос, И. Методология научно-исследовательских программ // Вопросы философии / И. Лакатос. — 1995. — № 4. 8. Козлов, А.В. Основы научных исследований: Учебное пособие / А.В. Козлов, Б.А. Решетников, С.В. Сергеев. — Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1997. 9. Петров, Ю.А. Логика и методология научного познания / Ю.А. Петров, А.Л. Никифоров. — М.: Мысль, 1982. 10. Петров, Ю.A. Теория познания / Ю.A. Петров. — М.: Наука, 1988. 11. Печенкин, А.А. Закономерности развития науки / А.А. Печенкин// Вестник МГУ. Философия. — 1995. — № 3. Глава 3. МЕТОДОЛОГИЯ НАУЧНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 3.1. Роль диалектического метода в научном творчестве Понятие "метод" (от греч. "методос" — путь к чему-либо) означает совокупность приемов и операций практического и теоретического освоения действительности. Метод вооружает человека системой принципов, требований, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение методом означает для человека знание того, каким образом, в какой последовательности совершать те или иные действия для решения тех или иных задач, и умение применять это знание на практике. Учение о методе начало развиваться еще в науке Нового времени. Ее представители считали правильный метод ориентиром в движении к надежному, истинному знанию. Так, видный философ XVII в. Ф. Бэкон сравнивал метод познания с фонарем, освещающим дорогу путнику, идущему в темноте. А другой известный ученый и философ того же периода Р. Декарт изложил свое понимание метода следующим образом: "Под методом я разумею точные и простые правила, строгое соблюдение которых ... без лишней траты умственных сил, но постепенно и непрерывно увеличивая знания, способствует тому, что ум достигает истинного познания всего, что ему доступно".Существует целая область знания, которая специально занимается изучением методов и которую принято именовать методологией. Методология дословно означает "учение о методах" (этот термин от двух греческих слов: "методос" — метод и "логос" — учение). Изучая закономерности человеческой познавательной деятельности, методология 26

вырабатывает на этой основе методы ее осуществления. Важнейшей задачей методологии является изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания [1]. Развитие науки на современном этапе представляет собой революционный процесс. Происходит ломка старых научных представлений, формируются новые понятия, которые наиболее полно отражают свойства и связи явлений. Повышается роль синтеза, системного подхода [2, 3]. Понятие наука охватывает все области научного знания, взятые в их органическом единстве. Техническое творчество отличается от научного. Особенность технического знания — практическое применение объективных законов природы, изобретение искусственных систем. Техническими решениями являются: корабль и самолет, паровая машина и атомный реактор, современные кибернетические устройства и космические корабли. В основе таких решений лежат законы гидро-, аэро- и термодинамики, ядерной физики и многие другие, открытые в результате научных исследований. Наука в своей теоретической части — сфера духовной (идеальной) деятельности, которая возникает из материальных условий, из производства. Но наука оказывает и обратное воздействие на производство — познанные законы природы воплощаются в различных технических решениях. На всех этапах научной работы используется метод диалектического материализма, дающий основное направление исследования. Все другие методы делятся на общие методы научного познания (наблюдение и эксперимент, аналогия и гипотеза, анализ и синтез и др.) и частно-научные (специфические) методы, применяющиеся в узкой области знаний или в отдельной науке. Диалектический и частно-научные методы взаимосвязаны в различных приемах, логических операциях. Законы диалектики раскрывают процесс развития, его характер и направление. В научном творчестве методологическая функция законов диалектики проявляется в обосновании и интерпретации научного исследования. Она обеспечивает всесторонность, последовательность и четкость анализа всей рассматриваемой ситуации. Законы диалектики позволяют исследователю разрабатывать новые методы и средства познания, облегчают ориентировку в ранее неизвестном явлении. Категории диалектики (сущность и явление, форма и содержание, причина и следствие, необходимость и случайность, возможность и действительность) фиксируют важные стороны реального мира. Они показывают, что для познания характерно выражение всеобщего, постоянного, устойчивого, закономерного. Через философские категории в конкретных науках мир выступает единым, все явления взаимосвязаны. Например, взаимосвязь категорий причины и следствия помогает исследователю правильно ориентироваться в задачах построения математических моделей по заданным описаниям входного и выходного процессов, а взаимосвязь категорий необходимости и случайности — в массе событий и фактов с помощью статистических методов. В научном творчестве категории диалектики никогда не выступают изолированно. Они 27

взаимосвязаны, взаимообусловлены. Так, категория сущности важна при выявлении закономерностей в ограниченном числе наблюдений, полученных при дорогостоящем эксперименте. При обработке результатов эксперимента особый интерес представляет выяснение причин действующих закономерностей, установление необходимых связей. Знание причинно-следственных связей позволяет уменьшить средства и трудозатраты при проведении экспериментов. Проектируя экспериментальную установку, исследователь предусматривает действие различных случайностей. Роль диалектики в научном познании раскрывается не только через законы и категории, но и через методологические принципы (объективности, познаваемости, детерминизма). Эти принципы, ориентируя исследователей на наиболее полное и всестороннее отражение в разрабатываемых научных проблемах объективных свойств, связей, тенденций и законов познания, имеют исключительное значение для формирования мировоззрения исследователей. Проявление диалектического метода в процессе развития науки и научного творчества можно проследить на связи новых статистических методов с принципом детерминизма. Возникнув как один из существенных аспектов материалистической философии, детерминизм получил дальнейшее развитие в концепциях И. Ньютона и П. Лапласа. На базе новых достижений науки эта система совершенствовалась, и вместо однозначной связи между объектами и явлениями установлена статистическая детерминированность, допускающая случайный характер связей. Идея статистического детерминизма широко используется в самых различных сферах научного знания, знаменуя собой новый этап развития науки. Именно благодаря принципу детерминизма научная мысль обладает, по словам И. П. Павлова, "предсказанием и властностью", объясняя многие события в логике научного исследования. Важный аспект диалектики научного творчества — предвидение, являющееся творческим развитием теории отражения. В результате предвидения создается новая система действий или открываются неизвестные ранее закономерности. Предвидение позволяет сформировать на базе накопленной информации модель новой ситуации, которой еще нет в реальности. Правильность предвидения проверяется практикой. На данном этапе развития науки представить строгую схему, моделирующую возможные пути мышления при научном предвидении, не представляется возможным. Тем не менее, при выполнении научных работ надо стремиться к тому, чтобы построить модель хотя бы отдельных, наиболее трудоемких фрагментов исследования, с тем, чтобы передать часть функций машине. Выбор конкретной формы теоретического описания физических явлений в научном исследовании определяется некоторыми исходными положениями. Так, при изменении единиц измерения изменяются и численные значения определяемых величин. Изменение используемых единиц измерения приводит к появлению других численных коэффициентов 28

в выражениях физических законов, связывающих различные величины. Инвариантность (независимость) этих форм описания очевидна. Математические соотношения, описывающие наблюдаемое явление, независимы от конкретной системы отсчета. Используя свойство инвариантности, исследователь может проводить эксперимент не только с реально существующими объектами, но и с системами, которых нет еще в натуре и которые созданы воображением конструктора. Особое внимание диалектический метод уделяет принципу единства теории и практики. Являясь побудителем и источником познания, практика служит одновременно и критерием достоверности истины [4]. Требования критерия практики не следует понимать буквально. Это не только прямой эксперимент, позволяющий проверить выдвигаемую гипотезу, модель явления. Результаты исследования должны отвечать требованиям практики, т.е. помогать достижению целей, к которым стремится человек. Открывая свой первый закон, И. Ньютон понимал трудности, с которыми связано толкование этого закона: во Вселенной не существует условий, чтобы на материальное тело не действовали силы. Многолетняя практическая проверка закона подтвердила его безупречность. Таким образом, положенный в основу методологии научного исследования диалектический метод проявляется не только во взаимодействии с другими частно-научными методами, но и в процессе познания. Освещая путь научному исследованию, диалектический метод указывает направление эксперимента, определяет стратегию науки, способствуя в теоретическом аспекте формулировке гипотез, теории, а в практическом — способов реализации целей познания. Направляя науку на использование всего богатства познавательных приемов, диалектический метод позволяет осуществлять анализ и синтез решаемых проблем и делать обоснованные прогнозы на будущее. В заключение приведем слова П. Л. Капицы, в которых прекрасно выражено сочетание диалектического метода и характера научного исследования: "...применение диалектики в области естественных наук требует исключительно глубокого знания экспериментальных фактов и их теоретического обобщения. Без этого диалектика сама по себе не может дать решения вопроса. Она как бы является скрипкой Страдивари, самой совершенной из скрипок, но чтобы на ней играть, надо быть музыкантом и знать музыку. Без этого она будет так же фальшивить, как и обычная скрипка". 3.2. Психология научного творчества Рассматривая науку как сложную систему, диалектика не ограничивается изучением взаимодействия её элементов, а выявляет основы этого взаимодействия. Научная деятельность как отрасль духовного производства включает в себя три основных структурных элемента: труд, объект познания и познавательные средства. В своей взаимной обусловленности данные 29

компоненты образуют единую систему и не существуют вне этой системы. Анализ связей между компонентами позволяет раскрыть структуру научной деятельности, центральным пунктом которой является исследователь, т.е. субъект научного познания. Несомненный интерес при изучении процесса исследования представляет вопрос о психологии научного творчества. Познавательный процесс осуществляется конкретными людьми, и между этими людьми существуют определенные социальные связи, которые проявляются по разному. Труд научного работника неотделим от труда предшественников и современников. В трудах отдельного ученого, как в капле воды, преломляются особенности науки его времени. Специфика научного творчества требует определенных качеств ученого, свойственных именно этому виду познавательной деятельности. Силой, побуждающей к знанию, должна быть бескорыстная жажда знаний, наслаждение процессом исследования, стремление быть полезным обществу. Главное в научной работе не стремиться к открытию, а глубоко и всесторонне исследовать избранную область познания. Открытие возникает как побочный элемент исследования. План действий учёного, своеобразие принимаемых им решений, причины успехов и неудач зависят во многом от таких факторов, как наблюдательность, интуиция, трудолюбие, творческое воображение и т.п. Но главное — это иметь мужество поверить в свои результаты, как бы они ни расходились с общепринятыми. Яркий пример ученого, умевшего ломать любые "психологические барьеры", — создатель первой космической техники С. П. Королев. Движущей силой научного творчества должно быть не стремление совершить переворот, а любознательность, способность удивляться. Известно много случаев, когда удивление, сформулированное в виде парадокса, приводило к открытиям. Так, например, было при создании теории тяготения А. Эйнштейном. Интересно также высказывание А. Эйнштейна о том, как делаются открытия: все знают, что чего-то делать нельзя, а один человек случайно не знает этого, вот он-то и делает открытие. Исключительное значение для научного творчества имеет способность радоваться каждой малой удаче, а также ощущение красоты науки, заключающейся в логической стройности и богатстве связей в изучаемом явлении. Понятие красоты играет важную роль для проверки правильности результатов, для отыскания новых законов. Оно представляет собой отражение в нашем сознании гармонии, существующей в природе. Научный процесс есть проявление всей совокупности перечисленных факторов, функция личности исследователя. Задача науки — найти объективные законы природы, и поэтому окончательный результат не зависит от личных качеств ученого. Однако способы познания могут быть различными, каждый ученый приходит к решению своим путем. Известно, что М.В. Ломоносов, не пользуясь математическим аппаратом, без единой формулы, смог открыть фундаментальный 30

закон сохранения вещества, а его современник Л. Эйлер мыслил математическими категориями. А. Эйнштейн предпочитал гармонию логических построений, а Н. Бор пользовался точным расчетом. Современному ученому необходимы такие качества, как способность переходить от одного типа задач к другому, способность предсказывать будущее состояние исследуемого объекта или значимость каких-либо методов, а главное — способность диалектически отрицать (с сохранением всего положительного) старые системы, мешающие качественному изменению знания, ибо без ломки устаревших представлений нельзя создать более совершенные. В познании сомнение выполняет две прямо противоположные функции: с одной стороны, оно — объективное основание для агностицизма, с другой — мощный стимул познания. Успех в научном исследовании часто сопутствует тому, кто смотрит на старое знание как на условие движения вперед. Как показывает развитие науки последних лет, каждое новое поколение ученых творит большую часть знаний, накопленных человечеством. Научное соперничество с учителями, а не слепое подражание им, способствует прогрессу науки. Для ученика должно быть идеалом не столько содержание знаний, полученных от научного руководителя, сколько его качества как личности, которой хочется подражать. К научному работнику предъявляют особые требования, поэтому он должен стремиться по возможности скорее сделать полученное им знание доступным для коллег, но не допускать поспешных публикаций; быть чутким, восприимчивым к новому и защищать свои идеи, сколь бы ни была велика оппозиция. Он должен использовать труды своих предшественников и современников, уделяя скрупулезное внимание деталям; воспринимать как свою первую обязанность воспитание нового поколения научных работников. Молодые ученые считают счастьем, если им удается пройти школу ученичества у мастеров науки, но в то же время они должны стать самостоятельными, добиться независимости и не остаться в тени своих учителей. Прогресс науки, свойственный нашему времени, привел к новому стилю работы. Возникла романтика коллективного труда, а главный принцип организации современных научных исследований заключается в их комплексности. Новый тип учёного — это учёный-организатор, руководитель крупного научного коллектива, способный управлять процессом решения сложных научных проблем. Показателями чистоты морального облика выдающихся учёных всегда были: исключительная добросовестность, принципиальное отношение к выбору направления исследований и полученным результатам. Поэтому окончательный авторитет в науке это общественная практика, результаты которой выше мнений самых больших авторитетов.

31

3.3. Общенаучные методы исследования Процесс познания как основа любого научного исследования представляет собой сложный диалектический процесс постепенного воспроизведения в сознании человека сущности процессов и явлений окружающей его действительности. В процессе познания человек осваивает мир, преобразует его для улучшения своей жизни. Движущей силой и конечной целью познания является практика, преобразующая мир на основе его собственных законов. Теория познания представляет собой учение о закономерности процесса познания окружающего мира, методах и формах этого процесса, об истине, критериях и условиях её достоверности. Теория познания является философско-методологической основой любого научного исследования и поэтому основы этой теории должен знать каждый начинающий исследователь. Методология научного исследования представляет собой учение о принципах построения, формах и способах научного познания. Непосредственное созерцание является первым этапом процесса познания, его чувственной (живой) ступенью и направлено на установление фактов, опытных данных. С помощью ощущений, восприятий и представлений создается понятие о явлениях и объектах, которое проявляется как форма знания о нем. На этапе абстрактного мышления широко используются математический аппарат, логические умозаключения. Этот этап позволяет науке заглядывать вперед, в область неизведанного, делать важные научные открытия, получать полезные практические результаты. Практика, производственная деятельность человека являются высшей функцией науки, критерием достоверности выводов, полученных на этапе абстрактно-теоретического мышления, важной ступенью процесса познания. Она позволяет установить область применения полученных результатов, скорректировать их. На её основе создается более правильное представление. Рассмотренные этапы процесса научного познания характеризуют общие диалектические принципы подхода к изучению законов развития природы и общества. В конкретных случаях этот процесс осуществляется с помощью определенных методов научного исследования. Метод исследования — это совокупность приемов или операций, способствующих изучению окружающей действительности или практическому осуществлению какоголибо явления или процесса. Применяемый в научных исследованиях метод зависит от характера исследуемого объекта, например, метод спектрального анализа используется для изучения излучающих тел. Метод исследования определяется имеющимися на данный период средствами исследования. Методы и средства исследования тесно связаны между собой, стимулируют развитие друг друга [5]. В каждом научном исследовании можно выделить два основных уровня: 1) эмпирический, на котором происходит процесс чувственного восприятия, установление и накопления фактов; 2) теоретический, на котором 32

достигается синтез знания, проявляющийся чаще всего в виде создания научной теории. В связи с этим общенаучные методы исследования подразделяются на три группы: 1) методы эмпирического уровня исследования; 2) методы теоретического уровня исследования; 3) методы эмпирического и теоретического уровней исследования — всеобщие научные методы. Эмпирический уровень исследования связан с выполнением экспериментов, наблюдений, и поэтому здесь велика роль чувственных форм отражения окружающего мира. К основным методам эмпирического уровня исследования относятся наблюдение, измерение и эксперимент. Наблюдение — это целенаправленное и организованное восприятие объекта исследования, позволяющее получить первичный материал для его изучения. Этот метод используется как самостоятельно, так и в сочетании с другими методами. В процессе наблюдения непосредственного воздействия наблюдателя на объект исследования не происходит. При наблюдениях широко применяются различные приборы и инструменты. Чтобы наблюдение было плодотворным, оно должно удовлетворять ряду требований. 1. Оно должно вестись для определенной четко поставленной задачи. 2. В первую очередь должны рассматриваться интересующие исследователя стороны явления. 3. Наблюдение должно быть активным. 4. Надо искать определенные черты явления, нужные объекты. 5. Наблюдение необходимо вести по разработанному плану (схеме). Измерение — это процедура определения численного значения характеристик исследуемых материальных объектов (массы, длины, скорости, силы и т.д.). Измерения выполняются с помощью соответствующих измерительных приборов и сводятся к сравнению измеряемой величины с эталонной величиной. Измерения дают достаточно точные количественные определения описания свойств объектов, существенно расширяя познания об окружающей действительности. Измерение с помощью приборов и инструментов не может быть абсолютно точным. В связи с этим при измерениях большое значение уделяется оценке погрешности измерений. Эксперимент — система операций, воздействий и наблюдений, направленных на получение информации об объекте при исследовательских испытаниях, которые могут осуществляться в естественных и искусственных условиях при изменении характере протекания процесса. Эксперимент используется на заключительной стадии исследования и является критерием истинности теорий и гипотез. С другой стороны, эксперимент во многих случаях является источником новых теоретических представлений, развиваемых на основе данных проведенного опыта. Эксперименты могут быть натурными, модельными и компьютерными. Натурный эксперимент изучает явления и объекты в их естественном 33

состоянии. Модельный — моделирует эти процессы, позволяет изучать более широкий диапазон изменения определяющих факторов. В машиностроении широко применяют как натурные, так и компьютерные эксперименты. Компьютерный эксперимент основывается на исследовании математических моделей, описывающих реальный процесс или объект. На теоретическом уровне исследования используются такие общенаучные методы, как идеализация, формализация, принятие гипотезы, создание теории. Идеализация — это мысленное создание объектов и условий, которые не существуют в действительности и не могут быть созданы практически. Она дает возможность лишить реальные объекты некоторых присущих им свойств или мысленно наделить их нереальными свойствами, позволяя получить решение задачи в окончательном виде. Например, в технологии машиностроения широко применяют понятие абсолютно жесткой системы, идеальный процесс резания и т.д. Естественно, любая идеализация правомерна лишь в определенных пределах. Формализация — это метод изучения различных объектов, при котором основные закономерности явлений и процессов отображаются в знаковой форме с помощью формул или специальных символов. Формализация обеспечивает обобщенность подхода к решению различных задач, позволяет формировать знаковые модели предметов и явлений, устанавливать закономерные связи между изучаемыми фактами. Символика искусственных языков придаёт краткость и четкость фиксации значений и не допускает двусмысленных толкований, что невозможно в обычном языке. Гипотеза — научно обоснованная система умозаключений, посредством которой на основе ряда факторов делается вывод о существовании объекта, связи или причины явления. Гипотеза является формой перехода от фактов к законам, переплетением всего достоверного, принципиально проверяемого. Ввиду своего вероятностного характера гипотеза требует проверки, после которой она видоизменяется, отвергается или становится научной теорией. В своем развитии гипотеза проходит три основные стадии. На этапе эмпирического познания происходит накопление фактического материала и высказывание на его основе некоторых предположений. Далее на основе сделанных предположений развертывается предположительная теория — формируется гипотеза. На заключительном этапе осуществляется проверка гипотезы, её уточнение. Таким образом, основу превращения гипотезы в научную теорию составляет практика. Теория представляет собой наиболее высокую форму обобщения и систематизации знаний. Она описывает, объясняет и предсказывает совокупность явлений в некоторой области действительности. Создание теории основывается на результатах, полученных на эмпирическом уровне исследований. Затем эти результаты на теоретическом уровне исследования упорядочиваются, приводятся в стройную систему, объединенную общей идеей. В дальнейшем, с использованием этих результатов, выдвигается 34

гипотеза, которая после успешной проверки практикой становится научной теорией. Таким образом, в отличие от гипотезы теория имеет объективное обоснование. К новым теориям предъявляется несколько основных требований. Научная теория должна быть адекватной описываемому объекту или явлению, т.е. должна правильно их воспроизводить. Теория должна удовлетворять требованию полноты описания некоторой области действительности. Теория должна соответствовать эмпирическим данным. В противном случае она должна быть усовершенствована или отвергнута. В развитии теории могут быть два самостоятельных этапа: эволюционный, когда теория сохраняет свою качественную определенность, и революционный, когда осуществляется изменение ее основных исходных начал, компонент математического аппарата и методологии. По существу, этот скачок есть создание новой теории, он совершается тогда, когда возможности старой теории исчерпаны. В качестве исходной мысли, объединяющей в целостную систему входящие в теорию понятия и суждения, выступает идея. В ней отражается фундаментальная закономерность, лежащая в основе теории, в то время как в других понятиях отображены те или иные существенные стороны и аспекты этой закономерности. Идеи могут не только служить основой теории, но и связывать ряд теорий в науку, отдельную область знаний. Законом называется теория, обладающая большой надежностью и подтвержденная многочисленными экспериментами. Закон выражает общие отношения и связи, которые характерны для всех явлений данного ряда, класса. Он существует независимо от сознания людей. На теоретическом и эмпирическом уровнях исследования используется анализ, синтез, индукция, дедукция, аналогия, моделирование и абстрагирование. Анализ — метод познания, заключающийся в мысленном расчленении предмета исследования или явления на составные, более простые, части и выделении его отдельных свойств и связей. Анализ не конечная цель исследования. Синтез — метод познания, состоящий в мысленном соединении связей отдельных частей сложного явления и познания целого в его единстве. Понимание внутренней структуры объекта достигается с помощью синтеза явления. Синтез дополняет анализ и находится с ним в неразрывном единстве. Без изучения частей нельзя познать целое, без изучения целого с помощью синтеза нельзя познать до конца функции частей в составе целого. В естественных науках анализ и синтез могут осуществляться не только теоретически, но и практически: исследуемые предметы фактически расчленяются и соединяются, устанавливаются их состав, связи и т.д. Переход от анализа фактов к теоретическому синтезу осуществляется с помощью особых методов, среди которых наиболее важное значение имеет индукция и дедукция. 35

Индукция представляет собой метод перехода от знания отдельных фактов к знанию общего, эмпирическому обобщению и установлению общего положения, отражающего закон или другую существенную связь. Индуктивный метод широко применяется при выводе теоретических и эмпирических формул в теории металлообработки. Индуктивный метод движения от частного к общему можно успешно применять только при условии возможностей проверки полученных результатов или проведения специального контрольного эксперимента. Дедукция — метод перехода от общих положений к частным, получение из известных истин новых истин с использованием законов и правил логики. Важным правилом дедукции является следующее: "Если из высказывания А следует высказывание В и высказывание А истинно, то высказывание В также истинно". Индуктивные методы имеют важное значение в науках, где преобладают эксперимент, его обобщение, разработка гипотез. Дедуктивные методы в первую очередь применяются в теоретических науках. Но научные показания могут быть получены только при наличии тесной связи между индукцией и дедукцией. Ф. Энгельс, в связи с этим указывал: "Индукция и дедукция связаны между собой столь же необходимым образом, как синтез и анализ... Надо стараться применять каждую на своем месте, не упускать из виду их связь между собой, их взаимное дополнение друг друга". Аналогия — метод научного исследования, когда знания о неизвестных предметах и явлениях достигаются на основе сравнения с общими признаками предметов и явлений, которые исследователю известны. Сущность заключения по аналогии состоит в следующем: пусть явление А имеет признаки X1, Х2, Х3, ..., Хn, Xn+1, а явление В признаки X1, Х2, ХЗ, ..., Хn. Следовательно, можно предположить, что явление В тоже имеет признак Xn+1. Такой вывод вносит вероятностный характер. Увеличить вероятность получения истинного вывода можно при большом числе сходных признаков у сравниваемых объектов и наличии глубокой взаимосвязи этих признаков. Моделирование — метод научного познания, заключающийся в замене при исследовании изучаемого предмета или явления специальной моделью, воспроизводящей главные особенности оригинала, и её последующим исследованием. Таким образом, при моделировании эксперимент проводят на модели, а результаты исследования с помощью специальных методов распространяют на оригинал. Модели могут быть физическими и математическими. В связи с этим различают физическое и математическое моделирование. При физическом моделировании модель и оригинал имеют одинаковую физическую природу. Любая экспериментальная установка является физической моделью какого-либо процесса. Создание экспериментальных установок и обобщение результатов физического эксперимента осуществляются на основе теории подобия. При математическом моделировании модель и оригинал могут иметь одинаковую и различную физическую природу. В первом случае какое-либо 36

явление или процесс исследуется на основе их математической модели, представляющей собой систему уравнений с соответствующими условиями однозначности, во втором — используют факт одинакового по внешней форме математического описания явлений различной физической природы. Абстрагирование — метод научного познания, заключающийся в мысленном отвлечении от ряда свойств, связей, отношений предметов и выделении нескольких интересующих исследователя свойств или признаков. Абстрагирование позволяет заменить в сознании человека сложный процесс, который характеризует, тем не менее, наиболее существенные признаки предмета или явления, что особенно важно для образования многих понятий [6]. 3.4. Основные этапы выполнения и прогнозирования научных исследований Рассматривая научно-исследовательскую работу, можно выделить фундаментальные и прикладные исследования, а также опытно-конструкторские разработки [4]. Основные этапы выполнения фундаментальных и прикладных научных исследований показаны на рис. 1. Первым этапом научного исследования является подробный анализ современного состояния рассматриваемой проблемы. Он выполняется на основе информационного поиска с широким применением ЭВМ. По результатам анализа составляются обзоры, рефераты, делается классификация основных направлений и ставятся конкретные задачи исследования. Второй этап научного исследования сводится к решению поставленных на первом этапе задач с помощью математического или физического моделирования, а также сочетания этих методов. Третьим этапом научного исследования являются анализ полученных результатов и их оформление. Производится сравнение теории и эксперимента, дается анализ эффективности выполнения исследования, возможность расхождений. На современном этапе развития науки особую важность приобретает прогнозирование научных открытий и технических решений [4, 7]. В научно-техническом прогнозировании выделяют три интервала: прогнозы первого, второго и третьего эшелона. Прогнозы первого эшелона рассчитаны на 15–20 лет и составляются исходя из определившихся тенденций развития науки и техники. За этот период происходит резкое увеличение количества научных работников и объема научно-технической информации, завершается цикл наука — производство, на передовые рубежи выйдет новое поколение ученых. Прогнозы второго эшелона охватывают период 40–50 лет на базе качественных оценок, поскольку за эти годы произойдет практически удвоение объема принятых в современной науке концепций, теорий и методов. Цель этого прогноза, основанного на широкой 37

Наука .

4

Практика

Постановка проблемы

ЭВМ

Технико-экономический анализ

Анализ современного состояния проблемы

Информационный поиск

Критерий выбора метода

Задачи исследования Выбор метода

Обзоры, рефераты

1

6

Математическое моделирование

7

Математическая модель

8

ЭВМ

Вычислительный эксперимент

Эффективность научно-исследовательской работы

13

14

Физическое моделирование

Теория подобия

Метод решения

9

I этап

5

Модельный эксперимент

Модельный эксперимент

Экспериментальная установка

Математическая теория планирования эксперимента

Анализ полученных данных

Результаты научноисследовательской работы

Измерения

Физический эксперимент

10

11

ЭВМ

12

III этап

3

II этап

2

15

16

Рис 1. Схема выполнения научного исследования: 1–5 — частные проблемные вопросы; 6 — составление математической модели; 7 — использование известной математической модели; 8 — аналитические методы; 9 — приближенные методы; 10 — оценка погрешностей измерений; 11 — проверка полученных результатов; 12 — обобщение опытных данных; 13–16 — конкретные результаты выполнения научного исследования

38

системе научных представлений, — не экономические возможности, а фундаментальные законы и принципы естествознания. Для прогнозов третьего эшелона, носящих гипотетический характер, определяются сроки продолжительностью 100 лет и более. За такой период может произойти коренное преобразование науки и появятся научные представления, многие аспекты которых еще не известны. В основе этих прогнозов — творческая фантазия крупных ученых, учитывающая наиболее общие законы естествознания. История донесла до нас достаточно примеров, когда люди могли предвидеть возникновение важных событий. Предвидения М.В. Ломоносова, Д.И. Менделеева, К.Э. Циолковского и других крупнейших ученых основывались на глубоком научном анализе. Выделяют три части прогноза: распространение уже внедренных новшеств; внедрение достижений, вышедших за стены лабораторий; направление фундаментальных исследований. Прогноз науки и техники дополняется оценкой социальных и экономических последствий от их развития. При прогнозировании используются статистические и эвристические методы прогноза экспертных оценок. Статистические методы заключаются в построении на базе имеющегося материала модели прогноза, позволяющей экстраполировать на будущее тенденции, наблюдавшиеся в прошлом. Полученные при этом динамические ряды применяются в практике благодаря своей простоте и достаточной надежности прогноза на небольшие периоды времени. То есть статистические методы, позволяющие определять средние значения, характеризующие всю совокупность изучаемых предметов. "Применяя статистический метод, мы не можем предсказать поведение отдельного индивидуума совокупности. Мы можем предсказать только вероятность того, что он будет вести себя некоторым определённым образом. Статистические законы можно применять только к большим совокупностям, но не к отдельным индивидуумам, образующим эти совокупности" (А. Эйнштейн, Л. Инфельд). Эвристические методы основаны на прогнозе путём опроса высококвалифицированных специалистов (экспертов) в узкой области науки, техники, производства [8]. Характерной особенностью современного естествознания является также то, что методы исследования всё в большей степени влияют на его результат. 3.5. Применение математических методов исследования в естествознании Математика представляет собой науку, расположенную как бы на границах естествознания. Вследствие этого ее иногда рассматривают в рамках концепций современного естествознания, но большинство авторов выносит ее за эти рамки. Математику следует рассматривать вместе с другими естественно-научными концепциями, поскольку она уже много веков играет объединительную роль для отдельных наук. В этой своей роли 39

математика способствует образованию устойчивых связей также между естествознанием и философией [7, 9]. История математики За тысячелетия своего существования математика прошла большой и сложный путь, на протяжении которого неоднократно изменялся ее характер, содержание и стиль изложения. Из примитивного искусства счета математика сформировалась в обширную научную дисциплину с собственным предметом изучения и специфическим методом исследования. Она выработала собственный язык, очень экономный и точный, который оказался исключительно эффективным не только внутри математики, но и в многочисленных областях ее применений. Примитивный математический аппарат тех далеких времен оказался недостаточным, когда начала развиваться астрономия и далекие путешествия потребовали методов ориентации в пространстве. Жизненная практика, в том числе и практика развивающихся естественных наук, стимулировала дальнейшее развитие математики. В Древней Греции существовали школы, в которых математика изучалась, как развитая в логическом отношении наука. Она, как писал Платон в своих трудах, должна быть направлена на познание не "бытного", а "сущего". Человечество осознало важность математического познания, как такового, безотносительного к задачам конкретной практики. Предпосылки к новому бурному всплеску и последующему все возрастающему прогрессу математических знаний создала эпоха морских путешествий и развития мануфактурного производства. Эпоха Возрождения, давшая миру изумительный расцвет искусства, вызвала также развитие точных наук, в том числе и математики, появилось учение Коперника. Церковь яростно боролась с прогрессом естествознания. Последние три столетия внесли в математику много идей и результатов, а также возможность для более полного и глубокого изучения явлений природы. Содержание математики постоянно меняется. Это естественный процесс, поскольку по мере изучения природы, развития техники, экономики и других областей знаний возникают новые задачи, для решения которых недостаточно прежних математических понятий и методов исследования. Возникает потребность в дальнейшем совершенствовании математической науки, расширение арсенала ее средств исследования. Прикладная математика Астрономы и физики раньше других поняли, что математические методы для них не только способы вычисления, но и один из основных путей проникновения в существо изучаемых ими закономерностей. В наше время многие науки и области естествознания, до последнего времени находившиеся вдали от использования математических средств, теперь усиленно 40

стремятся наверстать упущенное. Причина такого внимания к математике в том, что качественное изучение явлений природы, техники, экономики зачастую оказывается недостаточным. Как можно создать автоматически работающую машину, если имеются только общие представления о длительности последействия передаваемых импульсов на элементы? Как можно автоматизировать процесс выплавки стали или крекинга нефти без знания точных количественных закономерностей этих процессов? Вот почему автоматизация вызывает дальнейшее развитие математики, оттачивание ее методов для решения огромного числа новых и трудных проблем. Роль математики в развитии других наук и в практических областях деятельности человека невозможно установить на все времена. Изменяются не только те вопросы, которые требуют скорейшего разрешения, но и характер решаемых задач. Создавая математическую модель реального процесса, мы неизбежно упрощаем его и изучаем лишь приближенную его схему. По мере уточнения наших знаний и выяснения роли ранее неуточненных факторов удается сделать более полным математическое описание процесса. Процедуру уточнения нельзя ограничить, как нельзя ограничить развитие самого знания. Математизация науки состоит не в том, чтобы исключить из процесса познания наблюдение и эксперимент. Они являются непременными составными частями полноценного изучения явлений окружающего нас мира. Смысл математизации знаний состоит в том, чтобы из точно сформулированных исходных предпосылок выводить следствия, недоступные непосредственному наблюдению; с помощью математического аппарата не только описывать установленные факты, но и предсказывать новые закономерности, прогнозировать течение явлений, а тем самым получать возможность управления ими. Математизация наших знаний состоит не только в том, чтобы использовать готовые математические методы и результаты, а в том, чтобы начать поиски того специфического математического аппарата, который позволил бы наиболее полно описывать интересующий нас круг явлений, выводить из этого описания новые следствия, чтобы уверенно использовать особенности этих явлений на практике. Так случилось в период, когда изучение движения стало насущной необходимостью, а Ньютон и Лейбниц завершили создание начал математического анализа. Этот математический аппарат до сих пор является одним из основных орудий прикладной математики. В наши дни разработка теории управления привела к ряду выдающихся математических исследований, в которых заложены основы оптимального управления детерминированными и случайными процессами [9]. Двадцатый век резко изменил представления о прикладной математике. Если раньше в арсенал средств прикладной математики входили арифметика и элементы геометрии, то восемнадцатый и девятнадцатый века добавили к ним мощные методы математического анализа. В наше время трудно назвать хотя бы одну значительную ветвь современной математики, которая в той или иной мере не находила бы применений в великом океане прикладных проблем. Математика является орудием познания природы, ее законов. 41

При решении практических задач разрабатывают общие приемы, позволяющие освещать широкий круг различных вопросов. Такой подход особенно важен для прогресса науки. От этого выигрывает не только данная область приложений, но и все остальные, а в первую очередь сама теоретическая математика. Именно такой подход к математике заставляет искать новые методы, новые понятия, способные охватить новый круг проблем, он расширяет область математических исследований. Последние десятилетия дают нам множество примеров подобного рода. Чтобы убедиться в этом, достаточно вспомнить появление в математике таких, теперь центральных, ее ветвей, как теория случайных процессов, теория информации, теория оптимального управления процессами, теория массового обслуживания, ряд областей, связанных с электронными вычислительными машинами. Математика — язык науки Впервые четко и ярко о математике, как языке науки сказал четыреста лет назад великий Галилео Галилей [6]: "Философия написана в грандиозной книге, которая открыта всегда для всех и каждого, — я говорю о природе. Но понять ее может лишь тот, кто научился понимать ее язык и знаки, которыми она написана. Написана же она на математическом языке, а знаки — ее математические формулы". Несомненно, что с тех пор наука добилась огромных успехов и математика была ее верной помощницей. Без математики многие успехи науки и техники были бы просто невозможны. Недаром один из крупнейших физиков В. Гейзенберг так охарактеризовал место математики в теоретической физике: "Первичным языком, который вырабатывают в процессе научного усвоения фактов, является в теоретической физике обычно язык математики, а именно математическая схема, позволяющая физикам предсказывать результаты будущих экспериментов". Для общения и для выражения своих мыслей люди создали величайшее разговорное средство — живой разговорный язык и письменную его запись. Язык не остается неизменным, он приспосабливается к условиям жизни, обогащается словарным запасом, вырабатывает новые средства для выражения тончайших оттенков мысли. В науке особенно важна ясность и точность выражения мыслей. Научное изложение должно быть кратким, но вполне определенным. Именно поэтому наука обязана разрабатывать собственный язык, способный максимально точно передавать свойственные ей особенности. Прекрасно сказал известный французский физик Луи де Бройль: "... где можно применить математический подход к проблемам, наука вынуждена пользоваться особым языком, символическим языком, своего рода стенографией абстрактной мысли, формулы которой, когда они правильно записаны, по-видимому не оставляют места ни для какой неопределенности, ни для какого неточного истолкования". Но к этому нужно добавить, что математическая символика не только не оставляет места для неточности выражения и расплывчатого ис42

толкования, — математическая символика позволяет вдобавок автоматизировать проведение тех действий, которые необходимы для получения выводов. Математическая символика позволяет снижать запись информации, делать ее обозримой и удобной для последующей обработки. В последние годы появилась новая линия в развитии формализованных языков, связанная с вычислительной техникой и использованием электронных вычислительных машин для управления производственными процессами. Необходимо общение с машиной, надо представить ей возможность в каждый момент самостоятельно выбирать правильное в данных условиях действие. Но машина не понимает обычную человеческую речь, с ней нужно "разговаривать" на доступном ей языке. Этот язык не должен допускать разночтений, неопределенности, недостаточности или чрезмерной избыточности сообщаемой информации. В настоящее время разработано несколько систем языков, с помощью которых машина однозначно воспринимает сообщаемую ей информацию и действует с учетом создавшейся обстановки. Именно это и делает электронные вычислительные машины столь гибкими при выполнении сложнейших вычислительных и логических операций. Использование математического метода и математического результата Не существует таких явлений природы, технических или социальных процессов, которые были бы предметом изучения математики, но при этом не относились бы к явлениям физическим, биологическим, химическим, инженерным или социальным. Каждая естественно-научная дисциплина: биология и физика, химия и психология — определяется материальной особенностью своего предмета, специфическими чертами той области реального мира, которую она изучает. Сам предмет или явление может изучаться разными методами, в том числе и математическими, но, изменяя методы, мы все же остаемся в пределах данной дисциплины, поскольку содержанием данной науки является реальный предмет, а не метод исследования. Для математики же материальный предмет исследования не имеет решающего значения, важен применяемый метод. Например, тригонометрические функции можно использовать и для исследования колебательного движения, и для определения высоты недоступного предмета. А какие явления реального мира можно исследовать с помощью математического метода? Эти явления определяются не их материальной природой, а исключительно формальными структурными свойствами и, прежде всего, теми количественными соотношениями и пространственными формами, в которых они существуют. Математический результат обладает тем свойством, что его можно не только применять при изучении какого-то одного определенного явления или процесса, но и использовать для исследования других явлений, физическая природа которых принципиально отлична от ранее рассмотренных. Так, правила арифметики применимы и в задачах экономики, и в технологических 43

процессах, и при решении задач сельского хозяйства, и в научных исследованиях. Математика как творческая сила имеет своей целью разработку общих правил, которыми следует пользоваться в многочисленных частных случаях. Тот, кто создает эти правила, создает новое, творит. Тот, кто применяет уже готовые правила в самой математике, уже не творит, но создает с помощью математических правил новые ценности в других областях знания. В наши дни, данные дешифровки космических снимков, а также сведения о составе и возрасте горных пород, геохимических, географических и геофизических аномалиях обрабатываются с помощью ЭВМ. Несомненно, что применение ЭВМ в геологических исследованиях оставляет эти исследования геологическими. Принципы же работы ЭВМ и их математическое обеспечение разрабатывались без учета возможности их использования в интересах геологической науки. Сама эта возможность определяется тем, что структурные свойства геологических данных находятся в соответствии с логикой определенных программ работы ЭВМ. Математические понятия берутся из реального мира и с ним связаны. В сущности, этим и объясняется поразительная применимость результатов математики к явлениям окружающего нас мира. Математика, прежде чем изучать своими методами какое-нибудь явление, создает его математическую модель, т.е. перечисляет все те особенности явления, которые будут приниматься во внимание. Модель принуждает исследователя выбирать те математические средства, которые позволят вполне адекватно передать особенности изучаемого явления и его эволюции. В качестве примера возьмем модель планетной системы. Солнце и планеты рассматриваются как материальные точки с соответствующими массами. Взаимодействие каждых двух точек определяется силой притяжения между ними. Модель проста, но она в течение вот уже более трехсот лет с огромной точностью передает особенности движения планет Солнечной системы. Математические модели используются при исследовании биологических и физических явлений природы. Математика и окружающая среда Повсюду нас окружают движение, переменные величины и их взаимосвязи. Различные виды движения и их закономерности составляют основной объект изучения конкретных наук: физики, геологии, биологии, социологии и других. Поэтому точный язык и соответствующие методы описания и изучения переменных величин оказались необходимыми во всех областях знания примерно в той же степени, в какой числа и арифметика необходимы при описании количественных соотношений. Математический анализ составляет основу языка и математических методов описания переменных величин и их взаимосвязей. В наши дни без математического анализа невозможно не только рассчитать космические траектории, работу ядерных реакторов, бег океан44

ской волны и закономерности развития циклона, но и экономично управлять производством, распределением ресурсов, организацией технологических процессов, прогнозировать течение химических реакций или изменение численности различных взаимосвязанных в природе видов животных и растений, потому что всё это — динамические процессы. Одно из наиболее интересных применений современной математики называется теорией катастроф. Её создатель — один из выдающихся математиков мира Рене Том. Теория Тома — по сути математическая теория процессов со "скачками". В ней показано, что возникновение "скачков" в непрерывных системах можно описать математически и изменения вида можно предсказать качественно. Модели, строящиеся на основе теории катастроф, уже привели к полезному проникновению в суть множества случаев из реальной жизни: в физику (примером может служить разрушение волн на воде), физиологию (действие сердечных сокращений или нервных импульсов) и социальные науки. Перспективы применения этой теории, вероятнее всего в биологии, огромны. Математика дала возможность заниматься и другими практическими вопросами, которые требовали не только применения уже имеющихся математических средств, но и развития самой математической науки. Построены новые математические науки, позволившие открыть неизвестные ранее объекты математического познания; достигнута огромная гибкость математических понятий и методов исследования, способных охватить все многообразие проблем естествознания, технических и социальных дисциплин. Математика превратилась в необходимое орудие сознания, без которого многие естествоиспытатели не мыслят себе саму возможность развития их областей знания. Датский физик Нильс Бор говорит, что математика является значительно большим, чем наука, поскольку она является языком науки. И действительно, математика стала для многих отраслей знания не только орудием количественного расчета, но также методом точного исследования и средством предельно четкой формулировки понятий и проблем. Каждому ясно, что без современной математики, с ее развитым логическим и вычислительным аппаратом, был бы невозможен прогресс физики, инженерного дела и организации производства, так и остались бы нерешенными многие принципиальные проблемы авиации и космонавтики, метеорологии и радиотехники. В наши дни без предварительных расчетов на заводе не начнут производство ни одной сложной машины, не станут модернизировать технологический процесс. С развитием науки возросло количество экспериментальных исследований. В связи с этим потребовалась разработка математической теории эксперимента, позволяющей так организовать наблюдения, чтобы при минимальном их числе получать максимальное количество информации об интересующем нас явлении или процессе. Роль математики в современном познании, современной практической деятельности так велика, что наше время называют эпохой математизации знаний. 45

Современная наука далеко продвинулась по пути изучения явлений макро- и микромира. Совершены полеты в космос, и в их осуществлении математика занимает почетное место. Расчет конструкций ракет, траекторий движения, построение моделей бомбардировки поверхности ракеты метеоритами и метеоритной пылью — это лишь малая часть тех отраслей естествознания и техники, где широко и по существу дела использовалась математика. Достаточно много говорит и тот факт, что о существовании ряда элементарных частиц удалось узнать не опытным путем, а из результатов математических расчетов. В последние годы математика используется при решении задач, которые касаются нас самым непосредственным образом. Нам далеко не безразлично, насколько чист воздух, которым мы дышим, и каковы капризы погоды. Мы озабочены качеством воды. Нас тревожит вопрос, сможет ли земля и в дальнейшем служить источником пищи и сырья. Мы зависим от топлива, которое необходимо для обогрева жилищ и эксплуатации средств передвижения. Мы хотим быть здоровыми, жить в нормальных условиях и в гармонии с окружающим нас растительным и животным миром. Вся совокупность этих понятий и подразумевается под словами "окружающая среда". В решении проблем окружающей среды огромная роль принадлежит математике. Для решения проблем окружающей среды математика полезна уже тем, что позволяет исследователям точно считать, то есть помогает им в обработке результатов наблюдений. Но еще большую пользу математика приносит тем, что дает некий способ "суммирования", с помощью которого огромное число данных, полученных учеными в лабораториях, можно обработать так, что в результате будет получена ценная информация об окружающем нас мире. Математика не замыкается в рамках собственных интересов. Она находится в постоянном контакте с науками, описательными и экспериментальными. Благодаря способности придавать знаниям количественный характер, систематизировать их, она позволяет применять эти знания к явлениям, которые протекают в масштабах гораздо больших, чем масштабы лабораторных установок. Известно, что картина природы меняется день ото дня и год от года. Почему сезонный ход погоды не одинаков каждый год? Для ответа на этот вопрос потребовались многолетние совместные усилия физиков и математиков. В этих исследованиях математика сыграла ведущую роль, обнаружив ряд типов неустойчивости, связанных с неравномерностью прогревания атмосферы. Используя математический метод можно предсказать прогноз погоды, где определяются плотность воздуха, скорость движения облаков, масштаб, вес паров и т.д. Математикой пользуются при эксплуатации рек, а также для решения проблем загрязнения воды и воздуха, охраны морского побережья от угроз, которые создает "большое море" в виде необычных волн и необычных приливов. Морские волны рассматриваются с давних пор в математике. Инженерное проектирование нефтедобывающих площадок базируется на матема46

тической оценке максимальной волновой нагрузки на конструкцию. Точно также и проектируются корабли, чтобы они могли противостоять исключительно бурному морю. Огромное значение имеет математика в геологоразведке. Люди исследуют землю в поисках пахотной земли, мест для жилья, источников сырья, топлива и получения металлов, удобных транспортных путей. Нужна точность определения формы земной поверхности. Нужны топографические карты, нужна точная система опорных точек, применяемых картографами, и здесь не обходится без математики. Вопросы для повторения Какова структура научного познания? Как соотносятся эмпирический и теоретический уровни познания? Чем отличается наблюдение от эксперимента? Что такое модель и модельный эксперимент? Какова роль научных понятий и терминов? Что такое мысленный эксперимент и зачем он нужен в науке? Приведите примеры всеобщих, общенаучных и конкретно-научных методов. 8. Назовите эмпирические и теоретические методы. 9. Что такое динамика развития научного знания? 10. Что такое естественно-научная картина мира? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Библиографический список 1. Ильин, В.В. Природа науки / В.В. Ильин, А.Т. Калинкин. — М.: Прогресс, 1985. 2. Йорданов, И. Наука как логическая и общественная система / И. Йорданов. — Киев: Наук. думка, 1979. 3. Кочергин, А.М. Методы и формы научного познания / А.М. Кочергин. — М.: Наука, 1990. 4. Козлов, А.В. Основы научных исследований: Учебное пособие / А.В. Козлов, Б.А. Решетников, С.В. Сергеев. — Челябинск: Изд. ЧГТУ, 1997. 5. Кун, Т. Структура научных революций / Т. Кун. — М.: Мир, 1977. 6. Лакатос, И. Методология научно-исследовательских программ / И. Лакатос// Вопросы философии. — 1995. — № 4. 7. Петров, Ю.А. Логика и методология научного познания / Ю.А. Петров, А.Л. Никифоров. — М.: Мысль, 1982. 8. Петров, Ю.A. Теория познания / Ю.A. Петров. — М.: Наука, 1988. 9. Печенкин, А.А. Закономерности развития науки / А.А. Печенкин// Вестник МГУ. Философия. — 1995. — № 3.

47

Глава 4. ИНФОРМАЦИОННЫЙ ПОИСК В НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ 4.1. Роль информации в научном исследовании Информация представляет собой общенаучное понятие, которое включает в себя обмен сведениями между людьми, человеком и автоматом, автоматом и автоматом в процессе выполнения ими различных видов деятельности [1]. Научно-информационная деятельность заключается в сборе, переработке, хранении и поиске закрепленной в документах научной информации, а также в ее представлении ученым и специалистам с целью повышения эффективности исследований и разработок. Основным средством передачи научно-технической информации являются письменные информационные документы, фиксирующие результаты научных исследований и разработок. Это — книги, журнальные статьи, научные отчеты, описания изобретений и т.д. Можно выделить первичные и вторичные источники информации. К первичным относятся монографии, журнальные статьи, описание изобретений, диссертации, сборники трудов конференций, тематические сборники и др. Они несут в себе новую оригинальную информацию, в этих источниках информация появляется впервые. Вторичные источники информации предназначены для переработки, систематизации первичных источников и их представления в краткой, сжатой форме. К ним относятся обзоры, реферативные журналы, библиографические указатели, справочники и т.п. [2]. По периодичности все издания могут быть разделены на периодические, непериодические или продолжающиеся. К периодическим изданиям относятся журналы и другие издания, выходящие через определенные промежутки времени, периодически (например, в области машиностроения выпускаются журналы "Станки и инструмент", "Вестник машиностроения", "Машиностроитель", "Известия высших учебных заведений", "Изобретатель и рационализатор"). К непериодическим — относятся книги, тематические сборники, сборники трудов конференций. Современный период научно-технической революции характеризуется быстрым ростом объема научно-технической информации. Поэтому поиск научной информации, с которого начинается любое научное исследование, представляет весьма трудоемкую задачу, а успех исследования в значительной мере определяется осведомленностью исследователя. Подсчитано, что уже сейчас примерно 30% времени исследователь тратит на ознакомление с информацией по интересующему вопросу. Найти необходимую информацию в "лавине" книг, статей, отчетов, патентов становится все труднее. В связи с этим во всех развитых странах создана и функционирует система научно-технической информации, позволяющая не только найти необходимую информацию, но и предотвратить дублирование работ, существенно сократив период исследований. Применение в научных 48

исследованиях современных методов информационного обеспечения повышает эффективность труда ученого на 25…30%. Важность максимально быстрого и полного ознакомления с результатами исследований, выполненными в интересующем направлении, обусловлена "старением" информации вследствие появления новых материалов или снижения потребности в ней. В Российской Федерации создана разветвленная система научнотехнической информации, которая позволяет исследователям находить и получать необходимые сведения о состоянии и развитии отечественной и зарубежной науки и техники. Все отдельные органы информации нашей страны объединены в единую Государственную систему научно-технической информации (ГСНТИ), которая играет большую роль в повышении эффективности работы научных работников. Головной организацией ГСНТИ является Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ). Он издает "Реферативный журнал", обзоры "Итоги науки и техники", бюллетени "Сигнальная информация", "Экспресс-информация". Эти издания базируются на информации, получаемой из 120 стран. "Реферативный журнал" (РЖ) является наиболее емким и доступным средством поиска научной информации. В нем публикуются рефераты книг, статей, описания изобретений по всем направлениям современной науки и техники. РЖ выходит сериями, в пределах которых издаются сводные тома или отдельные выпуски. Обзоры "Итоги науки и техники" выпускаются на основе материалов РЖ и содержат анализ развития различных областей науки и техники за 1–3 года. Бюллетени "Сигнальная информация" и "Экспрессинформация" содержат библиографические описания статей и наиболее интересные исследования, которые публикуются более оперативно, чем РЖ. Кроме того, ВИНИТИ ежегодно выпускает библиографический указатель "Депонированные рукописи". В нем приводятся основные сведения о депонированных рукописях-статьях по узким направлениям науки и техники, ненапечатанные в периодических изданиях. Пользуясь выпусками ВИНИТИ, можно заказать необходимую литературу и получить копию. Всероссийский научно-исследовательский институт патентной информации и технико-экономических исследований (ВНИИПИ) накапливает фонды описаний российских и зарубежных изобретений. Институт выпускает официальные бюллетени "Изобретения'', "Внедренные изобретения". Всероссийский центр переводов научно-технической литературы и документации (ВЦП) выполняет заказы на переводы информации с иностранных языков на русский. ВЦП издает библиографический указатель "Научнотехнические переводы". Наиболее крупное в нашей стране хранилище иностранных книг и журналов по науке и технике — Государственная публичная научнотехническая библиотека (ГПНТБ). Центральное хранилище произведений советской печати — Всероссийская книжная палата. Кроме республиканских 49

центров в РФ функционирует около 100 центральных отраслевых органов научно-технической информации, которые располагают литературой по тематике соответствующего министерства и ведомства. В крупных промышленных центрах страны созданы территориальные центры научнотехнической информации. В частности, такой центр находится и в городе Челябинске. Существуют отделы научно-технической информации предприятий, научно-исследовательских институтов и вузов. Поиск научной информации и оформление его результатов Любая научная разработка начинается с изучения научно-технической информации по заданной теме. Это позволяет всесторонне изучить состояние вопроса по теме исследования, уточнить при необходимости его цели и задачи. Если тема исследования узкая, то достаточно просмотреть периодические издания и книги за последние несколько лет. В других случаях следует воспользоваться услугами ГСНТИ. Первичная информация может быть получена с помощью учебников, справочников, обзоров. Они позволяют выявить существо вопроса, определить основную литературу, связь данного вопроса со смежными науками и т.д. Для этих целей могут быть использованы "Техническая энциклопедия", "Политехнический словарь", специализированные справочники ("Справочник технолога-машиностроителя" и т.п.). Наиболее интересные результаты содержатся в обзорах, выпускаемых ВИНИТИ и отраслевыми институтами. В них помещаются краткие сведения и материалы, отражающие последние достижения науки и техники в РФ и за рубежом. Дальнейшее углубление информации по теме исследования может быть достигнуто за счет использования найденных ссылок и ознакомления с оригинальной литературой. Наиболее обширные сведения по исследуемой теме могут быть получены с помощью сводных томов или отдельных выпусков РЖ, а также справочноинформационных фондов (СИФ). В СИФах имеется основной и справочный фонды. Основной фонд (книги, журналы, отчеты) размещается по видам информации, причем громоздкие материалы (диссертации, отчеты и др.) микрофильмируются с уменьшением во много раз. Справочный фонд представлен библиографическими карточками. Алфавитный каталог позволяет отыскать любую информацию в данном СИФе по фамилии автора, редактора или названию первоисточника. Систематический каталог дает возможность отыскать информацию по различным областям знаний. Информационный поиск облегчается при использовании информационнопоисковых языков. Наиболее распространена в РФ универсальная десятичная классификация документов (УДК), введенная в 1962 г. 50

Согласно этой классификации все области знаний делятся на 10 классов, каждый класс — на 10 групп, каждая группа — на 10 подгрупп и т.д. Основной ряд УДК состоит из следующих классов: 0. Общий отдел. 1. Философия. Психология. 2. Религия. Теология. 3. Общественные науки. 4. Свободен. 5. Математика. Естественные науки. 6. Прикладные науки. Медицина, Техника. 7. Искусство. Фотография. Музыка. Игры. Спорт. 8. Языкознание. Филология. Художественная литература. Литературоведение. 9. География. Биогеография. История. Краеведение. По мере сужения области науки, частота обозначающих ее цифр растет, например: 62. Инженерное дело. Техника в целом. 621. Общее машиностроение. Технология машиностроения в целом. 621.9. Обработка резанием. Способы, инструменты, машины и приспособления. 621.95. Сверление. Сверла. Сверлильные станки. 621.941. Точение. Обточка. Токарные станки. 621.99. Изготовление резьбы. 621.9.013. Углы. Геометрия инструмента. Подобная классификация может быть бесконечно продолжена, однако на практике бывает достаточно знать 10–12 цифр индекса. Дополнительно к индексу в скобках может быть указан определитель вида материала (справочник, учебник и т.п.). В обозначении индекса могут быть использованы и знаки ":" — означает связь между понятиями, "+" — объединяет несколько индексов несвязанных общей тематикой. Система УДК позволяет быстро отыскать необходимую информацию в РЖ или систематических каталогах. В научных и технических библиотеках кроме алфавитных и систематических каталогов для поиска информации имеются также предметные каталоги, которые помогают отыскать информацию по узким направлениям. Найденная литература подвергается тщательному изучению. При отсутствии источников в местных библиотеках, их копии могут быть заказаны в ВИНИТИ. В этом случае в заказе указывается источник, откуда была получена информация (например, название сводного тома РЖ, год здания, номер журнала и номер реферата). Источник информации может быть получен по межбиблиотечному абонементу (МБА) из библиотеки любого города РФ. В процессе информационного поиска важное значение имеет систематизация найденных данных. Для этого каждый источник необходимо изучить, применяя для фиксации результатов поиска выписки, аннотации, конспекты. Выписка — краткое, но достаточно полное изложение содержания глав и разделов источника. Аннотация — краткое содержание первоисточника. Характеризует полное содержание источника в отличие от выписок. Аннотации записываются чаще всего на отдельные карточки. Конспект — подробное изложение прочитанного материала. Главное в ведении конспекта 51

— изложение материала своими словами, что требует его глубокого осмысливания и анализа. Полученные в процессе информационного поиска результаты требуют их соответствующего оформления, например, в форме реферата, обзора, отчета, статьи или доклада. Одной из наиболее распространенных форм систематизации научной информации являются рефераты и обзоры. Реферат — это краткое изложение литературы (5–10 источников) по заданной тематике. Он состоит, как правило, из введения, анализа состояния исследуемого вопроса и выводов. Он должен отражать актуальность поставленной задачи, основные результаты и методику выполнения исследований. В конце реферата приводится список использованной литературы. Обзор отличается от реферата большим объемом анализируемой литературы, широтой постановки вопроса. Как правило, обзор оформляется на основе предварительно выполненного реферата. Отчет представляет собой систематизированное изложение результатов информационного поиска или научного исследования. Научный отчет содержит: титульный лист, список исполнителей, реферат, оглавление, введение, обзор, научные результаты, выводы и рекомендации, список литературы, приложения. Отчет оформляется в соответствии с ГОСТ 7.32-81. Список исполнителей содержит фамилии лиц, принимавших участие в создании отчета. Введение кратко характеризует состояние вопроса, цель работы, ее актуальность, а обзор должен содержать формулировку задачи исследования. Научные результаты излагаются с учетом характера исследования. В экспериментальных работах имеются два раздела: "Методы и объекты исследования" и "Результаты экспериментов". В первом разделе приводится описание объектов исследования, методика проведения и обобщения опытных данных. Во втором разделе излагаются основные полученные результаты, дается их подробный анализ, сравнение с ранее выполненными работами, теоретическими результатами. Особо отмечается научная новизна и практическая ценность. Выводы и рекомендации указывают на то, чем завершается исследование. В технологии машиностроения это чаще всего новые технологические процессы механической обработки деталей, элементы технологической оснастки, новые станки. Приложения содержат вспомогательные материалы, таблицы экспериментальных данных, программы расчета на ЭВМ и т.д. Статья представляет собой изложение новых научных результатов по конкретному вопросу. Статья по объему не превышает 10–12 страниц машинописного текста, содержит графический или другой иллюстративный материал. Статьи публикуются в научных журналах, сборниках. Доклад (сообщение) представляет собой краткое изложение научных результатов исследования, их практической ценности, выводы и рекомендации на семинарах или конференциях факультета или института. Лучшие работы докладываются на республиканских, российских и международных конференциях. 52

Рекомендуется следующая последовательность изложения доклада: 1) тема доклада; 2) краткая характеристика проблемы; 3) место исследуемого вопроса в общей проблеме; 4) постановка задачи исследования; 5) методы решения поставленной задачи и их обоснование; 6) результаты, полученные в научном исследовании; 7) краткие выводы. На доклад обычно выделяется не более 15–20 минут. В нем должны быть четко разграничены положения, основанные на литературных данных и полученные в результате исследования. Доклад должен быть написан грамотным научным языком с четкой аргументацией фактов. Важное значение имеет подготовка графических материалов. Ответы на вопросы должны быть краткими и по существу. Анализ и систематизация информации позволяет выявить главные направления, требующие дальнейшего исследования. 4.2. Изобретение В процессе научного исследования или опытно-конструкторской работы могут быть получены фундаментальные результаты, представляющие собой изобретение. Авторы изобретений имеют право требовать признания его авторства, удостоверяемого соответствующими документами [3, 4]. Все вопросы, связанные с официальным признанием авторства изобретений регламентированы статьёй 2 Патентного закона Российской Федерации. Согласно закона права на изобретения удостоверяются авторскими свидетельствами или патентами. Изобретение является творческим решением практической задачи. Это означает, что на его основе могут быть созданы практические средства, выполняющие определенную производственную функцию. Изобретение должно обладать существенной новизной, т.е. должно быть новым в мировом масштабе. Объектами изобретения могут являться устройство, способ, вещество, штамм микроорганизма, культуры клеток растений и животных. К устройствам как объектам изобретения относятся конструкции и изделия. К способам как объектам изобретения относятся процессы выполнения действий над материальным объектом с помощью материальных объектов. К веществам как объектам изобретения относятся: – индивидуальные химические соединения, к которым также условно отнесены высокомолекулярные соединения и объекты генной инженерии; – композиции (составы, смеси); – продукты ядерного превращения. К штаммам микроорганизма, культуры клеток растений и животных как объектам изобретений относятся: – индивидуальные штаммы микроорганизма, культуры клеток растений и животных; – консорциумы микроорганизмов, культур клеток растений и животных. Не признаются патентоспособными изобретениями: 53

– научные теории и математические методы; – методы организации в управления хозяйством; – условные обозначения, расписания, правила; – методы выполнения умственных операций; – алгоритмы и программы для вычислительных машин; – проекты и схемы планировки сооружений, зданий, территорий; – решения, касающиеся только внешнего вида изделий, направленные на удовлетворение эстетических потребностей; – топологии интегральных микросхем; – сорта растений и породы животных; – решения, противоречащие общественным интересам, принципам гуманности и морали.

Составление и подача заявки на изобретение Заявка на изобретение подается во Всероссийский научноисследовательский институт государственной патентной экспертизы комитета Российской Федерации по патентам к товарным знакам (ВНИИГПЭ).

Лица, имеющие право на подачу заявки и получение патента Правом на подачу заявки и получение патента обладают автор изобретения, работодатель или их правопреемник (далее — заявители). Уступка заявителем права на получение патента путём указания об этом в заявке на выдачу патента либо в заявлении, поданном в Патентное ведомстве до момента регистрации изобретения, считается также уступкой прав заявителя, если при уступке права не получение патента не указано иное. Автор изобретения — физическое лицо, творческим трудом которого оно создано, имеет право на подачу заявки я получение патента в следующих случаях: — если изобретение не является служебным; — если изобретение является служебным, но договором между автором и работодателем предусмотрено право автора на получение патента или если работодатель в течение четырех месяцев с даты уведомления его автором о созданном служебной изобретении не подает заявку, не переуступит право на подачу заявки другому лицу и не сообщит автору о сохранении изобретения в тайне. Подтверждение права на подачу заявки каким-либо документом не требуется.

54

Состав заявки Заявка должна содержать: — заявление о выдаче патента с указанием автора (авторов) изобретения и лица (лиц), на имя которого (которых) испрашивается патент, а также их местожительства или местонахождения; — описание изобретения, раскрывающее его с полнотой, достаточной для осуществления; — формулу изобретения, выражающую его сущность, и полностью основанную на описании; — чертежи и иные материалы, если они необходимы для понимания сущности изобретения; — реферат. Вопросы для повторения 1. Как нужно выполнять информационный поиск? 2. Каковы способы хранения научной информации? 3. Как оформляются результаты информационного поиска и научного исследования? 4. Что такое изобретение? 5. Что может быть объектом изобретения? Библиографический список 1. Волков, Г.Н. Истоки и горизонты науки. Социологические проблемы развития науки и техники / Г.Н. Волков. — М.: Политиздат, 1976. 2. Щукин, В.К. Организация научно-исследовательской работы студентов / В.К. Щукин, А.А. Халатов, Ю.Ф. Гортышев. — Казань: Казанский авиационный институт, 1978. 3. Бессонов, Н.В. Справочник изобретателя и рационализатора: Вопросы и ответы / Н.В. Бессонов. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Профиздат, 1985. 4. Правила составления, рассмотрения и подачи заявки: Нормативно-методические документы. — М.: Всероссийский научно-исследовательский институт патентной информации, 1995. Глава 5. ИСТОРИЯ, ПАНОРАМА СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ ЕГО РАЗВИТИЯ 5.1. Возникновение науки Современное науковедение рассматривает науку в нескольких аспектах: – наука — это определённая историческая форма познания; 55

– наука — это совокупность знаний и деятельность по производству этих знаний; – наука — это непосредственная производительная сила общества; – наука — это система профессиональной подготовки и воспроизводства кадров. В зависимости от того, какой аспект принимается во внимание, получаем разные точки отсчёта начала развития науки. Принято считать [1], что наука как форма познания складывалась в Древней Греции в VII–VI вв. до н.э., как результат длительного развития познавательной деятельности в эпоху первых цивилизаций Древнего Востока. Первые цивилизации Древнего Востока начали складываться в Двуречье и в долине Нила в IV тыс. до н.э. Экономической основой этих цивилизаций являлось ирригационное земледелие, которое хотя и требовало колоссальных трудовых затрат, кооперации и особой организации работ, но зато позволяло собирать даже не один, а несколько богатых урожаев в год. Получение значительного избыточного продукта стало экономической предпосылкой быстрого развития социальных отношений, классообразования, общественного разделения труда, возникновения специализированных ремесел (гончарного, ткацкого, кораблестроительного, металлургического, камнерезного и др.); обособления собственности, генезиса соседскотерриториальных общин, образования господствующего класса, государственного аппарата, храмового персонала. На таком экономическом базисе сложилась и соответствующая социально-классовая структура, представленная тремя основными классами. Высший класс — это класс людей, которые непосредственно не занимались производительным трудом, но либо сами владели средствами производства, либо распоряжались государственной и храмовой собственностью от имени царя или касты жрецов. Благодаря деятельности части представителей этого класса складывается особая система духовного производства, независимая от материального производства. Именно в этой системе духовного производства зарождается научная деятельность. Второй, средний класс — это класс свободных крестьян-общинников и городских (или сельских) ремесленников, непосредственно владевших средствами производства и занятых производительным трудом. И, наконец, третий, низший класс — зависимые, не обладавшие собственностью работники, которые подвергались внеэкономической эксплуатации. В качестве таких работников выступали лишившиеся собственности и попавшие в зависимость крестьяне, а также рабы. Вместе с тем особенностью древневосточных цивилизаций является наличие еще значительных следов мифологического сознания, для которого характерна образность, слабое развитие абстрактных понятий, категорий, слабое различение закономерного и необходимого, причинно-следственных связей, доминирование ассоциативного мышления по аналогии, ориентация на традиционность, а не на новации, антропоморфизм. Очень медленно шел в 56

сознании процесс различия природного и человеческого, преодоления слитности человека с природой. Здесь еще мир вещей не отрывался от мира людей, вещи наделялись качествами людей, а человек — качествами вещей, которые ему принадлежат. Человек древневосточных цивилизаций жил в мире, в котором самым теснейшим образом переплетались земное и божественное, мир людей и мир богов. По мнению людей того времени, множество богов постоянно вмешивается в повседневную жизнь людей и человек находится в их полной власти. Поэтому божественными знамениями интересовались, их боялись, пытались избежать. Основная тенденция развития духовной культуры древневосточных цивилизаций — возрастание индивидуализации сознания. Человек начинает осознавать себя как индивидуальность, как самоценность, как личность, постоянно решающая проблему выбора оптимальной линии своего поведения, вопросы координации своих отношений с другими людьми, с коллективом, с обществом, с природой. В этих условиях складывается героический эпос, в центре которого — образ героя получеловека-полубога. Герой бросает вызов не только людям, но и самим богам, он может преодолеть все, кроме одного — своей судьбы. Такое противопоставление героя и богов, героя и толпы является показателем того, что рационализация сознания поднялась на новый уровень — уровень теоретического осознания отношений человека и мира, уровень самосознания. Миф трансформируется в рациональный Логос. На этом пути постепенно зарождается наука в самой простейшей форме. 5.2. Развитие рациональных знаний Древнего Востока Рост населения, его подвижность, динамизм образа жизни, укрепление племенных союзов, развитие военного дела, политический и военный экспансионизм, развитие обмена, торговли — все это способствовало значительному расширению географического кругозора человека [2]. Наряду с освоением новых пространств, развитием представлений о границах ойкумены (населенной части планеты) совершенствовались формы картографии, создавались карты-схемы местности, способы ориентации по звездам, особенно у народов, осваивавших океанские просторы, народовмореплавателей (например, у народов Океании). На смену простейшим способам схематического изображения местности с помощью камней, палок, рисунков на песке и др., которые были характерны для первобытного общества, приходят более долговременные и совершенные "карты". Их либо рисовали, либо вышивали на коже или ткани, либо чертили ножом на коре дерева и т.п. Эти карты обычно были схемами маршрута, так как отражали не местность в целом, а отдельный маршрут. На такой картесхеме изображались гидрографическая сеть (главная река, ее притоки, озера 57

и др.), речные пороги, броды, дороги, тропы, жилища, горы, следы проживания людей в данном районе и др. Длина маршрута определялась в днях пути. Есть этнографические данные о том, что у некоторых народов была традиция собирать такие карты местности в особых хранилищах. Новый дополнительный импульс развитию картографии был получен вместе с расширением торговой деятельности, появлением класса купцов, осваивавших дальние и неизведанные торговые пути. Наиболее распространенные и трудные маршруты снабжались определенными указательными знаками (на деревьях, на камнях, на скалах и др.), включая знаки, предупреждающие о возможности нападения (так зарождалось то, что на современном языке называется "служба эксплуатации дорог"). Указательные знаки также отмечались на картах-схемах маршрутов. Биологические знания Становление производящего хозяйства (земледелия и скотоводства) стимулировало и развитие биологических знаний. Прежде всего, это связано с доместикацией1, имевшей колоссальное значение для судеб цивилизации. Одомашнивание животных и растений по самой своей сути предполагает использование такого фундаментального биологического явления, как искусственный отбор (селекция). Люди были еще очень далеки от понимания сущности искусственного отбора, но уже умели использовать этот метод для совершенствования своей хозяйственной деятельности. Опыт селекции передавался из поколения в поколение. Благодаря селекции было выведено много новых пород животных и растений, заложена база современной аграрной культуры. Развитие скотоводства позволило освоить новые массивы зоологических, ветеринарных знаний и навыков, а развитие земледелия способствовало накоплению ботанических, агрохимических и гидротехнических (в связи с мелиорацией и ирригацией) знаний. Еще в Древней Месопотамии было открыто искусственное опыление финиковой пальмы, которое привело к получению большого сортового разнообразия. Медицинские знания В эпоху классообразования Древнего Востока от системы биологических знаний постепенно отпочковывается медицина как относительно самостоятельная отрасль знаний и практических навыков [1]. Глубинной основой этого процесса является изменение отношения к человеку. Человек начинает осознавать свое кардинальное отличие не только от природы, её предметов и процессов, но и от других людей. Отрываясь от родовых связей, Доместикация (от лат. domesticus — домашний) (одомашнивание) — приручение диких животных и превращение их в домашних, специально разводимых человеком. 58 1

человек осознает себя как самоценное существо, которое хотя и связано с коллективом (соседско-территориальной общиной, патриархальной семьей и др.), его традициями и ценностями, но уже имеет и свои индивидуальные ценности. В сознании появляются новые элементы, представляющие собой зачаточные формы смысложизненных ориентиров. Человек впервые сталкивается с проблемой смысла своего существования. А это значит, что и поддержание жизни человека, его работоспособности приобретает особую ценность, значимость. В этих условиях приоритетной сферой рациональной деятельности становится медицинская практика. В обществе растет престиж тех, кто берется лечить людей и кому это удается. Лекарь, врачеватель — это прежде всего знаток лечебных трав и народной медицины. Развивается древнейшая традиция лечебного применения средств растительного происхождения (травы, цветы, плоды, кора деревьев и др.) и средств минерального и животного происхождения (жир, части организмов животных и др.). Создаются приемы санитарии и гигиены, появляются физиотерапевтические процедуры, массаж, иглотерапия, диетика, разрабатываются новые хирургические приемы и соответственно металлические хирургические инструменты (скальпель, щипцы и др.). Совершенствуется акушерство — одна из первых медицинских специальностей. Конечно же, в первобытной медицине наряду с рациональными знаниями еще много и наивного. Так, древние вавилоняне считали, что жизнь связана с кровью, печень — главный орган жизни, содержащий запас крови; органом же мышления они считали сердце. Поэтому наряду с народной медициной, лекарями — знатоками лекарственных трав, простейшей хирургии складывается и другой тип врачевателей — знахари-заклинатели, опиравшиеся на мифологические и магические процедуры. Эта ветвь древней медицины со временем трансформируется в храмовую медицину. Астрономические знания Развитие астрономических знаний в рассматриваемую эпоху определялось в первую очередь потребностями совершенствования календаря, счета времени. Важнейшим условием зарождения научной астрономии являлось осознание связи небесных явлений и сезонов года. Если присваивающее хозяйство вполне могло обходиться лунным календарем, то производящее хозяйство требовало более точных знаний времени сельскохозяйственных работ (особенно времени посева и сбора урожая), которые могли базироваться лишь на солнечном календаре, на солнечных циклах (годовом, суточном, сезонном). Важным условием перехода от лунного календаря к солнечному являлось отделение наблюдений за интервалами времени от их привязки к 59

биологическим ритмам (связанным с человеком и домашними животными) и выделение некоторых внебиологических природных "систем отсчета" для измерения интервалов времени. В таком качестве выступали, например, точки восхода Солнца в день летнего солнцестояния и захода в день зимнего солнцестояния, наблюдения за звездной группой Плеяд в созвездии Тельца, позволявшие корректировать солнечное и лунное времяисчисления. Чтобы результатами подобного рода наблюдений можно было пользоваться неоднократно, их следовало каким-то образом фиксировать. Так появилась потребность в создании соответствующих сооружений. В археологии такие сооружения известны в виде разного рода мегалитических конструкций. Мегалитические сооружения — это постройки из громадных каменных плит и камней. Известны их различные виды — дольмены (несколько вертикально установленных огромных каменных плит, сверху перекрытых горизонтально уложенными плитами), кромлехи (выстроенные в круг гигантские монолиты, иногда вместе с дольменами) и др. Большинство из них выполняло одновременно несколько функций — религиозно-культовую, произведения монументальной архитектуры, научной астрономической обсерватории и др. Одним из наиболее известных является грандиозный мегалитический комплекс Стоунхендж в Англии, созданный на рубеже неолита и бронзового века. Мегалитические сооружения строились так, что они позволяли с довольно высокой точностью ориентироваться на точку восхода Солнца, фиксировать день летнего и зимнего солнцестояния и даже предсказывать лунные затмения. Сооружения из огромных каменных плит и монолитов требовали колоссальных трудовых затрат, были результатом коллективного длительного труда многих десятков и сотен, а иногда и тысяч людей. Это говорит о том, какое важное значение придавалось астрономическим знаниям в период становления цивилизации. Накапливались знания и в системе астрологии. Астрология — это уходящая своими корнями в магию деятельность, состоящая в предсказании будущего (судеб людей, событий разного рода) по поведению, расположению небесных тел (звезд, планет и др.) в форме гороскопов. Древнейший из дошедших до нас гороскопов (из Вавилона) датируется второй половиной V в. до н.э. Астрология строилась, с одной стороны, на религиозном убеждении, что небесные тела являются всесильными божествами и оказывают решающее влияние на судьбы людей и народов. С другой стороны, в основе астрологии лежит представление о всеобщей причинной связи вещей и их повторяемости — всякий раз, когда на небе будет наблюдаться одно и то же событие, последуют те же следствия. Из взаимного расположения планет между собой, а также из их отношения к знакам зодиака, астрология пытается угадать будущие события и все течение жизни человека. 60

Математические знания В рассматриваемую эпоху математические знания развивались в следующих основных направлениях. Во-первых, расширяются пределы считаемых предметов, появляются словесные обозначения для чисел свыше 100 единиц — сначала до 1000, а затем вплоть до 10 000. Во-вторых, закладываются предпосылки позиционной системы исчисления. Они состояли в совершенствовании умения считать не единицами, а сразу некоторым набором единиц (4, 5, чаще всего 10). Когда нужно было пересчитать большое количество одинаковых предметов (например, стадо скота), применялся так называемый групповой счет. Такой счет вело несколько человек: один вел счет единицам, второй — десяткам, третий — сотням (наблюдения Н. Н. Миклухо-Маклая). Развитие хозяйства, торговли требовало не просто умения считать, но и умения сохранять на длительное время или передавать на расстояния результаты счета (очень часто — большие числа). Для этого применялись известные еще с древнейших времён бирки, шнуры, нарезки или узлы, на которых уже обозначаются не только единицы, но и группы единиц (по 4, 5, 10, 20 единиц). По сути, формировался прообраз различных систем счисления. В-третьих, формируются простейшие геометрические абстракции — прямой линии, угла, объема и др. Развитие земледелия, отношений земельной собственности потребовало умения измерять расстояния, площади земельных участков (отсюда и происхождение слова "геометрия" — от древнегреческого "землемерие"). Развитие строительного дела, гончарного производства, распределение урожая зерновых и т.п. требовало умения определять объемы тел. В строительстве было необходимо уметь проводить прямые горизонтальные и вертикальные линии, строить прямые углы и т.д. На Древнем Востоке математика получила особое развитие в Месопотамии. Математика развивалась как средство решения повседневных практических задач, возникавших в царских храмовых хозяйствах (землемерие, вычисление объемов строительных и земляных работ, распределение продуктов между большим числом людей и др.). Найдено более сотни клинописных математических текстов, которые относятся к эпохе Древневавилонского царства (1894–1595). Их расшифровка показала, что в то время уже были освоены операции умножения, определения обратных величин, квадратов и кубов чисел, существовали таблицы с типичными задачами на вычисление, которые заучивали наизусть. 5.3. Наука Древней Греции Задача понять и объяснить мир без привлечения таинственных сил была впервые поставлена древними греками в период развития 61

рабовладельческого строя [3]. Возникновение греческой науки (VII–VI вв. до н. э.) обычно связывают с расцветом ионических городов Милета и Эфеса, островов Средиземноморья и греческих колоний в Италии. В Греции впервые появились профессиональные ученые и учителя, труд которых оплачивался как государством, так и частными лицами, первые научные учреждения: академия Платона, лицей Аристотеля, Александрийский музей. Именно в Греции была впервые выдвинута идея о единой материальной основе мира и о развитии его из этой основы. Родоначальник греческой науки милетский купец Фалес (~624–547) такой основой, например, считал воду. Его ученик Анаксимандр (~610–546) источником всего сущего, субстанцией всех вещей считал не воду, а некое вечное, беспредельное, безграничное, бесконечное начало, которое он назвал апейроном (т.е. "беспредельное"). В этом вечном, находящемся в непрерывном движении неопределенном первовеществе возникает как бы зародыш будущего мира. Мир периодически возвращается в это первовещество. Древние сообщали, что Анаксимандр был первым греком, начертившим географическую карту Земли. Он же распространял среди греков заимствованные на Востоке солнечные часы (гномон). Последним великим представителем милетской школы был Анаксимен, который началом, основой, субстанцией мира считал воздух. Все возникает из воздуха, через его разряжение и сгущение. Разряжаясь, воздух становится сначала огнем, затем эфиром, а сгущаясь — ветром, облаками, водой, землей и камнем. Но если первые ионийцы не рассматривали вопрос об источнике движения, то Гераклит из Эфеса (~544–483) считал источником движения борьбу противоположностей. По Гераклиту в этой постоянной борьбе единая материальная первооснова порождает многообразие вещей и явлений, составляющих вместе единую сущность. Гераклит — один из самих глубоких мыслителей Греции оказавший значительное влияние на последующее развитие науки философии. В центре учения Гераклита — идея безостановочной изменчивости вещей, их текучести. Гераклит учил, что все в мире изменчиво, "все течет". Ничто в мире не повторяется, все преходяще и одноразово. Какое же вещество больше всего соответствует в качестве субстанции мира его постоянной подвижности, текучести, изменчивости, становлению? Гераклит видел такую первооснову в огне, который в то время представлялся самым подвижным и изменчивым веществом. В Древней Греции были построены первые модели Вселенной (Анаксимандр, Филолай, Аристарх Самосский). Наиболее верной и прогрессивной была модель Аристарха Самосского, согласно которой сферическая Земля и еще семь сфер — Меркурия, Венеры, Марса, Юпитера, Сатурна, Луны и звезд — движутся вокруг Солнца. Это была первая гелиоцентрическая система мира. Кроме того, Аристарх Самосский утверждал о вращении Земли вокруг своей оси. За все это он был объявлен духовными властями безбожником и изгнан из Афин. 62

Греция является родиной логики и диалектического метода. От греков ведет начало и термин "диалектика". Под диалектикой в древности понимали искусство вести беседу и достигать истины путем обнаружения противоречий в суждениях противника. Требования логического обоснования и доказательства выдвигаемых положений существенным образом отличали науку Древней Греции от рецептурных предписаний египтян и вавилонян. "Найти одно научное доказательство для меня значит больше, чем овладеть всем персидским царством", — говорил основатель атомистики Демокрит. Эти слова в значительной степени определяют характер и метод греческой науки. Названия современных наук: математика, механика, физика, география, биология и др.; научные понятия: атом, масса, электрон, протон и пр.; имена: Фалес, Демокрит, Аристотель, Пифагор и т.д., а главное — характер, метод и достижения науки Древней Греции служат одним из убедительных доказательств того, что Древняя Греция по праву считается родиной современной науки. Первые естественно-научные программы античности Атомическая программа. Идея атомистического строения материи была высказана впервые Левкиппом (500–440) и развита его учеником — гениальным Демокритом [3]. Демокрит (460–370) происходил из фракийского города Абдеры на берегу Эгейского моря. Он очень много путешествовал, был в Вавилоне, Персии, Египте, Индии, Эфиопии. Демокрит поставил перед собой задачу создать такое учение, которое смогло бы преодолеть противоречия, зафиксированные элеатами1. Иначе говоря, такое учение, которое обеспечивало соответствие картины мира, открывающейся человеческим чувствам, картине мира, конструируемой деятельностью мышления, дискурсивно, логикой. На этом пути он осуществил переход от континуального2 к дискретному видению мира. Демокрит исходил из безоговорочного признания истинного бытия существующим и существующим как многое. Он убедительно показал, что мыслить бытие как многое, мыслить движение можно, если ввести понятие о неделимости элементарных оснований этого бытия — атомов. Бытие в собственном смысле этого слова — это атомы, которые движутся в пустоте (небытии). Демокрит написал много сочинений по физике, астрономии и философии. К сожалению, его сочинения не дошли до нашего времени и об их содержании Элейская школа (элеаты) древнегреческой философии (6–5 вв. до н.э.) Главные представители: Парменид и Зенон из Элеи (отсюда название), Мелисс Самосский. Отводя главную роль в познании мышлению, Элейская школа противопоставила его чувственному восприятию как текучему и неустойчивому; впервые в истории философии выдвинула идею единого бытия, понимая его как непрерывное, неизменное, присутствующее в любом мельчайшем элементе действительности, исключающее множественность вещей и их движение. 2 Континуум — сплошная материальная среда, свойства, которой изменяются в пространстве. 63 1

мы узнаем лишь из книг других авторов. Суть учения Демокрита сводится к следующему. 1. Не существует ничего, кроме атомов и чистого пространства, все другое — только воззрение. 2. Атомы бесконечны по числу и бесконечно разнообразны по форме. 3. Из ничего не происходит ничего. 4. Ничто не совершается случайно, но все совершается по какому-нибудь основанию и с необходимостью. 5. Различие между вещами происходит от различия их атомов в числе, величине, форме и порядке. Качественного различия между атомами не существует. По Демокриту мир в целом — это беспредельная пустота, начиненная многими отдельными мирами. Отдельные миры образовались в результате того, что множество атомов, сталкиваясь друг с другом, образуют вихри — кругообразные движения атомов. В вихрях крупные и тяжелые атомы скапливаются в центре, а более легкие и малые вытесняются к периферии. Так возникли земля и небо. Небо образует огонь, воздух, светила. Земля — центр нашего мира, на краю которого находятся звезды. Каждый мир замкнут. Число миров бесконечно. Многие из них могут быть населёнными. Демокрит впервые описал Млечный Путь как огромное скопление звезд. Миры преходящи: одни из них только возникают, другие находятся в расцвете, а третьи уже гибнут. Развивая учение Демокрита, Эпикур (341–270) пытался объяснить на основе атомных представлений все естественные, психические и социальные явления. Атомы Эпикура имеют уже вес, а само представление о них выводится из хорошо известных фактов: белье, например, сохнет потому, что под действием ветра и солнца от него отрываются невидимые частицы воды. Атомы находятся в беспрерывном движении, причем: атомы падают в пустоте (в современном понятии — в вакууме) с одинаковой скоростью, в некоторые моменты они могут случайно отклоняться от своего пути. Это и приводит к образованию из атомов миров. Так возникла Земля, "затем от нее отделилось высокое небо, стали моря отходить, обособившись водным пространством, и выделяться огни стали чистые в дальнем эфире". Земля породила жизнь, все, что не было приспособлено к жизни, умирало. Так в конце концов естественным путем возник животный и растительный мир, появилось человеческое общество. Как видно, Эпикур не оставляет места для бога ни в сотворении мира, ни в его развитии. Кроме того, в философской системе Эпикура утверждалось, что целью жизни должно быть отсутствие страданий. А чтобы их не было, жизнь должна быть основана на разуме и справедливости, должен быть уничтожен страх смерти и связанные с ним верования. Исторической заслугой античного атомизма являлось также формулирование и разработка принципа детерминизма (причинности). В соответствии с этим принципом любые события влекут за собой определенные следствия и в то же время представляют собой следствие из 64

некоторых других событий, совершавшихся ранее. Демокрит понимал принцип детерминизма механистически, отождествляя причинность и необходимость. Все, что происходит в мире, не только причинно обусловлено, но и необходимо, неизбежно. Он отвергал объективное существование случайности, говоря, что человек называет событие случайным, когда не знает (или не хочет узнать) причины события. Мир атомистов — мир сплошной необходимости, в котором нет объективных случайностей. Концепция атомизма — одна из самых эвристичных, одна из самых плодотворных и перспективных научно-исследовательских программ в истории науки. Она сыграла выдающуюся роль в развитии представлений о структуре материи, в ориентации движения естественно-научной мысли на познание все более глубоких структурных уровней организации материи. Математическая программа. Второй научной программой античности, оказавшей громадное влияние на все последующее развитие науки, стала математическая программа, представленная Пифагором и позднее развитая Платоном. В её основе, как и в основе других античных программ, лежит представление о том, что Космос — это упорядоченное выражение целого ряда первоначальных сущностей, которые можно постигать по-разному. Пифагор нашел эти сущности в числах и представил в качестве первоосновы мира. При этом числа вовсе не являются теми кирпичиками мироздания, из которых состоят все вещи. Вещи не равны числам, а подобны им, основаны на количественных отношениях действительности, являющихся подлинно фундаментальными. Картина мира, представленная пифагорейцами, поражала своей гармонией протяженного мира тел, подчиненной законам геометрии, а движение небесных тел — математическим законам. Свое завершение математическая программа получила в философии Платона, который нарисовал грандиозную картину истинного мира — мира идей, представляющего собой иерархически упорядоченную структуру. Значительную роль в своей теории идей Платон отводит математике. У Платона все бытие пронизано числами, числа — это путь к постижению идей, сущности мира. О значении, которое он придавал математике, свидетельствует надпись над входом в платоновскую Академию: "Несведущим в геометрии вход воспрещен". Эта высокая оценка математики определялась философскими взглядами Платона. Он считал, что только занятия математикой являются реальным средством познания вечных, идеальных, абсолютных истин. Платон не отвергал значения эмпирического знания о мире земных вещей, но считал, что это знание не может быть основой науки, так как — приблизительно, неточно и лишь вероятно. Только познание мира идей, прежде всего, с помощью математики, является единственной формой научного, достоверного познания. Математическими образами и аналогиями пронизана вся философия Платона. Вслед за пифагорейцами Платон закладывал основы программы математизации познания природы. Но если пифагорейцы рассматривали 65

Космос как некоторую однородную гармоническую сферу, то Платон впервые вводит представление о неоднородности бытия, Космоса. Он разделяет Космос на две качественно различные области: божественную (вечное, неизменное бытие, небо) и земную (преходящие, изменчивые вещи). Из представления о божественности Космоса Платон делает вывод, что небесные светила могут двигаться только равномерно, по идеальным окружностям и в одном и том же направлении. Программа Аристотеля стала третьей научной программой античности. Она возникла на переломе эпох. С одной стороны, она еще близка к античной классике с ее стремлением к целостному философскому осмыслению действительности (при этом она пытается найти компромисс между двумя предыдущими программами). С другой, в ней отчетливо проявляются эллинистические тенденции к выделению отдельных направлений исследования в относительно самостоятельные науки, со своими предметом и методом. Пытаясь найти третий путь, возражая и Демокриту, и Платону с Пифагором, Аристотель отказывается признать существование идей или математических объектов, существующих независимо от вещей. Но не устраивает его и демокритовское появление вещей из атомов. Пытаясь снять это противоречие, Аристотель предлагает четыре причины бытия: формальную, материальную, действующую и целевую. В его "Метафизике" воссоздается мир как целостное, естественно возникшее образование, имеющее причины в себе самом. Это образование предстает перед нами в виде двойственного мира, имеющего неизменную основу, но проявляющегося через подвижную эмпирическую видимость. Предметом науки должны стать вещи умопостигаемые, не подвластные сиюминутным изменениям. Пожалуй, ни один ученый древности не оказал на развитие науки и мышления такого глубокого и длительного влияния, как Аристотель. В своей "Физике" он поднимает и глубоко рассматривает многие вопросы: о материи и движении, о пространстве и времени, о существовании пустоты, о конечном и бесконечном, о действующих причинах. Движение тел происходит в пространстве, свойства которого Аристотель связывает со свойствами самих тел. Он отрицает существование пустого пространства, аргументируя это различными доводами. Науке понадобилось длительное время, чтобы разобраться в этой аргументации, что было сделано Галилеем и Эйнштейном. По Аристотелю, нет и времени, существующего независимо от происходящих событий, от каких-либо изменений. "Если бы "теперь" не было каждый раз другим, а тождественным и единым, времени не было бы". Пространство и время — непрерывные величины; пространство по протяженности — конечная граница одной его части является начальной границей другой; время по последовательности — "теперь" соприкасается с прошлым и будущим. 66

Аристотель признавал объективное существование материального мира и его познаваемость. Являясь учеником Платона, он порвал с его идеалистическими взглядами на мир как отображениями идей, постигаемых душой, и на познание, которое должно отвернуться от реального опыта. Знаменитые слова Аристотеля: "Платон мне друг, но истина дороже" — означали отход его от воззрений своего учителя. Но вместе с тем Аристотель верил в бога, противопоставлял земное и небесное, в центре ограниченной Вселенной он поместил неподвижную Землю, как тело, обладающее наибольшей тяжестью. За эти и подобные им моменты в учении Аристотеля ухватилась церковь, превратив их в догмы. А тех, кто выступал против Аристотеля, часто обвиняли в выступлении против религии и церкви, и церковь жестоко расправлялась с еретиками. Аристотеля называют крестным отцом физики: ведь название его книги "Физика" стало названием всей физической науки. Он очень верно определяет задачи физики, сводя их к исследованию "первых причин" природы (основных законов), "первых начал" (принципов) и ее "элементов" (основополагающих частиц). Говоря о пути познания, Аристотель так определяет его: "От более явного для нас к более явному по природе". Действительно, люди сначала воспринимают вещи такими, какими они им представляются ("явными для нас"), а не такими, какими они есть на самом деле ("по природе"). Так, Земля представлялась нам сначала плоской и неподвижной; открытие ее шарообразности было большим шагом в направлении к "явному по природе" и "менее явному для нас". История науки подтверждает этот путь познания. Что касается математики, то Аристотель полагал недопустимым ее применение к исследованию природы по двум причинам: – математика имеет дело с постоянными величинами и отношениями, природа же находится в непрерывном движении и изменении; – математика пригодна для предметов, у которых нет материи, а поскольку природа почти во всех случаях связана с материей, то математика не подходит для науки о природе. В трудах великого философа, несмотря на множество наивного и примитивного, содержались и глубокие мысли, которые являются предметом исследования науки по сей день и получают в ней новое, современное толкование. Широтой, стройностью и логичностью своей системы Аристотель подчинил греческой философии мир, подобно тому, как Александр Македонский подчинил его греческому господству. Если еще учесть, что учение Аристотеля было признано и обработано церковью, то станет ясно, почему естествознание в течение почти двадцати столетий (вплоть до XVII в.) излагалось по Аристотелю [4].

67

5.4. Формирование естествознания в эпоху средневековья Основные черты средневекового мировоззрения Стержнем средневекового сознания [5] явилось религиозное мировоззрение, в котором истолкование всех явлений природы и общества, их оценка, а также регламентация поведения человека обосновываются ссылкой на сверхъестественные силы, которые полностью господствуют над материальным миром, способны по своему произволу как угодно изменять ход естественных событий и даже творить бытие из небытия. Высшей сверхъестественной силой выступал Бог. Такие представления порождались как практическим бессилием человека перед природой (неразвитость производительных сил, сельскохозяйственный и ремесленный характер производства), так и стихийным характером социально-классовых процессов, процессов общения (социальный гнет, социальная несправедливость, непредсказуемость жизненных ситуаций и др.). Средневековое сознание было ориентировано преимущественно на межличностные отношения. Но в их отражении и воспроизведении преобладают эмоциональные стороны, факторы сознания. Природа больше не воспринималась как нечто самостоятельное, несущее в себе свою цель и свой закон, как это было в античности. Она создана Богом для блага человека. Бог всемогущ и способен в любой момент нарушить естественный ход природных процессов во имя своих целей. Сталкиваясь с необычными, поражающими воображение явлениями природы, человек воспринимал их как чудо, как промысел Божий, непостижимый для человеческого ума, слишком ограниченного в своих возможностях. Для средневекового человека природа — это мир вещей, за которыми надо стремиться видеть символы Бога. Поэтому и восприятие природы раздваивалось на предметную и символическую составляющие. Познавательный аспект средневекового сознания был направлен не столько на выявление объективных свойств предметов зримого мира, сколько на осмысление их символических значений, т.е. их отношения к божеству. Познавательная деятельность была по преимуществу герменевтической1, толковательной, а значит, в конечном счете опиралась на иерархизированную и субординированную систему ценностей, на ценностное сознание. В эпоху средневековья все формы человеческой деятельности и общения были пронизаны ритуалами. Все формы действий людей, включая коллективные, строго регламентированы. Магические, обрядовые и ритуальные действия рассматривались как способ влияния на природные и божественные стихии. С ними связывались надежды на дополнительную сверхъестественную помощь со стороны "добрых" сил и ограждение от Герменевтика (от греч. hermeneutire — искусство истолкования) — направление в методологии гуманитарного познания, исследующее проблемы интерпретации перевода и понимания разнообразных текстов. 1

68

"злых". Точное соблюдение ритуально-магических действий, обычаев, праздников, исполнение разного рода заклинаний, просьб, призывов считалось необходимым условием благоприятного исхода деятельности, причем не только в хозяйственной области, но и в сфере общения людей, в сфере познания, политической и юридической практики и др. В ремесленном и мануфактурном производстве ритуалы сопровождали каждую технологическую процедуру, поскольку в их выполнении виделось условие полного раскрытия заложенных в предметах труда потенциальных возможностей. Отмеченные нами особенности средневекового мировоззрения и мышления соответствующим образом отразились на процессе средневекового познания, обусловив следующие его специфические черты. 1. Вся деятельность человека воспринималась в русле религиозных представлений, а все противоречащее догматам церкви запрещалось специальными декретами. Все воззрения на природу проходили через цензуру библейских концепций. Это усиливало элемент созерцательности познания, настраивало его на откровенно мистический лад, что и предопределило регресс или, в лучшем случае, стагнацию научного познания. 2. Поскольку причина взаимосвязанности и целостности элементов мира в Средние века усматривалась в Боге, в средневековой картине мира не могло быть концепции объективных законов, без которой не могло оформиться естествознание. Ведь закон — это необходимая существенная связь каких-то явлений. Средневековый же мыслитель искал не эти связи между явлениями, а отношение их к Богу, место в иерархии вещей. 3. В силу теологически-текстового характера познавательной деятельности усилия интеллекта сосредоточивались не на анализе вещей, а на анализе понятий. Универсальным методом служила дедукция, осуществлявшая субординацию понятий, которой соответствовал определенный иерархический ряд действительных вещей. Поскольку манипулирование понятиями замещало манипулирование объектами действительности, не было необходимости контакта с последними. Отсюда принципиально внеопытный стиль умозрительной науки, обреченной на бесплодное теоретизирование и оторванность от реальной действительности [3]. Естественно-научные достижения в средние века Математические достижения. Арабы существенно расширили античную систему математических знаний. Они заимствовали из Индии и широко использовали десятичную позиционную систему исчисления. Она проникла по караванным путям на Ближний Восток в эпоху Сасанидов (224–041), когда Персия, Египет и Индия переживали период культурного взаимодействия. Получила также значительное развитие (свойственная еще Древнему Востоку) традиция создания новых вычислительных приемов и специальных 69

алгоритмов. Так, например, аль-Ка ши с помощью вписанных и описанных правильных многоугольников вычислил число π до 17 верных знаков. Арабские математики умели также суммировать арифметические и геометрические прогрессии. Не ограничиваясь методами геометрической алгебры, арабские математики смело переходят к операциям над алгебраическими иррациональностями. Они создали единую концепцию действительных чисел путем объединения рациональных чисел и отношений и постепенно стёрли грань между рациональными числами и иррациональностями. Арабские математики совершенствовали методы решений 2-й и 3-й степеней, решали отдельные типы уравнений 4-й степени. Наиболее значительным достижением арабов в алгебре был "Трактат о доказательствах задач" Омара Хайяма, посвященный в основном кубическим уравнениям. Хайям построил теорию кубических уравнений, основанную на геометрических методах древних. Он классифицировал все кубические уравнения с положительными корнями на 14 видов. Каждый вид уравнений он решал соответствующим построением. Хайям пытался найти правило решения кубических уравнений в общем виде, но безуспешно. Если отдельные зачаточные элементы сферической тригонометрии были известны еще древним грекам (например, Птолемей пользовался понятием "хорда угла"), то в систематическом виде тригонометрия создана арабскими математиками. Уже в работах аль-Баттани содержится значительная часть тригонометрии, включая таблицы значений котангенса для каждого градуса. Историческая заслуга средневековых арабских математиков состояла и в том, что они начали глубокие исследования по основаниям геометрии. Первые попытки доказательств постулатов описаны в сочинениях О. Хайяма [5]. Достижения в физике. Из разделов механики наибольшее развитие получила статика, чему способствовали условия экономической жизни средневекового Востока. Интенсивное денежное обращение и торговля, как внутренняя, так и международная, требовали постоянного совершенствовании методов взвешивания, а также системы мер и весов. Это определило развитие учения о взвешивании и теоретической основы взвешивания — науки о равновесии, создание многочисленных конструкций, различных видов весов. Арабские ученые широко использовали понятие удельного веса, совершенствуя методы определения удельных весов различных металлов и минералов. Этим вопросом занимались аль-Бируни, О. Хайям, ать-Хазини (ХII в.). Для определения удельного веса применялся закон Архимеда, грузы взвешивались не только в воздухе, но и воде. Полученные результаты были исключительно точны. Например, удельный вес ртути был определен альХазини в 13,56 г/см3 (по современным данным — 13,557), удельный вес серебра 10,150 г/см3 (по современным данным — 10,49), золота — 19,05 г/см3 (современные данные — 19,27), меди 8,80 г/см3 (современные данные — 8,91) и т.д. Столь точные данные позволяли решать ряд практических задач: 70

отличать чистый металл и драгоценные камни от подделок, устанавливать истинную ценность монет, обнаруживать различие удельного веса воды при разных температурах и др. Развитие кинематики было связано с потребностями астрономии в строгих методах для описания движения небесных тел. В этом направлении и развивается аппарат кинематико-геометрического моделирования движения небесных тел на основе "Альмагеста" К. Птолемея. Кроме того, в ряде работ изучалась кинематика "земных" движений. В частности, понятие движения привлекается для непосредственного доказательства геометрических положений (Ибн Корра Сабит, Насирэтдин ат-Туси), механические движения используются для объяснения оптических явлений (Ибн аль-Хай-Сам), изучается параллелограмм движений и т.п. Одно из направлений средневековой арабской кинематики — разработки инфинитезимальных методов (т.е. рассмотрение бесконечных процессов, непрерывности, предельных переходов и др.). Динамика развивалась на основе комментирования и осмысления сочинений Аристотеля. Средневековыми арабскими учёными обсуждались проблемы существования пустоты и возможности движения в пустоте, характер движения в сопротивляющейся среде, механизм передачи движения, свободное падение тел, движение тел, брошенных под углом к горизонту. В эпоху позднего средневековья значительное развитие получила динамическая "теория импетуса", которая была мостом, соединившим динамику Аристотеля с динамикой Галилея. Кроме того, "теория импетуса" способствовала развитию и уточнению понятия силы. Старое, античное и средневековое, понятие силы благодаря "теории импетуса" в дальнейшем развитии физики раздвоилось на два понятия. Первое — то, что И. Ньютон называл "силой" (ma), понимая под силой воздействие на тело, внешнее по отношению к движению этого тела. Второе — то, что Р. Декарт называл количеством движения, т.е. факторы процесса движения (mυ), связанные с самим движущимся телом. Всё это постепенно готовило возникновение динамики Галилея. Астрономия. Существенный вклад внесен арабскими учёными и в астрономию. Они усовершенствовали технику астрономических измерений, значительно дополнили и уточнили данные о движении небесных тел. Один из выдающихся астрономов-наблюдателей аз-Зеркали (Арзахель) из Кордовы, которого считали лучшим наблюдателем XI в., составил так называемые Толедские планетные таблицы (1080). Они оказали значительное влияние на развитие тригонометрии в Западной Европе. Вершиной в области наблюдательной астрономии стала деятельность Улугбека, который был любимым внуком создателя огромной империи Тимура. Движимый страстью к науке, Улугбек построил в Самарканде по тем временам самую большую в мире астрономическую обсерваторию, имевшую гигантский двойной квадрант и много других астрономических инструментов (азимутальный круг, астролябии, трикветры, армиллярные 71

сферы и др.). В обсерватории был создан труд "Новые астрономические таблицы", который содержал изложение теоретических основ астрономии и каталог положения 1018 звезд. В теоретической астрономии основное внимание уделялось уточнению кинематико-геометрических моделей "Альмагеста", устранению противоречий в теории Птолемея (в том числе с помощью более совершенной тригонометрии) и поиску нептолемеевских методов моделирования движения небесных тел. Алхимия в средневековой культуре. В средневековой алхимии (расцвет пришёлся на XIII–XV вв.) выделялись две тенденции. Первая — мистифицированная алхимия, ориентированная на химические превращения (в частности ртути в золото) и в конечном счёте на доказательство возможности человеческими усилиями осуществлять космические превращения. В русле этой тенденции арабские алхимики сформулировали идею "философского камня" — гипотетического вещества, ускорявшего "созревание" золота в недрах земли. Это вещество заодно трактовалось и как эликсир жизни, дающий бессмертие. Вторая тенденция была больше ориентирована на конкурентную практическую технохимию. В этой области достижения алхимии несомненны. К ним относят способы получения серной, соляной, азотной кислот, "царской водки", селитры, сплавов ртути с металлами, многих лекарственных веществ, создание химической посуды и др. Среди алхимиков наряду с шарлатанами и фальсификаторами, было немало искренне убеждённых в реальности всеобщей взаимопревращаемости веществ, в том числе и крупных мыслителей, таких как Раймунд Луллий, Арнольдо да Вилланова, Альберт Великий, Фома Аквинский, Бонавентура и др. Почти невозможно в средневековье отделить друг от друга деятельность, связанную с химией, и деятельность, связанную с алхимией. Они переплетались самым тесным образом. Средневековое мировоззрение постепенно начинает ограничивать и сдерживать развитие науки. Поэтому необходима была смена мировоззрения, которая произошла в эпоху Возрождения [3]. 5.5. Революция в мировоззрении в эпоху Возрождения Эпоха Возрождения сделала огромный вклад в развитие научной мысли благодаря новому пониманию места и роли человека в объективном мире. Человек стал пониматься отныне не как природное существо, а как творец самого себя, что и выделяет его из всех прочих живых существ. Человек становится на место Бога: он сам свой собственный творец, он владыка природы. Эта мысль была чужда языческой Греции, так как для нее природа это то, что существует само по себе, что никем не создано. Более того, для античной науки небесные тела — нечто принципиально отличное от земного мира, это божественные существа, и создать их с помощью орудий и 72

небесного материала было бы равносильно созданию богов — кощунственная для античности мысль [6]. Возрождение делает следующий шаг — человек чувствует себя божественным. Поэтому в эту эпоху столь символическое значение получает фигура художника — в ней наиболее адекватно выражается самая глубокая ренессансная идея — идея человека-творца, человека, вставшего на место Бога. В эпоху Возрождения изменилась ситуация в сфере познания живого. Здесь особое место принадлежит XVI в. В истории биологии этот период выделяется как начало глубокого перелома в способах познания живого. Ренессансный гуманизм, пересмотрев представление о месте человека в природе, возвысил роль человека в мире. Значительные изменения происходят в способе биологического познания — вырабатываются стандарты, критерии и нормы исследования органического мира. На смену стихийности, спекулятивным домыслам, фантазиям и суевериям постепенно приходит установка на объективное, доказательное, эмпирически обоснованное знание. Благодаря коллективным усилиям ученых многих европейских стран такая установка обеспечила постепенное накопление колоссального фактического материала. Значительную роль в этом процессе сыграли Великие географические открытия, эпоха которых раздвинула мировоззренческий горизонт европейцев — они узнали множество новых биологических, геологических, географических и других явлений. Фауна и флора вновь открытых стран и континентов не только значительно расширили эмпирический базис биологии, но и поставили вопрос о его систематизации. Важной вехой в развитии анатомии стало творчество А. Везалия, исправившего ряд крупных ошибок, укоренившихся в биологии и медицине со времен античности. М. Сервет, павший жертвой протестантского религиозного фанатизма, и У. Гарвей исследовали проблему кровообращения. У. Альдрованди обратился к традиции античной эмбриологии, а его ученик В. Койтер, систематически изучая развитие куриного зародыша, заложил основы методологии экспериментального эмбриологического исследования. Г. Фаллопий и Б. Евстахий проводят сравнение структуры человеческого зародыша и взрослого человека, соединяя тем самым анатомию с эмбриологией. Величайшим мыслителем, которому суждено было начать великую революцию в астрономии, повлекшую за собой революцию во всем естествознании, был гениальный польский астроном Николай Коперник [6]. Еще в конце XV в., после знакомства и глубокого изучения "Альмагеста", восхищение математическим гением Птолемеем, сменилось у Коперника сначала сомнениями в истинности этой теории, а затем и убеждением в существовании глубоких противоречий в геоцентризме. Он начал поиск других фундаментальных астрономических идей, изучал сохранившиеся сочинения или изложения учений древнегреческих математиков и 73

философов, в том числе и первого гелиоцентриста Аристарха Самосского, и мыслителей, утверждавших подвижность Земли. Коперник первым взглянул на весь тысячелетний опыт развития астрономии глазами человека эпохи Возрождения: смелого, уверенного, творческого, новатора. Предшественники Коперника не имели смелости отказаться от самого геоцентрического принципа и пытались либо совершенствовать мелкие детали птолемеевской системы, либо обращаться к еще более древней схеме гомоцентрических сфер. Коперник сумел разорвать с этой тысячелетней консервативной астрономической традицией, преодолеть преклонение перед древними авторитетами. Между 1505–1507 гг. Коперник в "Малом комментарии" изложил принципиальные основы гелиоцентрической астрономии. Теоретическая обработка астрономических данных была завершена к 1530 г. Но только в 1543 г. увидело свет одно из величайших творений в Истории человеческой мысли — "О вращениях небесных сфер", где изложена математическая теория сложных видимых движений Солнца, Луны, пяти планет и сферы звезд с соответствующими математическими таблицами и приложением каталога звезд. В центре мира Коперник поместил Солнце, вокруг которого движутся планеты, и среди них впервые зачисленная в ранг "подвижных звезд" Земля со своим спутником Луной. На огромном расстоянии от планетной системы находится сфера звезд (рис. 2). Его вывод о чудовищной удаленности этой сферы диктовался гелиоцентрическим принципом. Только так мог Коперник согласовать его с видимым отсутствием у звезд смещений за счет движения самого наблюдателя вместе с Землей (т.е. отсутствием у них параллаксов). В отличие от своих предшественников, Коперник пытался создать логически простую и стройную планетную теорию. В отсутствие простоты, стройности, системности Коперник увидел коренную несостоятельность теории Птолемея, в которой не было единого стержневого принципа, объясняющего системные закономерности в движениях планет. Коперник был уверен, что представление движений небесных тел как единой системы позволит определить реальные физические характеристики небесных тел, т.е. то, о чем в геоцентрической модели вовсе не было и речи. Поэтому свою теорию он рассматривал как теорию реального устройства Вселенной. Впервые получила объяснение смена времен года: Земля движется вокруг Солнца, сохраняя неизменным в Рис. 2. Гелиоцентрическая пространстве положение оси своего система Коперника суточного вращения. 74

Теория Коперника логически стройная, четкая и простая. Она способна рационально объяснить то, что раньше либо не объяснялось вовсе, либо объяснялось искусственно, связать в единое то, что ранее считалось совершенно различными явлениями. Это — ее несомненные достоинства. Они свидетельствовали об истинности гелиоцентризма. Наиболее проницательные мыслители поняли это сразу. Следующий шаг в мировоззренческих выводах был сделан монахом одного из неаполитанских монастырей Джордано Бруно. Познакомившись в 60-е гг. XVI в. с гелиоцентрической теорией Коперника, Бруно поначалу отнесся к ней с недоверием. Чтобы выработать свое собственное отношение к проблеме устройства Космоса, он обратился к изучению системы Птолемея и материалистических учений древнегреческих мыслителей, в первую очередь атомистов, о бесконечности Вселенной. Большую роль в формировании взглядов Бруно сыграло его знакомство с идеями Николая Кузанского, который утверждал, что ни одно тело не может быть центром Вселенной в силу ее бесконечности. Объединив гелиоцентризм Н. Коперника с идеями Н. Кузанского об изотропности, однородности и безграничности Вселенной, Бруно пришел к концепции множественности планетных систем в бесконечной Вселенной. Бруно отвергал замкнутую сферу звезд, центральное положение Солнца во Вселенной и провозглашал тождество Солнца и звезд, множественность "солнечных систем" в бесконечной Вселенной, множественную населенность Вселенной. Указывая на колоссальные различия расстояний до разных звезд, он сделал вывод, что поэтому соотношение их видимого блеска может быть обманчивым. Он разделял небесные тела на самосветящиеся — звезды, солнца, и на темные, которые лишь отражают солнечный свет. Бруно утверждал, во-первых, изменяемость всех небесных тел, полагая, что существует непрерывный обмен между ними и космическим веществом, вовторых, общность элементов, составляющих Землю и все другие небесные тела, и считал, что в основе всех вещей лежит неизменная, неисчезающая первичная материальная субстанция. Именно Бруно принадлежит первый и достаточно четкий эскиз современной картины вечной, никем не сотворенной, вещественной, единой, бесконечной, развивающейся Вселенной с бесконечным числом очагов Разума в ней. Новый взгляд на мир и человека в эпоху Возрождения позволил сделать выдающиеся открытия и создать новые теории, ставшие прологом научной революции XVI–XVII вв., в ходе которых оформилось классическое естествознание. 5.6. Научная революция XVI–XVII вв. и становление классической науки Отправной точкой научной революции, в результате которой появилась классическая наука и современное естествознание, стал выход книги Николая 75

Коперника "О вращении небесных сфер" в 1543 г. Но гелиоцентрические идеи, высказанные там, были всего лишь гипотезой, нуждавшейся в доказательстве. Поиск аргументов в пользу этой гипотезы и стал основной задачей научной революции XVI–XVII вв., которая начинается с работ И. Кеплера [6]. И. Кеплер — великий астроном и математик После работ Коперника дальнейшее развитие астрономии требовало значительного расширения и уточнения эмпирического материала, наблюдательных данных о небесных телах. Европейские астрономы продолжали пользоваться старыми античными результатами наблюдений. Но они устарели и часто были неточны. Проводимые же в ту пору европейскими астрономами наблюдения характеризовались большими погрешностями. Кардинальные изменения наметились только в последней четверти XVI в. в трудах величайшего астронома мира Иоганна Кеплера (1531–1630). Этот великий немецкий ученый (с удивительной судьбой, жизнь которого была полна невзгод и лишений) совершил величайший научный подвиг — заложил фундамент новой теоретической астрономии и учения о гравитации. Он показал, что законы надо искать в природе, а не выдумывать их как искусственные схемы и подгонять под них явления природы. Его первая книга, изданная в 1597 г., вышла под интересным названием "Космографическая тайна". В этой работе, находясь под влиянием пифагорейцев о всемогущей силе чисел, Кеплер поставил задачу найти числовые отношения между орбитами планет. Пробуя различные комбинации чисел, он пришел к геометрической схеме, по которой можно было отыскивать расстояния планет от Солнца. В 1609 г. в Праге вышла в свет книга Кеплера "Новая астрономия, или Небесная физика с комментариями на движение планеты Марс по наблюдениям Тихо Браге". В этой книге и были сформулированы первые два закона о движении планет. 1. Все планеты движутся по эллипсам, в одном из фокусов которых находится Солнце. 2. Радиус-вектор, проведенный от Солнца к планете, за равные промежутки времени описывает равные площади. В 1619 г. выходит произведение Кеплера "Гармония мира", содержащее третий закон небесной механики: квадраты периодов обращения планет относятся как пути больших полуосей их орбит. Кроме уже названных выше работ, Кеплер является автором оптических трактатов "Дополнения к Вителло", "Диоптрика". В работах по оптике он дает теорию камеры-обскуры, излагает теорию зрения, исправляя ошибки Алхазена, правильно объясняет близорукость и дальнозоркость, описывает конструкцию телескопа (трубы Кеплера), рассматривает ход лучей в линзах, 76

приходит к выводу о существовании полного внутреннего отражения, находит фокусные расстояния плосковыпуклой и двояковыпуклой линз. Из математических работ Кеплера наиболее известны "Рудольфовы таблицы" — это астрономические планетные таблицы, над которыми Кеплер работал более 20 лет. Названы они были так в честь императора Рудольфа II. Эти таблицы в течение почти двух веков служили морякам и астрономам, составителям календарей и астрологам и только в XIX в. были заменены более точными. Своими работами по математике Кеплер внес большой вклад в теорию конических сечений, в разработку теории логарифмов, способствовал разработке интегрального исчисления и изобретению первой вычислительной машины. Для установления истинного сложного характера причин орбитального движения планеты требовалось уточнение основных физических понятий и создание основ механики. В формировании классической механики и утверждении нового мировоззрения велика заслуга Г. Галилея [3]. Г. Галилей — один из основоположников опытного естествознания и новой науки Основы нового типа мировоззрения, новой науки были заложены Галилеем (1564–1642). Он начал создавать ее как математическое и опытное естествознание. В 1586 г. появляется первое небольшое сочинение Галилея о сконструированных им гидростатических весах. А в 1589 г. двадцатипятилетний Галилей назначается профессором математики в Пизанский университет. Три года работы Галилея в Пизанском университете овеяны рядом легенд. Одна из них рассказывала о публичных опытах молодого профессора по сбрасыванию тел с "падающей" Пизанской башни. Подобные опыты Галилей проводил для опровержения учения Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Галилей брал два тела, одинаковых по форме и размерам, например, чугунный и деревянный шары, чтобы отвлечься от влияния побочных обстоятельств (не учитывать сопротивления воздуха). Находя соотношения между скоростью и временем падения шаров, между пройденным путем и временем падения, он доказал, что тела падают с одинаковым ускорением. В 1592 г. Галилей стал профессором университета в Падуе, где проработал 18 лет (по 1610 г.). Это был самый плодотворный период его деятельности. В эти годы он занимается вопросами механики (падение тел, движение их по наклонной плоскости и под углом к горизонту), гидростатикой, теорией простейших машин и сопротивлением материалов. К концу падуанского периода Галилей открыто выступает против системы Птолемея — Аристотеля. 77

Услышав об изобретении зрительной трубы, Галилей начал работать над ее конструкцией. Первая труба, созданная им в течение года, давала увеличение в 3 раза. Вскоре он изготовил трубу с увеличением в 32 раза. Направив эту трубу на небо, Галилей обнаружил горы на Луне, четыре спутника у Юпитера, фазы Венеры. Млечный Путь оказался состоящим из множества звезд, число которых росло с ростом увеличения трубы. Все это не соответствовало взглядам Аристотеля о противоположности земного и небесного, а подтверждало систему Коперника. Галилей пишет "Звездный вестник", где спокойным, деловым тоном дает отчет о своих наблюдениях и делает выводы. Книга произвела на современников ошеломляющее впечатление. Галилея стали называть "Колумбом неба". В 1612 г. Галилей издает свой труд "Рассуждения о телах, пребывающих в воде, и тех, которые в ней движутся". Работа была направлена против механики Аристотеля. Вслед за ней появляется письмо Галилея о солнечных пятнах. Это было уже столкновение с Аристотелем на главном участке, и оно не могло пройти не замеченным церковью. В своих доносах в святую инквизицию перипатетики1 обвиняли Галилея в том, что он доказывает движение Земли и неподвижность Солнца. Они пытаются добиться запрещения учения Коперника. С 1616 по 1623 гг. Галилей хотя и молчит, но много работает, скрывая результаты своих трудов от внешнего мира. В 1629 г. Галилей закончил свою основную работу "Диалог о двух главнейших системах мира: Птолемеевой и Коперниковой". По этому поводу он писал: "Я довел почти до пристани мой "Диалог" и раскрыл весьма явственно многое, что мне казалось почти необъяснимым". В "Диалог" вошли все произведения Галилея, все то, что было создано им с 1590 по 1625 г. Цель ученого — представить не только астрономические, но и механические доводы в пользу истинности учения Коперника. Опровергая аргументы Птолемея против вращения Земли путем разбора множества механических явлений, Галилей приходит к открытию закона инерции и механического принципа относительности. Открытием закона инерции было ликвидировано многовековое заблуждение, выдвинутое Аристотелем, о необходимости постоянной силы для поддержания равномерного движения. Оказалось, что равномерное и прямолинейное движение, равно как и покой, может существовать при отсутствии всяких сил. Это имело огромное не только чисто научное, но и мировоззренческое значение. Как известно, к инерциальным системам отсчета относятся покоящиеся (неподвижные) системы и системы, которые движутся относительно неподвижных равномерно и прямолинейно. Равноправность таких систем Галилей доказывает различными опытами и логическими рассуждениями. В результате он приходит к очень важному выводу: "Никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, Перипатетическая школа (от греч. peripatos — крытая галерея) — философская школа, основанная Аристотелем. После Аристотеля ок. 34 лет возглавлялась Теофрастом. 78 1

невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно". Это и есть механический принцип относительности. Книга Галилея "Диалог" вызвала восторг в научных кругах всех стран и бурю негодования среди церковников. Иезуиты немедленно начали кампанию против Галилея, которая привела ко второму процессу инквизиции в 1633 г. Инквизиция пригрозила Галилею не только осудить его как еретика, но и уничтожить все его рукописи и книги. От него требовали признания ложности учения Коперника. Галилей вынужден был уступить. Ценой тягчайшей моральной пытки, невероятных унижений перед теми, кого он так страстно бичевал в своих произведениях, Галилей купил возможность завершения своего дела. Галилей по праву считается одним из основоположников опытного естествознания и новой науки. Именно он впервые сформулировал требования к научному эксперименту, состоящие в устранении побочных обстоятельств, в умении видеть главное и отвлечься от несущественного. Путем эксперимента Галилей опроверг учение Аристотеля о пропорциональности скорости падения весу тела. Он был первым, кто направил зрительную трубу на небо в научных целях, тем самым значительно расширив сферу познания. Это был переворот в мировоззрении и методе науки: бесконечная Вселенная могла исследоваться методами земной механики. Галилей верил в силу человеческого разума, в бесконечность познания: "Кто возьмет на себя смелость поставить предел человеческому духу? Кто решится утверждать, что мы знаем все, что может быть познано?". Большое внимание он обращал на полноту и точность формулировок выдвигаемых положений. Следует заметить, что работы Галилея написаны языком, близким к современному. Что же Галилей конкретно сделал в механике? Он пришел к открытию закона инерции и сформулировал механический принцип относительности движения, обобщенный позднее А. Эйнштейном. Галилей впервые дал строгое определение равноускоренного движения, нашел законы изменения скорости и пути в этом движении. Он показал, что такое движение свойственно свободно падающему телу. Галилей доказал, что тело, брошенное под углом к горизонту, будет лететь по параболе. Он дал метод расчета траектории для любых углов вылета и различных начальных скоростей, показав, что наибольшая дальность полета достигается при вылете тела под углом 45° к горизонту. Галилей впервые установил, что период колебаний маятника зависит лишь от длины подвеса (если массой подвеса можно пренебречь по сравнению с массой тела) и не зависит от амплитуды качаний (если она мала). Так как движение маятника можно рассматривать как последовательный ряд падений и подъемов тела по дуге окружности, то, в случае независимости скорости падения тела от его тяжести, маятники одинаковой длины должны иметь равные периоды колебаний независимо от веса грузов. Взяв два маятника с одной и той же длиной подвеса, одинаковые 79

по форме и размерам, но разные по весу, Галилей установил одинаковость их периодов колебания, опровергнув тем самым положение Аристотеля о большей скорости падения тяжелых тел. Что касается оптики, то Галилей впервые не только предположил, что скорость света является конечной величиной, но и сделал первую попытку определить ее в земных условиях (это общеизвестный опыт с двумя наблюдателями, у каждого из которых имелся зажженный фонарь). Хотя опыт окончился неудачей (иначе и не могло быть из-за большого значения скорости света, о чем Галилей не предполагал), но сама попытка доказать конечность скорости света и в принципе верная методика были для того времени, несомненно, очень смелым и прогрессивным шагом. Галилей расчистил путь для творцов классической и современной физики, и его бессмертные творения будут всегда служить примером того, как гениально он "всю жизнь читал открытую для всех великую книгу природы". Факел научного знания, зажженный Галилеем, подхватил И. Ньютон. В его трудах и открытиях дело жизни итальянского ученого нашло свое блестящее завершение. И. Ньютон и создание фундамента классической физики Результаты естествознания XVI–XVII вв. обобщил Исаак Ньютон (1643– 1727). Именно он завершил постройку фундамента нового классического естествознания [6]. Первые научные работы Ньютона относятся к оптике. В 1666 г., пропуская свет через трехгранную стеклянную призму, он обнаружил его сложный состав, разложив на семь цветов (в спектр), т.е. открыл явление дисперсии. Кроме того, обнаружив хроматическую аберрацию у линз и считая ее неустранимой, Ньютон пришел к выводу, что линзы в телескопе надо заменить сферическими зеркалами. В своих работах по оптике Ньютон поставил очень важный и сложный вопрос: "Не являются ли лучи света очень мелкими частицами, испускаемыми светящимися телами? ". Последователи Ньютона ответили на этот вопрос утвердительно и однозначно, и гипотеза истечения, подкрепленная авторитетом Ньютона, стала господствующей в оптике XVIII в., несмотря на возражения против нее Ломоносова, Эйлера и других ученых, несмотря на успехи волновой теории Гюйгенса. Очень интересна также мысль Ньютона о возможном превращении тел в свет и обратно. "Превращение тел в свет и света в тела соответствуют ходу природы, которая как бы услаждается превращениями", — говорил Ньютон. И действительно, в 1933–1934 гг. были открыты факты превращения заряженных частиц электрона и позитрона в свет и обратно. Так Ньютон предугадал одно из далеких будущих открытий атомной физики. 1687 год вошел навсегда в историю физики как год выхода в свет выдающегося труда профессора Кэмбриджского университета Исаака Ньютона "Математические начала натуральной философии" (иногда его называют "Математическими основами естествознания" и даже просто 80

"Началами"). Однако многие тогда не поняли значения этого события для науки. Достаточно сказать, что некоторые из профессоров университета, по словам секретаря Ньютона, получив экземпляр "Начал" и перелистав его страницы, хмуро заявляли, что надо лет семь еще учиться, прежде чем чтонибудь понять в этой книге. "Начала" — вершина научного творчества Ньютона — состоят из трех частей: в первых двух речь идет о движении тел, последняя часть посвящена системе мира. Приведем формулировку законов Ньютон в русском переводе сделанном академиком А. Н. Крыловым. I. Всякое тело продолжает удерживаться в состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не понуждается приложенными силами изменить это состояние. II. Изменение количества движения пропорционально приложенной движущей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. III. Действию всегда есть равное и противоположное противодействие, иначе, — взаимодействия двух тел друг на друга между собою равны и направлены в противоположные стороны. Четвертым законом, который Ньютон формулирует в своих "Началах", был закон всемирного тяготения. Во второй части Ньютон рассмотрел силы сопротивления среды при движении в ней тел, гидро- и аэростатику, законы волнового движения, простейшие случаи вихревых движений. В третьей книге ученый изложил общую систему мира и небесную механику, в частности, теорию сжатия Земли у полюсов, теорию приливов и отливов, движение комет, возмущения в движении планет и т. д. Рассматривая все эти явления, Ньютон везде находит подтверждение своего закона тяготения. "Начала" Ньютона знаменовали новую эру в развитии науки. Они явились прочным фундаментом, на котором успешно строилась физика XVIII–XIX вв., получившая название классической. Книга подводила итог всему сделанному за предшествующие тысячелетия в учении о простейших формах движения материи. В работах Ньютона раскрывается его мировоззрение и методология исследований. Ньютон был стихийным материалистом. Он был убежден в объективном существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Своим стремлением свести все к механике Ньютон поддерживал механистический материализм (механицизм). Свой метод познания, названный впоследствии методом принципов, Ньютон изложил в "Правилах философствования". Этих правил четыре. 1. Не принимать в природе иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения явлений. 2. Одинаковым явлениям необходимо приписывать одинаковые причины. 81

3. Независимые и неизменные при экспериментах свойства тел, подвергнутых исследованию, надо принимать за общие свойства материальных тел. 4. Законы, индуктивно найденные из опыта, нужно считать верными, пока им не противоречат другие наблюдения. Нельзя не сказать о математических достижениях Ньютона, без которых не было бы и его гениальной теории тяготения. Свой метод расчёта механических движений на основе бесконечно малых приращений величин — характеристик исследуемых движений — Ньютон назвал "методом флюксий" и описал его в сочинении "Метод флюксий и бесконечных рядов с приложением его к геометрии кривых" (закончено в 1671 г., полностью опубликовано в 1736 г.). Вместе с методом Г. Лейбница он составил основу дифференциального и интегрального исчислений. В математике Ньютону принадлежат также важнейшие труды по алгебре, аналитической и проективной геометрии и др. 5.7. Естествознание XVIII в. В XVIII в. в механику проникают методы дифференциального и интегрального исчислений, и она становится аналитической [6]. Огромная заслуга в развитии механики принадлежала петербургскому академику Леонарду Эйлеру (1707–1783) и парижскому академику Жозефу Луи Лагранжу (1736–1813). "Mexaника" Эйлера появилась в 1736 г. в Петербурге в 2 томах. Eго же "Теория движения твердого тела", рассматриваемая как 3-й том "Механики", вышла в 1765 г. Эйлер определяет механику как науку о движении, изложенную аналитически (методами анализа), "благодаря чему только и можно достигнуть полного понимания вещей". Эйлер переформулировал основные понятия ньютоновской механики, придав им современную форму, но сохранив сущность по Ньютону. Именно Эйлер впервые записал второй закон динамики в аналитической форме, сделав его основным законом всей механики. В "Теории движения твердого тела" он развил механику вращательного движения. Эйлер своим гением охватывал все разделы математики. Прекрасные работы выполнены им в области математической физики и гидродинамики. Он написал учебники по арифметике и элементарной алгебре, введению в математический анализ и аналитической геометрии. Его система изложения тригонометрии дошла до нас почти в неизменном виде. Много работ Эйлера посвящено и чисто прикладным наукам. Двухтомная "Морская наука" сыграла колоссальнейшую роль в развитии кораблестроения и кораблевождения в XVIII в. Его "Теория движения Луны" и составленные на ее основе таблицы, сотни лет использовались мореплавателями. На основе его трехтомной "Диоптрики" создавались улучшенные конструкции телескопов и микроскопов. 82

XVIII век в области механики характеризуется также поисками более общих принципов, чем законы Ньютона. В этот период создается теоретическая механика. Наибольший вклад в ее развитие внес Лагранж. Главная работа Лагранжа "Аналитическая механика" вышла в Париже в 1788 г. В ней была решена задача, которую он сам формулировал так: "Я поставил цель свести теорию механики и методы решения связанных с нею задач к общим формулам, простое развитие которых дает все уравнения для решения каждой задачи". "Аналитическая механика" Лагранжа состоит из двух частей: статики и динамики. Ирландский математик У. Гамильтон (1805–1865), оценивая вклад Лагранжа в развитие механики, писал, что "из числа последователей этих блестящих ученых (имелись в виду Галилей и Ньютон) Лагранж, пожалуй, больше, чем кто-либо другой, сделал для расширения и придания стройности всей механике. При этом красота метода настолько соответствует достоинству результата, что эта великая работа превращается в своего рода математическую поэму". Одним из прикладных разделов оптики, получивших развитие в XVIII в., была фотометрия. Этого требовали практические нужды освещения (многие ученые занимались вопросами освещения дворцов и улиц городов). Основоположниками фотометрии являются П. Бугер (1698–1758) и И. Ламберт (1728–1777). Работа Бугера "Опыт о градации света" вышла в 1729 г., "Фотометрия" Ламберта — в 1760 г. Именно в этих работах были введены основные фотометрические понятия: световой поток, сила света, освещенность, яркость. Главным методом фотометрии был метод сравнения освещенностей. Бугер сконструировал фотометр и открыл закон поглощения света. Учение об электричестве и магнетизме в XVIII в. получило дальнейшее развитие. В этот период закладываются основы электростатики. Большой вклад в развитие этих разделов физики внесли Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус, Кулон. Георг Рихман, профессор Петербургской академии наук, изучал электрические явления с 1745 г. Он пытался измерить электричество с помощью весов и изобрел прибор для сравнения электрических сил. С помощью изобретенного указателя электричества Рихман предсказал существование электрического поля вокруг заряженного тела. В 1759 г. вышла работа петербургского академика Эпинуса (1724–1802) "Опыт теории электричества и магнетизма", где ученый ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом. Эпинус считал, что по аналогии с законом тяготения сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Закон взаимодействия электрических зарядов был заново открыт в 1784 г. французским военным инженером, членом Парижской академии наук Ш. Кулоном (1736–1806) с помощью сконструированных им крутильных весов и по праву носит его имя. Только с открытием этого закона учение об электричестве было поставлено на количественную основу. 83

Наука о теплоте в XVIII в. делает лишь первые шаги. Одним из ее разделов была термометрия, возникшая в первой четверти века. Именно в этот период создаются термометры с двумя опорными точками. Большой вклад в развитие этой отрасли науки внесли Амонтон, Фаренгейт, Реомюр, Цельсий и другие ученые. В XVIII в. создаются первые теории теплоты [6]. Одна из них рассматривала теплоту как особую невесомую жидкость — теплород; другая, сторонником который был М. В. Ломоносов, утверждала, что теплота — это особый род движения "нечувствительных частиц". Ломоносов считал, что теплота обусловлена вращательным движением корпускул (молекул). Поскольку нет верхнего предела скорости движения частиц, то нет, по Ломоносову, и верхнего предела температуры. Но должна существовать "наибольшая и последняя степень холода", которая состоит "в полном прекращении вращательного движения частиц". Эти мысли были изложены Ломоносовым в работе "Размышления о причине теплоты и холода", опубликованной в 1750 г. и явившейся одной из основополагающих работ по кинетической теории тепла. Период 1745–1750 гг. характеризуется большими творческими достижениями Ломоносова. Он разработал и обосновал новую отрасль знания — физическую химию, кинетическую теорию теплоты и газов, сформулировал закон сохранения материи и движения. В следующее пятилетие (1750–1755) деятельность Ломоносова развертывается также широким фронтом. Его научная работа протекает по двум направлениям: электрические явления и химия. В этот же период Ломоносов много занимается вопросами окрашивания стекла. К 1752 г. эти опыты были в основном закончены, а в 1753 г. благодаря огромным усилиям Ломоносова был пущен первый завод мозаичного стекла (ныне это знаменитый завод художественных изделий под Санкт-Петербургом). Ломоносов впервые предсказал существование абсолютного нуля температуры, объяснил исходя из кинетических соображений закон Бойля. Введя в химию весы, он доказал неправильность мнения об увеличении веса металлов при их обжигании в "заплавленных накрепко стеклянных сосудах". Он впервые высказал мысль о связи электрических и световых явлений, об электрической природе северного сияния, о вертикальных течениях как источнике атмосферного электричества. Защищая волновую теорию света, Ломоносов в оптике проделал большую работу по конструированию оптических приборов, по цветам и красителям, по преломлению света. 5.8. Развитие и завершение классической науки в XIX в. Оставаясь в целом метафизической и механистической, классическая наука и особенно естествознание, готовят постепенное крушение метафизического взгляда на природу [6]. На первый план выдвигаются физика и химия, изучающие взаимопревращения энергии и видов вещества (химическая атомистика). В геологии 84

возникает теория развития Земли (Ч. Лайель), в биологии зарождается эволюционная теория (Ж.-Б. Ламарк), развиваются такие науки, как палеонтология (Ж. Кювье), эмбриология (К.М. Бэр). Особое значение имели революции, связанные с тремя великими открытиями второй трети XIX в. — клеточной теории Шлейденом и Шванном, закона сохранения и превращения энергии Майером и Джоулем, создание Дарвином эволюционного учения. Затем последовали открытия, продемонстрировавшие диалектику природы полнее: создание теории химического строения органических соединений (A. M. Бутлеров, 1861), периодической системы элементов (Д. И. Менделеев, 1869), химической термодинамики (Я. Х. Вант-Гофф, Дж. Гиббс), основ научной физиологии (И. М. Сеченов, 1863), электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873). В результате этих научных открытий естествознание поднимается на качественно новую ступень и становится дисциплинарно-организованной наукой. XIX век стал веком торжества волновой теории света, созданной и обоснованной главным образом работами Томаса Юнга (1773–1829). Первой работой Юнга было сочинение "Наблюдение над процессом зрения", написанное в 1793 г., в котором он разработал теорию аккомодации глаза. Занимаясь вопросами оптики, Юнг в 1800 г. сформулировал принцип суперпозиции волн, объяснил явление интерференции, введя в науку этот термин. В 1801 г. вышла его "Теория света и цвета", где была изложена волновая теория света. В этот период в области оптики шло накопление и других экспериментальных фактов, требующих создания единой теории, объясняющей всё разнообразие оптических явлений. Создателем её явился французский инженер Огюстен Жан Френель. Из своей теории Френель сделал вывод о том, что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе. Вывод Ньютона, основанный на корпускулярных представлениях, был противоположным. Физика вскоре подтвердила правильность вывода Френеля. С именем Фарадея связан последний, переломный этап классической физики. В истории естествознания это был период возникновения нового метода, нового подхода к явлениям природы. Если господствующей методологией в естествознании XVIII в. был метафизический материализм, в частности механицизм, расчленяющий мир на отдельные, несвязанные области, то открытия физики XIX в. привели к необходимости отказа от такого подхода. Идея всеобщей связи явлений материального мира, идея развития, скачкообразный переход количественных изменений в новое качество и другие положения диалектического материализма постепенно становились руководящими в исследованиях ученых. К деятелям нового типа, стихийно использующим идею всеобщей связи явлений, принадлежал и Майкл Фарадей (1791–1867). 85

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу "превратить магнетизм в электричество". Но только в 1831 г. М. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу разработки электродвигателя и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике. С 1824 г. Фарадей — член Королевского общества. Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы Фарадей безуспешно пока пытается найти связь между магнетизмом и электричеством. Но раз Ампер смог с помощью электричества создать магниты, то почему нельзя с помощью магнитов создать электричество?! Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи каждого эксперимента, каждой мысли. О громадной работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Дневника" был записан под номером 16041! Следует заметить, что в 1827 г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. Тщательная подготовка к лекциям тоже требовала немало времени. Но вот упорный десятилетний труд Фарадея вознагражден: 17 октября 1831 г. триумфальный эксперимент — открыто явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и заранее продуманный опыт. Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же следствию. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое простое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока! С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои "Экспериментальные исследования по электричеству", составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Это великолепный памятник научного творчества Фарадея. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя (тридцатая) — законам намагничивания (вышла в свет в 1855г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого. В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного превращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. 86

Закон сохранения и превращения энергии является одним из важнейших законов современного естествознания. Он выражает положение диалектического материализма о неуничтожимости и несотворимости материи и движения. Формулировка этого закона стала общеизвестной: сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная. Истоки его уходят в глубокую древность. "Из ничего ничего не бывает" — так древними греками была выражена идея сохранения. Эта великая идея развивалась и постепенно расширяла сферу своего влияния. В процессе развития естествознания были открыты законы сохранения массы, электрического заряда, количества движения, а в середине XIX в. — закон сохранения и превращения энергии. Именно к этому периоду созрели необходимые условия для появления данного закона. Многие учёные внесли свой вклад в его установление, но физика связывает, и по праву, его открытие в первую очередь с именами Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля, Э. Ленца, М. Фарадея [6]. Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира. В России, в XIX в. выдающимися представителями физики были Д.И. Менделеев, А.Г. Столетов, П.Н. Лебедев, А.С. Попов [1, 5]. В марте 1969 г. научная общественность нашей планеты отметила 100летие со дня открытия одного из фундаментальных законов естествознания — периодического закона химических элементов Д. И. Менделеева. Открытие этого закона Ф. Энгельс назвал "научным подвигом" Менделеева, который принес отечественной науке неувядающую славу и мировое признание. На основе этого закона Менделеев сумел предсказать физические и химические свойства элементов, открытых позднее. И сегодня этот закон, получив соответствующее обоснование в науке, является путеводной звездой в научных исканиях физиков, химиков. Перу Д. И. Менделеева принадлежит более 500 научных работ по различным проблемам химии, физики, метрологии, геологии, воздухоплавания, педагогики. Наиболее крупным исследованием А. Г. Столетова, принесшим ему мировую славу, является исследование фотоэффекта (1888–1890). В результате этой работы А.Г. Столетов предложил очень простой метод изучения данного явления: одна из пластин конденсатора — сплошная (в опытах Столетова это была полированная цинковая пластина) — соединяется через гальванометр с отрицательным полюсом батареи; другая — в виде сетки — соединяется с положительным полюсом. Внутренняя поверхность сплошной пластины освещается электрической дугой (рис. 3).

87

Исследование светового давления стало делом всей жизни П. Н. Лебедева. Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. При полном отражении давление будет в два раза больше. Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. И Рис. 3. Схема устаЛебедев создает свою знаменитую установку — новки Столетова систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью (рис. 4).

Рис. 4. Прибор П. Н. Лебедева для определения светового давления на твёрдые тела

Во-вторых, серьезной помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. А это приведет к тому, что молекулы газа от освещенной стороны диска будут отбрасываться с бóльшими скоростями, чем от теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его (в 103 раза в опытах Крукса и Бартоли). Кроме того, при наличии разности температур возникают конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П. Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1–0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию 88

температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший, достижимый, в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П. Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и давление оставшихся ртутных паров резко уменьшалось (ртутные пары, как говорят, замораживались). Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о давлении света было сделано П. Н. Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков, а в 1901 г. в немецком журнале "Анналы физики" была напечатана его работа "Опытное исследование светового давления". Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла. Кроме работ, связанных со световым давлением, П. Н. Лебедев много сделал для изучения свойств электромагнитных волн. Усовершенствовав метод Герца, он получил самые короткие в то время электромагнитные волны (А = 6 мм, в опытах Герца А = 0,5 м), доказал их двойное лучепреломление в анизотропных средах. Следует заметить, что приборы Лебедева были настолько малы, что их можно было носить в кармане. Например, генератор электромагнитных волн Лебедева состоял из двух платиновых цилиндриков, каждый по 1,3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре. Зеркала Лебедева имели высоту 20 мм, а эбонитовая призма для исследования преломления электромагнитных волн была высотой 1,8 см, шириной 1,2 см и весила около 2 г. Напомним, что призма Герца для этой же цели весила 600 кг. Миниатюрные приборы Лебедева всегда вызывали восхищение физиков-экспериментаторов, а задача уменьшения размеров различных приборов и схем в настоящее время является одной из важнейших, стоящих перед учеными и конструкторами. Электромагнитную теорию Максвелла экспериментально впервые доказал Г. Герц, открыв электромагнитные волны. Это открытие Герца привлекло к себе внимание самых широких слоёв общества. Именно в этот период многие сразу же высказали идею о возможности беспроволочной связи с помощью "лучей Герца". В списке учёных, решавших эту задачу, на первом месте стоит имя профессора А. С. Попова (1859–1905). После открытия Герца, Попов увлекся электромагнитными волнами. Читая в 1889 г. в Минных классах цикл лекций "Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями", А.С. Попов сопровождал их демонстрациями. Это имело огромный успех, и А.С. Попову было предложено повторить этот цикл в Петербурге в Морском музее. Уже в этом цикле Попов высказывает мысль, что опыты и работы Герца представляют большой интерес не только в строго научном плане, но также и в возможности их применения для беспроволочной передачи сигналов.

89

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А.С. Попов демонстрировал сконструированный им прибор для приема и регистрации электромагнитных колебаний (рис. 5). В 1899–1900 гг. радиотелеграф А.С. Попова оказался незаменимым средством и сыграл свою первую практическую роль при снятии с камней броненосца "Генерал-адмирал Апраксин", потерпевшего аварию в районе о. Гогланда. События тех дней заставили воспользоваться телеграфом А.С. Попова и еще в одном важном деле. На льдине в море были унесены рыбаки. Их жизнь зависела от оперативности спасательной службы. Приказ ледоколу "Ермак", находящемуся в море, был передан по беспроволочной связи. Рыбаки были спасены. Так всем стала очевидна огромная польза этого изобретения. В XIX и начале XX в. наука вступила Рис. 5. Схема приёмника Попова в свой золотой век. Во всех ее важнейших областях произошли удивительные открытия, широко распространилась сеть институтов и академий, организованно проводивших специальные исследования различного рода, на основе соединения науки с техникой чрезвычайно быстро расцвели прикладные области. Оптимизм этой эпохи был напрямую связан с верой в науку, ее способность до неузнаваемости преобразить состояние человеческого знания, обеспечить здоровье и благосостояние людей. Сложившаяся ситуация в науке и мировоззрении требовала своего разрешения. Оно появилось в ходе новейшей революции в естествознании, начавшейся с 90-х гг. XIX в. и продолжавшейся до середины XX в. Это была глобальная научная революция, по своим результатам и значению сравнимая с революцией XVI–XVII вв. Она началась в физике, затем проникла в другие естественные науки, кардинально изменила философские, методологические, гносеологические, логические основания науки в целом, создав феномен современной науки. 5.9. Научная революция в естествознании начала XX в. Развитие электронной теории Идея атомарного строения электричества вытекала из законов электролиза Фарадея, на что в свое время обратил внимание и сам Фарадей, указывая, что "атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их 90

обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними". Максвелл в своем "Трактате об электричестве и магнетизме" тоже говорит о "молекуле электричества", но считает, что "теория молекулярных зарядов" хотя и "служит для выражения большого числа фактов электролиза", однако является временной и будет отброшена, как только на основе поля появится теория электрического тока [6]. В 1875 г. голландский физик Г.А. Лоренц в своей докторской диссертации "К теории отражения и преломления лучей света" объясняет изменение скорости света в среде влиянием ее заряженных частиц. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэффициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. "Но мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта. Мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах", — писал Лоренц. В начале XX в. работами немецкого физика П. Друде (1863–1906) и Г. Лоренца была создана электронная теория металлов, позволившая получить теоретически многие ранее открытые законы: Ома, Джоуля — Ленца и др. Эта теория была построена на следующих положениях. 1. В металле есть свободные электроны — электроны проводимости, образующие электронный газ, аналогичный по своим свойствам идеальному. 2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы. 3. При своем движении электроны сталкиваются с ионами. 4. При наличии электрического поля электроны приходят в упорядоченное движение под действием сил поля. В результате работ Дж. Томсона был открыт электрон и определен его удельный заряд. Однако ни заряд, ни масса электрона отдельно еще не были известны. Нужны были новые эксперименты для определения этих фундаментальных величин. Первыми наиболее точными из них следует назвать опыты американского физика Р. Милликена (1868–1953) в 1909–1914 гг. Идея этих опытов сводилась к наблюдению за падением заряженной капли масла в однородном поле плоского конденсатора (рис. 6). В результате многочисленных экспериментов с использованием масляных капель различного веса и при разных условиях Милликен заключил, что в каждом случае заряд капли изменялся на величину, равную или кратную значению некоторого основного заряда е — заряда электрона. Эти опыты не только явно доказывали дискретность электрического заряда, но и позволили определить его наименьшую величину. Подобные опыты были проведены 91

Рис. 6. Прибор Милликена для определения заряда на заряженной капельке

разными учеными, в том числе и академиком А. Ф. Иоффе. Опыт Иоффе был сходен с опытом Милликена, но вместо капель масла использовались металлические пылинки. В результате всех этих опытов в физике были установлены важнейшие физические константы: заряд электрона е = –1,60 · 10–19 Кл, масса электрона me = 9,1 · 10–31 кг. Еще в 1902 г., определяя отношение е/m для электрона, Кауфман обнаружил, что оно не является постоянной величиной, а зависит от скорости частиц. Работая с β-лучами (поток быстрых электронов) и действуя на них электрическим и магнитным полем, Кауфман обнаружил, что e/m уменьшается с ростом скорости. Из этого следовало, что с ростом скорости электрона либо уменьшается его заряд, либо увеличивается его масса. Для объяснения этого и ряда других явлений в этот период создаются различные гипотезы. Справедливость одних и ошибочность других были установлены новыми экспериментами и специальной теорией относительности (СТО). Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред [6]. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчета, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относительности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое он заслуживал. 92

Дальнейшее развитие электродинамики движущихся сред принадлежит французскому математику Анри Пуанкаре (1854–1912). Именно он в 1900 г. на Парижском конгрессе физиков порицал Лоренца за недооценку им принципа относительности, считая его, со своей стороны, общим законом природы. Отрицательный результат опыта Майкельсона, по мнению Пуанкаре, как раз и является выражением этого закона. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что "законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет". Так принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений в начале XX в., был распространен на любые физические процессы. Небезынтересно отметить, что, рассматривая влияние принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что скорость распространения сил тяготения должна равняться скорости света. Итак, мы видим, что предшественники А. Эйнштейна немало сделали для появления теории относительности. Однако, развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, они опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и, особенно, о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879–1955). Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась "К электродинамике движущихся сред". Она поступила в редакцию журнала "Анналы физики" 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй — применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладет два постулата. 1. Принцип относительности — в любых инерциальных системах все физические процессы: механические, оптические, электрические и другие — протекают одинаково. 2. Принцип постоянства скорости света — скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направлениях, во всех инерциальных системах и равна 3 · 108 м/с. В 1907 г. выходит новая работа А. Эйнштейна "О принципе относительности и его следствиях". В ней автор вновь говорит о связи массы и энергии и для проверки этого соотношения обращается к радиоактивным процессам. Подсчеты показали, что для проверки формулы на известных в то время радиоактивных превращениях нужно знать атомные массы элементов с точностью до пятого знака. Эйнштейн писал: "Это, конечно, недостижимо. Однако не исключено, что будут открыты радиоактивные процессы, в которых в энергию радиоактивных излучений превращается большая часть массы исходного атома, чем в случае радия". 93

Очень интересна последняя часть работы, где ставится вопрос о распространении принципа относительности на системы, движущиеся с ускорением. Именно здесь впервые появился принцип эквивалентности, согласно которому инертная масса тела равна его гравитационной массе или, что то же самое, силы гравитации физически эквивалентны силам инерции. На основе этого принципа Эйнштейн исследует влияние гравитации на ход часов и распространение света. Он делает вывод, что любой физический процесс протекает тем быстрее, чем больше гравитационный потенциал в области, где разыгрывается этот процесс, и что световые лучи искривляются в гравитационном поле. Итак, в 1907 г. Эйнштейн закладывает первые основы общей теории относительности (ОТО), над разработкой которой он неустанно работал 10 лет. Теория же, созданная им в 1905 г., в которой принцип относительности был сформулирован только для инерциальных систем, получила название специальной (частной) теории относительности (СТО). В 1916 г. была опубликована общая теория относительности. Она распространила СТО на ускоренные системы. Эйнштейн ограничил применимость принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь. Зато он распространил принцип относительности на все движущиеся системы. Из ОТО был получен ряд важных выводов. 1. Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи. 2. Луч света, обладающий инертной, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как указывал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. "Было бы крайне интересно, — пишет он, — чтобы астрономы заинтересовались поставленным здесь вопросом". 3. Частота света в результате действия поля тяготения должна изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного спектра под действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону красного света, по сравнению со спектрами соответствующих земных источников. Этот эффект, по мнению Эйнштейна, также может быть обнаружен экспериментально. Все это было принципиально ново, и для утверждения ОТО нужна была ее экспериментальная проверка. Возникновение и развитие теории квантов 14 декабря 1900 г., выступая в Берлинском физическом обществе, М. Планк для решения проблемы излучения предложил свою, как он ее скромно именовал, "рабочую гипотезу". Суть ее сводилась к тому, что энергия излучается не непрерывно, как полагали раньше, а отдельными порциями, т. е. дискретно. Это стало днем рождения квантовой физики — детища XX в. Экспериментальные же корни ее уходят глубоко в XIX в. Открытие и изучение рентгеновских и катодных лучей, радиоактивности, теплового 94

излучения, атомных спектров, фотоэффекта и ряда других явлений с полным правом можно назвать истоками квантовой физики. Началом фундаментальных теоретических работ по тепловому излучению является открытие Кирхгофом (1824–1887) в 1859–1861 гг. закона, согласно которому отношение испускательной способности еν нагретого тела к его поглощательной способности αν не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Если ввести понятие черного тела, т. е. такого, которое поглощает все падающие на него лучи, то эта универсальная функция и будет равна его испускательной способности (e* = f(v, Т). Заметим, что в природе нет абсолютно черных тел, но есть тела, близкие к ним. Например, поглощательная способность сажи, платиновой черни, черного бархата близка к 1. Проблема излучения не давала Планку покоя, и он постоянно думал над ней. Рассказывают, что незадолго до своего великого открытия он поднялся на самую высокую и труднодоступную в своей альпинистской практике горную вершину. Воодушевленный победой, Планк погрузился в работу. Сначала он полуэмпирическим путем нашел формулу, которая хорошо совпадала с результатами эксперимента во всем спектре. Но формуле надо было дать реальное физическое звучание и обосновать установленный закон. "После нескольких недель напряженнейшей в моей жизни работы темнота рассеялась, и наметились новые, не подозреваемые ранее дали", — вспоминал позднее Планк. А суть дела заключалась в том, что Планк вынужден был отказаться от одного из основных положений классической физики — о непрерывном (сколь угодно малыми величинами) излучении энергии и принять новую гипотезу: излучение энергии может происходить только вполне определенными (дискретными) порциями — квантами. Величина кванта энергии: ε0 = hv, где h — универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка; v — частота излучения. Так, в физике появился квант энергии и совершенно новая величина h — квант действия, которая наряду с уже известными атомизмом вещества и электричества указывала на атомизм действия и энергии, что было совершенно чуждо классическим представлениям. Но как быть с представлениями классической физики? И Планк дрогнул. В физике сложилась, пожалуй, беспримерная ситуация: выдвинув великую идею, творец испугался масштаба ее последствий. А квантовая гипотеза тем временем пробивала себе дорогу. И первым, кто принял кванты Планка всерьез, был молодой А. Эйнштейн. Он не только принял гипотезу Планка, а пошел дальше, заявив, что свет не только излучается, но и поглощается, и распространяется квантами. Световой квант был назван позднее фотоном. Развитием этой идеи явилась фотонная теория света, возродившая на новом уровне корпускулярные представления о нем и вскоре доказанная экспериментально. Используя гипотезу световых квантов, А. Эйнштейн получил обобщенный закон фотоэффекта, разработал квантовую теорию 95

теплоемкости. Для этого выдающегося ученого с самого начала было ясно, что квантовая гипотеза в любой своей форме несовместима с классическими представлениями, что все попытки введения ее в электродинамику Максвелла обречены на неудачу. Роль открытия Планка постепенно была оценена всеми физиками. Эту оценку мы подытожим словами А. Эйнштейна: "Открытие Планка стало основой всех исследований в физике XX в. и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие. Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики". Такой основой стала квантовая механика. Но это будет значительно позже. Атомная физика В январе 1896 г. над Европой и Америкой прокатился тайфун газетных сообщений о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета Вильгельма Конрада Рентгена (1845–1923). Казалось, не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти руки, принадлежащей, как выяснилось позже, Берте Рентген — жене профессора. А профессор Рентген, запершись у себя в лаборатории, продолжал усиленно изучать свойства открытых им лучей. 20 января 1896 г. американские врачи с помощью лучей Рентгена уже впервые увидели перелом руки человека. С тех пор открытие немецкого физика навсегда вошло в арсенал медицины. Росла и слава Рентгена, хотя ученый относился к ней с полнейшим равнодушием. Он не стал брать патент на свое открытие, отказался от почетной, высокооплачиваемой должности члена академии наук, от кафедры физики в Берлинском университете, от дворянского звания. Хотя самим Рентгеном и другими учеными много было сделано по изучению свойств открытых лучей, однако природа их долгое время оставалась неясной. Но вот в июне 1912 г. в Мюнхенском университете, где с 1900 г. работал К. Рентген, М. Лауэ (1879–1960), В. Фридрихом и П. Книппингом была открыта интерференция и дифракция рентгеновских лучей. Это доказывало их волновую природу. Дифракция рентгеновских лучей вскоре стала не просто достоянием физиков, а положила начало новому, очень сильному методу исследования структуры вещества — рентгеноструктурному анализу. В 1914 г. М. Лауэ за открытие дифракции рентгеновских лучей, а в 1915 г. отец и сын Брэгги за изучение структуры кристаллов с помощью этих лучей стали лауреатами Нобелевской премии по физике. В настоящее время мы знаем, что рентгеновские лучи — это коротковолновое электромагнитное излучение с большой проникающей способностью. Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, одним из которых явилось открытие радиоактивности. 96

Явление радиоактивности было открыто А. Беккерелем (1862–1908) и изучено Пьером Кюри (1859–1906) и его женой Марией Кюри-Склодовской (1867–1934). 13 ноября 1903 г. супруги Кюри одновременно с Беккерелем получают телеграмму из Стокгольма, о присуждении им троим Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности.

Возникновение и развитие теории атома Создатель первоначальной квантовой теории атома — крупнейший физик современности Нильс Бор (1885–1962). Суть теории Бора была выражена в трех постулатах. 1. Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты. 2. Орбита является стационарной, если момент количества движения электрона (L = mυr) кратен h/2π = ħ, т.е. L = mυr = nħ, где n = 1, 2, 3, ... — целые числа. 3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое испускается или поглощается один квант энергии hvnm=Wn–Wm, где Wn, Wm — энергия атома в двух стационарных состояниях, h — постоянная Планка, vnm — частота излучения. При Wn > Wm происходит излучение кванта, при Wn < Wm — его поглощение. Это был переворот, пусть пока не окончательный, во взглядах физиков на атом. Его дальнейшим углублением явилась квантовая механика. Эти постулаты Бор использовал для расчета простейшего атома (водорода), рассматривая первоначально наиболее простую его модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон. Объяснение спектра водорода было большим успехом Рис. 7. Модель атома Бора теории Бора (рис. 7). Квантовые постулаты Бора были лишь первым шагом в создании теории атома, поэтому пришлось воспользоваться следующим приемом: сначала задача решалась при помощи классической механики (заведомо неприменимой полностью к внутриатомным движениям), а затем из всего непрерывного множества состояний движения, к которым приводит классическая механика, на основе квантовых постулатов отбирались квантовые состояния. Несмотря на все несовершенство этого метода, он привел к большим успехам — позволил объяснить сложные закономерности в атомных и молекулярных спектрах, осмыслить природу химических взаимодействий и др. Такой подход, по сути, является частным случаем общего принципа, играющего важную роль в современной 97

теоретической физике — принципа соответствия, который гласит, что всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую. Важным достижением Бора и других исследователей было развитие представления о строении многоэлектронных атомов. Предпринятые шаги в развитии теории строения более сложных (чем водород) атомов и объяснении структуры их спектров принесли некоторые успехи, однако здесь исследователи столкнулись с большими трудностями. Введение четырех квантовых чисел, характеризующих состояния электрона в атоме, установление принципа Паули (согласно которому две тождественный частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии) и объяснение периодической системы Менделеева — большие успехи теории атома Бора.

5.10. Кризис современной науки. На пути к постнеклассической науке XXI в. С середины XX в. современная наука стала получать в свой адрес многочисленные критические оценки со стороны философов, культурологов, деятелей литературы и искусства. По их мнению, техника умаляет и дегуманизирует человека, окружая его сплошь искусственными предметами и приспособлениями, она отнимает его у живой природы, ввергая в безобразно унифицированный мир, где цель поглощают средства, где промышленное производство превратило человека в придаток машины, где решение всех проблем видится в дальнейших технических достижениях, а не в человеческом их решении. Под воздействием нескончаемых технических новшеств современная жизнь меняется с неслыханной быстротой. К этой гуманистической критике вскоре присоединились более тревожные конкретные факты неблагоприятных последствий научных достижений. Опасное загрязнение воды, воздуха, почвы планеты, вредоносное воздействие на животную и растительную жизнь, вымирание бесчисленных видов, коренные нарушения в экосистеме всей планеты — все эти серьезные проблемы, вставшие перед человеком, заявляли о себе все громче и настойчивей. Эти факты, которые отчетливо проявляются в современной науке и мировоззрении, говорят об их кризисе, разрешить который сможет только новая глобальная мировоззренческая революция, частью которой будет и новая революция в науке. На пороге XXI в. естествознание вступает в новую историческую фазу своего развития — на уровень постнеклассической науки. Для постнеклассической науки характерно выдвижение на первый план междисциплинарных, комплексных и проблемно ориентированных форм исследований. В определении познавательных целей науки все чаще 98

начинают играть решающую роль не внутринаучные цели, а внешние для науки цели — цели экономического, социального, политического, культурного характера. Объектами современных междисциплинарных исследований становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием. Исторически развивающиеся системы представляют собой более сложный тип объекта даже по сравнению с саморегулирующимися системами, так как с течением времени они формируют новые уровни своей организации, изменяют свою структуру, характеризуются принципиальной необратимостью процессов и т.п. Среди таких систем особое место занимают природные комплексы, в которые включен человек (объекты экологии, медико-биологические объекты, объекты биотехнологии, системы человек — машина и др.) Постнеклассическая наука, по мнению учёных-науковедов, будет обладать следующими чертами. 1. Прежде всего, наука должна будет осознать свое место в общей системе человеческой культуры и мировоззрения. Всё, что создано человеком, является частью его культуры, важно и нужно для человека, выполняет свои собственные задачи, но имеет и свои границы применимости, которые должно осознавать и не переходить. Именно это должна сделать постнеклассическая наука — осознать пределы своей эффективности и плодотворности, признать равноправие таких сфер человеческой деятельности и культуры, как религия, философия, искусство, признать возможность и результативность нерациональных способов освоения действительности. 2. Постмодернистская наука больше интересуется образом самой себя как некоей социокультурной реальности, включает в свой предмет человека, допуская элементы субъективности в объективно-истинном знании. Это — современная тенденция гуманизании науки. Полученный образ не является застывшим, окончательным, он ориентирован на непрерывное обновление, открыт инновациям. 3. Важной чертой постнеклассической науки должна быть комплексность — стирание граней и перегородок между традиционно обособленными естественными, общественными и техническими науками, интенсификация междисциплинарных исследований, невозможность разрешения научных проблем, без привлечения данных других наук. 4. Научная деятельность будет связана с революцией в средствах хранения и получения знаний (компьютеризация науки, использование сложных и дорогостоящих приборных комплексов, приближающих науку к промышленному производству), с возрастанием роли математики. Периодизацию всей истории естествознания можно представить в следующей последовательности:

99

Общая периодизация I период (с VI в. до н.э.)

II период (до 2-й половины XV в.)

III период (2-я половина XV–XVIII в.)

Схоластика

механистическое естествознание

Натурфилософия Фалес (625 – 547 до н.э.) Пифагор (ок. 570 – 500 до н.э.) Демокрит (ок. 460 – 370 до н.э.)

100

Аристотель (384 – 322 до н.э.)

Мухаммед аль-Баттани (850 – 929) Ибн Юнус (950 – 1009) Ибн Рушд (Аверроэс) (1126 – 1198)

Евклид (III в. до н.э.) Архимед (287 – 212 до н.э.) Тит Лукреций Кар (99 – 55 до н.э.) Птолемей (ок. 90 – 160)

И. Неморарий (2-я пол. XIII в.) Т. Брадвардин (1290 – 1349)

IV период (XIX век) эволюционные идеи в естествознании И. Кант (1724 – 1804)

Н. Коперник (1473 – 1543)

Ж. Кювье (1769 – 1832)

Г. Галилей (1564 – 1642)

Ж. Б. Ламарк (1744 – 1829)

И. Кеплер (1571 – 1630) Р. Декарт (1596 – 1650)

Ч.Р. Дарвин (1809 – 1882)

И. Ньюто (1643 – 1727)

М.Я. Шлейден (1804 – 1881)

А. Лавуазье (1743 – 1794)

Т. Шванн (1810 – 1882)

М.В. Ломоносов (1711 – 1765)

М. Фарадей (1791 – 1867) Д. Менделеев (1834 – 1907) А. Бутлеров (1828 – 1886)

100

V период (конец XIX – начало XX в.) крушение механистического естествознания А.А. Беккерель (1852 – 1908) П. Кюри (1859 – 1906) Д.Д. Томсон (1856 – 1940) Э. Геккелъ (1834 – 1919) Д. Максвелл (1831 – 1879) Г.Р. Герц (1857 – 1894) Ж. А. Пуанкаре (1854 – 1912) К. Циолковский (1857 – 1935)

VI период (XX в.) современное развитие естествознания К Бор (1885 – 1962) A. Эйнштейн (1879 – 1955) Э. Резерфорд (1871 – 1937) М. Планк (1858 – 1947) А. Фридман (1888 – 1925) B. Гейзенберг (1901 – 1976) Луи де Брошь (1892 – 1987) М. Борн (1882 – 1970) П. Дирак (1902 – 1984)

Вопросы для повторения Как развивались знания на Древнем Востоке? Как развивались знания в Древней Греции? Какие научные взгляды возникли в эпоху античности? Какие научные взгляды возникли в эпоху средневековья? Каковы достижения арабских математиков в средние века? Какие были революционные преобразования в науке Возрождения? 7. Что способствовало становлению классической науки?

1. 2. 3. 4. 5. 6.

в

эпоху

Библиографический список 1. Бернал, Дж. Наука в истории общества / Дж. Бернал. — М.: Мир, 1958. 2. Виргинский, B.C. Очерки истории науки и техники до середины XV в. / B.C. Виргинский, В.Ф. Хотеенков.— М.: Просвещение, 1993. 3. Гайденко, П.П. Эволюция понятия науки / П.П. Гайденко. — М.: Мысль, 1980. 4. Ильин, В.В. Природа науки / В.В. Ильин, А.Т. Калинкин. — М.: Знание, 1985. 5. Петров, М.К. Социально-культурные основания развития современной науки / М.К. Петров. — М.: Наука, 1992. Тарнас, Р. История западного мышления / Р. Тарнас. — М.: Мир, 1995. Темы рефератов 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Связь естествознания с другими науками. Структура естествознания. Наблюдения, эксперимент, измерения. Абстрагирование. Восхождение от абстрактного к конкретному. Идеализация, мысленный эксперимент. Формализация — язык науки. Индукция, дедукция. Анализ и синтез. Раздел II

СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА Глава 6. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА История науки свидетельствует [1], что естествознание, возникшее в ходе научной революции XVI–XVII вв., было связано долгое время с развитием физики. Именно физика была и остается наиболее развитой и систематизированной естественной наукой. Поэтому, когда складывалась классическая картина мира, естественным было обращение к физике, ее 101

концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанности физики была настолько велика, что она могла создать собственную физическую картину мира, в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX в. смогли поставить перед собой эту задачу (создание химической и биологической картин мира). Поэтому, начиная разговор о конкретных достижениях естествознания, мы начнем его с физики, с картины мира, созданной этой наукой. Понятие "физическая картина мира" употребляется давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания — самое общее теоретическое знание в физике (система понятий, принципов и гипотез), служащее исходной основой для построения теорий [2]. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой — вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания: старые физические понятия и принципы ломаются, новые возникают, картина мира меняется. Ключевым в физической картине мира служит понятие "материя", на которое выходят важнейшие проблемы физической науки. Поэтому смена физической картины мира связана со сменой представлений о материи. В истории физики это происходило два раза. Сначала был совершен переход от атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым — континуальным. Затем, в XX в., континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира. Одной из первых возникла механистическая картина мира, поскольку изучение природы началось с анализа простейшей формы движения материи — механического перемещения тел. 6.1. Механистическая картина мира Она складывается в результате научной революции XVI–XVII вв. на основе работ Галилео Галилея, который установил законы движения свободно падающих тел и сформулировал механический принцип относительности. Но главная заслуга Галилея в том, что он впервые применил для исследования природы экспериментальный метод вместе с измерениями исследуемых величин и математической обработкой результатов измерений. Если эксперименты ставились и раньше, то математический их анализ впервые систематически стал применять именно Галилей. Принципиальное отличие нового метода исследования природы от ранее существовавшего натурфилософского способа состояло, следовательно, в том, что в нем гипотезы систематически проверялись опытом [3]. Эксперимент можно рассматривать как вопрос, обращенный к природе. 102

Чтобы получить на него определенный ответ, необходимо так сформулировать вопрос, чтобы получить на него вполне однозначный и определенный ответ. Для этого следует так построить эксперимент, чтобы по возможности максимально изолироваться от воздействия посторонних факторов, которые мешают наблюдению изучаемого явления в "чистом виде". В свою очередь гипотеза, представляющая собой вопрос к природе, должна допускать эмпирическую проверку выводимых из нее некоторых следствий. В этих целях, начиная с Галилея, стали широко использовать математику для количественной оценки результатов экспериментов. Таким образом, новое экспериментальное естествознание в отличие от натурфилософских догадок и умозрений прошлого стало развиваться в тесном взаимодействии теории и опыта, когда каждая гипотеза или теоретическое предположение систематически проверяются опытом и измерениями. Ключевым понятием механистической картины мира было понятие движения. Именно законы движения Ньютон считал фундаментальными законами мироздания. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инертности является масса, другое важнейшее понятие классической механики. Универсальным свойством тел является тяготение. Ньютон, как и его предшественники, придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. Поэтому, он резко выступал против так называемых скрытых качеств, с помощью которых последователи Аристотеля пытались объяснить многие явления и процессы природы. Ньютон выдвигает совершенно новый принцип исследования природы, согласно которому вывести два или три общих начала движения из явления и после этого изложить, каким образом свойства и действия всех телесных вещей вытекают из этих явных начал, — было бы очень важным шагом в философии, хотя причины этих начал и не были еще открыты. Эти начала движения и представляют собой основные законы механики, которые Ньютон точно формулирует в своем главном труде "Математические начала натуральной философии", опубликованном в 1687 г. Первый закон, который часто называют законом инерции, утверждает: всякое тело продолжает удерживаться в своем состоянии покоя или равномерного прямолинейного движения, пока и поскольку оно не нуждается приложенными силами изменить это состояние. Этот закон, как отмечалось выше, был открыт ещё Галилеем, который отказался от прежних наивных представлений, что движение существует лишь тогда, когда на тело действуют силы. Путём мысленных экспериментов он сумел показать, что по мере уменьшения воздействия внешних сил тело будет продолжать своё движение, так что при отсутствии внешних сил оно должно оставаться либо в покое, либо в равномерном и прямолинейном движении. Конечно, в реальных движениях никогда нельзя полностью 103

освободиться от воздействия сил трения, сопротивления воздуха и других внешних сил, и поэтому закон инерции представляет собой идеализацию, в которой отвлекаются от действительно сложной картины движения и воображают себе картину идеальную, которую можно получить путём предельного перехода, т.е. посредством непрерывного уменьшения действия на тело внешних сил и перехода к такому состоянию, когда воздействие станет равным нулю. Второй основной закон занимает в механике центральное место: изменение количества движения пропорционально приложенной действующей силе и происходит по направлению той прямой, по которой эта сила действует. Третий закон Ньютона: действию всегда есть равное и противоположно направленное противодействие, иначе взаимодействия двух тел друг на друга между собой равны и направлены в противоположные стороны. Возникает вопрос, каким способом были открыты эти основные законы или принципы механики? Нередко говорят, что они получаются путем обобщения ранее установленных частных или даже специальных законов, какими являются, например, законы Галилея и Кеплера. Если рассуждать по законам логики, такой взгляд нельзя признать правильным, ибо не существует никаких индуктивных правил получения общих утверждений из частных. Ньютон считал, что принципы механики устанавливаются с помощью двух противоположных, но в то же время взаимосвязанных методов — анализа и синтеза. Открытие принципов механики действительно означает подлинно революционный переворот, который связан с переходом от натурфилософских догадок и гипотез о "скрытых" качествах и спекулятивных измышлений к точному экспериментальному естествознанию, в котором все предположения, гипотезы и теоретические построения проверялись наблюдениями и опытом. Поскольку в механике отвлекаются от качественных изменений тел, постольку для её анализа можно было широко пользоваться математическими абстракциями и созданным самим Ньютоном и одновременно Лейбницем (1646–1716) анализом бесконечно малых. Благодаря этому изучение механических процессов было сведено к точному математическому их описанию. На основе механистической картины мира в XVIII–начале XIX вв. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механистической картины мира, к тому, что она стала рассматриваться в качестве универсальной. В это же время в физике начали накапливаться эмпирические данные, противоречащие механистической картине мира. Так, наряду с рассмотрением системы материальных точек, полностью соответствовавшей корпускулярным представлениям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды, связанное по сути дела, уже не с корпускулярными, а с континуальными представлениями о материи. Так, для объяснения световых 104

явлений вводилось понятие эфира — особой тонкой и абсолютно непрерывной световой материи. Эти факты, не укладывающиеся в русло механистической картины мира, свидетельствовали о том, что противоречия между установившейся системой взглядов и данными опыта оказались непримиримыми. Физика нуждалась в существенном изменении представлений о материи, в смене физической картины мира [4]. 6.2. Электромагнитная картина мира В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей [5] пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механистической модели эфира, несовпадении механистических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма. Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл (1831–1879). При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механистическую картину мира. Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Движение понималось не только как простое механическое перемещение, первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики. Хотя законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона. Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механистической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов. Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд стал считаться 105

точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Непонятыми оказались результаты опытов Майкельсона 1881–1887 гг., где он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом теле. По теории Максвелла, такое движение можно было обнаружить, но опыт не подтверждал этого. К концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теории и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: трудности в объяснении фотоэффекта, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения. Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн [4] ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей. На этой основе появились эмпирические модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира. 6.3. Становление современной физической картины мира В конце XIX в. и начале ХХ в. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира [5]. Прежде всего, это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце XIX в. были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишённых заряда частиц). Согласно первой модели атома, построенной английским учёным Эрнестом Резерфордом (1871–1937), атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов, должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель 106

строения атома была значительно усовершенствована выдающимся физиком Нильсом Бором (1885–1962), который предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую. В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что все элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путём было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определённых условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля — свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы — представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля — волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов учёные вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн. Так сложились новые, квантово-полевые представления о материи, которые определяются как корпускулярно-волновой дуализм — наличие у каждого элемента материи свойств волны и частицы. Ушли в прошлое и представления о неизменности материи. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимозависимость и взаимопревращаемость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц. Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, зависимость их от материи. Пространство и время перестают быть независимыми друг от друга и, согласно теории относительности, сливаются в едином четырехмерном пространственновременном континууме. Эти новые мировоззренческие подходы к исследованию естественнонаучной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы, научных революций в естествознании. А ведь именно с революционными преобразованиями в естествознании связано изменение представлений о картине природы. Квантово-полевая картина мира и в настоящее время находится в состоянии становления. С каждым годом к ней добавляются новые элементы, выдвигаются новые гипотезы, создаются и развиваются новые теории. 6.4. Материальный мир 107

Естественные науки, начав изучение материального мира с наиболее простых непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят далее к изучению сложнейших объектов глубинных структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного опыта. Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, а раскрывает их связь и соотношение. В науке выделяются три уровня строения материи. 1. Микромир — мир предельно малых, непосредственно не наблюдаемых микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется от 10–8 до 10–16 см, а время жизни — от бесконечности до 10–24 с. Основные структурные элементы: молекулы, атомы, элементарные частицы. 2. Макромир — мир макрообъектов, размерность которых соотносима с масштабами человеческого опыта. Пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, годах. Основные структурные элементы: тела на Земле, Земля и другие планеты, Звёзды, гравитационные и электромагнитные поля. 3. Мегамир — мир огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в котором измеряется световыми годами, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. Основные структурные элементы: Галактики, гравитационные и электромагнитные поля. И хотя на этих уровнях действуют свои специфические закономерности, микро-, макро- и мегамиры теснейшим образом взаимосвязаны. Нет жесткой границы, однозначно разделяющей микро-, макро- и мегамиры. При несомненном качественном различии они связаны конкретными процессами взаимопереходов. Наша Земля представляет макромир. Но в качестве одной из планет Солнечной системы она одновременно выступает и как элемент мегамира. Вопросы для повторения 1. 2. 3. 4. 5.

Что представляет собой картина мира? Какая теория лежит в основе механистической картины мира? Какой новый вклад в картину мира вносит электромагнитная теория? В чём заключается системный взгляд на мир? В чём изменились взгляды на природу, в связи с исследованием процессов в микромире?

Библиографический список 108

1. Ахиезер, A.M. Современная физическая картина мира / A.M. Ахиезер, М.П. Рекало. — М.: Мир, 1980. 2. Гейзенберг, В. Физика и философия / В. Гейзенберг. — М.: Мысль, 1989. 3. Гудков, Н.А. Идея "великого синтеза" в физике / Н.А. Гудков. — Киев: Наук. думка, 1990. 4. Зелиг, К.А. А. Эйнштейн / К.А. Зелиг. — М.: Атомиздат, 1964. 5. Пахомов, К.Я. Становление физической картины мира / К.Я. Пахомов. — М.: Знание, 1985. Глава 7. ПОРЯДОК И БЕСПОРЯДОК В ПРИРОДЕ 7.1. Структурные уровни организации материи Важнейшими атрибутами материи являются структурность и системность [1]. Они выражают упорядоченность существования материи и те конкретные формы, в которых она проявляется. Под структурой материи обычно понимается ее строение в микромире, существование в виде молекул, атомов, элементарных частиц и т.д. Это связано с тем, что человек, являясь макроскопическим существом, привык к соответствующим масштабам, поэтому понятие строения материи ассоциируется, как правило, с микрообъектами. Но если рассматривать материю в целом, то понятие структуры материи будет охватывать также различные макроскопические тела, все космические системы мегамира. С этой точки зрения структура материи проявляется в существовании бесконечного многообразия целостных систем, тесно связанных между собой [2]. Структурность материи проявляется в ее системной организации, существовании в виде множества иерархически взаимосвязанных систем: Метагалактика, отдельная галактика, звездная система, планета, отдельные тела, молекулы, атомы, элементарные частицы. Наряду со структурностью неотъемлемым свойством материи является ее системность. Система — это внутренне (или внешне) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, определенная целостность, проявляющая себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям. Во всех целостных системах связь между элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. В неживой природе множество объектов будет целостной системой только в том случае, если энергия связи между ними больше их суммарной кинетической энергии совместно с энергией внешних воздействий, направленных на разрушение системы. В противном случае система не возникнет или распадется. Энергия внутренних связей — это общая энергия, которую нужно было бы приложить последовательно к каждому из элементов, чтобы удалить его из системы на большое расстояние, то есть "растащить" систему. Поскольку эта энергия не 109

возникает из ничего, стабильность и целостность систем оказывается косвенно обусловленной действием закона сохранения энергии. Именно на уровне микромира физика ищет сегодня ответы на вопросы, из чего состоит материя? Есть ли конечный предел делимости материи? — вопросы, издавна волновавшие человечество. Долгое время атом считался конечным пределом делимости материи, а также тем элементарным "кирпичиком" вещества, из которого сложены все предметы и явления нашего мира. Но уже к началу XX в. [1] выяснилось, что это не так. Был открыт электрон, а затем и другие элементарные частицы, число которых постоянно возрастает и на сегодняшний день превысило 300 разновидностей. У большинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента: для электронов — позитроны, для протона — антипротон, для нейтрона — антинейтрон и т.д. Все другие свойства античастиц аналогичны свойствам обычных частиц. Из них могут образовываться устойчивые атомные ядра, атомы, молекулы и антивещество, подчиняющееся тем же законам движения, что и обычное вещество. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращения частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий. 7.2. Поле и вещество Основные формы материи подразделяют на поле и вещество. Такое деление имеет некоторый смысл, но оно ограничено. Под веществом имеют в виду различные частицы и тела, которым присуща масса покоя. Поля и их кванты массы покоя не имеют, хотя обладают энергией, импульсом и множеством других свойств. Но поле и вещество нельзя противопоставлять друг другу. В неразрывной взаимосвязи частиц и полей можно видеть одно из важнейших проявлений единства прерывности и непрерывности в структуре материи. Частицы обладают относительной прерывностью и локализованностью в пространстве, тогда как поля непрерывно распределены в нем. При излучении и поглощении поля проявляются относительно дискретно — в виде квантов: фотонов, мезонов и др. Кванты полей взаимодействуют с частицами вещества как дискретные образования. Частицы вещества также нельзя представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими гранями. Частицы неотделимы от полей и не существует абсолютно резкой границы, где кончается собственно частица и начинается ее внешнее поле. В пограничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц. Как поле, так и вещество обладают определенными физическими параметрами. Под полем в физике понимают специфическую форму распределения материи в пространстве и времени: в каждой точке 110

пространства-времени существует определенное числовое значение параметра, характеризующего эту материю. Например, движущееся поле (волна) описывается длиной волны, фазой, амплитудой и их изменениями во времени и пространстве. Другая ипостась материи — частицы — характеризуются иным набором параметров: спин, заряд, масса покоя, время жизни и ряд квантовых чисел. Важнейшей характеристикой частицы служит спин, собственный момент количества движения. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. Спин принимает только положительные дискретные значения, пропорциональные постоянной Планка. Коэффициент пропорциональности называется спиновым квантовым числом, у одних частиц он имеет целочисленные значения (0, 1, 2...), а у других полуцелые значения (1/2, 3/2...). Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Исходя из этого значения, можно систематизировать и классифицировать данные об элементарных частицах. Классификация элементарных частиц В зависимости от характера симметрии все элементарные частицы и построенные из них системы (атомы, молекулы) делятся на два класса. Частицы с полуцелым спином (например, электроны, протоны, нейтроны) описываются антисимметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Ферми — Дирака. Эти частицы называются фермионами. Частицы с нулевым или целочисленным спином (например, π-мезоны, фотоны) описываются симметричными волновыми функциями и подчиняются статистике Бозе — Эйнштейна. Эти частицы называются бозонами. Сложные частицы (например, атомные ядра), составленные из нечетного числа фермионов, являются фермионами (суммарный спин — полуцелый), а из четного — бозонами (суммарный спин — целый). Зависимость характера симметрии волновых функций системы тождественных частиц от спина частиц теоретически обоснована швейцарским физиком В. Паули (1900–1958), что явилось еще одним доказательством того, что спин является фундаментальной характеристикой микрочастиц. Если тождественные частицы имеют одинаковые квантовые числа, то их волновая функция симметрична относительно перестановка частиц. Отсюда следует, что два одинаковых фермиона, входящих в одну систему, не могут находиться в одинаковых состояниях, так как для фермионов волновая функция должна быть антисимметричной. Обобщая опытные данные, В. Паули сформулировал принцип, согласно которому системы фермионов встречаются в природе только в состояниях, описываемых антисимметричными волновыми функциями (квантово-механическая формулировка принципа Паули). 111

Из этого положения вытекает более простая формулировка принципа Паули, которая и была введена им в квантовую теорию (1925) еще до построения квантовой механики: в системе одинаковых фермионов любые два из них не могут одновременно находиться в одном и том же состоянии. Отметим, что число однотипных бозонов, находящихся в одном и том же состоянии, не лимитируется. Элементарные частицы принято делить на три группы: фотоны, лептоны и адроны. К группе фотонов относится единственная частица — фотон, которой переносит электромагнитное взаимодействие. В электромагнитном взаимодействии участвуют в той или иной степени все частицы, как заряженные, так и нейтральные (кроме нейтрино). К группе лептонов относятся электрон, мюон, таон, соответствующие им нейтрино. Все лептоны имеют спин, равный 1/2, и, следовательно, являются фермионами, подчиняясь статистике Ферми — Дирака. Основную часть элементарных частиц составляют адроны. К группе адронов относятся пионы, каоны, η-мезон, нуклоны, гипероны. В последние годы увеличение числа элементарных частиц происходит в основном вследствие расширения группы адронов. Поэтому развитие работ по их классификации все время сопровождалось поисками новых, более фундаментальных частиц, которые могли бы служить базисом для построения всех адронов. Гипотеза о существовании таких частиц, названных кварками, была высказана независимо друг от друга (1964) американскими физиками Дж. Цвейгом и Гелл-Манном. Согласно модели Гелл-Манна — Цвейга, все известные в то время адроны можно было построить, постулировав существование трех типом кварков ~ (u, d, s) и соответствующих антикварков ( u~, d , ~s ). Самое удивительное (почти невероятное) свойство кварков связано с их электрическим зарядом, поскольку еще никто не находил частицы с дробным значением элементарного электрического заряда. Спин кварка равен 1/2, поскольку только из фермионов можно "сконструировать" как фермионы (нечетное число фермионов), так и бозоны (четное число фермионов). Адроны строятся из кварков следующим образом: мезоны состоят из пары кварк — антикварк, барионы — из трех кварков (антибарион — из трех ~ антикварков). Так, например, пион π + имеет кварковую структуру ud , пион s , протон — uud, нейтрон — udd, Σ +-гиперон — uus, π – — u~d , каон К + — d~ Σ°-гиперон — uds и т. д. Углубленное изучение модели Гелл-Манна — Цвейга, а также открытие в 1974 г. истинно нейтрального джей-пси-мезона (J/Ψ) массой около 6000 me, со временем жизни примерно 10–20 с и спином, равным единице, привело к введению нового кварка, так называемого с-кварка, и новой сохраняющейся величины — "очарования" (от англ. charm). Кварковая модель оказалась весьма плодотворной, она позволила определить почти все основные квантовые числа адронов. Например, из этой модели, поскольку спин кварков равен 1/2, следует целочисленный (нулевой) 112

спин для мезонов и полуцелый — для барионов в полном соответствии с экспериментом. Кроме того, эта модель позволила предсказать также и новые частицы, например Ω--гиперон. Однако при использовании этой модели возникают и трудности. Кварковая модель не позволяет, например, определить массу адронов, поскольку для этого необходимо знание динамики взаимодействия кварков и их масс, которые пока неизвестны. В настоящее время признана точка зрения, что между лептонами и кварками существует симметрия: число лептонов должно быть равно числу типов кварков. В 1977 г. был открыт сверхтяжелый мезон массой около 20 000 me, который представляет собой структуру из кварка и антикварка нового типа — b-кварка (является носителем сохраняющейся в сильных взаимодействиях величины, названной "прелестью" (от англ. beauty)). Заряд b-кварка равен –1/3. Предполагается, что существует и шестой кварк с зарядом +2/3, который уже решено назвать истинным (от англ. truth — истина), подобно тому как с-кварк называют очарованным, b-кварк — прелестным. В физике элементарных части введен "аромат" — характеристика типа кварка (u, d, s, c, b, t), объединяющая совокупность квантовых чисел (странность, очарование, прелесть и др.), отличающих один тип кварка от другого, кроме цвета. Аромат сохраняется в сильных и электромагнитных взаимодействиях. Является ли схема из шести лептонов и шести кварков окончательной или же число лептонов (кварков) будет расти, покажут дальнейшие исследования [3]. 7.3. Физические взаимодействия В своей повседневной жизни человек сталкивается с множеством сил, действующих на тела: сила ветра или потока воды; давление воздуха; мощный выброс взрывающихся химических веществ; мускульная сила человека; вес предметов; давление квантов света; притяжение и отталкивание электрических зарядов; сейсмические волны, вызывающие подчас катастрофические разрушения; вулканические извержения, приводившие к гибели цивилизаций и т.д. Одни силы действуют непосредственно при контакте с телом, другие, например гравитация, действуют на расстоянии, через пространство. Но, как выяснилось в результате развития естествознания, несмотря на столь большое разнообразие, все действующие в природе силы можно свести к четырем фундаментальным взаимодействиям [4]. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействия. Именно эти взаимодействия, в конечном счете, отвечают за все изменения в мире, именно они являются источником всех материальных преобразований тел, процессов. Каждое из четырех фундаментальных взаимодействий имеет сходство с тремя остальными и в то же время свои отличия. Изучение свойств фундаментальных взаимодействий составляет главную задачу современной физики [5]. 113

Гравитационное взаимодействие. Гравитация первым из четырех фундаментальных взаимодействий стала предметом научного исследования. Созданная в XVII в. ньютоновская теория гравитации (закон всемирного тяготения) позволила впервые осознать истинную роль гравитации как силы природы. Гравитация обладает рядом особенностей, отличающих ее от других фундаментальных взаимодействий. Наиболее удивительной особенностью гравитации является ее малая интенсивность. Гравитационное 39 взаимодействие в 10 раз меньше силы взаимодействия электрических зарядов. Вторая черта гравитации — ее универсальность. Ничто во Вселенной не может избежать гравитации. Каждая частица испытывает на себе действие гравитации и сама она является источником гравитации, вызывает гравитационное притяжение. Гравитация возрастает по мере образования все больших скоплений вещества. И хотя притяжение одного атома пренебрежимо мало, но результирующая сила притяжения со стороны всех атомов может быть значительной. Это проявляется и в повседневной жизни: мы ощущаем гравитацию потому, что все атомы Земли сообща притягивают нас. Зато в микромире роль гравитации ничтожна. Никакие квантовые эффекты в гравитации пока не доступны наблюдению. Кроме того, гравитация — дальнодействующая сила природы. Это означает, что, хотя интенсивность гравитационного взаимодействия убывает с расстоянием, оно распространяется в пространстве и может сказываться на весьма удаленных от источника телах. В астрономическом масштабе гравитационное взаимодействие, как правило, играет главную роль. Благодаря дальнодействию гравитация не позволяет Вселенной развалиться на части: она удерживает планеты на орбитах, звезды в галактиках, галактики в скоплениях, скопления в Метагалактике. Сила гравитации, действующая между частицами, всегда представляет собой силу притяжения, она стремится сблизить частицы. Гравитационное отталкивание еще никогда не наблюдалось. С точки зрения квантовой теории гравитации, поле тяготения подвергается квантованию, квантами этого поля являются гравитоны. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между телами гравитонами или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Но в общей теории относительности существует и противоположное понимание гравитации — как проявления кривизны пространственно-временного континуума, тем самым гравитация сводится к метрическим особенностям пространствавремени. Поле тяготения создает искривление пространства, тем большее, чем больше тяготеющая масса. Пока еще нет однозначного ответа на вопрос, чем является гравитация — неким полем, искривлением пространства-времени или тем и другим вместе. 114

На этот счет существуют разные мнения и концепции. Поэтому нет и завершенной теории квантово-гравитационного взаимодействия. Электромагнитное взаимодействие характеризуется как взаимодействие, в основе которого лежит связь с электромагнитным полем. В отличие от гравитационного взаимодействия, которое всегда выступает в виде притяжения, электромагнитное взаимодействие может проявляться и как притяжение (между разноименными зарядами), и как отталкивание (между одинаковыми зарядами). В течение долгого времени электрические и магнитные процессы изучались независимо друг от друга. Как мы уже знаем, решающий шаг в познании электромагнетизма сделал в середине XIX в. Дж. К. Максвелл, объединивший электричество и магнетизм в единой теории электромагнетизма — первой единой теории поля. Существование электрона (единицы электрического заряда) было твердо установлено в 90-е гг. XIX в. Но не все материальные частицы являются носителями электрического заряда. Электрически нейтральны, например, фотон и нейтрино. В этом электричество отличается от гравитации. Все материальные частицы создают гравитационное поле, тогда как с электромагнитным полем связаны только заряженные частицы. Электрическая и магнитная силы (как и гравитация) являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Электромагнитное взаимодействие проявляется на всех уровнях материи — в мегамире, макромире и микромире. Электромагнитное поле Земли простирается далеко в космическое пространство, мощное поле Солнца заполняет всю Солнечную систему. Существуют и галактические электромагнитные поля. Электромагнитное взаимодействие определяет также структуру атомов и отвечает за подавляющее большинство физических и химических явлений и процессов (за исключением ядерных). К нему сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения, им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др. Современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены и квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Слабое взаимодействие — наиболее медленное из всех взаимодействий, протекающих в микромире. Оно ответственно за взаимодействие частиц, происходящих с участием нейтрино, например, в захвате нейтрино ядрами, в β-распаде, распаде π+-, π–- и µ-мезонов, а также безнейтринные процессы распада, характеризующиеся довольно большим временем жизни распадающейся частицы (τ ≥ 10–10 c). Слабое взаимодействие по величине значительно меньше всех взаимодействий, кроме гравитационного, и в системах, где оно присутствует, его эффекты оказываются в тени электромагнитного и сильного взаимодействий. Кроме того, слабое взаимодействие распространяется на очень незначительных расстояниях. Радиус слабого взаимодействия очень 115

мал. Слабое взаимодействие прекращается на расстоянии, большем 10–16 см от источника, и потому оно не может влиять на макроскопические объекты, а ограничивается микромиром, субатомными частицами. Когда началось лавинообразное открытие множества нестабильных субъядерных частиц, то обнаружилось, что большинство из них участвуют в слабом взаимодействии. Теория слабого взаимодействия была создана в конце 1960-х гг. С момента построения Максвеллом теории электромагнитного поля создание этой теории явилось самым крупным шагом на пути к единству физики. Сильное, или ядерное, взаимодействие обуславливает связь протонов и нейтронов в ядрах атомов и обеспечивает исключительную прочность этих образований, лежащую в основе стабильности вещества в земных условиях. Наиболее характерной особенностью ядерных сил является короткодействие — они достигают очень большой величины при сближении нуклонов (чтобы подчеркнуть тождественность свойств протона и нейтрона по отношению к ядерным силам, эти две частицы объединяют одним термином — нуклон) на расстояние порядка 10–13 см, но при увеличении этого расстояния всего в несколько раз ядерные силы так сильно спадают, что практически ими можно пренебречь. В этом отношении ядерные силы не похожи на электрические силы или силы тяготения, которые изменяются плавно (обратно пропорционально квадрату расстояния между частицами). Они напоминают скорее силы, возникающие при соприкосновении резиновых шаров. На малых расстояниях ядерное взаимодействие округлённо на два порядка (т.е. в 102 раз) сильнее электрического. При больших расстояниях между протонами, например в молекуле Н2 (r ≈ 10–8 см), положение обратное: ядерное взаимодействие протонов оказывается ничтожно слабым по сравнению с электрическим. Сильное взаимодействие испытывают не все частицы. Так, его испытывают протоны и нейтроны, но электроны, нейтрино и фотоны не подвластны ему. В сильном взаимодействии участвуют обычно только тяжелые частицы. Оно ответственно за образование ядер и многие взаимодействия элементарных частиц. Теоретическое объяснение природы сильного взаимодействия развивалось трудно. Прорыв наметился только в начале 60-х гг. ХХ в., когда была предложена кварковая модель. В этой теории нейтроны и протоны рассматриваются не как элементарные частицы, а как составные системы, построенные из кварков. Таким образом, в фундаментальных физических взаимодействиях четко прослеживается различие сил дальнодействующих и близкодействующих. С одной стороны, взаимодействия неограниченного радиуса действия (гравитация, электромагнетизм), а с другой — малого радиуса (сильное и слабое). Мир физических процессов развертывается в границах этих двух полярностей и является воплощением единства предельно малого и предельно большого — близкодействия в микромире и дальнодействия во всей Вселенной. 116

7.4. Теория Великого объединения и полная теория объединения Мечта всех физиков — выявить универсальность всех фундаментальных сил, объединить все физические взаимодействия в одной теории [6]. Объединение электромагнитного и слабого взаимодействия в единое электрослабое взаимодействие стало первым обнадеживающим успехом на этом пути. В 70-е гг. XX в. в естествознании произошло выдающееся событие: два фундаментальных взаимодействия из четырех физики объединили в одно. Картина фундаментальных взаимодействий несколько упростилась. Электромагнитное и слабое взаимодействия, казалось бы, весьма разные по своей природе, предстали как разновидности единого электрослабого взаимодействия. Теория электрослабого взаимодействия в окончательной форме была создана двумя независимо работавшими физиками — С. Вайнбергом и А. Саламом. Теория электрослабого взаимодействия решающим образом повлияла на дальнейшее развитие физики элементарных частиц в конце XX в. [7]. Главная идея в построении этой теории состояла в описании слабого взаимодействия на языке концепции калибровочного поля, в соответствии с которой ключом к пониманию природы взаимодействий служит симметрия. Одна из фундаментальных идей в физике второй половины XX в. — это убеждение, что все взаимодействия существуют лишь для того, чтобы поддерживать в природе некий набор абстрактных симметрий. Опыт успешного объединения слабого и электромагнитного взаимодействий на основе идеи калибровочных полей подсказал возможные пути дальнейшего развития принципа единства физики, объединения фундаментальных физических взаимодействий. С созданием квантовой хромодинамики появилась надежда на построение единой теории всех (или хотя бы трех из четырех) фундаментальных взаимодействий. Модели, единым образом описывающие хотя бы три из четырех фундаментальных взаимодействий, называются моделями Великого объединения. В 70–90-е гг. ХХ в. было разработано несколько конкурирующих между собой теорий Великого объединения. Все они основаны на одной и той же идее. Если электрослабое и сильное взаимодействия в действительности представляют собой лишь две стороны Великого единого взаимодействия, то последнему также должно соответствовать калибровочное поле с некоторой сложной симметрией. Она должна быть достаточно общей, способной охватить все калибровочные симметрии, содержащиеся и в квантовой хромодинамике, и в теории электрослабого взаимодействия. Отыскание такой симметрии — главная задача на пути создания единой теории сильного и электрослабого взаимодействия. На основе теорий Великого объединения предсказаны, по крайней мере, две важные закономерности, которые могут быть проверены 117

экспериментально: нестабильность протона и существование магнитных монополей. Экспериментальное обнаружение распада протона и магнитных монополей могло бы стать веским доводом в пользу теорий Великого объединения. На проверку этих предсказаний направлены усилия экспериментаторов. Но объединение трех из четырех фундаментальных взаимодействий — это еще не единая теория в подлинном смысле слова. Ведь остается еще гравитация. Теоретические схемы, в которых объединяются все четыре взаимодействия, называются моделями полной теории объединения [8]. Полная теория объединения базируется на идее суперсимметрии, т.е. такого перехода от глобальной калибровочной симметрии к локальной, который бы позволил переходить от фермионов (носителей субстрата материи) к бозонам (носителям структуры материи, переносчикам взаимодействий) и наоборот. Одна из теоретических моделей сводит воедино 70 частиц со спином 0; 56 частиц со спином 1/2; 28 частиц со спином 1; 8 частиц со спином 3/2 (их назвали гравитино) и 1 частица со спином 2 (гравитон). Все эти частицы были объединены единой суперсилой при колоссальной энергии 1019 ГэВ (Т = 1032 К, r = 10–33 см, ρ = 1094 г/см3). На пути объединения гравитации с остальными фундаментальными взаимодействиями пока еще остаётся много проблем. Вопросы для повторения 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Чем вещество отличается от поля? Чем частица отличается от волны? Сколько существует физических взаимодействий, и как они называются? Какие элементарные частицы вы знаете? Что такое корпускулярно-волновой дуализм? В чём суть теории Великого объединения? Библиографический список

1. Ахиезер, A.M. Современная физическая картина мира / A.M. Ахиезер, М.П. Рекало. — М.: Мир, 1980. 2. Ацюковский, В.А. Материализм и релятивизм / В.А. Ацюковский. — М.: Знание, 1993. 3. Готт, B.C. Философия и прогресс в физике / B.C. Готт, В.Г. Сидоров. — М.: Мир, 1986. 4. Гудков, Н.А. Идея "великого синтеза" в физике / Н.А. Гудков. — Киев: Наук. думка, 1990. 5. Девис, П. Суперсила / П. Девис. — М.: Наука, 1989. 6. Михайлов, В.И. Единство физики / В.И. Михайлов. — Новосибирск: Издво НГУ, 1993.

118

Глава 8. КОНЦЕПЦИИ ПРОСТРАНСТВА И ВРЕМЕНИ В СОВРЕМЕННОМ ЕСТЕСТВОЗНАНИИ 8.1. Развитие представлений о пространстве и времени Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Самые первые из них возникли из очевидного существования в природе и в первую очередь в макромире твердых физических тел, занимающих определенный объем. Здесь основными были обыденные представления о пространстве и времени как о каких-то внешних условиях бытия, в которые помещена материя и которые сохранились бы, если бы даже материя исчезла. Такой взгляд [1] позволил сформулировать концепцию абсолютного пространства и времени, получившую свою наиболее отчетливую формулировку в работе И. Ньютона "Математические начала натуральной философии". Этот труд более чем на два столетия определил развитие всей естественно-научной картины мира. В нем были сформулированы основные законы движения и дано определение пространства, времени, места и движения. В доньютоновский период развитие представлений о пространстве и времени носило преимущественно стихийный и противоречивый характер. И только в "Началах" древнегреческого математика Евклида пространственные характеристики объектов впервые обрели строгую математическую форму. В это время зарождаются геометрические представления об однородном и бесконечном пространстве. Геоцентрическая система К. Птолемея, изложенная им в труде "Альмагест", господствовала в естествознании до XVI в. Она представляла собой первую универсальную математическую модель мира, в которой время было бесконечным, а пространство конечным, включающим равномерное круговое движение небесных тел вокруг неподвижной Земли. Коренное изменение пространственной и всей физической картины произошло в гелиоцентрической системе мира, развитой Н. Коперником в работе "Об обращениях небесных сфер". Принципиальное отличие этой системы мира от прежних теорий состояло в том, что в ней концепция единого однородного пространства и равномерности течения времени обрела реальный эмпирический базис. Первостепенную роль в развитии представлений о пространстве сыграл открытый Г. Галилеем общий принцип классической механики — принцип относительности Галилея [2]. Согласно этому принципу все физические (механические) явления происходят одинаково во всех системах, покоящихся или движущихся равномерно и прямолинейно с постоянной по величине и направлению скоростью. Такие системы называются инерциальными. Математические преобразования Галилея отражают движение в двух инерциальных системах, движущихся с относительно малой скоростью (меньшей, чем скорость света в вакууме). Они устанавливают инвариантность (неизменность) в системах длины, времени и ускорения. 119

Дальнейшее развитие представлений о пространстве и времени связано с рационалистической физикой Р. Декарта, который создал первую универсальную физико-космологическую картину мира. Декарт обосновывал единство физики и геометрии. Он ввел координатную систему (названную впоследствии его именем), в которой время представлялось как одна из пространственных осей. Тезис о единстве физики и геометрии привел его к отожествлению материальности и протяженности. Исходя из этого тезиса, он отрицал пустое пространство и отождествлял пространство с протяженностью. Таким образом, развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период способствовало созданию концептуальной основы изучения физического пространства и времени. Эти представления подготовили математическое и экспериментальное обоснование свойств пространства и времени в рамках классической механики [3]. Новая физическая гравитационная картина мира, опирающаяся на строгие математические обоснования, представлена в классической механике И. Ньютона. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предлагает различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) и дает им следующую типологическую характеристику [4]. Абсолютное, истинное, математическое время само по себе и своей сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе называется длительностью. Относительное, кажущееся, или обыденное, время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год... Абсолютное пространство по своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему, остается всегда одинаковым и неподвижным. Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению его относительно некоторых тел и которое в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное. Время и пространство составляют как бы вместилища самих себя и всего существующего. Из определений Ньютона следовало, что разграничение им понятий абсолютного и относительного пространства и времени связано со спецификой теоретического и эмпирического уровней их познания. На теоретическом уровне классической механики представления об абсолютном пространстве и времени играли существенную роль во всей причинной структуре описания мира. Оно выступало в качестве универсальной инерциальной системы отсчета, так как законы движения классической механики справедливы в инерциальных системах отсчета. На уровне эмпирического познания материального мира понятия "пространства" и 120

"времени" ограничены чувствами и свойствами познающей личности, а не объективными признаками реальности как таковой. Поэтому они выступают в качестве относительного времени и пространства. Представления о пространстве и времени, формулирующиеся в теории относительности Эйнштейна, на сегодняшний день являются наиболее последовательными. Но они являются макроскопическими, так как опираются на опыт исследования макроскопических объектов, больших расстояний и больших промежутков времени. При построении теорий, описывающих явления микромира, эта классическая геометрическая картина, предполагающая непрерывность пространства и времени, была перенесена на новую область без каких-либо изменений. Развитие квантовых теорий, возможно, потребует пересмотра представлений о физическом пространстве и времени. Единство и многообразие свойств пространства и времени Обычно выделяют всеобщие и специфические свойства пространства и времени, а также исследуют особенности пространства и времени в микромире и мегамире. К всеобщим относятся такие пространственновременные характеристики, которые проявляются на известных структурных уровнях материи и неразрывно связаны с другими ее атрибутами. Специфические свойства проявляются лишь на определенных структурных уровнях, присущи только некоторым классам материальных систем [5]. Из всеобщих свойств пространства и времени следует отметить следующие. 1. Прежде всего, пространство и время объективны и реальны, т.е. существуют независимо от сознания людей и познания ими этой объективной реальности. Человек все более и более углубляет свои знания о ней. 2. Пространство и время являются также универсальными, всеобщими формами бытия материи. Нет явлений, событий, предметов, которые существовали бы вне пространства или вне времени. Пространство и время, наряду с общими характеристиками, имеют специфические свойства, которые относятся только к пространству или только ко времени, что позволяет рассматривать их как разные атрибуты материи. Специфические свойства пространства. 1. Важным свойством пространства является его трехмерность. Положение любого предмета может быть точно определено только с помощью трех независимых величин — координат. В прямоугольной декартовой системе координат это — X, У, Z, называемые длиной, шириной и высотой. В сферической системе координат — радиус-вектор r и углы α и β. В цилиндрической системе — высота z, радиус-вектор r и угол α.

121

2. Пространство обладает свойством однородности и изотропности. Однородность пространства заключается в равноправии всех его точек, а изотропность — в равноправии всех направлений. Специфические свойства времени. 1. Время — необратимо и одномерно. Оно течет из прошлого через настоящее к будущему. Нельзя возвратиться назад в какую-либо точку времени, но нельзя и перескочить через какой-либо временной промежуток в будущее. Отсюда следует, что время составляет как бы рамки для причинноследственных связей. 2. Время обладает свойством однородности. Во времени все точки равноправны, не существует преимущественной точки отсчета, любую можно принимать за начальную. В современной науке используются понятия биологического, психологического, социального пространства и времени. Эти понятия введены [6] в связи с особенностями проявления пространственновременных свойств нефизических объектов. Метрические (количественные) и топологические (качественные) свойства пространства и времени в таких объектах могут быть существенно отличны. Так, биологическое пространство и время характеризуют особенности пространственно-временных параметров органической материи: биологическое бытие человеческого индивида, смену видов растительных и животных организмов, их жизнь и смерть. Одним из первых проблему биологического пространства и времени начал анализировать В. И. Вернадский. Под действием поисковой и трудовой деятельности происходит становление человеческой психики. Одновременно идет формирование нового понятия — психологического пространства и времени. Психическая регуляция движений индивида и его предметных действий происходит не только на уровне отражения внешнего физического пространства, но и на основе собственной телесной биомеханики и собственного пространства. Наиболее интересным в связи с этим является разработка советским психофизиологом Н. А. Бернштейном теории моторного поля. Проблема социального пространства и социального времени стала разрабатываться в науке с начала 70-х гг. XX в. Анализ этой проблемы включает рассмотрение взаимодействия пространства и времени как форм социального бытия индивидов, соотношения пространственно-временных связей внутри общества, исследование форм и отношений, присущих социальной деятельности людей. Социальное пространство включает пространственную организацию социальных объектов общества, которые дифференцированы, разделены и определенным образом ориентированы. Его специфическими свойствами являются протяженность, упорядоченность, масштаб, интенсивность, насыщенность, плотность, определенная координация социальных процессов и явлений. 122

Социальное время — это определенный по длительности период, каким располагает любой социальный объект и общество в целом. Это — совокупное время существования и деятельности всех индивидов общества. При этом социальное время неотделимо от социального пространства, в рамках которого жизнедеятельность индивидов существует в форме различных институтов, общностей, групп и территориальных структур. Но во всех этих и других системах проявляются указанные выше всеобщие свойства пространства и времени и большинство их специфических свойств. 8.2. Основные физические принципы Принцип относительности Впервые этот принцип был сформулирован еще Г. Галилеем: во всех инерциальных системах отсчета движение тел происходит по одинаковым законам. Инерциальными называются системы отсчета, движущиеся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, либо находящиеся в покое. Из принципа относительности следует, что между покоем и движением — если оно равномерно и прямолинейно — нет никакой принципиальной разницы. Таким образом, слово "относительность" в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой — всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета. Когда в естествознании господствовала механистическая картина мира и существовала тенденция сводить объяснение всех явлений природы к законам механики, принцип относительности не подвергался никакому сомнению. Положение резко изменилось, когда физики вплотную приступили к изучению электрических, магнитных и оптических явлений. Максвелл объединил все эти явления в рамках единой электромагнитной теории. С созданием этой теории для физиков стала очевидной недостаточность классической механики для описания явлений природы. В связи с этим естественно возник вопрос: выполняется ли принцип относительности и для электромагнитных явлений? Описывая ход своих рассуждений, создатель теории относительности Альберт Эйнштейн указал на два аргумента, которые свидетельствовали в пользу всеобщности принципа относительности. 1. Этот принцип с большой точностью выполняется в механике, поэтому можно было надеяться, что он окажется правильным и в электродинамике. 123

2. Если инерциальные системы неравноценны для описания явлений природы, то разумно предположить, что законы природы проще всего описываются лишь в одной инерциальной системе. В специальной теории относительности данный принцип был распространен также на законы электродинамики. Специальная теория относительности базируется на расширенном принципе относительности Галилея. Кроме того, она использует еще одно новое положение: скорость распространения света (в пустоте) одинакова во всех инерциальных системах отсчета. Почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается по значению к принципу относительности? Дело в том, что мы здесь сталкиваемся со второй универсальной физической константой. Скорость света — это самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий. Долгое время ее вообще считали бесконечной. Она была установлена в XIX в., составив 300 000 км/с. Это огромная скорость по сравнению с обычно наблюдаемыми скоростями в окружающем нас мире. Обратимся к мысленному эксперименту. Предположим, что по рельсам движется железнодорожный вагон со скоростью υ, в направлении движения которого посылается световой луч со скоростью с. Процесс распространения света, как и любой физический процесс, определяется по отношению к некоторой системе отсчета. В нашем примере такой системой будет полотно дороги. Спрашивается, какова будет скорость света относительно движущегося вагона? Легко подсчитать, что она равна w = с – υ, т. е. разности скорости света по отношению к полотну дороги и к вагону. Выходит, что она меньше постоянного ее значения, а это противоречит принципу относительности, согласно которому физические процессы происходят одинаково во всех инерциальных системах отсчета, какими являются железнодорожное полотно и равномерно прямолинейно движущийся вагон. Однако это противоречие является кажущимся, потому что на самом деле скорость света не зависит от того, движется ли источник света или покоится. Это — иллюстрация того важнейшего утверждения, которое положено в основу специальной теории относительности. Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны: их величина зависит от точки зрения. А скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета. Абсолютность скорости света не противоречит принципу относительности и полностью совместима с ним. Постоянство этой скорости — закон природы, а потому — именно в соответствии с принципом относительности — он справедлив во всех инерциальных системах отсчета. 124

Скорость света — это верхний предел для скорости перемещения любых тел природы, для скорости распространения любых волн, любых сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости. Поэтому часто говорят, что скорость света — предельная скорость передачи информации и предельная скорость любых физических взаимодействий. В общей теории относительности были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Общая теория относительности исходит из принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, количественное равенство которых давно было установлено в классической физике. Кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли. Именно на основе принципа эквивалентности масс был обобщен принцип относительности, утверждающий в общей теории относительности инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных. Принцип возрастания энтропии Энтропия — абстрактная величина (греч. еntropia — поворот, превращение). Она является мерой неупорядоченности или мерой хаоса в термодинамике. Клаузиус, введя в 1865 г. понятие энтропии, математически точно определил её и показал, что в изолированных системах энтропия при обратимых процессах не изменяется, а при реальных и необратимых — её изменение всегда положительно. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положительна, за исключением случая, когда идеальный кристалл находится при абсолютном нуле (но на этот счет есть третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного – 273° С), что невозможно. Иногда используется отрицательная величина энтропии — негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательным числом. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии — росту хаоса. Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики, в случае изолированной системы (то есть системы, не обменивающейся энергией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. При нагревании тела энтропия увеличивается, растет степень неупорядоченности. В изолированной системе энтропия может только расти. Так мы сталкиваемся с принципом возрастания энтропии — важнейшим принципом термодинамики. Он соответствует стремлению любой системы к 125

состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом. Принципы симметрии и законы сохранения В современной физике важнейшими являются принципы симметрии, на основе которых действуют законы сохранения физических величин. Что понимается под симметрией. Принято считать [2], что предмет симметричен, если он остается неизменным после той или иной операции по его преобразованию. Так, сфера симметрична, потому что выглядит одинаково при повороте на любой угол относительно ее центра. Законы электричества симметричны относительно замены положительных зарядов отрицательными и наоборот. Таким образом, под симметрией понимается инвариантность системы относительно некой операции. Существуют разные типы симметрии: геометрические, зеркальные, негеометрические. Среди негеометрических есть так называемые калибровочные симметрии. Калибровочные симметрии носят абстрактный характер и органами чувств непосредственно не фиксируются. Они связаны с изменением отсчета уровня, масштаба или значения некоторой физической величины. Система обладает калибровочной симметрией, если ее природа остается неизменной при такого рода преобразовании. Так, например, в физике работа зависит от разности высот, а не от абсолютной высоты; напряжение — от разности потенциалов, а не от их абсолютных величин и др. Принципы симметрии тесно связаны с законами сохранения физических величин — утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов. Фактически во многих случаях законы сохранения просто вытекают из принципов симметрии. Принципы симметрии делятся на пространственно-временные, или внешние, и внутренние симметрии, описывающие свойства элементарных частиц. Пространственно-временные симметрии 1. Сдвиг времени, то есть изменение начала отсчета времени, не меняет физических законов. Это означает, что все моменты времени объективно равноправны, и можно взять любой за начала отсчета времени. Время однородно. 2. Сдвиг системы отсчета пространственных координат не меняет физических законов. Объективно это означает равноправие всех точек пространства (однородность пространства). Перенос (сдвиг) в пространстве какой-либо физической системы никак не влияет на процессы внутри нее. 3. Поворот системы отсчета пространственных координат оставляет физические законы неизменными. Это означает изотропность пространства: свойства пространства одинаковы по всем направлениям. 126

4. Законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. В этом состоит принцип относительности. Соответственно физические законы не изменяются при преобразованиях Лоренца, связывающих значения координат и времени в различных инерциальных системах отсчета. Из пространственно-временных симметрий вытекают следующие законы сохранения. 1. Закон сохранения энергии. При отсутствии сил трения и при воздействии только сил упругости и тяготения закон сохранения механической энергии заключается в следующем — суммарная механическая и кинетическая энергия тела или системы тел остаётся во всех случаях постоянной. Если же действуют силы трения, то сумма потенциальной и кинетической энергий уже не остается постоянной, а убывает при движении. Но при этом всегда растет внутренняя энергия. С развитием физики обнаруживались все новые виды внутренней энергии тел: была обнаружена световая энергия, энергия электромагнитных волн, химическая энергия, проявляющаяся при химических реакциях (в качестве примера достаточно указать хотя бы на химическую энергию, запасенную во взрывчатых веществах и превращающуюся в механическую и тепловую энергию при взрыве), наконец, была открыта ядерная энергия. Оказалось, что если над телом произведена некоторая работа, то его суммарная энергия растет на величину этой работы, а если тело производит работу над другими телами, то его суммарная энергия настолько же убывает. Для всех видов энергии оказалось, что возможен переход энергии из одного вида в другой, переход энергии от одного тела к другому, но что при всех таких переходах общее количество энергии всех видов, включая и механическую, и все виды внутренней энергии, остается все время строго постоянным. В этом заключается всеобщность закона сохранения энергии. 2. Закон сохранения импульса: импульс замкнутой механической системы, равный произведению инертной массы на скорость, есть величина постоянная — P = mυ = const. Этот закон можно сформулировать ещё иначе: внутренние силы не изменяют энергии системы. Импульс (количество движения) тела характеризуется не только числом, но и направлением в пространстве, т.е. является векторной величиной. Направление импульса тела совпадает с направлением скорости движения тела. 3. Закон сохранения момента импульса: в изолированной системе сохраняется и направление, и значение момента импульса. Закон сохранения момента импульса определяет динамику галактик, планет и элементарных ядерных частиц. Внутренние симметрии 1. При всех превращениях элементарных частиц сумма электрических зарядов частиц остается неизменной. 2. Многочисленные опыты показывают, что ядерное вещество всегда сохраняется, так как разность между числом тяжелых сильно 127

взаимодействующих частиц (барионов) и числом их античастиц не изменяется при любых процессах. Барионы могут рождаться только парами: частица — античастица. Самые легкие барионы — протоны — не распадаются на другие частицы. Это можно истолковать, приписав каждому бариону особое квантовое число — барионный заряд, равный +1, а каждому антибариону заряд –1. Тогда определенный таким образом барионный заряд сохраняется. 3. Аналогичным образом обстоит дело и с легкими элементарными частицами — лептонами. Разность числа лептонов и антилептонов не изменяется при превращении элементарных частиц. 4. Одна из давно известных внутренних симметрий — изотопическая инвариантность. Она связана с сильным ядерным взаимодействием между протонами и нейтронами. Эксперименты показывают, что величина и другие свойства этого взаимодействия не зависят от того, о каких частицах идет речь — протонах или нейтронах. Действительно, на ядерных процессах никак бы не отразилось, если бы мы каким-то образом смогли заменить все протоны нейтронами и наоборот. Поэтому Гейзенберг предложил рассматривать протон и нейтрон как два различных состояния одной частицы — нуклона. При сильных взаимодействиях они выступают как одна частица. 5. Еще одна симметрия, связанная с сохранением нового квантового числа — странности, — выполняется при сильных и электромагнитных взаимодействиях, но нарушается слабыми взаимодействиями. Из внутренних симметрий вытекают следующие законы сохранения. 1. Закон сохранения электрического заряда. Его открыли Франклин и Фарадей применительно к макроскопическим телам. Было установлено, что электрический заряд выступает в двух видах — положительного и отрицательного. Они всегда возникают одновременно и в одинаковом количестве, причём ни положительный, ни отрицательный заряд не может исчезнуть самостоятельно независимо от противоположного заряда. Тот же закон распространяется и на элементарные частицы. Закон сохранения заряда для элементарных частиц означает, что суммарный электрический заряд частиц до превращения (или распада) равен суммарному электрическому заряду после него. При этом имеется в виду алгебраическая сумма всех зарядов, т.е. суммирование производится с учётом их знака. 2. Закон сохранения барионного (ядерного) заряда: при всех ядерных превращениях в изолированной системе, барионный заряд сохраняется неизменным. Сохранение барионного заряда означает, что барион может превращаться в мезоны, лептоны и фотоны только в тех случаях, когда он вступает в реакцию с антибарионом: тогда суммарный барионный заряд до реакции и после неё равен нулю и, следовательно, среди конечных продуктов реакции не обязательно должны присутствовать барионы. У всех мезонов, лептонов и фотонов барионный заряд равен нулю. 128

3. Закон сохранения лептонного заряда: суммарная величина лептонного заряда сохраняется неизменной в процессах, происходящих с участием лептонов. Считается, что все лептоны (электроны, отрицательные мюоны и нейтрино) — лептонный заряд, равный +1, все антилептоны (позитроны, положительные мюоны и антинейтрино) — лептонный заряд равный –1, а все остальные частицы не имеют лептонного заряда. 4. Закон сохранения странности. Все сильно взаимодействующие частицы, кроме нейтронов протонов, наделены странностью, которая принимает значения либо +1, либо –1. При сильных и электромагнитных взаимодействиях сумма странностей всех частиц остается неизменной. В этом и состоит закон сохранения странности. Принцип суперпозиции Важное значение в физике, в частности в квантовой механике, имеет принцип суперпозиции. Принцип суперпозиции (принцип наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простейших примеров этого является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, действующие на тело. Принцип суперпозиции выполняется лишь в условиях, когда действующие явления не влияют друг на друга. Этот принцип не всегда выполняется при распространении света через диэлектрик, так как в ряде случаев при этом изменяются те свойства диэлектрика, от которых зависит распространение света через эту среду. Принцип суперпозиции в ньютоновской физике не универсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно. В микромире, наоборот, принцип суперпозиции фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. Принцип неопределённости Одним из основных положений квантовой механики является соотношение неопределенностей, согласно которому невозможно одновременно точно определить местоположение (координаты) частицы и ее импульс. Чем точнее определяется координата частицы, тем более неопределенным становится ее импульс. И, наоборот, чем точнее известен импульс, тем более неопределенна координата. Эта зависимость называется соотношением неопределенности Гейзенберга. Известность Гейзенбергу принес его знаменитый принцип неопределенности, сформулированный в 1927 г., когда ученый стал профессором теоретической физики Лейпцигского университета. Этот 129

принцип, представляющий собой фундаментальное положение квантовой теории, гласит, что информация, которую мы можем получить относительно микрообъектов, ограничена самими методами наблюдения. Если мы решим, например, определить положение (координаты) частицы, то для этого нам придется облучить ее фотонами. Но вследствие взаимодействия с фотонами частица изменит свое положение, так что полученный результат будет "неточным". Принцип неопределенности Гейзенберга утверждал неприменимость законов классической механики в квантовой теории. В новой, волновой квантовой механике необходимы были иные понятия, нежели в классической механике. Так, в модели атома вместо электронных орбит (фигурирующих в классической модели атома Бора) были введены так называемые электронные облака, в пределах которых электрон находится с определенной степенью вероятности. Принцип дополнительности Еще один физический принцип — принцип дополнительности — возник из попыток осознать причину появления противоречивых наглядных образов, которые приходится связывать с объектами микромира. Всем микрообъектам присущ корпускулярно-волновой дуализм. Общий ответ на вопрос о том, каким же образом совмещаются противоречивые свойства у одного объекта, был дан Н. Бором. Согласно принципу дополнительности Бора, для полного описания квантово-механических явлений необходимо применять два взаимоисключающих (дополнительных) набора классических понятий (частиц и волн). Только совокупность таких понятий дает исчерпывающую информацию об этих явлениях как о целостных. Из этого принципа следует, что если в каком-либо эксперименте мы можем наблюдать одну сторону явления, то одновременно мы лишены возможности наблюдать дополнительную к первой сторону явлений. Принцип дополнительности является результатом философского осмысления новой необычной физической теории — квантовой механики. Он выражает на макроскопическом уровне один из основных законов диалектики — закон единства противоположностей [3]. 8.3. Динамические и статистические закономерности в природе Наблюдение и опыт показывают, что тела получают ускорение относительно Земли, т.е. изменяют свою скорость относительно Земли по величине или по направлению, только при действии на них других тел. Каждый раз, когда какое-либо тело получает ускорение по отношению к Земле, можно указать другое тело, которое это ускорение вызвало. Тщательные опыты по изучению движения тел были впервые произведены Галилеем в конце XVI и начале XVII вв. Они позволили установить следующий основной закон: если на тело не действуют никакие 130

другие тела, то тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения относительно Земли. Как при покое, так и при равномерном прямолинейном движении ускорение отсутствует. Значит закон, установленный Галилеем, означает: чтобы тело двигалось с ускорением относительно Земли, на него должны действовать другие тела. Причины ускорений — это действия других тел. Свойство тел сохранять свою скорость при отсутствии действия на него других тел и менять ее только при действии других тел называют инерцией тел (от латинского слова "inertia" — бездеятельность, косность). Поэтому и указанный закон называют обычно законом инерции, а движение при отсутствии действия на тело других тел называют движением по инерции. Закон инерции явился первым шагом в установлении основных законов механики, в то время еще совершенно неясных. Впоследствии (в конце XVII в.) великий английский математик и физик Исаак Ньютон, формулируя общие законы движения тел, включил в их число закон инерции в качестве первого закона движения. Закон инерции часто называют первым законом Ньютона. Производя опыты с действием сил на тела, была установлена пропорциональность между величиной силы f, действующей на данное тело, и величиной ускорения а, которое эта сила сообщает данному телу массой m. Опыты также показали, что направление силы совпадает с направлением ускорения, которое она сообщает телу. Эта формула выражает основной закон движения, известный под названием второго закона Ньютона. Второй закон Ньютона можно сформулировать так: сила, действующая на тело, равна произведению массы тела на создаваемое этой силой ускорение, причем направления силы и ускорения совпадают. Закон Ньютона можно выразить в несколько иной форме: ускорение, сообщаемое телу, прямо пропорционально действующей на тело силе, обратно пропорционально массе тела, а направлено так же, как и сила. В частности, отсюда следует, что при действии равными силами на разные тела они получают ускорения, обратно пропорциональные своим массам; и обратно, если разные тела получают ускорения, обратно пропорциональные своим массам, то это значит, что силы, действующие на эти тела, равны по величине. Во втором законе Ньютона заключён, как частный случай, первый закон, или закон инерции. Действительно, если на тело не действуют силы (или силы действуют, но их равнодействующая равна нулю), то и ускорение равно нулю, и значит, тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения. В природе никогда не бывает одностороннего действия одного тела на другое, а всегда возникает взаимодействие между телами. Оказывается, что силы возникают не "в одиночку", а по две сразу: если одно тело действует с некоторой силой на другое ("действие"), то и второе тело действует на первое ("противодействие"). Опыт показывает, что это правило носит всеобщий 131

характер. Все силы носят взаимный характер, так что силовые действия тел друг на друга всегда представляют собой взаимодействия. Изучая механическое взаимодействие тел, Ньютон открыл третий закон динамики: всякому действию одного тела на другое всегда соответствует равное и противоположно направленное действие второго тела на первое, или иначе: взаимные действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и противоположны по направлению. Так как под действием одного тела на другое подразумевается сила, то на основании третьего закона динамики можно заключить, что силы в природе действуют только парами. Постоянное наблюдение за небесными светилами научило человека вести счет времени и ориентироваться на земле и в море [7]. Но для того, чтобы разгадать законы движения планет и построить систему мироздания, потребовались тысячелетия систематических наблюдений за звездным небом. Основанная на наблюдениях система мира Коперника серьезно подорвала основы религии и ожесточенная борьба против его учения продолжалась более столетия. Коперник сделал первый шаг, показав, что Солнце, а не Земля, как считали со времен Кл. Птолемея (87–165), является центром планетной системы. Необходимая точность наблюдений для обнаружения закономерностей в движении планет была достигнута в конце XVI в. известным датским астрономом Тихо Браге (1546–1600). Он получил в свое распоряжение от короля Фридриха II остров Вен в проливе Зунд, где построил первоклассную по тем временам обсерваторию "Ураниборг". В 1597 г. после смерти короля Тихо Браге покинул Данию и, взяв с собой все журналы с записями наблюдений и инструменты, переехал в Прагу. Прочитав труды тогда еще молодого И. Кеплера (1571–1630), работавшего в Австрии, Тихо Браге пригласил его к себе. Кеплер также был заинтересован в получении точнейших наблюдений планет того времени и намеревался с их помощью проверить свои теоретические выводы о движении планет. В 1609 г. из печати вышла книга Кеплера "Новая астрономия, причинно обусловленная, или физика неба, изложенная в исследованиях звезды Марс, по наблюдениям благороднейшего муж Тихо Браге". В этой книге Кеплер представил орбиту Марса одной замкнутой кривой — эллипсом, а не системой окружностей, как было принято еще со времен Птолемея. В 1626 г. Кеплер опубликовал свои таблицы движения планет, известные под названием "Рудольфовы таблицы". К этому времени Кеплер окончательно сформулировал открытые им законы движения планет. 1. Каждая планета движется по эллипсу, в одном из фокусов которого находится Солнце. 2. Площадь сектора, описываемого радиусом-вектором планеты, изменяется пропорционально времени. 3. Квадраты периодов обращения планет относятся как кубы больших полуосей орбит. 132

Узнав форму кривых, описываемых планетами вокруг Солнца, Кеплер был близок к принципу, из которого вытекали все его законы. В одном из своих сочинений он писал: "Два раздельных тела стремятся друг к другу, как два магнита, перемещаясь, чтобы соединиться на расстоянии, обратно пропорциональном их массам". Общий принцип движения небесных тел был найден И. Ньютоном. Им был сформулирован закон всемирного тяготения таким образом: любые два тела притягиваются друг к другу с силой, которая направлена по линии, их соединяющей, прямо пропорциональна массам обоих тел и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Неоценимый вклад Ньютон внес в математическое обоснование закона Кеплера. Он показал, что при решении уравнения движения одного тела вокруг другого в качестве орбиты допускаются не только эллипс, но также парабола и гипербола. Вид кривой зависит от начальной скорости. Однако для большинства тел Солнечной системы при решении задачи двух тел орбита получается в виде эллипса и для нахождения положения тела требуется определить шесть постоянных параметров — элементов орбиты. У многих тел Солнечной системы обнаружено сжатие у полюсов, и это сжатие тем больше, чем быстрее вращается тело. Таким свойством тела могут обладать только в том случае, если они жидкие. Тем не менее, теоретические и наблюдаемые значения сжатий совпали для всех планет, в том числе и для Земли, для которой данные сейсмической разведки показали, что твердая кора Земли составляет всего 1% от ее радиуса. Жидкое состояние планет приводит не только к постоянному их сжатию, которое определяется скоростью вращения тела, но и к периодическому изменению формы планеты. Например, под влиянием притяжении Солнца и Луны земная кора поднимается и опускается в течение суток примерно на 70 см. Изменение формы любой планеты вызывает возникновение приливообразующей силы, которая замедляет скорость вращения планет вокруг оси и изменяет скорость движения спутника по орбите, а в соответствии с третьим законом Кеплера — и его расстояние до планеты. Если скорость движения по орбите больше скорости вращения планеты, то спутник приближается к планете, если меньше, то удаляется. Законы, с которыми мы встречались в классической механике, имеют универсальный характер, т.е. они относятся ко всем без исключения изучаемым объектам. Например, закон всемирного тяготения действителен для всех материальных тел, больших и малых. Относительная особенность такого рода законов состоит в том, что предсказания, полученные на их основе, имеют достоверный и однозначный характер. Наряду с ними в науке с середины прошлого века стали шире применяться законы другого типа. Их предсказания не являются однозначными, а только вероятностными. Именно это обстоятельство долгое время служило препятствием для признания их в науке в качестве полноценных законов. Поэтому они рассматривались как вспомогательные средства для обобщения и систематизации эмпирических фактов. Положение 133

конкретным образом изменилось после того, как квантовая механика показала, что существование неопределенности коренится в самом фундаменте материи — в мире ее мельчайших частиц, поведение которых можно предсказать лишь с той или иной степенью вероятности. Свое название эти законы получили от характера той информации, которая используется для их формулировки и получения заключения из нее. Вероятностными они называются потому, что заключения, основанные на них, не следуют логически из имеющейся информации, а потому не являются достоверными и однозначными. Поскольку сама информация при этом носит статистический характер, то часто такие законы называют также статистическими, и этот термин получил в науке значительно большее распространение. Статистические законы признавались в качестве удобных вспомогательных средств исследования, дающих возможность представить в компактной и удобной форме всю имеющуюся информацию о каком-либо предмете исследования. Типичным примером может служить информация, получаемая посредством переписи населения. В принципе мы можем получить о каждом гражданине страны все необходимые сведения, но когда они классифицируются по отдельным пунктам, сводятся в отдельные показатели и обобщаются, то работать с такой информацией значительно удобнее и легче. Статистические законы и теоретические обобщения, найденные в физике, биологии, экономике, социологии, праве и других науках, также рассматривались в качестве удобного вспомогательного средства для описания, систематизации и обобщения найденного эмпирического материала. По-видимому, главная причина такого отношения к статистическим законам состояла в том, что заключения их недостоверны, неопределенны, а лишь вероятны в той или иной степени наблюдений и экспериментов. В связи с этим подлинными законами считались именно детерминистские законы, обеспечивающие точные и достоверные предсказания [8]. Эта терминология сохранилась до нашего времени, когда статистические, или вероятностные, законы квалифицируются как индетермические, с чем вряд ли можно согласиться. Единственное, что здесь верно, — это качественное различие между двумя типами законов: универсальными и статистическими. В то же время между ними существуют и глубокая общность, и единство, заключающиеся в том, что все они отображают определенные регулярности в природе и обществе. Опираясь на эти регулярности, мы можем успешнее действовать в окружающем нас мире случайностей и неопределенностей, поскольку законы устанавливают некоторые запреты и тем самым уменьшают количество возможных выборов или альтернатив действия. Отношение к статистическим законам принципиально изменилось после открытия законов квантовой механики, предсказания которых имеют существенно вероятностный характер. Попытка найти некие скрытые параметры, с помощью которых можно было бы свести статистические законы к строго детерминистским законам, подобным законам классической 134

механики, не увенчалось успехом. По-видимому, принцип неопределенности Гейзенберга не дает возможности осуществить его. 8.4. Эволюция Вселенной Вопрос о возникновении Вселенной для многих поколений ученых был предметом их научного поиска. В истории науки существовало множество гипотез, отвечающих на этот вопрос. Современное естествознание объясняет возникновение Вселенной с помощью теории Большого взрыва. Наша Вселенная расширяется, эволюционирует. Согласно теоретическим расчетам Ж. Леметра, радиус Вселенной в первоначальном состоянии был 10-12см, близко по размерам к радиусу электрона, а ее плотность составляла 1096г/см. В сингулярном состоянии (точечный объём с бесконечной плотностью) Вселенная представляла собой микрообъект ничтожно малых размеров. От первоначального сингулярного состояния Вселенная перешла к расширению в результате Большого взрыва. Ученик А. А. Фридмана Г. А. Гамов разработал модель горячей Вселенной, рассматривая ядерные реакции, протекавшие в самом начале расширения Вселенной, и назвал ее "космологией Большого взрыва". Ретроспективные расчеты определяют возраст Вселенной в 13–20 млрд. лет. Г. А. Гамов предположил, что температура вещества была велика и падала с расширением Вселенной. Его расчеты показали, что Вселенная в своей эволюции проходит определенные этапы, в ходе которых происходит образование химических элементов и структур. В современной космологии для наглядности начальную стадию эволюции Вселенной делят на "эры". Эра адронов (тяжелых частиц, вступающих в сильные взаимодействия). Продолжительность эры 0,0001 с, температура 1012 градусов по Кельвину, плотность 1014 г/см3. В конце эры происходит аннигиляция частиц и античастиц, но остается некоторое количество протонов, гиперонов, мезонов. Эра лептонов (легких частиц, вступающих в электромагнитное взаимодействие). Продолжительность эры 10 с, температура 1010 градусов по Кельвину, плотность 104г/см3. Основную роль играют легкие частицы, принимающие участие в реакциях между протонами и нейтронами. Фотонная эра. Продолжительность 1 млн. лет. Основная доля массы — энергии Вселенной — приходится на фотоны. К концу эры температура падает с 1010 до 3000 градусов по Кельвину, плотность — с 104 г/см3 до 1021 г/см3. Главную роль играет излучение, которое в конце эры отделяется от вещества. Звездная эра наступает через 1 млн. лет после зарождения Вселенной. В звездную эру начинается процесс образования протозвезд и протогалактик. В результате мы имеем однородную Вселенную, представляющую собой смесь трех почти не взаимодействующих субстанций: лептонов (нейтрино и антинейтрино), реликтового излучения (фотоны) и барионного вещества (атомы водорода, гелия и их изотопы). В сложившихся условиях, когда уже 135

нет ни высоких температур, ни больших давлений, казалось, перспективой было бы дальнейшее расширение и остывание Вселенной, завершающееся образованием "лептонной пустыни" — чем-то вроде тепловой смерти. Но этого не произошло, напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную. Переход от однородной Вселенной к структурной занял от 1 до 3 миллиардов лет. В современной космологии наряду с гипотезой Большого взрыва весьма популярна инфляционная модель Вселенной, в которой рассматривается творение Вселенной. Идея творения имеет очень сложное обоснование и связана с квантовой космологией. В этой модели описывается эволюция Вселенной, начиная с момента 10–45 с после начала расширения. Различие между этапами эволюции Вселенной в инфляционной модели и модели Большого взрыва касается только первоначального этапа порядка 10– 30 с, далее между этими моделями принципиальных расхождений в понимании этапов космической эволюции нет. Различия в объяснении механизмов космической эволюции связаны с расхождением мировоззренческих установок.

Принципы универсального эволюционизма XIX в. по праву может быть назван веком эволюции. Сначала в геологии, затем в биологии и социологии теоретическому моделированию развивающихся объектов стали уделять все большее и большее внимание. Но только к концу XX в. естествознание нашло теоретические и методологические средства для создания единой модели универсальной эволюции, выявления общих законов природы, связывающих в единое целое происхождение Вселенной (космогенез), возникновение Солнечной системы и нашей планеты Земля (геогенез), возникновение жизни (биогенез) и, наконец, возникновение человека и общества (антропосоциогенез). Такой моделью является концепция универсального эволюционизма. В этой концепции Вселенная предстает как развивающееся во времени природное целое, а вся история Вселенной от Большого Взрыва до возникновения человечества рассматривается как единый процесс, в котором космический, химический, биологический и социальный типы эволюции преемственно и генетически связаны между собой. Космохимия, геохимия, биохимия отражают здесь фундаментальные переходы в эволюции молекулярных систем и неизбежности их превращения в органическую материю. В концепции универсального эволюционизма подчеркивается важнейшая закономерность — направленность развития мирового целого на повышение своей структурной организации. Вся история Вселенной — от момента сингулярности до возникновения человека — предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи. Важную роль в концепции универсального эволюционизма играет идея отбора: новое возникает как результат отбора наиболее эффективных 136

формообразований, неэффективные же инновации отбраковываются историческим процессом; качественно новый уровень организации материи окончательно самоутверждается тогда, когда он оказывается способным впитать в себя предшествующий опыт исторического развития материи. Эта закономерность характерна не только для биологической формы движения, но и для всей эволюции материи. Принцип универсального эволюционизма требует не просто знания временного порядка образования уровней материи, а глубокого понимания внутренней логики развития космического порядка вещей, логики развития Вселенной как целого [8]. На этом пути очень важную роль играет так называемый антропный принцип1. Содержание этого принципа в том, что возникновение человечества, познающего субъекта было возможным в силу того, что крупномасштабные свойства нашей Вселенной именно таковы, какими они являются; если бы они были иными, Вселенную просто некому было бы познавать. В настоящее время идея универсального эволюционизма — это не только констатирующее положение, но и регулятивный принцип. С одной стороны, он дает представление о мире как о целостности, позволяет осмыслить 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. Вопросы для повторения 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Почему "Теория относительности" так называется? Как в современной науке понимается пространство и время? Чем общая теория относительности отличается от специальной? Как изменили научную картину мира основные физические принципы? Каковы основные законы механики? Какие основные этапы эволюции Вселенной? Библиографический список Аксенов, Г.П. О причине времени / Г.П. Аксенов// Вопросы философии. — 1996. — № 1. Ахундов, М.Д. Пространство и время в физическом познании / М.Д. Ахундов. — М.: Наука, 1982. Готт, B.C. Философия и прогресс физики / B.C. Готт, В.Г. Сидоров. — М.: Мир, 1986. Делокаров, К.Х. Философские проблемы теории относительности / К.Х. Делокаров. — М.: Наука, 1973. Демин, В.Н. Мироздание постигая / В.Н. Демин. — М.: Знание, 1989.

1. 2. 3. 4. 5. 1

Антропный принцип — согласно, которому мировые константы как бы подгоняются к возможности существования жизни. 137

6. 7. 8.

Зигель, Ф.Ю. Неисчерпаемость бесконечности / Ф.Ю. Зигель, В.П. Селезнев. — М.: Мир, 1984. Левин, А.П. Научное постижение времени / А.П. Левин // Вопросы философии. — 1993. — № 4. Левин, А.П. Субституционное время естественных систем / А.П. Левин // Вопросы философии. — 1996. — № 1. Глава 9. ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ВОЗНИКНОВЕНИИ РАЗУМА И МАТЕРИИ 9.1. Кибернетика как общая наука об управлении

Кибернетика — это наука об управлении сложными системами с обратной связью [1]. Она возникла на стыке математики, техники и нейрофизиологии, и ее интересовал целый класс систем как живых, так и неживых, в которых существовал механизм обратной связи. Основателем кибернетики по праву считается американский математик Н. Винер (1894–1964). В нашей стране значительную роль в развитии кибернетики сыграли А. И. Берг, В. М. Глушков и другие ученые. Теория относительности, изучающая универсальные физические закономерности во Вселенной, и квантовая механика, раскрывающая законы микромира, нелегки для понимания, и тем не менее они имеют дело с системами, которые с точки зрения современного естествознания считаются простыми. Простыми в том смысле, что в них входит небольшое число переменных, и поэтому взаимоотношения между ними поддаются математической обработке и подчиняются универсальным законам. Однако, помимо простых, существуют сложные системы, которые состоят из большого числа переменных и, соответственно, большого количества связей между ними. Чем оно больше, тем труднее исследование объекта, выведение закономерностей его функционирования. Трудность изучения таких систем объясняется еще и тем обстоятельством, что чем сложнее система, тем больше у нее так называемых эмерджентных свойств, т.е. свойств, которых нет у ее частей, и которые являются следствием эффекта целостности системы. Разделение систем на простые и сложные является фундаментальным в естествознании. Среди всех сложных систем наибольший интерес представляют системы с так называемой обратной связью. Это еще одно важное понятие современного естествознания. Если поведение объекта зависит от воздействия на него, то говорят, что в такой системе имеется обратная связь — между воздействием и реакцией на него. Поведение системы может усиливать внешнее воздействие. Это называется положительной обратной связью. Если оно уменьшает внешнее воздействие, то это отрицательная обратная связь. Особый случай — 138

гомеостатические обратные связи, которые сводят внешнее воздействие к нулю. Свойство системы, остающееся без изменений в потоке событий, называется инвариантом системы. Механизм обратной связи и призван сделать систему более устойчивой, надежной и эффективной. Механизм обратной связи делает систему принципиально другой, повышая степень ее внутренней организованности. Это даёт возможность говорить о самоорганизации в данной системе. Оригинальность кибернетики заключается в том, что она изучает не вещественный состав систем и не их структуру (строение), а результат работы данного класса систем. Системы изучаются в кибернетике по их реакциям на внешние воздействия, другими словами, по тем функциям, которые они выполняют. Наряду с субстратным (вещественным) и структурным подходом кибернетика ввела в научный обиход функциональный подход как еще один вариант системного подхода в широком смысле слова. Она рассматривает способы связи и модели управления, и в этом исследовании ей понадобилось еще одно понятие, которое было давно известным, но впервые получило фундаментальный статус в естествознании — понятие "информация", как мера организованности системы в противоположность понятию энтропии как меры неорганизованности. Понятие информации имеет такое большое значение, что оно вошло в заглавие нового научного направления, возникшего на базе кибернетики — информатики (название произошло из соединения слов "информация" и "математика"). Кибернетика выявляет зависимости между информацией и другими характеристиками систем. Управление, особенно самоуправление — необходимый способ существования сложных систем (биологических, социальных, технических), заключающийся в упорядочении и сохранении целостности системы. Управлять без знания, информации в широком смысле невозможно. Информация в кибернетике — это отражение одного объекта в другом, используемое для выработки управляющих воздействий. Связь, идущая от командного органа (управляющей подсистемы) к управляемой, исполнительной системе, называется прямой; противоположно направленной будет обратная связь, играющая исключительно важную роль в управлении. Кибернетика изучает информацию как таковую, абстрагируясь от конкретной материальной природы ее носителей. Поэтому информационное моделирование применимо в любой области и может осуществляться на быстродействующих миниатюрных элементах с опережением моделируемых процессов. Широкое внедрение кибернетических методов открывает новую, информационную ступень развития общества, эпоху компьютерной революции и цивилизации. Кибернетика оказала огромное влияние на науку в целом, поскольку она даёт новое представление о мире, основанное на роли связи, управления, 139

информации, организованности, обратной связи, целесообразности, вероятности. Она даёт новое представление об организации общества. Кибернетика даёт науке новое общенаучное понятие — управление сложнодинамической системой и новые методы исследования: вероятностные, стохастические и моделирование на ЭВМ, а также новый функциональный подход к изучению явлений природы — "сигнал – отклик". Очень важно, что изучение функционирования более простых технических систем используется для выдвижения гипотез о механизме работы качественно более сложных систем (живых организмов, мышления человека) с целью познания происходящих в них процессов — воспроизводства жизни, обучения и т.п. Подобное кибернетическое моделирование особенно важно в настоящее время во многих областях науки, поскольку отсутствуют математические теории процессов, протекающих в сложных системах, и приходится ограничиваться их простыми моделями. И, наконец, на основе кибернетических принципов созданы электронновычислительные машины, роботы, персональные компьютеры, породившие тенденцию кибернетизации и информатизации не только научного познания, но и всех сфер жизни. Благодаря кибернетике и созданию ЭВМ одним из основных способов познания, наравне с наблюдением и экспериментом, стал метод моделирования. Применяемые модели становятся все более масштабными: от моделей функционирования предприятия и экономики до комплексных моделей управления биогеоценозами1, эколого-экономических моделей рационального природопользования в пределах целых регионов, до глобальных моделей. Прогресс в области моделирования следует ожидать не на пути противопоставления одних типов моделей другим, а на основе их синтеза. Универсальный характер моделирования на ЭВМ дает возможность синтеза самых разнообразных знаний, а свойственный моделированию на ЭВМ функциональный подход служит целям управления сложными системами. 9.2. Синергетика как общая наука о самоорганизации систем Системно-кибернетический подход [3, 4, 5] к проблеме самоорганизации дополняет и углубляет синергетика — возникшее в 70-е годы XX в. новое междисциплинарное направление научных исследований. Синергетика обратила внимание на процессы самоорганизации и в неживой природе, не отказываясь от исследований биологических, социальных и технических систем. Основоположники этой науки — И. Пригожин и Г. Хакен. Биогеценоз — совокупность растений, животных, микроорганизмов, населяющих часть суши или водоема и характеризующихся определенными отношениями между собой. 140 1

Эта наука занимается процессами взаимопревращения различных видов энергии. Ею установлено [6], что взаимные превращения тепла и работы неравнозначны. Работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Это означает, что во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует выделенная самой природой направленность. Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: "Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему". Закон сохранения и превращения энергии (первое начало термодинамики) в принципе не запрещает такого перехода, лишь бы количество энергии сохранялось в прежнем объеме. Но в реальности такого никогда не происходит. Вот эту-то односторонность, однонаправленность перераспределения энергии в замкнутых системах и подчеркивает второе начало. Для отражения этого процесса в термодинамику было введено новое понятие — энтропия. Под энтропией стали понимать меру беспорядка системы [7]. Более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: "При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает". Физический смысл возрастания энтропии сводится к тому, что состоящая из некоторого множества частиц изолированная (с постоянной энергией) система стремится перейти в состояние с наименьшей упорядоченностью движения частиц. Это — наиболее простое состояние системы, или состояние термодинамического равновесия, при котором движение частиц хаотично. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что эквивалентно полному хаосу. В итоге, необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет 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. Главный мировоззренческий сдвиг, произведенный синергетикой, можно выразить следующим образом: 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. В широком плане понятие самоорганизации отражает фундаментальный принцип Природы, лежащий в основе наблюдаемого развития от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации вещества. 141

Но у этого понятия есть и более узкое значение, непосредственно характеризующее способ реализации перехода от простого к более сложному. В таком значении самоорганизацией называют природные скачкообразные процессы, переводящие открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем сложности и упорядоченности по сравнению с исходным. Критическое состояние — это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Прежде чем привести примеры самоорганизации, необходимо уточнить, что же считать усложнением элементов и систем, их переходом от более простых к более сложным формам. Понятия "простой" и "сложный" всегда относительны, их смысл выявляется только при сопоставлении свойств родственных объектов. Так, протон сложен относительно кварков, но прост относительно атома водорода; атом сложен относительно протона и электрона, но прост относительно молекулы и т.д. При этом мы видим, что сложные объекты обладают новыми качествами, которых лишены исходные простые элементы, составляющие их. Таким образом, природу можно представить как цепочку нарастающих по сложности элементов. Объект изучения классической термодинамики — закрытые системы, т.е. системы, которые не обмениваются со средой веществом, энергией и информацией [6]. Открытые системы — это такие системы, которые поддерживаются в определенном состоянии за счет непрерывного притока извне вещества, энергии или информации. Постоянный приток вещества, энергии или информации является необходимым условием существования неравновесных состояний в противоположность замкнутым системам, неизбежно стремящимся (в соответствии со вторым началом термодинамики) к однородному равновесному состоянию. Открытые системы — это системы необратимые, в них важным оказывается фактор времени. Мир нелинейных самоорганизующихся систем гораздо богаче, чем закрытых, линейных систем. Вместе с тем "нелинейный мир" сложнее моделировать. Как правило, для (приближенного) решения большинства возникающих нелинейных уравнений требуется сочетание современных аналитических методов с вычислительными экспериментами. Синергетика открывает для точного, количественного, математического исследования такие стороны мира, как его нестабильность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, позволяет моделировать катастрофические ситуации и т.п. Методами синергетики было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем: от морфогенеза1 в биологии и Морфогенез — возникновение и развитие органов, систем и частей тела организмов, как в индивидуальном, так и в историческом развитии. 142 1

некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера2 крыла самолета, от молекулярной физики и автоколебательных процессов в химии до эволюции звезд и космологических процессов, от электронных приборов до формирования общественного мнения и демографических процессов. Основной вопрос синергетики — существуют ли общие закономерности, управляющие возникновением самоорганизующихся систем, их структур и функций. Процессы, происходящие в нелинейных системах, часто носят, пороговый характер — при плавном изменении внешних условий поведение системы изменяется скачком. Другими словами, в состояниях, далеких от равновесия, очень слабые возмущения могут усиливаться до разрушающих сложившуюся структуру и способствующих радикальному качественному изменению. Чем сложнее система, тем более многочисленны типы флуктуаций, угрожающих ее устойчивости. Но в сложных системах существуют связи между различными частями. От исхода конкуренции между устойчивостью, обеспечивающейся связью, и неустойчивостью из-за флуктуации, зависит порог устойчивости системы. Превзойдя этот порог, система попадает в критическое состояние, называемое точкой бифуркации. В ней система становится неустойчивой относительно флуктуации и может перейти к новой области устойчивости, т.е. к образованию нового вещества. Система как бы колеблется перед выбором одного из нескольких путей эволюции. Небольшая флуктуация может послужить в этой точке началом эволюции в совершенно новом направлении, изменением поведения системы. Это и есть событие. В точке бифуркации случайность подталкивает то, что остается от системы, на новый путь развития, а после того, как один из многих возможных вариантов выбран, вновь вступает в силу детерминизм — и так до следующей точки бифуркации. В судьбе системы случайность и необходимость взаимно дополняют друг друга. По мнению И. Пригожина и И. Стенгерс [7], большинство систем открыты — они обмениваются энергией или веществом, или информацией с окружающей средой. Главенствующую роль в окружающем мире играют не порядок, стабильность и равновесие, а неустойчивость и неравномерность, т.е. все системы непрестанно флуктуируют. Существует некоторая аналогия [2] двух возможных состояний системы стабильного (равновесного) и неустойчивого — когда шарик помещают на вогнутой и выпуклой поверхности. В первом случае при любом случайном малом отклонении-флуктуации шарик возвратится в первоначальное состояние. Во втором случае любое малейшее отклонение шарика вправо или влево закончится его падением, т.е. эта система перестаёт существовать. Итак, в особой точке бифуркации флуктуация достигает такой силы, что организация системы не выдерживает и разрушается, и принципиально невозможно предсказать: станет ли состояние системы хаотическим или она Флаттер — процесс спонтанного разрушения конструкций в экстремальных условиях. 143 2

перейдет на новый, более дифференцированный и высокий уровень упорядоченности, который назвали диссипативной1 структурой. Новые структуры называются диссипативными, потому что для их поддержания требуется больше энергии, чем для поддержания более простых структур, на смену которым они приходят. Диссипативные структуры существуют лишь постольку, поскольку система диссипирует (рассеивает) энергию и, следовательно, производит энтропию. Самый популярный и наглядный пример образования структур нарастающей сложности — хорошо изученная система — лазер. Этот прибор создает высокоорганизованное оптическое излучение. Традиционные источники света — лампы накаливания, газоразрядные лампы — создают оптические излучения за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. Так, в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы спонтанно излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях. Только малую часть из них мы воспринимаем как видимый свет. Уровень организации подобной среды крайне низок, упорядоченность мала. Для лазерной активной среды, которая должна в принципе находиться в сильно неравновесном состоянии, характерна высокая упорядоченность атомных, ионных или молекулярных избирательно возбуждаемых состояний, что достигается направленным введением в среду организованного потока энергии (накачка). При выполнении определенного условия в среде лавинообразно нарастает вынужденное излучение почти монохроматических квантов света, движущихся в одном направлении. Лазерная генерация возникает скачком после того, как плотность вводимой в среду энергии накачки превысит пороговое значение, зависящее от свойств активной среды, характера накачки и параметров оптического резонатора, в который помещают активную среду для усиления эффекта. Излучение выходит в виде узконаправленного луча. Другой простой, легко демонстрируемый, пример из области механики – вскрытый нами факт [11] отсутствия собственной устойчивости вращающегося диска по неподвижному контртелу. Суть этого явления такова. Сначала диск трения, прижатый осевой силой к неподвижному контртелу, находится в состоянии покоя (рис. 8, а).

Диссипация (лат. dissipatio) — рассеяние. Например, диссипация газов земной атмосферы в межпланетное пространство. В физике важную роль играет диссипация энергии — переход части энергии упорядоченных процессов (кинетической энергии движущегося тела, энергии электрического тока и т.д.) в энергию неупорядоченных процессов, в конечном итоге — в тепло. 144 1

а)

б)

Рис. 8. Схемы к вопросу об отсутствии собственной устойчивости вращающегося диска: а) схема расположения диска в состоянии покоя; б) схема самовозбуждения автоколебаний вращающегося диска трения.

То есть в данном случае эта открытая система не получает энергию извне. Если же диску сообщить энергию в виде вращения ωвр (рис. 8, б), то есть циклического движения, имеющего характерную собственную частоту, то при этом практически мгновенно возникнет смещение оси Ак диска относительно контртела из-за действия неуравновешенной тангенциальной силы, в результате диск начинает совершать радиальные автоколебания ωк. Исследования на устойчивость системы дифференциальных уравнений, описывающих данное движение показало, что все тривиальные решения этой системы неустойчивы, т.е. должно наблюдаться так называемое мягкое возбуждение автоколебаний. Это явление можно истолковать как проявление принципа минимальной диссипации (рассеяния энергии) в трактовке И. Пригожина или Н. Н. Моисеева [2, 7]. Теоретически и экспериментально нами было показано, что это неустановившаяся, нестационарная часть траектории центра вращающегося диска, представляет собой экспоненциально разворачивающуюся спираль, т.е. точку бифуркации. При спонтанном нарушении симметрии, происходящем в связи с отсутствием собственной устойчивости, возникает неголономная связь диска и контртела, т.е. диск катится практически без проскальзывания по поверхности контакта. В случае такого планетарного движения между диском и контртелом действует трение качения и рассеивается значительно меньшее количество энергии в виде тепла, т.е диссипация минимальна.

145

Следовательно, процесс планетарного движения предпочтительнее с точки зрения минимальной диссипации, а возникновение поперечных автоколебаний — естественно и неизбежно. Хотя принято считать, что при переходе от состояния с максимальной диссипацией к состоянию с минимальной диссипацией, как к более упорядоченному, должен существовать некий порог. В рассмотренной системе такого порога обнаружить не удается: возбуждение автоколебаний всегда мягкое. Возможен и второй путь самоорганизации этой механической системы. Этот случай может наступить, если диску сообщить значительно большее количество энергии, т.е. скорость вращения, превышающую некоторую допустимую величину. При этом, из-за больших тангенциальных сил система может перейти к хаосу, т.е. диск будет стремиться выйти из контакта с контртелом. Обнаруженное явление представляет значительный практический интерес. Так работают все вращающиеся многолезвийные инструменты, используемые в машиностроении при обработке материалов, и в горном деле при бурении скважин. Изученное нами явление неустойчивости многолезвийных вращающихся инструментов позволило объяснить и другие, не менее интересные, физические явления в области механики твердого тела. Во-первых, вскрыт механизм вибрационного смещения и искривления траектории геометрически симметричного инструмента, симметрия которого нарушается кинематически из-за тех же быстрых поперечных вибраций. Искривление траектории наблюдается, если на геометрически симметричный инструмент накладываются самопроизвольные амплитудно-модулированные продольные вибрации, несущая частота которых совпадает с частотой быстрых поперечных колебаний, а частота их огибающей, то есть частота изменения амплитуды несущих колебаний, совпадает с частотой вращения инструмента. При этом вскрытый механизм [9, 10] может проявляться внешне весьма разнообразно, например, в виде разбивки, огранки отверстий спиральной и конической формы (рис. 9). Во-вторых, при определенных условиях может наблюдаться самопроизвольная синхронизация указанных частот или даже взаимный захват, например, в случае вращательной синхронизации. А это, в свою очередь, подтверждает возможность явления принудительного самовращения диска трения по контртелу [12]. Кроме того, эта система, вращающийся диск — контртело, является основой нового способа возбуждения вибраций и используется в вибрационных машинах с регулируемым воздействием. Поиск аналогичных процессов самоорганизации в других классах открытых неравновесных систем, как нам кажется, обещает быть успешным: механизм действия лазера, рост кристаллов, химические часы (реакция Белоусова — Жаботинского), формирование живого организма, динамика популяций, рыночная экономика, наконец, в которой хаотичные действия миллионов свободных индивидов приводят к образованию устойчивых и 146

а б Рис. 9. Некоторые проявления механизма вибрационного смещения и искривления траектории движения инструмента в обрабатываемом отверстии: а) управление величиной увода оси и разбивки отверстий (l1 — разбивка отверстия; l2 — увод оси отверстия; l3 — нарастающая разбивка отверстия); б) управление величиной и интенсивностью ″зенитного″ и ″азимутального″ увода оси отверстия

сложных макроструктур — все это примеры самоорганизации систем самой различной природы. Синергетическая интерпретация такого рода явлений открывает новые возможности и направления их изучения. Синергетика родом из физических дисциплин — термодинамики, радиофизики. Но ее идеи носят междисциплинарный характер. Они подводят базу под совершающийся в естествознании глобальный эволюционный синтез. Поэтому в синергетике видят одну из важнейших составляющих современной научной картины мира. Физика XX в. сначала изменила отношение к тому, что считать материей и как она соотносится с пространством и временем, а в конце XX в. поновому взглянула на процесс развития. Развитие понимается в синергетике как процесс становления качественно нового, того, что еще не существовало в природе и предсказать которое невозможно [12]. В начале XXI в. наука подошла к тому, чем всегда занималась мифология — к вопросу о происхождении мира и материи. Кибернетика решает проблему рождения разума, синергетика — проблему рождения материи. Механизм, который ею предлагается, — это спонтанная флуктуация, событие в точке бифуркации, экспоненциальный процесс до определенного момента. Синергетика убедительно показывает, что даже в неорганической природе существуют классы систем, способных к самоорганизации. История развития природы — это история образования все более и более сложных нелинейных 147

систем. Такие системы и обеспечивают всеобщую эволюцию природы на всех уровнях ее организации — от низших и простейших к высшим и сложнейшим (человек, общество, культура)[12]. Вопросы для повторения 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.

Какие системы называются простыми, а какие сложными? Что изучает кибернетика? Что такое функциональный подход? Что изучает синергетика? Чем отличаются закрытые системы от открытых? Что такое энтропия? Что такое диссипация, флуктуация? Как синергетика объясняет эволюцию? Библиографический список

1. Винер, Н. Кибернетика / Н. Винер. — М.: Мир, 1968. 2. Лакирев, С.Г. Вибрационная механика процессов сверления — бурения и новые динамические эффекты / С.Г. Лакирев, Я.М. Хилькевич, С.В. Сергеев. — Челябинск: ЧГТУ, 1993. 3. Лолаев, Т.П. О "механизме" течения времени / Т.П. Лолаев // Вопросы философии. — 1996. — № 1. 4. Молчанов, Ю.Б. Четыре концепции времени в философии и физике / Ю.Б. Молчанов. — М.: Наука, 1977. 5. Панченко, А.И. Философия. Физика. Микромир / А.И. Панченко. — М.: Мысль, 1988. 6. Поплавский, Р.П. Термодинамика информационных процессов / Р.П. Поплавский. — М.: Наука, 1981. 7. Пригожин, И. Порядок из хаоса / И. Пригожин, И. Стенгерс. — М.: Мир, 1986. 8. Сергеев, С.В. Повышение эффективности вибрационных процессов при механической обработке различных материалов: монография / С.В. Сергеев. — Челябинск: Изд. ЮУрГУ, 2004. — 262 с. 9. А.с. 1537398 СССР. МКИ В 23 В 35/00 Способ обработки отверстий с криволинейной осью / С. Г. Лакирев, Я. М. Хилькевич, С. В. Сергеев. — №4324358/31-08; заявл. 02.11.87; опубл., Бюл. №3. 10. А.с. 1710213 СССР. МКИ В 23 В 35/00 Способ обработки отверстий мерным многолезвийным инструментом / С. Г. Лакирев, Я. М. Хилькевич, С. В. Сергеев. — №4179854/63; заявл. 12.01.87; опубл., Бюл. №5. 11. Хакен, Г. Синергетика / Г. Хакен. — М.: Мир, 1980. 12. Чолпан, П.Ф. Курс физики: Методологические и философские вопросы. / П.Ф. Чолпан. — Киев: Вища школа, 1990.

148

Глава 10. ХИМИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ. ВЕЛИКИЕ ХИМИЧЕСКИЕ ОТКРЫТИЯ 10.1. Взаимосвязь естественных наук. Уровни организации материи Наши знания о природе накапливаются и развиваются не хаотично, а в строгой последовательности, обусловленной иерархией уровней организации материи [1]. Природа едина по своей сути и деление знаний о ней на отдельные естественные дисциплины, например, химию или физику, часто бывает достаточно условным: физические идеи находят свое отражение в объяснении химических процессов, а изучение химических превращений веществ друг в друга приводят физиков к открытию новых физических закономерностей и явлений (например, открытию высокотемпературной сверхпроводимости или открытию солитонов). Это обусловлено, прежде всего, существованием общего для химиков и физиков объекта исследования — вещества. Но есть и существенные различия между этими двумя науками: во-первых, круг объектов исследования физики по сравнению с химией более широк — от микромира до масштабов Вселенной; во-вторых, законы физики более универсальны и применимы к целому ряду природных явлений. Об этом свидетельствует развитие большого количества смежных с ней наук — физической химии, геофизики, биофизики, астрофизики и т.д. В этих науках ученые пытаются объяснить химические, биологические и все прочие природные явления и процессы с точки зрения основных физических законов. И действительно, представим себе, как бы прекрасно жилось человечеству, если бы весь мир описывался элементарными физическими закономерностями. Но мы знаем, как на самом деле непросто устроена единственная самая простая живая клетка с ее уникальной клеточной мембраной, избирательной для разных ионов, с разнообразными клеточными органеллами, безукоризненно обеспечивающими ее жизнедеятельность и с загадочным "мозговым центром" клетки — клеточным ядром, содержащим хромосомы. При этом следует учитывать и тот факт, что каждую секунду в живой клетке все изменяется — происходит обмен веществ и обмен энергией с окружающей средой, меняется цикл жизнедеятельности клетки: она стареет, или, напротив, готовится к синтезу белка, взаимодействует с другими клетками и т.д. Совершенно очевидно, что для того, чтобы исследовать такие сложные процессы, следует сначала просто описать, удостовериться в их истинности и повторяемости. Описанием явлений и процессов природы занимаются феноменологические науки (от греч. "феномен" — явление). Целью таких знаний является описание природных явлений на макроскопическом уровне, т.е. на уровне, доступном восприятию органами чувств человека. Однако, современная экспериментальная наука, использующая разнообразные методы исследования и новейшее оборудование: электронные микроскопы — томографы, высокоразрешимую спектроскопическую аппаратуру, включая 149

рентгеноспектральную, и другие современные методы исследования, позволяет значительно углубиться внутрь изучаемого предмета — "спуститься" с макроуровня на микроуровни. Для того чтобы понять, что скрывается под понятием микроуровни, рассмотрим, например, процесс деления живой клетки с точки зрения различных естественных наук. Каждой из них соответствует свой уровень познания этого явления. С этой целью выясним, что могут объяснить ученые, работающие в различных областях естественных наук над одной и той же проблемой — митозом1 живой клетки. "Что происходит с клеткой в данный момент?" — спросите вы у биолога. "Клетка делится на две", — ответит он. "При этом происходит разделение хромосом", — уточнит эмбриолог, изучающий данный процесс при помощи электронного микроскопа. "А что при этом изменяется на молекулярном уровне в этой самой хромосоме?", — говорите вы. "А вот что", — говорит молекулярный биолог, который пытается объяснить сложные биологические процессы, прибегая к знаниям о структуре и взаимодействии биологически важных макромолекул, участвующих в процессе деления клетки — ДНК, РНК, белков, липидов и их надмолекулярных комплексов. "Если в этом процессе задействованы макромолекулы, то, наверное, они могут вступать в химические взаимодействия друг с другом и с более легкими молекулами, которые их окружают", — поясняет вам ученый-биохимик, который уже смоделировал часть этот процесса в лабораторных условиях. Но ведь все молекулы состоят из атомов, поэтому физик объясняет вам, почему именно эти молекулы взаимодействовали друг с другом. Затем математик с помощью математической модели описывает этот процесс. Так, на простом примере мы убеждаемся в том, что один и тот же феномен природы может быть объяснен с позиций разных естественных наук. Эти позиции не противоречат друг другу, а напротив, дополняют друг друга, где-то пересекаются друг с другом, создавая полную картину одного события. Как видим, причина для проведения исследования всеми этими разными науками в данном случае одна — это общее для всех само природное событие, явление — деление живой клетки. Но каково многообразие микроуровней, на которых можно исследовать это одно явление с точки зрения современного естествознания! На этом примере мы также убеждаемся в существовании некой иерархии знаний, когда сложные явления и процессы описываются с точки зрения более простых и знакомых. Отсюда становится ясной схема связей физических, химических и биологических наук: ФИЗИКА –––> ХИМИЯ –––> БИОЛОГИЯ. Но эта связь не является чисто механической, придуманной кем-то, схемой, она отражает иерархию организации материи [2], которая действительно существует в природе:

1

Митоз — процесс деления клетки живого организма. 150

ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ –––> АТОМ –––> МОЛЕКУЛА –––> МАКРОМОЛЕКУЛА –––> НАДМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ –––> ОРГАНЕЛЛЫ КЛЕТКИ –––> ЖИВАЯ КЛЕТКА. Учёные установили, что многие химические свойства веществ можно объяснить, прибегая к законам физики. Однако так бывает не всегда. На заре зарождения физики и химии они существовали отдельно. Каждая из них развивалась по своему определённому пути. Тем более значительными кажутся гениальные открытия, которые способствовали взаимопроникновению наук друг в друга, устанавливали взаимосвязь между физическими и химическими свойствами элементов. 10.2. Основная проблема химии как науки Вся история развития химии является закономерным процессом смены способов решения её основной проблемы — получения веществ с требуемыми свойствами.. По мере развития науки изменялись представления об организации материи, составе веществ, структуре молекул, были получены новые данные о самих химических процессах, что, конечно же, в корне изменяло и способы синтеза новых соединений, и методы исследования их свойств [3]. Д. И. Менделеев называл химию "наукой о химических элементах и их соединениях". В одних учебниках химию определяют как "науку о веществах и их превращениях", в других — как "науку, изучающую процессы качественного превращения веществ" и т.д. Все эти определения по-своему хороши, но они не учитывают тот факт, что химия является не просто суммой знаний о веществах, а упорядоченной, постоянно развивающейся системой знаний, имеющей определенное социальное назначение и свое место в ряду других наук. Химия как наука с момента своего зарождения ставила перед собой весьма практические цели, и с тех пор она всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ, по возможности, все необходимые металлы и керамику, известь и цемент, стекло и бетон, красители и лекарства, взрывчатые вещества и горючесмазочные материалы, каучук и пластмассы, химические волокна и материалы для электроники с заданными свойствами. Поэтому все химические знания, которые были приобретены в течение многих веков подчинены единственной главной задаче химии — задаче получения веществ с необходимыми свойствами. Но это задача не научная, а скорее производственная. Действительно, химия как никакая другая естественная наука тесно связана с производством новых веществ. Вспомним о самых первых попытках средневековых химиков (точнее алхимиков) добыть драгоценные металлы из доступных природных соединений. Эти попытки были безуспешными, но зато, сколько новых простых и сложных химических веществ было попутно открыто! Практическая задача — получение золота и платины — стимулировала поиск новых веществ, их синтез и, трансформировавшись, расширяла горизонты 151

представлений о многообразии веществ, существующих в мире. Исследование же химических и физических свойств искусственно синтезируемых веществ ставили перед учеными уже вполне научную задачу — от каких факторов зависят свойства получаемых веществ и возможно ли заранее предугадать свойства этих соединений. Итак, основная двуединая проблема химии — это: 1) получение веществ с заданными свойствами — производственная задача; 2) выявление способов управления свойствами вещества — задача научного исследования. Решение этой проблемы связано прежде всего с наличием всего четырех основных природных факторов, от которых зависят свойства получаемых веществ: 1) состав вещества (элементарный, молекулярный); 2) структура молекул; 3) термодинамические и кинетические условия химической реакции, в процессе которой это вещество получается; 4) уровень организации вещества. Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился во второй половине XVII в. в работах английского ученого Роберта Бойля [4]. Его исследования показали, что качества и свойства тела не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. С этого момента стали считать, что наименьшей частицей простого тела является молекула. В период с середины XVII в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой часть химии. Монопольное положение учения о составе вещества сохранялось до 30-х гг. XIX столетия. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения, их качественное разнообразие потрясающе велико — сотни тысяч химических соединений, а состав их крайне однообразен — лишь несколько элементов-органогенов (углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор), из которых эти соединения состоят. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном их элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия "изомерия" и "полимерия". Стало совершенно ясно, что свойства веществ, а следовательно, и их качественное разнообразие обусловливаются не только составом, но еще и структурой молекул. Появилось новое решение проблемы генезиса свойств, а также разграничились сами понятия "свойство" и "функция" или реакционная способность. В понятие "реакционная способность" включались представления о химической активности отдельных фрагментов молекулы — атомов, атомных групп и даже отдельных химических связей. 152

Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии. Она стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе, включая его в себя. На втором уровне своего развития химия превратилась из науки преимущественно аналитической в науку главным образом синтетическую. Этот период связан с развитием химии органического синтеза. В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. Для этого все материалы добывались в ограниченных масштабах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного труда. Но изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резкие изменения свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость химических процессов. Под влиянием новых требований производства возник третий способ решения проблемы генезиса свойств, учитывающий всю сложность организации химических процессов в реакторах и обеспечивающий их экономически приемлемую производительность. После этого химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила многотоннажное производство синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пищевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучуков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений — на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы. Так, еще в 1935 г. все 100% таких материалов, как кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт, производились всецело из животного и растительного сырья, в том числе из пищевого. На это расходовались десятки миллионов тонн зерна, картофеля, жиров, сырой кожи и т. д. А уже в 60-е гг. прошлого столетия 100% технического спирта, 80% моющих средств, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука и около 25% кожевенных материалов изготовлялись на основе газового и нефтяного сырья. Помимо этого, химия дает ежегодно 153

сотни тысяч тонн мочевины и нефтяного белка в качестве корма скоту и около 200 миллионов тонн удобрений [5, 6]. Но и эти возможности еще далеко не предел. В 60–70-е гг. прошлого столетия появился четвертый способ решения основной проблемы химии, открывающий пути использования в производстве материалов самые высокоорганизованные химические системы, какие только возможны в настоящее время [7]. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения необходимых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, то есть к самоорганизации химических систем. В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Это — своеобразная биологизация химии. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Например, безотходные биохимические реакторы, успешно внедряемые в 2001–2002 гг. в сельских районах Омской области. Так, мы с вами видим четыре уровня развития химических знаний, или, как принято говорить, четыре концептуальные системы, находящиеся в отношениях иерархии [8]. На основе системы химических наук складывается химическая картина мира – взгляд на природу с точки зрения химии, определяющий при этом место и роль химических объектов и процессов во всем реальном природном многообразии. Ее содержанием является: 1) обобщенное знание данной эпохи о том, что представляют собой объекты живой и неживой природы со стороны их химического содержания. Сюда входит учение о многообразии частиц вещества, о его химической организации; 2) представление о происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции; 3) зависимость химических свойств природных объектов от их структуры; 4) Общие закономерности природных процессов как процессов химического движения (взаимодействие реагирующих веществ друг с другом и с окружающей средой); 5) знание о специфических объектах, синтезируемых в практической деятельности химика. Уровни развития химических знаний Процесс зарождения и формирования химии как науки был длительным во времени, сложным и противоречивым по содержанию. Истоки химических знаний находятся в глубокой древности. В их основе лежит потребность человека получить необходимые вещества для своей жизнедеятельности. Для этого нужно было научиться производить из одних веществ другие, с заданными свойствами, то есть осуществлять их качественные превращения [9]. 154

Происхождение названия "khemeia" (химия) не выяснено до сих пор, хотя по этому вопросу существует несколько версий. Согласно одной из них, это название произошло от египетского слова "хеми", что означало Египет, а также "черный". Историки науки переводят этот термин также как "египетское искусство". Таким образом, в этой версии слово химия означает искусство производить необходимые вещества, в том числе и искусство превращать обыкновенные металлы в золото и серебро или их сплавы [10]. Однако в настоящее время более популярно другое объяснение. Некоторые ученые полагают, что слово "химия" произошло от греческого термина "химос", который можно перевести как "сок растений". Поэтому "химия" означает "искусство получения соков", но сок, о котором идет речь, может быть и расплавленным металлом. Так что химия может означать и "искусство металлургии". История химии показывает, что ее развитие происходило неравномерно: периоды накопления и систематизации данных эмпирических опытов и наблюдений сменялись периодами открытия и бурного обсуждения фундаментальных законов и теорий. Последовательное чередование таких периодов позволяет разделить историю химической науки на несколько этапов. 1. Период алхимии — с древности до XVI в. нашей эры. Он характеризуется поисками философского камня, эликсира долголетия, алкагеста (универсального растворителя). Кроме того, в алхимический период почти во всех культурах практиковалось "превращение" неблагородных металлов в золото или серебро, но все эти "превращения" у каждого народа осуществлялись самыми разными способами. 2. Период зарождения научной химии, который продолжался в течение XVI–XVIII вв. На этом этапе были созданы теории Парацельса, теории газов Бойля, Кавендиша и др., теория флогистона Г. Шталя и, наконец, теория химических элементов Лавуазье. В течение этого периода совершенствовалась прикладная химия, связанная с развитием металлургии, производства стекла и фарфора, искусства перегонки жидкостей и т.д. К концу XVIII в. произошло упрочение химии как науки, независимой от других естественных наук. 3. Период открытия основных законов химии охватывает первые шестьдесят лет XIX в. и характеризуется возникновением и развитием атомной теории Дальтона, атомно-молекулярной теории Авогадро, установлением Берцелиусом атомных весов элементов и формированием основных понятий химии: атом, молекула и др. 4. Современный период длится с 60-х гг. XIX в. до наших дней. Это наиболее плодотворный период развития химии, так как в течение немногим более 100 лет были разработаны периодическая классификация элементов, теория валентности, теория ароматических соединений и стереохимия, теория электролитической диссоциации Аррениуса, электронная теория материи и т.д. 155

Вместе с тем в этот период значительно расширился диапазон химических исследований. Такие составные части химии, как неорганическая химия, органическая химия, физическая химия, фармацевтическая химия, химия пищевых продуктов, агрохимия, геохимия, биохимия и т.д. приобрели статус самостоятельных наук и собственную теоретическую базу. 10.3. Алхимия Традиционно алхимия считалась псевдонаукой, или знанием, полным мистики и тайн. Целью ее были поиски философского камня, создание эликсира долголетия и открытие способов превращения металлов в золото и серебро. При таком понимании алхимии изучение ее в курсе истории науки представляется весьма сомнительным. Но такая оценка алхимии является, на наш взгляд, односторонней. Дело в том, что в течение своей многовековой истории алхимики в процессе проводимых ими исследований решали многие практически важные задачи. В течение алхимического периода были получены сведения о многих процессах и открыты различные методы производства продуктов, пользовавшихся большим спросом. Алхимики, хотя и не смогли найти философский камень, сделали столько открытий, наблюдали столько реакций, что это способствовало становлению новой науки. Именно алхимики в поисках философского камня заложили фундамент для создания химии [10]. Наивысшего развития алхимия достигла в трех основных своих типах: греко-египетском, арабском и западно-европейском. Выделение этих типов в структуре алхимических исследований обусловлено, прежде всего, особым пониманием целей и предмета в каждом из них. Древнегреческие философы ионийской школы (Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит), выдвигая идею о единстве всего сущего, в то же время разъединяли религию и естествознание. Египтяне же, блестяще владея прикладной химией, тем не менее, не выделяли ее в самостоятельную область знаний. Химия в Древнем Египте входила в "священное тайное искусство" жрецов. Обработка и подделка благородных камней, бальзамирование трупов и другие, в общем-то совершенно не таинственные, операции сопровождались молитвами, заклинаниями. Покровителем химии египтяне считали птицеголового бога Озириса. Познания египтян в прикладной химии поразили греков, и, перенимая их конкретные знания, греки восприняли многое и из мистики. (Они даже отождествили Озириса с греческим богом Гермесом.) Поэтому слияние прикладной химии египтян с греческой натурфилософией в принципе оказалось не столь плодотворным. Первым значительным представителем греко-египетского khemeia, имя которого дошло и до нас, был Болос из Менде (ок. 200 г. до н. э.), города в дельте Нила. В своих работах Болос использовал имя Демокрита, и поэтому его называют "Болос-Демокрит" или иногда "Псевдо-Демокрит". Болос посвятил себя одной из важнейших задач khemeia — превращению одного 156

металла в другой, и в частности превращению свинца или железа в золото (трансмутация). На протяжении столетий химики самозабвенно старались отыскать способ получения золота. Некоторые из них пришли к выводу, что проще и выгоднее сделать вид, что это им удалось, так как это давало власть и создавало репутацию. Подобные мошенничества продолжались вплоть до нового времени, но мы не будем касаться этой стороны khemeia. Болос в своих работах приводил подробные описания методов получения золота, но это не было мошенничеством. Можно, например, сплавить медь с металлическим цинком и получить латунь — сплав желтого цвета, т. е. цвета золота. Весьма вероятно, что для древних исследователей изготовление металла цвета золота и означало изготовление самого золота. Однако в эпоху Древнего Рима общий упадок греческой культуры сказался и на искусстве khemeia. После 100 г. н. э. к старым знаниям фактически перестали добавляться новые, зато работы старых авторов все чаще и чаще стали истолковываться в мистическом духе. Например, приблизительно в 300 г. н. э. египтянин Зосима написал энциклопедию — 28 книг, которые охватывали все знания пo khemeia, собранные за предыдущие пять или шесть веков. Ценность этой энциклопедии не слишком велика. Конечно, в ней можно найти любопытные сведения, в частности, о мышьяке. Зосима описал методы получения ацетата свинца; он указал, что у этого ядовитого соединения сладковатый вкус (название "свинцовый сахар" дошло до наших дней). Окончательный удар khemeia нанес страх. Римский император Диоклетиан боялся, что получение дешевого золота окончательно подорвет шаткую экономику разваливающейся империи. Он приказал уничтожить труды по khemeia, и это одна из причин того, почему их так мало дошло до наших дней. Другой причиной было распространение христианства. "Языческие знания" стали не популярны, а искусство khemeia, тесно связанное с древней египетской религией, казалось особенно подозрительным, и вскоре оно фактически стало нелегальным. Арабская алхимия В VII в. на мировой арене появились арабы [10]. В 641 г. н. э. они вторглись в Египет и вскоре заняли всю страну. Подражая древним египетским фараонам, арабские халифы стали покровительствовать наукам. К концу VIII в. в арабском мире появились химики. Арабы преобразовали египетское слово хеми в аль-химия. Европейцы позднее заимствовали это слово у арабов и в результате в европейских языках появились термины "алхимия" и "алхимик". Самым талантливым и прославленным арабским алхимиком был Джабир ибн Хайям (721–815), ставший известным в Европе позднее под именем Гебер. После себя он оставил многочисленные труды, в которых описал 157

нашатырный спирт, технологию приготовления свинцовых белил, способ перегонки уксуса для получения уксусной кислоты. Однако основным предметом его исследований стало изучение возможности трансмутации металлов, и эти его исследования оказали сильнейшее влияние на последующие поколения арабских алхимиков. Джабир полагал, что ртуть является наиболее чистым из всех металлов, так как благодаря своей жидкой форме, она содержит очень мало примесей. Столь же необычными свойствами обладает и сера: она способна самостоятельно воспламеняться. При этом он считал, что более чистым металлом является тот, который содержит больше ртути, а менее чистым тот, который содержит больше серы. Среди арабских алхимиков вообще существовало глубокое убеждение, что более прочные, блестящие и ковкие металлы содержат больше ртути, а металлы, легче подвергающиеся изменению, содержат больше серы. Основополагающая идея теории Джабира заключалась в том, что все семь основных металлов образуются из смеси ртути и серы. Труднее всего образуется золото — наиболее совершенный металл. Чтобы осуществить превращение одного металла в другой, необходимо было согласно этой теории иметь некое "лекарство", которое вызывает превращение неблагородных металлов в благородные, ускоряет "созревание" золота. В старинных рукописях говорилось, что это вещество представляет собой сухой порошок, камень, великий эликсир, "магистерий". Греки называли его ксерион, а арабы изменили это название на аль-иксир, и в конце концов в европейских языках появилось слово эликсир. В Европе это удивительное вещество получило название философского камня. Эликсир должен был обладать многими чудесными свойствами: излечивать от всех болезней, давать бессмертие, а самое главное — превращать неблагородные металлы в серебро и золото. Другой арабский алхимик Ар-Рази (865–925), ставший известным в Европе под именем Разес, занимался медициной и алхимией. Он завоевал почти такую же известность, как и Джабир. Ар-Рази описал методику приготовления гипса и способа наложения гипсовой повязки для фиксации сломанной кости. Он изучил и описал металлическую сурьму. Джабир рассматривал серу как принцип горючести, ртуть как принцип металличности, Ар-Рази добавил к этим двум принципам третий — принцип твердости, или соль. Летучая ртуть и воспламеняющаяся сера образовывали твердые вещества только в присутствии третьего компонента — соли. Ар-Рази интересовался медициной больше, чем Джабир, но самым знаменитым врачом был бухарец Ибн-Сина (980–1037) гораздо более известный под латинизированным именем Авиценна. Его сочинения служили важнейшими руководствами для врачей в течение многих веков. Авиценна единственный из алхимиков не верил в возможность получения золота из других металлов.

158

Западноевропейская алхимия Появление алхимии на Западе стало возможным, прежде всего, благодаря крестовым походам [10]. Тогда европейцы позаимствовали у арабов многие научно-практические знания и среди них алхимию, которая получила быстрое распространение и способствовала расширению знаний о препаратах, необходимых в медицине. Европейская алхимия находилась в этот период под покровительством астрологии и поэтому приобрела характер тайной науки. Политические условия, сложившиеся в средневековой Европе, и острое соперничество многочисленных королевских дворов благоприятствовали развитию алхимии. В период с XI до XVI вв., то есть в течение пяти веков, западная алхимия дала много крупных мыслителей, оставивших глубокий след в развитии химии. Несмотря на сопротивление арабов, не желавших передавать столь ценные труды своему заклятому врагу, начались попытки перевода этих трудов на латинский язык. Этому начинанию всячески способствовал французский ученый Герберт (ок. 940–1003), который в 999 г. стал папой Сильвестром I I. Английский ученый Роберт из Честера был среди тех, кто первым перевел (ок.1144) арабские труды по алхимии на латинский язык. У него нашлось немало последователей. Лучшим переводчиком был итальянец Герард Кремонский (ок. 1114–1187). Большую часть своей жизни он провел в испанском городе Толедо, который был отвоеван христианами в 1085 г., и перевел с арабского языка 92 трактата. Начиная с 1200 г. европейские ученые могли, близко познакомившись с наследием алхимиков прошлого, попытаться вновь двинуться вперед по тернистому пути познания. Первым видным европейским алхимиком был Альберт Больштедский (ок. 1193–1280), более известный как Альбертус Магнус (Альберт Великий). Он тщательно изучил работы Аристотеля, и именно благодаря ему философия Аристотеля приобрела особое значение для ученых позднего средневековья и начала Нового Времени. Альберт Великий в описаниях своих алхимических опытов дает настолько точную характеристику мышьяку, что ему иногда приписывают открытие этого вещества, хотя, по крайней мере, в примесях, мышьяк был известен алхимикам и до него. Имя самого видного из средневековых алхимиков осталось неизвестным; он подписывал свои труды именем Джабира, арабского алхимика, жившего за шесть веков до него. Этот "Псевдо-Джабир" был, вероятно, испанцем и жил в XIV в. Псевдо-Джабир первым описал серную кислоту — одно из самых важных соединений сегодняшней химии (после воды, воздуха, угля и нефти). Он также описал, как образуется сильная азотная кислота. Серную и сильную азотную кислоты получали из минералов, в то время как все ранее известные кислоты, например, уксусную кислоту, получали из веществ растительного или животного происхождения. 159

Открытие сильных минеральных кислот было самым важным достижением химии после успешного получения железа из руды примерно за 3000 лет до того. Используя сильные минеральные кислоты, европейские химики смогли осуществить многие новые реакции и смогли растворить такие вещества, которые древние греки и арабы считали нерастворимыми (у греков и арабов самой сильной кислотой была уксусная). Минеральные кислоты дали человечеству гораздо больше, чем могло бы дать золото, если бы его научились получать трансмутацией. Если бы золото перестало быть редким металлом, оно мгновенно бы обесценилось. Ценность же минеральных кислот тем выше, чем они дешевле и доступнее. Но, увы, такова человеческая природа — открытие минеральных кислот не произвело впечатления, а поиски золота продолжались. Шло время, и алхимия после многообещающего начала стала вырождаться в третий раз (в первый раз у греков, второй — у арабов). Поиск золота стал делом многих мошенников, хотя и великие ученые даже в просвещенном XVII в. (например, Бойль и Ньютон) не могли устоять от соблазна попытаться добиться успеха на этом поприще. И вновь изучение алхимии было запрещено. Запрещение преследовало две цели: нельзя было допустить обесценивания золота и необходимо было бороться против мошенничества. От алхимии к научной химии Становление химии как науки в преддверии XVI в. обусловлено обновлением европейской культуры, возникновением новых видов промышленного производства, расширением торговых отношений, а также многими другими факторами прогресса, которые проявились в Западной Европе. Эти изменения направили научные исследования на новые пути [4]. Химия также испытала на себе влияние новых условий жизни и, отделившись от старой алхимии, приобрела довольно большую свободу исследования. В результате этой свободы химия сделала новые шаги как самостоятельная наука, сформировала современный взгляд на цели и задачи химических исследований, утвердилась как единая и независимая наука. Этому предшествовали работы, выполненные алхимиками в области минералогии и медицине. Так совершенно иное понимание задач химии наметилось в работах двух современников врачей — немца Георга Бауэра (1494–1555) и швейцарца Теофраста Бомбаста фон Гогенгейма (1493–1541) [10]. Бауэр, более известный под именем Агриколы (что в переводе с латинского означает "крестьянин"), интересовался минералогией и ее возможной связью с медициной. Попытки обнаружить такую связь (как и сочетание врач-минералог) вообще характерны для химии того периода и последующих двух с половиной столетий. В своей книге "О металлургии", изданной в 160

1556 г., Агрикола систематизировал практические знания, почерпнутые им у современных ему рудокопов. Эта книга, написанная понятным языком, с прекрасными иллюстрациями шахтных устройств сразу же стала популярной и считается классической работой и в наше время. Это самая значительная работа по химической технологии, появившаяся до 1700 г., со времени ее издания минералогия была признана как наука. Самой ценной книгой по металлургии и общей прикладной химии до Агриколы считали труд монаха Теофила, вероятнее всего грека, жившего примерно в X в. Фон Гогенгейм вошел в историю основателем ятрохимии (приготовление лекарств) под выбранным им самим именем Парацельс, т.е. "превосходящий Цельса". Цельс — древнеримский ученый, писавший о медицине. Ятрохимия выражала стремление соединить медицину с химией, переоценивая при этом роль химических превращений в организме и приписывая определенным химическим соединениям способность устранять в организме нарушения равновесия. Парацельс свято верил, что если человеческое тело состоит из особых веществ, то происходящие в них изменения должны вызывать болезни, которые могут быть излечены лишь путем применения лекарств, восстанавливающих нормальное химическое равновесие. До Парацельса в качестве лекарств использовались преимущественно растительные препараты, но он полагался только на эффективность лекарственных средств, изготовленных из минералов, и поэтому стремился создавать лекарства такого типа. В своих химических изысканиях Парацельс заимствовал из алхимической традиции учение о трех основных составных частях материи — ртути, сере и соли, которым соответствуют основные свойства материи: летучесть, горючесть и твердость. Эти три элемента составляют основу макрокосма (вселенной), но относятся и к микрокосму (человеку), состоящему из духа, души и тела. Определяя причины болезней, Парацельс утверждал, что лихорадка и чума происходят от избытка в организме серы, при избытке ртути наступают параличи, а избыток соли может вызвать расстройство желудка и водянку. Точно также и причины многих других болезней он приписывал избытку или недостатку этих трех основных элементов. В сохранении здоровья человека Парацельс придавал большое значение химии, так как исходил из наблюдения, что медицина покоится на четырех опорах, а именно на философии, астрологии, химии и добродетели. Химия должна развиваться в согласии с медициной, потому что этот союз приведет к прогрессу обеих наук. Ятрохимия принесла значительную пользу химии, так как способствовала освобождению ее от влияния алхимии и существенно расширила знания о жизненно важных соединениях, оказав тем самым благотворное влияние и на фармацию. Но одновременно ятрохимия была и помехой для развития химии, потому что сужала поле ее исследований. По этой причине в XVII и XVIII вв. целый ряд исследователей отказались от принципов ятрохимии и 161

избрали иной путь своих исследований, внедряя химию в жизнь и ставя ее на службу человеку. Именно эти исследователи своими открытиями способствовали созданию первых научных химических теорий. 10.4. Теория флогистона Научный интерес фламандского врача Яна Баптиста Ван Гельмонта (1579–1644) к газам и особенно к воздуху, позволил ему обнаружить схожесть воздуха с парами, образующимися при горении дерева [10]. Эти воздухоподобные вещества, не имеющие постоянного объёма или формы, напомнили Ван Гельмонту греческий "хаос" — вещество первоздания, бесформенное и беспорядочное, из которого (согласно древнегреческой мифологии) был создан космос. Ван Гельмонт назвал эти пары "хаосом", но, согласно фламандскому фонетическому строю, это слово произносится как газ. Так называют подобные воздуху вещества и в наше время. Газ, полученный при горении дерева и изученный им с особой тщательностью, он назвал "лесной газ" (gas sylvestre). Сегодня мы называем этот газ диоксидом углерода. При изучении газов как простейшей формы материи впервые была использована техника точных измерений, т. е. количественного исследования явлений, которая и послужила столбовой дорогой в мир современной химии. В семнадцатом столетии началось бурное развитие механики, которое оказалось плодотворным и для химии. Развитие механики привело к созданию паровой машины и положило начало промышленной революции. Человек получил машину, которая, казалось, может делать всю тяжелую работу на свете. Но использование огня в паровой машине возродило у химиков интерес к процессу горения. Почему одни предметы горят, а другие не горят? Что представляет собой процесс горения? В 1669 г. немецкий химик Иоганн Бехер попытался дать рациональное объяснение явлению горючести. Он предположил, что твердые вещества состоят из трех видов "земли", и один из этих видов, названный им "жирная земля", служит горючим веществом. Все эти объяснения не отвечали на вопрос о сущности процесса горения, но они стали отправной точкой для создания единой теории, известной под названием теории флогистона. Основоположником теории флогистона считается немецкий врач и химик Георг Шталь, который постарался последовательно развить идеи Бехера о "жирной земле", но в отличие от Бехера Шталь вместо понятия "жирная земля" ввел понятие "флогистона" — от греческого "флогистос" — горючий, воспламеняющийся. Термин "флогистон" получил большое распространение благодаря работам самого Шталя и потому, что его теория объединила многочисленные сведения о горении и обжигании. 162

Теория флогистона основана на убеждении, что все горючие вещества богаты особым горючим веществом — флогистоном и чем больше флогистона содержит данное тело, тем более оно способно к горению. То, что остается после завершения процесса горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Шталь утверждает, что расплавление металлов подобно горению дерева. Металлы, по его мнению, тоже содержат флогистон, но, теряя его, превращаются в известь, ржавчину или окалину. Однако, если к этим остаткам опять добавить флогистон, то вновь можно получить металлы. При нагревании этих веществ с углем металл "возрождается". Такое понимание процесса плавления позволило дать приемлемое объяснение и процессу превращение руд в металлы — первому теоретическому открытию в области химии. Объяснение Шталя состояло в следующем. Руда, содержание флогистона в которой мало, нагревается на древесном угле, весьма богатом флогистоном. Флогистон при этом переходит из древесного угля в руду, в результате чего древесный уголь превращается в золу, бедную флогистоном, а руда превращается в металл, богатый флогистоном. Теория флогистона Шталя на первых порах встретила резкую критику, но при этом быстро начала завоевывать популярность и во второй половине XVII в. была принята химиками повсеместно, так как позволила дать четкие ответы на многие вопросы. Однако один вопрос ни Шталь, ни его последователи разрешить не смогли. Дело в том, что большинство горючих веществ (дерево, бумага, жир) при горении в значительной степени исчезали. Оставшиеся зола и сажа были намного легче, чем исходное вещество. Но химикам XVIII в. эта проблема не казалась важной, они еще не сознавали важность точных измерений и изменением в весе они пренебрегали. Теория флогистона объясняла причины изменения внешнего вида и свойств веществ, а изменения веса были не важны. Размышляя над причинами изменения веса веществ в процессе горения, исследователи принимали в расчет только твердые тела и жидкости. Понятно, что зола легче дерева, так как при горении дерева выделяются пары. Но что это за пары, никто из химиков сказать не мог. Ржавый металл тяжелее исходного металла. Может быть, при ржавлении металл получает что-то из воздуха? Ответа не было. Чтобы ответить на этот и подобные вопросы, химики должны были начать систематическое изучение газов, должны были научиться работать со столь трудно уловимыми веществами. Важный шаг в этом направлении в начале XVIII в. сделал английский ботаник и химик Стивен Гейлс (1677–1761). Он изобрел прибор для собирания газов над водой. Этот прибор известен нам под названием "пневматической ванны". Пары, образующиеся в результате химической реакции, Гейлс отводил через трубку в сосуд с водой, опущенный вверх дном в ванну с водой. Пузырьки газа поднимались в верхнюю часть сосуда и вытесняли оттуда воду. Таким образом, Гейлс собирал газ или газы, образующиеся в результате реакции. Сам Гейлс не идентифицировал собранные газы и не 163

изучал их свойств, однако сконструированный им прибор для собирания газов сыграл важную роль в развитии пневматической химии. Другой важный шаг был сделан шотландским химиком Джозефом Блэком (1728–1799). Диссертация, которая принесла ему степень магистра медицины в 1754 г., была связана с химической проблемой и непосредственно касалась свойств газов, выделяющихся при действии кислот на "мягкие" (углекислые) щелочи. (Во времена Блэка химия и медицина были тесно взаимосвязаны.) Блэк установил, что известковый минерал (карбонат кальция) при нагревании разлагается с выделением газа и образует известь (оксид кальция). Выделяющийся газ можно было вновь соединить с оксидом кальция и вновь получить карбонат кальция. Этот газ (диоксид углерода) был идентичен открытому Ван Гельмонтом "лесному газу", но Блэк назвал его "связанным воздухом", так как этот газ можно было связать и вновь получить твердую субстанцию. Открытие Блэка было важным по ряду причин. Во-первых, он показал, что углекислый газ может образовываться при нагревании минерала подобно тому, как этот газ образуется при горении дерева. Таким образом, была установлена очевидная взаимосвязь между живой и неживой природой. Изучая свойства углекислого газа, Блэк обнаружил, что свеча в нем не горит. Свеча, горящая в закрытом сосуде с обычным воздухом, в конце концов, гаснет, и оставшийся воздух уже не поддерживает горения. Такое явление, конечно же, не казалось беспричинным, поскольку было известно, что при горении свечи образуется углекислый газ. Но когда Блэк абсорбировал углекислый газ, оставшийся воздух, который заведомо не был углекислым газом, горение не поддерживал. Блэк предложил изучить эту проблему одному из своих учеников — шотландскому химику Даниелю Резерфорду (1749–1819). Резерфорд поставил следующий опыт: он держал мышь в ограниченном объеме воздуха до тех пор, пока она не погибла. Затем в оставшемся воздухе он держал горящую свечу, пока она не гасла. В оставшийся после всего этого воздух он поместил горящий фосфор, который горел там очень недолго. Далее Резерфорд пропустил воздух через раствор, способный абсорбировать углекислый газ. В оставшемся в результате воздухе свеча не горела, а мышь гибла. Резерфорд сообщил об этом опыте в 1772 г. Поскольку и Резерфорд, и Блэк были убежденными сторонниками теории флогистона, то, объясняя результаты проведенных ими опытов, они пользовались представлениями этой теории. Пока мыши дышали и пока свечи и фосфор горели, флогистон выделялся и поступал в воздух вместе с образующимся углекислым газом. Воздух, из которого удалили углекислый газ, содержал так много флогистона, что был как бы "пропитан" им. Этот воздух больше принять флогистона уже не мог, и поэтому ни свеча, ни фосфор в нем не горели. В связи с этим Резерфорд назвал выделенный им газ "флогистированным воздухом". Сегодня мы называем его азотом.

164

10.5. Возникновение учения о составе веществ Закон сохранения массы А. Лавуазье К концу XVIII в. был накоплен большой экспериментальный материал, который необходимо было систематизировать в рамках единой теории. Создателем такой теории стал французский химик Антуан-Лоран Лавуазье (1743–1794). С самого начала своей деятельности на поприще химии Лавуазье понял важность точного измерения. Его первая значительная работа (1764) была посвящена изучению состава минерального гипса. Нагревая этот минерал, Лавуазье удалял из него воду и определял количество полученной таким образом воды. Лавуазье принял сторону тех химиков, которые, подобно Блэку и Кавендишу, применяли измерение при изучении химических реакций. Однако Лавуазье использовал более систематический подход, что позволило ему доказать несостоятельность старых теорий, уже не только бесполезных, но и мешавших развитию химии. Вопрос о природе процесса горения интересовал всех химиков XVIII в., и Лавуазье также не мог не заинтересоваться им. Его многочисленные опыты по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах позволили установить, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ остается без изменений. Это позволило ему выдвинуть новую теорию образования металлов и руд. Согласно этой теории, в руде металл соединен с газом. Когда руду нагревают на древесном угле, уголь абсорбирует газ из руды и при этом образуется углекислый газ и металл. Таким образом, в отличие от Шталя, который считал, что плавка металла включает переход флогистона из древесного угля в руду, Лавуазье представляет себе этот процесс как переход газа из руды в уголь. Идея Лавуазье позволяла объяснить причины изменения веса веществ в результате горения. Обдумывая результаты проведенных им опытов, Лавуазье пришел к мысли, что если учитывать все вещества, участвующие в химической реакции и все образующиеся продукты, то изменений в весе никогда не будет. Другими словами, Лавуазье пришел к выводу, что масса никогда не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому. Этот вывод, известный сегодня как закон сохранения массы, стал основой для всего процесса развития химии XIX в. Однако сам Лавуазье был неудовлетворен полученными результатами, так как не понимал, почему при соединении воздуха с металлом образовывалась окалина, а при соединении с деревом — газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а только примерно пятая часть его? Вновь в результате многочисленных опытов и экспериментов Лавуазье пришел к выводу, что воздух является не простым веществом, а смесью двух 165

газов. Одну пятую часть воздуха, по мнению Лавуазье, составляет "дефлогистированный воздух", который соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руд в древесный уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом, то есть порождающим кислоты, так как ошибочно полагал, что кислород — компонент всех кислот. Второй газ, составляющий четыре пятых воздуха ("флогистированный воздух") был признан совершенно самостоятельным веществом. Этот газ не поддерживал горения, и его Лавуазье назвал азотом — безжизненным. Важную роль в исследованиях Лавуазье сыграли результаты опытов английского физика Кавендиша, который доказал, что образующиеся при горении газы конденсируются в жидкость, которая, как показали анализы, является всего-навсего водой. Важность этого открытия была огромной, так как выяснилось, что вода не простое вещество, а продукт соединения двух газов. Лавуазье назвал выделяющийся при горении газ водородом ("образующим воду") и отметил, что водород горит, соединяясь с кислородом, и, следовательно, вода является соединением водорода и кислорода. Новые теории Лавуазье повлекли за собой полную рационализацию химии. Было окончательно покончено со всеми таинственными элементами. С того времени химики стали интересоваться только теми веществами, которые можно было взвесить или измерить каким-либо другим способом. Закон постоянства состава вещества Ж. Пруста Успех Лавуазье показал химикам, что применение количественных измерений может помочь понять суть химических реакций. Метод количественных измерений был использован, в частности, при исследовании кислот [10]. Кислоты образуют естественную группу веществ, обладающих рядом характерных свойств. Они химически активны, реагируют с такими металлами, как цинк, олово или железо, которые при растворении в кислотах выделяют водород. Кислоты имеют кислый вкус, вызывают характерные изменения цветов некоторых красителей и т.д. Кислотам противостоит группа веществ, называемых основаниями. (Сильные основания получили название щелочей.) Эти вещества имеют горький вкус, химически активны, меняют цвета красителей, но на противоположные по сравнению с кислотами и т. д. Растворы кислот нейтрализуют растворы оснований. Другими словами, смесь кислоты и основания, взятых в определенном соотношении, не проявляет свойств ни кислоты, ни основания. Эта смесь представляет собой раствор соли, которая обычно химически значительно менее активна, чем кислота или основание. Таким образом, при смешивании соответствующих количеств растворов сильной и едкой кислоты (соляной кислоты) с сильной и едкой щелочью 166

(гидроксидом натрия) получается раствор хлорида натрия, т. е. обыкновенной поваренной соли. Реакции нейтрализации заинтересовали немецкого химика Иеремию Веньямина Рихтера (1762–1807). Начав их изучение, он измерил точные количества различных кислот, необходимых для нейтрализации определенных количеств того или иного основания и наоборот. Основываясь на результатах многочисленных анализов солей, Рихтер составил ряд нейтрализации, который показывал относительные весовые количества кислот и щелочей, необходимых для нейтрализации. Французский химик Жозеф Луи Пруст (1754–1826), который работал в Испании, с помощью тщательных анализов в 1799 г. показал, например, что карбонат меди характеризуется определенным весовым соотношением меди, углерода и кислорода вне зависимости от того, каким способом эта соль получена в лаборатории или каким способом выделена из природных источников. Соединение всегда содержит 5,3 части меди, 4 части кислорода и 1 часть углерода. Более того, Пруст установил, что постоянство соотношений компонентов наблюдается и в ряде других соединений. Он сформулировал общее правило, согласно которому все соединения содержат элементы в строго определенных пропорциях (а не в любых сочетаниях) вне зависимости от условий получения этих соединений. Это правило называется законом постоянства состава или законом Пруста. Этот факт оспаривали два французских химика, одним из которых был К. Л. Бертолле. В первые годы XIX в. стало совершенно очевидно, что Пруст был прав.

Закон кратных отношений Дж. Дальтона Проблема химического состава веществ была главной в развитии химии вплоть до 1830–1840 гг. В это время мануфактурное производство сменилось машинным, а для последнего была необходима широкая сырьевая база. В промышленном производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. В производстве стали участвовать вещества с различными (часто противоположными) качествами, состоящие лишь из нескольких химических элементов органического происхождения: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснение этому широкому разнообразию органических соединений, возникших на базе ограниченного числа химических элементов, ученые стали искать не только в составе, но и в структуре соединения этих элементов. Кроме того, многочисленные лабораторные эксперименты и опыты убедительно доказывали, что свойства полученных в результате химических реакций веществ зависят не только от элементов, но и от взаимосвязи и взаимодействия элементов в процессе реакции. Поэтому химики стали все 167

больше обращаться к проблеме структуры вещества и взаимодействию составных элементов вещества. Первым ученым, который добился значительных успехов в новом направлении развития химии, стал английский химик Джон Дальтон (1766–1844), который вошел в историю химии как первооткрыватель закона кратных отношений и создатель основ атомной теории. Все свои теоретические выводы он получил на основе сделанного им самим открытия, что два элемента могут соединяться друг с другом в разных соотношениях, но при этом каждая новая комбинация элементов представляет собой новое соединение. Подобно древним атомистам, Дальтон исходил из положения о корпускулярном строении материи, но, основываясь на сформулированном Лавуазье понятии химического элемента, полагал, что все атомы каждого отдельного элемента одинаковы и характеризуются тем, что обладают определенным весом, который он назвал атомным весом. Таким образом, каждый элемент обладает своим атомным весом, но этот вес относителен, так как абсолютный вес атомов определить невозможно. В качестве условной единицы атомного веса элементов Дальтон принимает атомный вес самого легкого из всех элементов – водорода, и сопоставляет с ним вес других элементов. Для экспериментального подтверждения этой идеи необходимо, чтобы элемент соединился с водородом, образуя определенное соединение. Если этого не происходит, то необходимо, чтобы данный элемент соединялся с другим элементом, о котором известно, что он способен соединяться с водородом. Зная вес этого другого элемента относительно водорода, можно всегда найти отношение веса данного элемента к принятому за единицу веса водорода. Рассуждая таким образом, Дальтон составил первую таблицу атомных весов. Эта таблица и была самой важной работой Дальтона, но в ряде аспектов она оказалась ошибочной. Основное заблуждение Дальтона состояло в убеждении, что при образовании молекулы атомы одного элемента соединяются с атомами другого элемента попарно. Хотя уже в то время было накоплено достаточно данных, свидетельствующих о том, что подобное сочетание атомов "один к одному" не является общим правилом. Для того, чтобы атомная теория Дальтона могла получить свой научный статус в химии, надо было объединить ее с молекулярной теорией, которая предполагала существование частиц (молекул), образованных из двух или более атомов и способных в химических реакциях расщепляться на составные атомы. Закон Авогадро Молекулярная теория строения вещества позволила по-новому взглянуть на процессы, происходящие в газовой фазе и дала начало новой науке, стоящей на стыке химии и физики – молекулярной физике. Настоящей сенсацией стало открытие закона Авогадро в 1811 г. [10]. Итальянский ученый Амадео Авогадро (1776–1856) установил, что при одинаковых 168

физических условиях (давлении и температуре) равные объемы различных газов содержат равное число молекул. Другими словами, это означает, что грамм-молекула любого газа при одинаковой температуре и давлении занимает один и тот же объем. Он даже смог рассчитать этот объем для стандартных физических условий. При давлении 760 мм рт. столба и при температуре 0° С он был равен 22,4 л, точнее 22,414 л. В этом объеме при названных условиях находится 6,023 • 1023 молекул газообразного вещества (число Авогадро). Однако развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими определенный состав, существуют еще и соединения переменного состава — это явилось причиной пересмотра представлений о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно, но теперь к молекулам стали относить и такие необычные квантово-механические системы, такие как ионные, атомные и металлические монокристаллы, а также полимеры, образованные за счет водородных связей. В результате применения физических методов исследования вещества стало ясно, что свойства реального тела определяются не столько тем, постоянен или не постоянен состав химического соединения, а скорее физической природой химизма, т.е. природой тех сил, которые заставляют несколько атомов объединяться в одну молекулу. Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой — молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат. Это более широкое понятие, чем понятие "сложное вещество". Действительно, ведь всем известны химические соединения, состоящие не из разных, а из одинаковых элементов. Это молекулы водорода, кислорода, хлора, графита, алмаза и т.д. Особое положение в ряду молекулярных частиц занимают макромолекулы полимеров. Они содержат большое число повторяющихся, химически связанных друг с другом в единое целое структурных единиц — фрагментов мономерных молекул, обладающих одинаковыми химическими свойствами. Дальнейшее усложнение химической организации материи идет по пути образования более сложной совокупности взаимодействующих атомных и молекулярных частиц, так называемых молекулярных ассоциатов и агрегатов, а также их комбинаций (рис. 10). При образовании агрегатов изменяется фазовое состояние системы, чего не происходит при образовании ассоциатов. Напомним, что фазовое состояние — это основное физическое состояние, в котором может существовать любое вещество (газ, жидкость, твердое тело). Поворотный этап в развитии химической атомистики связан с именем шведского химика Иенса Якоба Берцелиуса, который вслед за Дальтоном внес особенно большой вклад в создание атомной теории. Когда Дальтон 169

предложил свою атомную теорию и установил закон кратных отношений, молодой шведский химик Берцелиус, руководимый стремлением найти закон образования химических соединений, тщательно изучил вопрос об их составе. Проведя не одну сотню анализов, он представил столько доказательств, подтверждающих закон постоянства состава, что химики были вынуждены признать справедливость этого закона, а следовательно, и

Элементарны е частицы

Атомные частицы

Молекулярные частицы

Ассоциаты

Агрегаты

Рис. 10. Схема усложнения частиц вещества

принять атомистическую теорию, которая непосредственно вытекала из закона постоянства состава. После этого Берцелиус обратился к проблеме определения атомных весов элементов, разрабатывая более сложные и точные методы экспериментов, чем те, которые были доступны Дальтону. В результате длительной и тщательной аналитической работы Берцелиус пришел к выводу, что в солях существуют простые и постоянные отношения между атомами кислорода основания и атомами кислорода кислоты. Этого правила он постоянно придерживался при изучении атомной проблемы. На основании своих исследований и расчетов в 1826 г. Берцелиус опубликовал первую таблицу атомных весов, отличающихся высокой точностью, причем атомные веса были соотнесены им с кислородом, атомный вес которого был принят за сто. Приведенные в этой таблице величины в основном совпадают (за исключением атомных весов двух-трех элементов) с принятыми в настоящее время. Существенное различие между таблицами Берцелиуса и Дальтона состоит в том, что величины, полученные Берцелиусом, в своем большинстве не были целыми числами. Эти расчеты потом были подтверждены и уточнены другими учеными. С работами Берцелиуса по атомистике тесно связано введение в употребление символов, предложенных им в 1814 г. для обозначения не только элементов, но и химических реакций. Все символы, формулы соединений и химические уравнения следует вести от Берцелиуса. Его система химической символики весьма содействовала развитию химии. В качестве символа элемента принимается первая буква его латинского или греческого названия. В тех случаях, когда названия двух или более элементов начинаются с одних и тех же букв, к ним добавляется вторая буква названия. Так появились химические символы элементов, которые используются во всем мире и поныне. В рамках нашей работы трудно дать полный обзор открытий Берцелиуса и его вклада в развитие химии, но еще об одной его заслуге следует упомянуть обязательно. Еще в начале своей научной деятельности он предложил все вещества разделить на органические и неорганические. 170

Издавна со времени открытия огня человек стал делить все вещества на две группы: горючие и негорючие. К горючим относились, в частности, дерево и жир, которые в основном служили топливом. Дерево продукт растительного происхождения, а жир или масло — продукты как животного, так и растительного происхождения. В отличие от них вода, песок, горные породы и большинство других веществ минерального происхождения не горят и даже гасят огонь. Таким образом, между способностью вещества к горению и его принадлежностью к живому или неживому миру просматривалась определенная связь. Накопленные в течение восемнадцатого столетия знания позволили химикам сделать вывод, что судить о природе веществ, исходя только из их горючести или негорючести, ошибочно. Вещества неживой природы могли выдерживать жесткую обработку, и именно их Берцелиус назвал неорганическими. А вещества живой или некогда живой материи такой обработки не выдерживали, и их он назвал органическими. Во многих своих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом. Так, химиков не переставало удивлять, что органические вещества при нагревании или каком-либо другом воздействии легко превращаются в неорганические (возможность обратного перехода была установлена гораздо позже). В то время в науке господствовал витализм — учение, рассматривающее жизнь как особое явление, подчиняющееся не законам мироздания, а влиянию особых жизненных сил. Сторонники витализма утверждали, что для превращения неорганических веществ в органические требуется какое-то особое воздействие ("жизненная сила"), которое проявляется только внутри живой ткани. По этой причине неорганические соединения, например, воду, можно было найти повсюду, тогда как органические соединения, образующиеся под воздействием жизненной силы, можно найти только в живых тканях. Химики того времени, имевшие дело с самыми обычными соединениями и пользовавшиеся самыми обычными методами, осуществить превращение, требовавшее участия жизненных сил, естественно, не могли. История химии свидетельствует, что до середины XIX в. ее развитие происходило беспорядочно и хаотически. Химики открывали все новые и новые химические элементы, описывали их свойства, способность вступать в различные реакции и благодаря этому постепенно накопили огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Логическим завершением всего многовекового процесса возникновения и развития химии стал первый международный химический конгресс, который состоялся в сентябре 1860 г. в немецком городе Карлсруэ. На конгрессе присутствовали самые знаменитые химики того времени. Проведение конгресса в Карлсруэ имело большое значение для развития химии. На нем были сформулированы и приняты основополагающие принципы, теории и законы химии, которые не вызывали никаких сомнений у участников. Тем самым химия заявила о себе де факто как о самостоятельной науке. 171

Однако гораздо большее значение имели научные результаты и последствия конгресса. К 60-м гг. позапрошлого столетия в химии еще сохранилась путаница с атомными и молекулярными весами, что не позволяло точно решить вопрос о системе элементов и отрицательно сказывалось на развитии самой химии. Разногласия по поводу относительных атомных весов, приписываемых атомам различных элементов, привели к разногласиям в отношении числа атомов отдельных элементов, входящих в данную молекулу. Ученые неоднократно предпринимали попытки придать этим проблемам системный вид, но их предложения были весьма несовершенными, потому что в качестве системообразующих факторов брались чаще всего несущественные, второстепенные и даже чисто внешние признаки элементов. Инициатором обсуждения и решения данной проблемы стал итальянский химик Станислао Канниццаро, который предложил разграничить понятия "атомный вес", "молекулярный вес" и "эквивалентный вес". На конгрессе Канниццаро произнес яркую речь, и ему удалось убедить участников в правильности предлагаемых им идей. С этого момента в вопрос об атомных весах была внесена ясность, и было по достоинству оценено значение таблицы атомных весов, составленной Берцелиусом. Применительно ко всей химии это решение означало возможность договориться об эмпирических формулах соединений и продолжить изучение строения молекул, уточняя расположение атомов сначала в плоскости, а затем в пространстве. Кроме того, решения конгресса, по сути дела, подготовили условия для создания периодической системы элементов. Периодический закон и периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева Ранее мы установили, что многие химические свойства веществ сегодня можно объяснить, прибегая к законам физики. Однако так было не всегда. На заре зарождения физики и химии они существовали отдельно. Каждая из них развивалась по своему определенному пути. Тем более значительными кажутся гениальные открытия, которые способствовали взаимопроникновению наук, устанавливали взаимосвязь между физическими и химическими свойствами элементов [8]. Основоположником системного подхода в химии стал русский химик Дмитрий Иванович Менделеев. Во время работы конгресса он находился в Германии и работал над диссертацией. Он, естественно, был участником конгресса и слышал выступление Канниццаро, в котором тот четко изложил свою точку зрения на проблему атомного веса. Вернувшись в Россию, Менделеев приступил к изучению элементов и обратил особое внимание на периодичность изменения валентности у элементов, расположенных в порядке возрастания атомных весов. Менделеев считал, что любое точное знание составляет систему, в основе которой должен быть единый систематизирующий фактор. В качестве такого 172

фактора он выбрал атомный вес, полагая, что последний является главной характеристикой всех химических элементов. Д. И. Менделеев сделал это открытие в 1869 г., совершив революцию в естествознании, так как оно не просто устанавливало связь между химическими и физическими свойствами отдельных элементов, но и взаимную связь между всеми химическими элементами. Группы и ряды периодической системы стали надежной основой для выявления семейств родственных элементов. Первым практическим применением периодического закона было исправление величин валентности и атомных весов некоторых элементов, для которых в то время принимались неверные значения. Это относилось, в частности, к индию, церию, торию, урану. Основным принципом, по которому Менделеев строил свою таблицу было размещение элементов в порядке возрастания их атомных весов. Основываясь на валентности и химических свойствах элементов, Менделеев расположил все элементы по 8 группам, в каждой из которых размещались элементы со сходными свойствами. Практически за два года, в результате напряженной творческой работы ученый создал (в основном) ту периодическую систему элементов, которой мы продолжаем пользоваться и до настоящего времени. Он был глубоко убежден в том, что лучшим доказательством правильности основных положений периодического закона является осуществление предсказаний, из него вытекающих. Менделеев, в частности, предполагал существование неизвестных тогда аналогов бора, алюминия и кремния — экабора, экаалюминия и экасицилия. Все предсказанные великим ученым элементы действительно были вскоре открыты химиками. Ими оказались галлий, скандий и германий. Метод Менделеева по предсказанию свойств еще неоткрытых элементов с успехом применялся его последователями и в более поздние годы. Какова же причина периодических изменений физических и химических свойств элементов? Она кроется в периодичности строения электронных оболочек атомов. Одними из наиболее важных свойств атомов, связанных со строением их электронных оболочек, являются эффективные атомные и ионные радиусы. Оказывается, что они также периодически изменяются в зависимости от величины атомного номера элемента. Для элементов одного периода по мере увеличения порядкового номера сначала наблюдается уменьшение атомных радиусов, а затем, к концу периода, их увеличение. Это необычное физическое свойство находит простое объяснение, основанное на знании строения внешней электронной оболочки атомов, принадлежащих одному периоду: все дело в электростатике! Действительно, в начале периода на внешней электронной оболочке атома находится небольшое количество электронов, которые располагаются на относительно больших расстояниях друг от друга — свободного места предостаточно, поэтому основным взаимодействием в этом случае будет притяжение электронов ядром атома, а 173

не электростатическое отталкивание одноименно заряженных электронов. Вот и получается, что при возрастании порядкового номера элемента увеличивается величина заряда ядра и величина общего отрицательного заряда электронной оболочки — значит возрастает и сила Кулоновского притяжения между ядром и электронами — происходит "стягивание" электронной оболочки к центру атома и радиус этого атома уменьшается. По мере же заполнения электронной оболочки все большим количеством электронов, им становится все "теснее и теснее" на одной оболочке и поэтому у элементов, стоящих в конце любого периода таблицы Менделеева, радиусы атомов возрастают: отрицательно заряженные электроны как бы "расталкивают" друг друга, стремясь удалиться друг от друга на максимально возможные расстояния. Благодаря аналогичным рассуждениям, нашли свое объяснение и другие периодически изменяющиеся физические свойства веществ: плотность, температура плавления, прочность связей электронов в атоме и т.д. Но самое главное заключалось в том, что таблица Менделеева не просто давала объяснение физическим свойствам элементов, а ставила им в соответствие и химические свойства этих элементов. Основным постулатом таблицы являлось то, что валентность химического элемента определяется числом электронов на внешней электронной оболочке, поэтому эти электроны так и называются — валентные электроны. Важная роль периодического закона заключается именно в том, что в нем устанавливается связь между строением атомов и влиянием этого строения на физические и химические свойства элементов. Благодаря периодическому закону были сначала теоретически предсказаны, а затем открыты и исследованы множества химических элементов и веществ, кроме того, появилась возможность моделирования химических процессов. Поэтому периодический закон лег в основу теоретической химии. В 1872 г. Д. И. Менделеев писал: "Основной задачей современной химии является установление зависимости состава, реакций и свойств простых и сложных тел от основных свойств входящих в их состав элементов, чтобы на основании известного характера данного элемента можно было заключить о неизвестном еще составе и свойствах его соединений". С тех пор минуло больше 130 лет. На вооружении современных химиков для успешного решения этой задачи имеются ЭВМ с новейшими пакетами программ, позволяющие обнаруживать разнообразные свойства химических элементов и веществ на основе квантовой химии. Эти машины работают с огромными массивами данных. И как во времена Менделеева, результаты подобных теоретических исследований приводят к развитию синтеза сложных химических соединений, в том числе, органического синтеза. Задача, поставленная ученым в позапрошлом веке, по-прежнему остается актуальной и в наши дни.

174

10.6. Концепции физической химии До конца XIX в. химия в основном была единой целостной наукой. Внутреннее ее деление на органическую и неорганическую не нарушало этого единства. Но последовавшие вскоре многочисленные открытия как в самой химии, так и в биологии, физике положили начало быстрой ее дифференциации [4]. Современная химическая наука, опираясь на прочные теоретические основы, непрерывно развивается вширь и вглубь. В частности, происходит открытие и изучение новых, качественно различных дискретных химических частиц. Так, еще в первой половине XIX в. при изучении электролиза были обнаружены ионы — особые частицы, образованные из атомов и молекул, но электрически заряженные. Ионы являются структурными единицами многих кристаллов, кристаллических решеток металлов, они существуют в атмосфере, в растворах и т.д. Английский химик Эдуард Франкланд (1825–1899) первым заинтересовался металлорганическими соединениями, в которых органические группировки присоединены непосредственно к атомам металла, например цинка. В соединениях такого типа, как было установлено, каждый атом металла присоединяет определенное число органических групп, причем оно различно для разных металлов. Например, атомы цинка соединяются с двумя (не больше и не меньше) органическими группами. В 1852 г. Франкланд выдвинул теорию, которая позднее стала известна как теория валентности (от латинского valentia — сила), согласно которой каждый атом обладает определенной способностью к насыщению (или валентностью). Теория валентности сыграла важнейшую роль в развитии теории химии вообще и органической химии в особенности. Исходя из теорий валентности, немецкий химик Кекуле предположил, что атом углерода четырехвалентен, и в 1858 г. попытался, опираясь на это предположение, представить строение наиболее простых органических молекул и радикалов. В том же 1858 г. шотландский химик Арчибальд Скотт Купер (1831–1892) предложил изображать силы, соединяющие атомы (или связи, как их принято называть), в виде черточек. После того как была "построена" первая органическая молекула, стало совершенно ясно, почему органические молекулы, как правило, значительно больше и сложнее, чем неорганические. Согласно представлениям Кекуле, углеродные атомы могут соединяться друг с другом с помощью одной или нескольких из четырех своих валентных связей, образуя длинные цепи — прямые или разветвленные. По-видимому, никакие другие атомы не обладают этой замечательной способностью в той мере, в какой обладает ею углерод. Итак, представив себе, что у каждого атома углерода четыре валентные связи, а у каждого атома водорода одна такая связь, можно изобразить три простейших углеводорода (соединения, молекулы которых образованы только атомами углерода и водорода), метан СН4, этан С2Н6 и пропан С3Н8, следующим образом: 175

Полезность структурных формул была настолько очевидной, что многие химики-органики приняли их сразу. Они признали полностью устаревшими все попытки изображать органические молекулы как структуры, построенные из радикалов. В результате было признано необходимым, записывая формулу соединения, показывать его атомную структуру. Русский химик Александр Михайлович Бутлеров (1823–1886) использовал эту новую систему структурных формул в разработанной им теории строения органических соединений. В 60-х гг. XIX в. он показал, как с помощью структурных формул можно наглядно объяснить причины существования изомеров. Так, например, у этилового спирта и диметилового эфира одна и та же эмпирическая формула С2Н6О, однако структурные формулы этих соединений значительно различаются:

Поэтому не удивительно, что изменение в расположении атомов приводит к двум наборам очень разных свойств. В этиловом спирте один из шести атомов водорода присоединен к атому кислорода, в то время как в диметиловом эфире все шесть атомов водорода присоединены к атомам углерода. Атом кислорода удерживает атом водорода слабее, чем атом углерода, так что металлический натрий, добавленный к этиловому спирту, замещает водород (одну шестую общего количества). Натрий, добавленный к диметиловому эфиру, совсем не вытесняет водород. Таким образом, при составлении структурных формул можно руководствоваться химическими реакциями, а структурные формулы, в свою очередь, могут помочь понять суть реакций. Бутлеров особенно много внимания уделил одному из типов изомерии, называемому таутомерией (динамической изомерией), при которой некоторые вещества всегда выступают как смеси двух соединений. Если одно из этих соединений выделить в чистом виде, оно сразу же частично перейдет в другое соединение. Бутлеров показал, что таутомерия обусловлена спонтанным переходом атома водорода от атома кислорода к соседнему атому углерода и обратно. Чтобы убедительноо доказать справедливость системы структурных формул, необходимо было определить структурную формулу бензола — углеводорода, содержащего шесть атомов углерода и шесть атомов водорода. Сделать это удалось далеко не сразу. Казалось, не существует такой структурной формулы, которая бы, отвечая требованиям валентности, в то же время объясняла бы большую устойчивость соединения. 176

Первые варианты структурных формул бензола очень походили на формулы некоторых углеводородов — соединений весьма нестойких и не похожих по химическим свойствам на бензол. Решить эту задачу смог опять-таки Кекуле. В один из дней 1865 г. (как он сам рассказывает) Кекуле в полудреме ехал в омнибусе, и ему пригрезилось, что он видит атомы, кружащиеся в танце. Вдруг конец одной цепи соединился с ее началом, и образовалось вращающееся кольцо. И Кекуле решил, что именно такой должна быть структурная формула бензола. До тех пор структурные формулы строились только в виде линейных цепей углеродных атомов, но теперь Кекуле ввел понятие "кольцо" (или "ядро") атомов углерода и предложил следующую структурную формулу бензола:

Это объяснение было принято, и представление о структурных формулах расширилось. Молодой датский химик Якоб Гендрик Вант-Гофф (1852–1911), когда работал над докторской диссертацией в 1874 г, выдвинул смелое предположение, согласно которому четыре связи углеродного атома направлены к четырем вершинам тетраэдра, в центре которого находится этот атом. Представить себе это можно так: три связи атома углерода образуют треногу, а четвертая связь направлена прямо вверх. Все четыре связи при этом равноудалены друг от друга, а угол между любыми двумя соседними связями равен примерно 109° (рис. 11).

Рис. 11. Тетраэдрическое расположение связей атомов углерода допускает две конфигурации, одна из которых является зеркальным отображением другой. На рисунке показаны два возможных варианта расположения атомов в молекуле молочной кислоты 177

Почти одновременно с Вант-Гоффом подобные предположения опубликовал французский химик Жозеф Ашиль Ле Бель (1847–1930). Поэтому тетраэдрическую модель атома углерода иногда называют моделью ВантГоффа — Ле Беля. Гипотеза Вант-Гоффа — Ле Беля быстро завоевала признание. Этому, в частности, способствовала книга, выпущенная в 1887 г. немецким химиком Йоханнесом Адольфом Вислиценусом (1835–1902), который был широко известен в научном мире и пользовался большим авторитетом. В конце XIX столетия утвердилось мнение, что пространственное расположение связей присуще не только атому углерода. Немецкий химик Виктор Мейер (1848–1897) показал, что некоторые типы оптической изомерии, наблюдаемые у азотсодержащих соединений, можно объяснить, лишь допустив пространственное расположение связей азота. В 1900–1902 гг. английский химик Уильям Джексон Поуп (1870–1939) продемонстрировал, что трехмерную модель можно распространить также на атомы серы, селена и олова, а несколько позднее швейцарский химик Альфред Вернер (1866–1919) добавил к этому списку кобальт, хром, родий и ряд других металлов. Начиная с 1891 г. Вернер занимался разработкой координационной теории, которая позволила бы объяснить свойства некоторых "необычных неорганических соединений". Согласно этой теории, кроме главных валентных сил имеются еще и силы побочной валентности. Первоначально считалось, что они резко отличаются от основных валентных сил, но впоследствии выяснилось, что существенного различия между ними не существует. Другим важнейшим положением теории Вернера была идея о том, что группировки, связанные с атомами металла, располагаются вокруг них в пространстве в вершинах определенных многогранников (атом металла, расположенный в центре многогранника, получил название центрального атома). Теория Вернера смогла объяснить и предсказать многочисленные случаи изомерии координационных соединений, в том числе и оптической изомерии. С появлением трехмерной модели молекулы теория строения молекулы начала быстро развиваться. Виктор Мейер показал, что обычно группы атомов могут свободно вращаться вокруг единственной связи, соединяющей их с остальной частью молекулы, но в ряде случаев этому вращению препятствуют соседние объемные группы. Немецкий химик Иоганн Фридрих Вильгельм Адольф фон Байер (1835–1917) использовал в 1885 г. идею трехмерного строения молекул для изображения пространственного строения циклических соединений (в виде плоских колец). Если четыре связи атомов углерода направлены к четырем углам тетраэдра, то угол между любыми двумя связями составляет 109°28'. Байер утверждал, что в любом органическом соединении атомы располагаются, как правило, так, что углы между связями атома углерода примерно соответствуют приведенному значению. Если же по какой-либо причине угол меняется, то атом оказывается в напряженном состоянии. 178

После проверки немецким химиком Эмилем Фишером (1852–1919), занимавшимся изучением простых сахаров теория Вант-Гоффа — Ле Беля к 1900 г. была принята практически всеми учёными. 10.7. Учение о химических процессах В XVII и XVIII вв. мир химии и мир физики разделяла четкая граница. Химия изучала процессы, сопровождающиеся изменением молекулярной структуры, в то время как физика изучала такие процессы, которые подобными изменениями не сопровождались [9]. В начале XIX столетия, когда Дэви разрабатывал классификацию молекул неорганических соединений, а Бертло — классификацию молекул органических соединений, физики изучали потоки теплоты, другими словами — термодинамику (от греческого — движение тепла). Выдающихся успехов в этой области достигли английский физик Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) и немецкие физики Юлиус Роберт Майер (1814–1878) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1894). К 40-м гг. позапрошлого столетия в результате проведенных ими работ стало ясно, что в процессе перехода одной формы энергии в другую энергия не создается и не исчезает. Этот принцип получил название закона сохранения энергии, или первого начала термодинамики. В своих работах французский физик Никола Леонар Сади Карно (1796– 1832), английский физик Уильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин (1824– 1907), и немецкий физик Рудольф Джулиус Эмануэль Клаузиус (1822–1888) развили механическую теорию теплоты. Было показано, что при самопроизвольном переходе теплоты от точки с более высокой температурой к точке с более низкой температурой работа производится только в случае существенной разности температур, ибо часть теплоты неизбежно рассеивается в окружающую среду. Этот вывод можно обобщить и распространить на любой вид энергии. В 1865 г. Клаузиус, пытаясь найти соотношение между количеством теплоты в изолированной системе и абсолютной температурой этой системы, ввел термин энтропия. Он показал, что при любых самопроизвольных изменениях энергии энтропия системы должна увеличиваться. Этот принцип был назван вторым началом термодинамики. Учение о химических процессах — это такая область науки, в которой существует наиболее глубокое взаимопроникновение физики, химии и биологии. В основе этого учения находятся химическая термодинамика и кинетика, поэтому все это учение о химических процессах в равной степени относится как к химии, так и к физике. Одним из основоположников этого направления в химии стал русский химик Н.Н. Семенов — лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. В своей Нобелевской лекции (1965) он заявил, что химический процесс — то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее 179

более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к живой системе, потому что любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Это — мост от объектов физики к объектам биологии. Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Они трудноконтролируемы: в одних случаях их просто не удается осуществить, хотя они в принципе осуществимы, в других — трудно остановить, например, горения и взрывы, в третьих случаях их трудно ввести в одно желаемое русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические, а среди последних ведущую роль играют каталитические методы. Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление учения о химических процессах обычно связывают с появлением в 1884 г. книги "Очерки по химической динамике" голландского химика Я. ВантГоффа. В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. Тогда же Ле-Шателье сформулировал свой "принцип подвижного равновесия", вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Основными рычагами управления реакцией выступают: температура, давление (если реакция происходит в газовой фазе) и концентрация реагирующих веществ (если реакция идет в жидкой фазе). Каждая химическая реакция в принципе обратима. Например, реакция типа: АВ + СО АС + ВО. Обратимость реакций служит основанием равновесия между прямой и обратной реакциями. На практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Представим себя на месте химика, которому во что бы то ни стало необходимо получить вещество АС. Он сливает растворы с веществами АВ и CD и ждет, получится ли желанное вещество АС. У нашей истории, как вы догадываетесь, возможно существование двух различных финалов. Такое случается, если равновесие смещается вправо, т.е. в сторону образования нужного нам вещества АС. В данном случае равновесие реакции смещено влево, в сторону исходных веществ АВ и СО. Поэтому для того, чтобы реакция пошла в нужном нам направлении, необходимо либо увеличить концентрацию веществ АВ и CD, либо изменить температуру или давление. Но термодинамические методы позволяли управлять только направлением реакций, а не их скоростями. Управлением скоростью химических реакций в зависимости от различных факторов занимается специальная наука — химическая кинетика. На 180

скорость химической реакции может влиять очень многое, даже стенки сосуда, в котором протекает реакция. В 1812 г. русским академиком К.С. Кирхгофом было открыто явление химического катализа. Катализ представляет собой наиболее общий и распространенный способ проведения химических реакций, особенность которого состоит в активации молекул реагента при их контакте катализатором. При этом происходит как бы "расслабление" химических связей в исходном веществе, "растаскивание" его на отдельные части, которые затем легче вступают во взаимодействие друг с другом. Задача исследования химических реакций является исключительно сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и "третьих тел", которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь одного из "третьих тел", чаще всего катализатора. Здесь следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, которые могут, как катализировать (ускорять), так и ингибировать (замедлять) процесс. Опыты показывают, что на интенсивность химических процессов оказывают влияние также случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, в других — как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибиторное действие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносят те или иные добавки. Таким образом, влияние "третьих тел" на ход химических реакций может быть сведено к катализу, то есть положительному воздействию на химический процесс, и к ингибированию, сдерживающему процесс. На современном этапе своего развития учение о химических процессах занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур [7]. Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме (плазма — это ионизированный газ). Она исследует протекание химических реакций при температурах от 1000 до 10000° С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновениями молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет 10…13с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Скорость этих химических процессов в обычных реакторах из-за обратимости снижается в тысячи раз. Поэтому плазмохимические процессы очень производительны. Плазменная химия в последнее время все больше внедряется в промышленное производство. Уже созданы технологии производства сырья для 181

порошковой металлургии, разработаны методы синтеза для целого ряда химических соединений. В 70-х гг. ХХ в. были созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз [7]. Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные материалы, такие как металлобетон, в котором в качестве связующего элемента используются различные металлы. При сплавлении частиц горной породы благодаря прочному сжатию их с металлом образуется металлобетон, превосходящий по своим качествам обычный бетон в десятки и сотни раз. В отличие от каталитической химии, занимающейся проблемами катализа, химия экстремальных состояний решает вопрос управления химической реакцией иначе — здесь химики пытаются "расшатать" атомы в исходной молекуле за счет дополнительной внешней энергии. Они используют при этом простой нагрев или энергию света, а иногда для "очень крепких орешков" (молекул с сильными внутримолекулярными связями) и радиационное облучение. Этим вопросом занимается радиационная химия, и является одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов, которое зародилось во второй половине ХХ столетия. Предметом ее разработок стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационнохимических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость. Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона каким-нибудь полимером с последующим облучением. Такие бетоны имеют в 4 раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозийной стойкостью. Сегодня также принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200…2000° С) металлических порошков. Самораспространяющийся синтез происходит гораздо проще, так как основан на реакции горения одного металла в другом, или металла в азоте, углероде и т.п. Сегодня абсолютно точно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом. В химии принято считать горение реакцией окисления горючего вещества, что означает перемещение электронов от атомов горючего тела к атомам кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и основан самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, 182

например, горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого высокого качества. 10.8. Эволюционная химия — высшая ступень развития химических знаний Еще до недавнего времени об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, химиков вопрос о происхождении вещества не волновал, потому что получение любого нового химического индивида всегда было делом рук и разума человека: молекула нового химического соединения конструировалась по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать нельзя. Начало эволюционной химии связывают с 1950–1960 гг. Под эволюционными проблемами следует понимать проблемы синтеза новых сложных, высокоорганизованных соединений без участия человека. Сегодня химики пришли к выводу, что, используя те же принципы, на которых построена химия живых организмов, в будущем (не повторяя в точности природу) можно будет "построить" принципиально новую химию, новое управление химическими процессами — так, как это происходит в любой живой клетке [6]. Химики надеются получить катализаторы нового поколения, которые бы позволили создавать, например, необычные преобразователи солнечного света. Всем известно, что в простом зеленом листочке энергия солнца превращается в энергию химических связей. А что, если подобный принцип использовать в нашем преобразователе света? Энергия солнечного излучения будет трансформироваться в химическую и электрическую, а затем, при необходимости — обратно в энергию света. Вот было бы замечательно! Исследуя биохимические процессы, протекающие в мышцах, ученые "загорелись" идеей создания новых полимеров, в которых химическую энергию можно было бы использовать для сокращения и растяжения таких материалов, т.е. превращать ее в механическую. Сегодня ученые стремятся создавать промышленные аналоги химических процессов, происходящих в живой природе. Они исследуют опыт работы биохимических катализаторов и создают такие катализаторы в лабораторных условиях. Особой сложностью работы с биохимическими катализаторами — ферментами, является то обстоятельство, что они очень неустойчивы при хранении и быстро портятся, теряя свою активность. Поэтому химики долгое время работали над созданием стабилизации ферментов и в результате научились получать так называемые иммобилизованные ферменты — это ферменты, выделенные из живого организма и прикрепленные к твердой поверхности путем их адсорбции. Такие биокатализаторы очень стабильны и 183

устойчивы в химических реакциях, и их можно использовать многократно. Основоположником химии иммобилизованных систем является русский химик И.В. Березин. Изучение строения и функционирования ферментов в живой природе — это такая ступень химического познания, которая откроет в дальнейшем создание принципиально новых химических технологий. В 1960-х гг. были отмечены случаи самосовершенствования некоторых химических катализаторов в ходе химической реакции. Обычные катализаторы со временем (как и все на свете) стареют и изнашиваются. Но химикам удалось обнаружить такие катализаторы, которые не только не старели, а напротив, "молодели" с каждой химической реакцией! Почему это происходило? Ответ на этот вопрос попыталась дать теория химической эволюции и биогенеза, предложенная ученым мира в 1964 г. русским профессором А.П. Руденко. Сущность этой теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем и, следовательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы. В ходе реакции происходит естественный отбор тех каталитических центров, которые обладают наибольшей активностью. Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальные эволюционные преимущества получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Отсюда базисная реакция является не только источником энергии, но и орудием отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов. Тем самым А.П. Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью образуются те пути эволюционных изменений катализатора, на которых происходит максимальное увеличение его абсолютной активности. Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая "нестационарная технология", то есть технология с меняющимися условиями реакции. Сегодня исследователи приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного режима. При этом обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции [11]. Сегодня уже совершенно ясны перспективы создания и развития новой химии, на основе которой будут созданы малоотходные, безотходные и энергосберегающие промышленные технологии. Необходимость этих технологий стала остро ощущаться в 70-е гг. прошлого столетия, особенно после мирового нефтяного кризиса 1973 г. Изза высоких темпов роста капиталистической экономики в 1950–1960-е гг. 184

возросло мировое потребление первичных видов энергии, которое увеличилось за 1950–1972 гг. в три раза. Изменилась структура энергобаланса — резко возросла доля нефти, ее потребление за эти годы увеличилось в пять раз. Рост потребления нефти обусловил усиление зависимости развитых капиталистических стран от импорта энергоресурсов, падение их доли в производстве источников тепла и энергии, ухудшение их положения как импортеров. В то же время в мире происходили важные сдвиги в соотношении сил между ведущими капиталистическими и развивающимися странами. Освободившиеся от колониального господства страны стали добиваться увеличения своей доли в доходах от нефти и поставили вопрос о повышении цен. В условиях резкого повышения цен капиталистические страны вынуждены были пересмотреть свою энергетическую политику. Они ограничили импорт нефти за счет энергосберегающих мероприятий, увеличили производство собственных энергоресурсов (например, Англия стала добывать нефть со дна Северного моря), осуществили замену нефти углем, ядерным топливом, активизировали научные исследования, разработки и использование энергосберегающего оборудования и технологий, поиск новых источников энергии. Наиболее ярким проявлением сырьевого кризиса был бурный рост цен на сырье, так как многих видов сырья не хватало. За 1970–1974 гг. цены на сырьевые товары возросли на 87%. Развитые страны использовали в качестве поставщиков сырья бывшие колонии. Рост производительных сил усилил зависимость капиталистических стран от импорта минерального сырья. В 1970-е гг. молодые национальные государства — экспортеры сырья предприняли шаги к повышению доходов. Но здесь они не смогли выступить единым фронтом, как в случае с нефтью. Добыча сырья — капиталоемкое производство, а развитые страны перешли к политике создания заменителей. Вопросы для повторения От каких факторов зависят свойства веществ? Каковы основные этапы развития химии? Что такое катализаторы? Какой вклад в развитие химических знаний внесли физики? Кто и почему стал основоположником системного подхода в развитии химических знаний? 6. Каковы потенциальные возможности эволюционной химии? 1. 2. 3. 4. 5.

Библиографический список 1. Будрейко, Н.А. Философские вопросы химии / Н.А. Будрейко. — М.: Наука, 1970. 185

2. Васильева, Т.С. В.В. Химическая форма материи / Т.С. Васильева, В.В. Орлов. — М.: Наука, 1983. 3. Данцев, А.А. Философия и химия / А.А. Данцев. — Ростов-на-Дону: Рост. кн. изд-во, 1991. 4. Кузнецов, В.И. Диалектика развития химии / В.И. Кузнецов. — М.: Наука, 1973. 5. Кузьменко, Н.Е., Еремин В.В. Химия. Ответы на вопросы / Н.Е. Кузьменко, В.В. Еремин. — М.: Просвещение, 1997. 6. Пиментел, Дж. Возможности химии сегодня и завтра / Дж. Пиментел, Дж. Кунрод. — М.: Мир, 1992. 7. Поллер, З. Химия на пути в третье тысячелетие / З. Поллер. — М.: Мир, 1982. 8. Соловьев, Ю.И. Эволюция основных теоретических проблем химии / Ю.И. Соловьев. — М.: Химия, 1971. 9. Соловьев, Ю.И. Химия на перекрестке наук / Ю.И. Соловьев, В.И. Курашов. — М.: Наука, 1989. 10. Фигуровский, Н.А. История химии / Н.А. Фигуровский. — М.: Наука, 1979. 11. Шамин, А.Н. Химия и мировоззрение / А.Н. Шамин. — М.: Наука, 1986. Темы рефератов 1. Порядок и беспорядок в природе. 2. Динамические и статические закономерности в природе. 3. Компьютеризация научных знаний. 4. Пространство и время. 5. Принципы относительности. 6. Принципы симметрии. 7. Закон сохранения. 8. Возникновение учения о строении атома. 9. Строение атома. 10. Классификации элементарных частиц. 11. Ядерные силы. 12. Кварковая модель адронов. 13. Дуализм волны и частицы. 14. Принцип неопределенности в квантовой механике. 15. Звезды, их типы. "Черные и белые дыры". 16. Гипотезы происхождения звезд. 17. "Наша" Галактика. 18. Галактика, квазары. 19. Метагалактика. 20. Космологические модели Вселенной. 21. Стандартная модель эволюции Вселенной. 22. Будущее Вселенной. 23. Жизнь во Вселенной. 24. Достижимость других миров. 186

25. НЛО - различные суждения. 26. Уровни организации материи. 27. Проблема создания новых материалов. 28. Катализ и химия экстремальных состояний. 29. Эволюционные проблемы химии. Пути освоения опыта живой природы. 30. Что такое организация и самоорганизация? 31. Что изучает кибернетика? Эмерджентные свойства систем. Значение кибернетики. 32. Какова роль времени в теории относительности и синергетики?

187

Раздел III

НАУЧНОЕ ПОНИМАНИЕ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ Глава 11. ВНУТРЕНЕЕ СТРОЕНИЕ И ИСТОРИЯ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ ЗЕМЛИ 11.1. От физики и химии к геологии и биологии Химические и физические преобразования единым фронтом через большой ряд усложнений химических соединений и физических состояний, в конце концов, приводят к биологической форме движения и, с другой стороны, объединяются в геологических процессах, создавших условия для самого возникновения жизни на земле [1]. В соответствии с этим самый общий вид перехода от физических процессов в мире элементарных частиц до биологических и геологических процессов можно представить схемой, изображенной на рис. 12. В современной естественно-научной и философской литературе все еще не преодолены две крайности при обсуждении соотношения химии и физики. Представители одной из них усматривают в успехах квантово-механического описания и объяснения химических процессов основание для их полного отождествления со всеми другими ядерно-электронными взаимодействиями, для отказа от какой бы то ни было специфики химических процессов и химического познания по сравнению с физическими внутри- и межатомными явлениями и физическим познанием их. Представители другой точки зрения, так или иначе, связывают признание специфики химической формы движения и ее познания с принципиальной или практической ограниченностью квантовомеханического и вообще количественного описания и объяснения химических явлений. Физические взаимодействия на уровне элементарных частиц

Химические и физические атомномолекулярные процессы

Биологические процессы в белковонуклеиновых системах

Геологические процессы

Рис.12. Схема качественных изменений происходящих на Земле

В связи с этим уместно подчеркнуть, что закон перехода количественных изменений в качественные предполагает не только качественные скачки, но и количественную обусловленность их. Этот закон вовсе не связывает признание скачков от одних явлений к другим с непознаваемостью самих этих скачков. Напротив, суть закона как раз в том, что он не допускает никакой таинственности в характеристике скачков, а прямо нацеливает на раскрытие конкретного "механизма" вполне естественного процесса их осуществления, на точное отражение в научных теориях количественного содержания качественных скачков. Поэтому, признавая и отстаивая 188

специфику химической формы движения, надо отыскивать не границы применимости различных математических и физических методов, а все более точную формулировку конкретных условий их применения в данном случае соответствующий способ преобразования общих методов. 11.2. Эволюция земной коры Начало образования земной коры можно отнести ко времени не позднее 3,8 миллиарда лет назад. Образование коры не было кратковременным процессом, а происходило непрерывно на протяжении почти всей истории Земли. Земная кора континентов, по-видимому, формировалась в ходе последовательно повторявшихся орогенических1 движений. При этом в центре образующегося континента располагался более древний массив, являвшийся "ядром" континента, а вокруг него в ходе орогенических движений постепенно нарастала новая кора [2]. Образующаяся в ходе повторяющихся орогенических движений земная кора имеет складчатое строение, аналогом которого является, например, привычное нашему взгляду чередование горных хребтов и ущелий. В рамках разработанной в последнее время новой теории, так называемой тектоники литосферных плит, не только дается единое, "унифицированное" объяснение движений земной коры, но и связывается воедино геологическое развитие отдельных континентов, удаленных друг от друга, на огромные расстояния и, на первый взгляд, не очень связанных между собой. Особенно много геофизических и геологических исследований, оказавших сильную поддержку теории тектоники плит, согласно которой океаническое дно образуется за счет мантийного вещества. Земная кора является наиболее хорошо изученной твердой оболочкой Земли. Название "кора" исторически связано с представлением о твердой оболочке, образовавшейся в результате остывания поверхностных слоев расплавленного огненно-жидкого вещества Земли, из которого она состояла первоначально, как это представлялось по ранее господствовавшим космогоническим гипотезам. Земная кора состоит из нескольких слоев, толщина и строение которых различны в пределах океанов и материков. В связи с этим выделяют океанический, материковый и промежуточный типы земной коры. По составу в земной коре выделяют обычно три слоя — осадочный, гранитный и базальтовый. Осадочный слой сложен осадочными горными породами, являющимися продуктом разрушения и переотложения материала нижних слоев. Этот слой хотя и покрывает всю поверхность Земли, но местами настолько тонок, что практически можно говорить о его прерывистости. В то же время иногда он достигает толщины в несколько километров. Орогенез ( от греч. оros — гора и … генез) — совокупность интенсивных восходящих вертикальных тектонических движений, складчатости и разрывов. 189 1

Гранитный слой сложен в основном магматическими породами, образовавшимися в результате застывания расплавленной магмы, среди которых преобладают разности, богатые кремнеземом (кислые породы). Этот слой, достигающий на материках толщины 15…20 км, под океанами сильно сокращается и даже может совсем отсутствовать. Базальтовый слой также сложен магматическим веществом, но с более бедным кремнеземом (основными породами) и обладающим большим удельным весом. Этот слой развит в основании земной коры во всех областях земного шара. Материковый тип земной коры характеризуется присутствием всех трех слоев и является значительно более толстым, чем океанический. Земная кора представляет собой основной объект изучения геологии. Земная кора состоит из весьма разнообразных горных пород, состоящих из не менее разнообразных минералов. При изучении горной породы, прежде всего, исследуют ее химический и минералогический состав. Однако этого недостаточно для полного познания горной породы. Одинаковый химический и минералогический состав могут иметь породы различного происхождения, а следовательно, и различных условий залегания и распространения. Представим себе такую породу, как гранит. Она состоит из минералов: кварца, полевого шпата, биотита и иногда роговой обманки. Если гранит залегает на поверхности Земли, то в условиях резко континентального климата он подвергается механическому разрушению, выветриванию. Камень распадается на составные части, образуется дресва1, состоящая из обломков минералов. Обломки подхватываются текучими водами, которые окатывают их, измельчают и превращают в песок. В дальнейшем песок может быть сцементирован в песчаник и так возникает новый камень, новая горная порода осадочного происхождения. По минералогическому и химическому составу она может почти не отличаться от гранита, тем не менее условия ее образования, формы залегания и закономерности распространения будут совсем иными. Поэтому, для того чтобы выяснить происхождение горной породы, надо изучить не только ее химический и минералогический состав, но и многие другие особенности, а именно: структуру, текстуру и форму залегания. Под структурой породы понимают размеры, состав и форму слагающих ее минеральных частиц и характер их связи друг с другом. Различают разные типы структур в зависимости от того, сложена ли горная порода из кристаллов или аморфного вещества, какова величина кристаллов (целые кристаллы или обломки их входят в состав породы), какова степень окатанности обломков, совершенно не связанны друг с другом образующие породу минеральные зерна или они спаяны каким-либо цементирующим веществом, непосредственно срослись друг с другом, проросли друг в друга и т.д. 1

Дресва — крупный песок, а также мелкий щебень. 190

Под текстурой понимают взаиморасположение составляющих породу компонентов или способ заполнения ими пространства, занимаемого горной породой. Примером могут быть текстуры: слоистая, когда порода состоит из чередующихся слоев разного состава и структуры, сланцеватая, когда порода легко распадается на тонкие плитки, массивная, пористая, сплошная, пузырчатая и т.д. Под формой залегания горных пород понимается форма тел, образуемых ими в земной коре. Для одних пород — это пласты, т.е. сравнительно тонкие тела, ограниченные параллельными поверхностями; для других — жилы, штоки и т.п. В основу классификации горных пород кладется их генезис, т.е. способ происхождения. Выделяют три крупные группы пород: магматические, или изверженные, осадочные и метаморфические. Магматические породы образуются в процессе застывания силикатных расплавов, находящихся в недрах земной коры под большим давлением. Эти расплавы получили название магмы (от греческого слова "мазь"). В одних случаях магма внедряется в толщу лежащих выше пород и застывает на большей или меньшей глубине, в других — она застывает, излившись на поверхность Земли в виде лавы. Осадочные породы образуются в результате разрушения на поверхности Земли ранее существовавших пород и последующего отложения и накопления продуктов этого разрушения. Метаморфические породы представляют собой результат метаморфизма, т.е. преобразования ранее существовавших магматических и осадочных горных пород под влиянием резкого повышения температуры, повышения или изменения характера давления (смены всестороннего давления на ориентированное), а также под влиянием других факторов. Поверхность Земли и ее недра непрерывно изменяются под воздействием самых разнообразных сил и факторов. Эти процессы изменения протекают в подавляющем своем большинстве крайне медленно с точки зрения человека, незаметно не только непосредственно для его глаза, но часто и незаметно для многих сменяющих друг друга поколений людей. Однако именно эти медленные процессы в течение миллионов и миллиардов лет истории Земли приводят к наиболее разительным и крупным переменам в ее лике и внутреннем строении. Они и составляют главное содержание истории Земли. Среди геологических процессов есть и такие, которые проявляются очень бурно и приводят к катастрофическим последствиям. Сюда относятся мощные извержения вулканов, разрушительные землетрясения, внезапные горные обвалы и т.п. Но эти процессы проявляются значительно редко, охватывают относительно небольшие площади и играют в истории Земли значительно меньшую роль. Чтобы верно понять динамику Земли и правильно истолковать закономерности ее развития, требуется очень тонкое наблюдение именно над медленно протекающими геологическими процессами. Их изучение и составляет основное содержание динамической геологии [3]. 191

Для удобства изучения геологические процессы разделяют на две большие группы: процессы внешней геодинамики, или внешние экзогенные процессы, и процессы внутренней геодинамики, или внутренние эндогенные процессы. Экзогенные процессы возникают в результате взаимодействия каменной оболочки с внешними сферами: атмосферой, гидросферой и биосферой. Эндогенные процессы проявляются при воздействии внутренних сил Земли на ту же каменную оболочку. Разделение процессов на внешние и внутренние носит несколько условный характер, так как между ними нет категорического разграничения, а наоборот, наблюдается тесное взаимодействие. Тем не менее, подобное деление методически вполне оправдано. Экзогенные процессы в свою очередь подразделяются на три большие группы: процессы выветривания, процессы денудации и процессы аккумуляции, или осадконакопления. Выветривание представляет собой процесс изменения (разрушения) горных пород и минералов вследствие приспособления их к условиям земной поверхности. Оно состоит в изменении физических свойств минералов и горных пород, главным образом сводящегося к их механическому разрушению, разрыхлению и изменению химических свойств под воздействием воды, кислорода и углекислого газа атмосферы и жизнедеятельности организмов. Денудация и аккумуляция (или осадконакопление) тесно взаимосвязаны. Под денудацией понимается совокупность процесса сноса продуктов разрушения горных пород, создаваемых в основном выветриванием. Она проявляется главным образом в пределах суши и сводится к перемещению раздробленного или химически растворенного материала с возвышенностей в депрессии рельефа — долины, котловины, озерные и морские бассейны. Главными ее агентами являются сила тяжести, текучие воды, ветер и движущиеся льды ледников. Денудация (от латинского слова "денудо" — обнажаю) приводит к разрушению целых горных систем, шаг за шагом сравнивая их с землей и превращая в равнины. Аккумуляция — это сумма всех процессов накопления осадков, возникающих в понижениях рельефа Земли за счет принесенных денудацией продуктов выветривания. Она является первой стадией образования новых осадочных горных пород. Выветривание лишь подготавливает материал для денудации, но само по себе еще не приводит к серьезным изменениям лика Земли. Денудация же является наиболее активным фактором преобразования Земли, мобилизующим, приводящим в движение огромные массы вещества. Поэтому изучение денудации является одним из главных предметов динамической геологии. Аккумуляция — это дальнейшее звено в цепи экзогенных процессов, сводящееся к тому, что продукты выветривания как бы вновь обретают покой, теряют свою подвижность, входя в состав 192

осадочных пород. Однако аккумуляция не является конечным звеном в цепи преобразования материи. Это лишь этап в круговороте ее в условиях Земли. Об интенсивности денудации, выражающей суммарную работу экзогенных сил, судят по количеству разрушенного материала, сносимого реками с суши, и по интенсивности срезания ею поверхности континентов. Эти величины могут быть проиллюстрированы следующими данными: в Средней Азии реки за год перемещают только во взвешенном состоянии от 5 до 3000 т с 1 км2. Для Кавказа величина сноса достигает за год от 75 до 2248 т с 1 км2. Срезание поверхности Русской равнины вследствие денудации составляет 0,03 мм за год. Для горных областей величина денудации возрастает в несколько раз: так, в Средней Азии величина денудации достигает 0,26 мм, на Кавказе — 0,45 мм, в Северных Альпах — 0,57 мм в год и т.д. Денудация суши длится иногда многие миллионы лет, поэтому общая величина срезания континентов с течением времени становится весьма ощутимой. В истории Земли известны многочисленные примеры срезания под корень высоких горных массивов и превращения горного рельефа в равнинный. В процессах денудации наблюдается последовательная смена трех стадий: разрушения, переноса и отложения разрушенного материала, завершающихся воссозданием новых пород осадочного происхождения. Лишь в процессе выветривания отсутствует среднее звено — перенос, и вследствие разрушения исходных пород сразу возникают новые, на них не похожие, но как бы замещающие их на том месте. Эндогенными (внутренними) процессами называются такие геологические процессы, происхождение которых связано с глубокими недрами Земли. Вещество земного шара развивается во всех своих частях, в том числе и в глубинных. В недрах Земли под внешними ее оболочками происходят сложные физико-механические и физико-химические преобразования вещества, в результате которых возникают мощные силы, воздействующие на земную кору и коренным образом преобразующие последнюю. Вот эти-то преобразующие процессы и называются эндогенными процессами. Наиболее отчетливо эндогенные процессы выражаются в явлениях вулканизма, под которыми понимаются процессы, связанные с перемещением магмы, как в верхние слои земной коры, так и на ее поверхность [5]. Явления вулканизма знакомят человека с материей, располагающейся в глубинах земного шара, с ее физическим состоянием и химическим составом. Проявления поверхностного вулканизма происходят не повсеместно, а приурочены к определенным участкам земной коры, положение и площадь которых изменялись в ходе геологической истории. Магма, внедряясь в земную кору, очень часто не достигает поверхности, а застывает где-то на глубине, образуя при этом глубинные, интрузивные горные породы1 (гранит, габбро2 и др.). Явления внедрения магмы в земную кору получили название, глубинного вулканизма или плутонизма. Интрузивные горные породы — полнокристаллические магматические горные породы, образовавшиеся в результате застывания магмы в толще земной коры. 193 1

Вторым видом эндогенных процессов являются землетрясения, проявляющиеся в определенных участках земной поверхности в виде кратковременных толчков или сотрясений. Явления землетрясений, так же как и вулканизм, всегда поражали воображение человека. В тех случаях, когда толчки приходились на населенные пункты, землетрясения приносили человечеству значительные бедствия: гибель многих людей, разрушения построек и т. д. Кроме кратковременных и сильных колебаний типа землетрясений, земная кора испытывает колебания, при которых одни участки ее опускаются, а другие поднимаются. Движения эти совершаются очень медленно со скоростью нескольких сантиметров или даже миллиметров в столетие, они недоступны непосредственным наблюдениям без приборов. Но так как эти движения совершаются повсеместно и непрерывно в течение многих миллионов лет, то конечные результаты их весьма существенны. Вследствие этих колебательных движений многие области, ранее бывшие сушей, оказались дном океана и, наоборот, некоторые участки земной поверхности, сейчас возвышающиеся на сотни и даже тысячи метров над уровнем моря, сохраняют свидетельство того, что когда-то они были под водой. Интенсивность колебательных движений неодинакова: на одних участках земной коры опускания или поднятия более значительны, на других менее значительны. Одним из самых ярких проявлений внутренних сил являются складчатые и разрывные деформации земной коры. Эти явления, в большинстве случаев недоступные непосредственному наблюдению, хорошо запечатлелись в характере залегания осадочных пород, слагающих земную кору. Осадки морей и океанов выпадая из воды, ложатся обычно ровными горизонтальными пластами. Вследствие же складкообразования эти горизонтально залегающие пласты оказываются собранными в различного вида складки, а иногда разорванными или надвинутыми друг на друга. Явление смятия и разрыва пластов способствует образованию возвышенностей и гор, впадин и котловин. Многие ученые приписывали явлению складчатых деформаций главную роль в образовании гор, считая, что породы, сминаясь в складки, вспучивают земную поверхность и образуют возвышенности. Этот процесс получил название орогенеза ("орос" — погречески возвышенность, "генез" — образование). В настоящее время установлено, что в образовании гор колебательные движения играют не меньшую роль, чем складчатые, поэтому термин "орогенез", утратив свое первоначальное значение, стал употребляться реже. Складчатые деформации проявляются только в определенных, наиболее подвижных и наиболее проницаемых для магмы участках земной коры, имеРазличают абиссальные (глубинные) интрузивные горные породы — граниты, диориты, габбро и др. 2 Габбро (итал. gabbro) — интрузивная основная глубинная горная порода, состоит из рудных минералов. Плотность 2800–3200 кг/м3; прочность на сжатие 80-360 МПа. 194

нуемых геосинклиналями. В противоположность им устойчивые, со слабой тектонической активностью, области называются платформами. Складчатые деформации, землетрясения и особенно вулканизм способствуют существенному изменению горных пород, слагающих земную кору. Вследствие сдавливания они становятся более плотными и твердыми, а под действием высокой температуры обжигаются и даже переплавляются. Действие паров и газов, выделяемых из магмы, способствует образованию в горных породах новых минералов. Все эти явления преобразования горных пород под действием эндогенных процессов носят название метаморфизма. О свойствах и составе магмы судят по лаве и тем магматическим горным породам, которые образовались в результате остывания магмы. Эти породы по составу очень разнообразны. Крайними членами ряда магматических пород являются, с одной стороны, кислые и ультракислые породы, с другой — основные и ультраосновные. Между этими крайними членами магматических пород существует большое количество переходных пород. Возникает вопрос, была ли родоначальная магма столь же разнообразной, как и кристаллизовавшиеся из нее породы. Некоторые ученые, например, В.Н. Лодочников, считают, что в глубине Земли существуют разнообразные магмы, отвечающие по своему составу горным породам. Большинство ученых (Р.О. Дели, Н.Л. Боуэн, А.Н. Заварицкий) признают существование одной исходной магмы — основной, базальтовой. По мнению других, например, Ф.Ю. Левинсона-Лессинга, существуют две магмы — кислая и основная, что подтверждается также данными геофизики: в области материков основные породы слагают более низкую оболочку, а кислые породы — более высокую. В области океанических впадин базальтовая оболочка приближается к поверхности Земли. Независимо от этих точек зрения, приходится признавать, что перед своим застыванием магма разделяется по составу, вследствие чего и образуется все разнообразие горных пород. Процесс разделения магмы носит название дифференциации. Нередко наблюдается, что застывшие в одном и том же магматическом очаге породы бывают резко различны по составу, причем между ними существуют взаимные переходы. В Тагильском габбровом массиве на Урале (рис. 13) отчетливо устанавливается разнообразие магматических пород, Рис. 13. Дифференциация порожденных единым магматическим очагом. В центре массива располагаются габбро и магмы в Тагильском массиве 1 — дуниты, 2 — габбро и габбро-диориты, среди которых местами габбро-диориты, 3 — обнаруживаются ультраосновные породы — сиениты, 4 — граниты, дуниты. По краям массива наблюдается кварцевые диориты оторочка из средних пород — сиенитов и 195

кислых пород — гранитов и кварцевых диоритов. Следовательно, магма перед окончательным застыванием разделилась таким образом, что в центре оказались основные породы, а по краям возникли кислые. Каковы же причины и характер дифференциации магмы? По мнению некоторых ученых, дифференциация магмы происходит в магматическом слое с момента его возникновения путем разделения магмы по удельному весу на более тяжелую, которая опускается вниз, и более легкую, как бы всплывающую к верху. Эта дифференциация носит название гравитационной. Она привела к образованию отдельных слоев земной коры: базальтового внизу и гранитного вверху. Процессы дифференциации магмы происходят в основном вследствие изменения физико-химической обстановки в области магматического очага, например изменения давления или температуры. В связи с огромным давлением вещество на очень больших глубинах, несмотря на высокую температуру, находится в твердом состоянии. В условиях более низкого давления магматическое вещество переходит из твердого в жидкое состояние, и начинается его дифференциация [5]. В процессе магматической дифференциации происходит процесс ликвации. Ликвация, или расщепление, магмы представляет собой образование двух различных по составу и удельному весу жидкостей. Этот процесс напоминает разделение смеси воды и эфира. Его можно сравнить также с процессом остывания металлического расплава в домне, при котором происходит распадение на два слоя: верхнего — шпака и нижнего — штейна, не смешивающихся при дальнейшем остывании. Опытным путем Д.П. Григорьевым было показано, что силикатный расплав при участии фтористого кальция, являющегося минерализатором, расщепляется на два слоя. Не вся магма, движущаяся к поверхности, достигает ее. Вследствие отсутствия открытых трещин или недостаточной энергии магма может остановиться внутри твердой оболочки земной коры, где, попав в зоны с иным, более низким тепловым режимом, начинает постепенно остывать. Этот процесс носит название глубинный (интрузивный) вулканизм. Тектоническими движениями называют перемещения вещества земной коры под влиянием процессов, происходящих в более глубоких недрах Земли. Эти движения вызывают тектонические нарушения, т.е. изменения первичного залегания горных пород. Особенно отчетливо эти изменения наблюдаются на примере осадочных пород, которые первично отлагаются в виде горизонтально залегающих пластов, а вследствие тектонических нарушений оказываются смятыми в складки или разорванными на отдельные чешуи и блоки. Тектонические движения в конечном счете создают наблюдаемую структуру земной коры, т. е. они являются созидательными движениями ("тектонос" — по-гречески созидательный). В результате этих движений возникают и основные неровности рельефа поверхности Земли [3]. Тектонические движения можно разделить на два типа: радиальные — колебательные, или эпейрогенические движения, и тангенциальные или орогенические. В первом типе движений напряжения передаются в 196

направлении, близком к радиусу Земли, во втором — по касательной к поверхности оболочек земной коры. Очень часто эти движения бывают взаимосвязаны, или один тип движений порождает другой. В результате этих типов движений создаются три вида тектонических деформаций: деформации крупных прогибов и поднятий; складчатые; разрывные. Первый тип тектонических деформаций, вызванный радиальными движениями в чистом виде, выражается в пологих поднятиях и прогибах земной коры, чаще всего большого радиуса. Колебания, вызывающие образование подобных форм, в отличие от сейсмических колебаний совершаются относительно медленно, ощутимых разрушений не приносят и непосредственным наблюдениям человека не поддаются. Складчатые деформации вызываются тангенциальными движениями и выражаются в виде складок, образующих длинные или широкие пучки, иногда короткие, быстро затухающие морщины. Третий тип тектонических деформаций характеризуется образованием разрывов в земной коре и перемещением отдельных участков ее вдоль трещин этих разрывов. Разрывные нарушения очень часто являются производными от первых двух типов в большей мере от складчатых. Установить причину той или иной деформации не всегда удается, так как, кроме вышеуказанных типов движений, деформации могут образоваться в связи с внедрением магмы и т. п. Поэтому нарушения в земной коре классифицируют не по типу вызвавших их движений, а по форме или какимлибо другим особенностям самих нарушений. 11.3. Общие тенденции развития знаний о Земле Геодинамика — наука о процессах, протекающих в системе "Земля", и о силовых (энергетических) полях, проявляющихся в этих процессах. В соответствии с естественным структурным разделением системы "Земля" на геосферы в составе геодинамики выделяются: динамика ядра, динамика мантии, динамика литосферы, динамика гидросферы, динамика атмосферы и динамика околоземного космического пространства. Динамика трех внутренних геосфер объединяется во внутреннюю, трех внешних — во внешнюю [3]. Внутренняя геосфера целиком относится к области динамической геологии. Внешняя геосфера относится к динамической геологии только в той мере, в которой процессы, протекающие во внешних геосферах, воздействуют на литосферу или другие внутренние геосферы. Динамика гидросферы соответствует области интересов океанологии, лимнологии, и гидрологии, динамика атмосферы — метеорологии. Динамика околоземного космического пространства в настоящее время интенсивно исследуется в рамках программы исследований космоса. Помимо перечисленных выше крупных разделов геодинамики, в ее составе может рассматриваться динамика любой части системы "Земля", выделенной по какому-либо существенному признаку: динамика биосферы, 197

динамика рифтовых зон и т.п. Сочетания пространственных и предметных ограничений позволяют разнообразно локализовать частные задачи геодинамики. Геодинамические процессы. Вещество геосфер Земли находится в непрерывном движении и изменении. Быстрее всего они протекают в жидкой и газообразной оболочках. Среди процессов, совершающихся в недрах и на поверхности Земли, различают две главные группы: 1) внутренние или эндогенные процессы, их движущим началом является внутренняя энергия Земли (энергия радиоактивного распада); 2) внешние или экзогенные, процессы, порождаемые поступающей на Землю энергией солнечного излучения; Геофизика — комплекс наук, изучающих физические свойства Земли в целом, и физические процессы происходящие в ее твердых сферах, а также в жидкой (гидросфере) и газовой (атмосфере) оболочках. Различные геофизические науки развивались на протяжении четырех последних столетий (особенно в XIX и XX вв.) неравномерно и в некоторой изоляции одна от другой. Их частные методы разнообразны, что определяется своеобразием физических характеристик и процессов в каждой из трех указанных оболочек Земли. Понятие геофизики как науки, объединяющей большую совокупность, возникло в науке в 40–60 гг. ХХ в. Наиболее разработанная классификация геофизических наук согласно которой в геофизику входят: геомагнетизм (учение о земном магнитном поле), аэрономия (учение о высших слоях атмосферы), метеорология (наука об атмосфере), гидрология (учение о реках, озерах и других водоемах суши); гляциология (учение о всех формах льда в природе), физика недр Земли, сейсмология, гравиметрия (учение о поле силы тяжести). Геофизика подразделяется на разделы: физику Земли, гидрофизику и физику атмосферы. Физика Земли объединяет следующие дисциплины: гравиметрия, сейсмология, магнитометрия, электрометрия, радиометрия. Гидрофизика занимается изучением физических свойств океанов, озер и т.п. и процессов, происходящих в гидросфере. Гидрофизика делится на физику моря и гидрологию. Физика атмосферы (метеорология) исследует земную атмосферу, ее строение, свойства и происходящие в ней физические процессы с целью количественного их расчета, прогноза, а также управления ими. Физика атмосферы делится на динамическую метеорологию, аэрологию, климатологию, радиометеорологию. Современное развитие геофизических наук стимулируется возрастающими потребностями в прогнозе состояния окружающих человека среды, в особенности погоды и гидрологического режима, в освоении природных богатств и регулировании природных процессов. В определенной мере это связано с космическими исследованиями, поскольку космические корабли пролетают земную атмосферу при старте и возвращении на Землю, а искусственные спутники Земли вращаются в 198

верхних слоях атмосферы. С технической точки зрения это развитие обеспечивается быстро возрастающим числом глобальных наблюдений с использованием новейших методов электроники и автоматики, машинной обработкой огромного количества результатов наблюдений и все более широким применением математического анализа в теоретических построениях. Геофизические методы разведки — этот исследование строения земной коры физическими методами с целью поиска и разведки полезных ископаемых. Эти методы основаны на изучении физических полей (гравитационного, магнитного, электрического, упругих колебаний, термических, ядерных излучений). Измерения параметров этих полей ведутся на поверхности Земли (суши и моря), в воздухе и под землей (в скважинах и шахтах). Получаемая информация используется для определения местонахождения геологических структур, рудных тел и т.п. и их основных характеристик. Это позволяет выбрать наиболее правильное направление дорогостоящих буровых и горных работ и тем самым повысить их эффективность. В геофизических методах используются как естественные, так и искусственно создаваемые физические поля. Разрешающая способность, это способность специфически выделять искомые особенности среды (для методов искусственного поля). Средства для исследования методами естественных полей относительно дешевы, транспортабельны и дают однородные, легко сравнимые результаты для обширных территорий. В зависимости от природы физических полей, используемых в геофизических методах, различают: гравиметрическую разведку, основанную на изучении поля силы тяжести Земли; магнитную разведку, изучающую естественное магнитное поле Земли; электрическую разведку, использующую искусственные постоянные поля. Есть еще несколько видов разведки: сейсморазведка, геотермическая разведка, ядерная геофизика. Все виды разведки основаны на использовании физико-математических принципов для разработки их теорий, высокоточной аппаратуры с элементами электроники, радиотехники, точной механики и оптики для полевых измерений, вычислительной техники, включая новейшие электронные вычислительные машины для обработки результатов. Геофизические методы разведки быстро развиваются, успешно решая задачи поисков и разведки полезных ископаемых, особенно в районах, закрытых толщами пухлых отложений на больших глубинах, а также под дном морей и океанов [5]. Изучением химического состава Земли занимается геохимия. Геохимия — наука о химическом составе Земли, о законах распространения и распределения, а также способах сочетания и путях миграции химических элементов на Земле. Помимо изучения химического состава Земли геохимия рассматривает поведение химических элементов в земной коре, их миграцию, способность к рассеиванию и образованию концентраций. Наиболее сложная задача геохимии — изучение химизма глубоких сфер Земли. Вопрос об их химическом составе решается с учетом метеоритных гипотез происхождения Земли, анализа скорости прохождения 199

сейсмических волн и плотности оболочек. Увеличение плотности прохождения вещества с увеличением глубины говорят о том, что ядро состоит из более тяжелых элементов, чем мантия. Ученые считают, что ядро состоит из железа и никеля, что соответствует составу наиболее тяжелых железных метеоритов. В составе мантии преобладает вещество более легких каменных и железокаменных метеоритов, состоящих из окислов железа, магния, кремния, алюминия и кальция. Такое распределение легких камней вокруг тяжелых могло произойти в период формирования планеты Земля или в процессе дифференциации (расщепление) метеоритного вещества на тяжелую и легкую материю в процессе эволюции Земли. Представления о различном фазовом состоянии вещества глубинных оболочек основывается не только на изменении скорости сейсмических волн, но и на изменении термодинамических условий (повышение температуры и давления) с увеличением глубины. Некоторые ученые считают, что в ядре Земли, где господствуют температуры в тысячи градусов и давление в миллиарды Паскалей, первоначальное вещество Земли потеряло кристаллическую структуру и благодаря разрушению электронных оболочек атомов перешло в металлизированное состояние, приведшее к сближению ядер элементов и следовательно, к сильному повышению плотности вещества. Более точную характеристику вещества глубоких недр можно получить лишь непосредственными химическими исследованиями образцов горных пород. Такая возможность не существует пока для изучения, так как вещества земной коры, залегают на глубинах до 20 км. О составе вещества верхней мантии Земли могут свидетельствовать лишь образцы горных пород, поднятые научными экспедициями из глубоководных рифтов. Эти породы по плотности соответствуют веществу верхней мантии и состоят из окислов железа, магния и кремния. В настоящее время наука располагает данными химических исследований образцов пород базальтовой оболочки Земли, полученных при бурении глубоководных скважин в океане. Эти породы, состав которых также близок к перидотитам1, считают продуктом дифференциации вещества верхней мантии. Предполагается, что такая дифференциация возможна в слое пониженной плотности — астеносфере. По поводу образования гранитной оболочки земной коры, состоящей из легких окислов кремния, алюминия, натрия, калия, существуют два мнения. Одни исследователи считают, что гранитная оболочка — продукт дифференциации вещества земной коры, другие связывают ее образование с последующим переплавлением ранее образованных осадочных горных пород. Химический состав осадочного слоя несколько неоднороден. Среди преобладающих в породах легких окислов кремния и алюминия обнаружены окислы железа, магния, кальция, натрия, калия, в небольших количествах Периодотит — ультраосновная полнокристаллическая горная порода, состоящая главным образом из оливина (40–90%) и пироксена, редко роговой обманки или слюды. С перидотитом связаны месторождения хромита, платины, никеля и др. 1

200

присутствуют более тяжелые химические элементы, попавшие в поверхностные слои вместе с продуктами глубинного магматического расплава. Всего в земной коре встречается 92 элемента таблиц Д.И. Менделеева. Эволюция химических элементов связана с историей развития Земли. В процессе эволюции происходило усложнение строения их ядер и электронных оболочек. Из простых по строению элементов (водород, гелий) формировались более сложные. Химические элементы встречаются в земной коре в атомарном, ионизированном и молекулярном состояниях. Они образуют газы, жидкости и твердые тела. Процентное содержание элементов в земной коре варьируется в широких пределах. Одни из них (кислород, кремний, алюминий) встречаются в природе в больших количествах, другие в сотых, тысячных и более малых долях процента. Первую попытку подсчитать среднее содержание элементов в горных породах сделал в 1889 г. американский геохимик Ф. Кларк. Несколько позже этим вопросом занимались А.П. Виноградов, В.И. Вернадский, А.Е. Ферсман. Они уточнили цифры, полученные Ф. Кларком. По предложению А.Е. Ферсмана, среднее содержание элемента в земной коре стали называть кларком. Из данных таблицы 1 следует, что основная масса вещества земной коры (99,79%) состоит из девяти химических элементов: кислорода, кремния, алюминия, железа, кальция, натрия, калия, магния, водорода. Таблица 1 Содержание наиболее распространенных в земной коре элементов (по А.П. Виноградову) Элементы Процент от Элементы Процент от общей массы общей массы Кислород 47,2 Натрий 2,64 Кремний 27,6 Калий 2,6 Алюминий 8,8 Магний 2,1 Железо 5,1 Водород 0,15 Кальций 3,6 Все остальные 0,21 Геохимические поиски полезных ископаемых, это методы, основанные на исследовании закономерностей распределения химических элементов в литосфере, гидросфере, атмосфере и биосфере с целью обнаружения месторождений полезных ископаемых. Благодаря миграции элементов между оболочками земной коры осуществляется взаимный обмен веществом. Осуществляется он между разными участками земной коры, в том числе между океанами и континентами. Однако исследования химического состава земной коры континентального и океанического типов показали, что между ними имеются заметные различия. В континентальной земной коре выше, чем в океанической, содержание окислов кремния, натрия, калия и фосфора. В 201

океаническом типе земной коры отмечается повышенное содержание окислов алюминия, кальция, магния, железа, титана, марганца. Химический состав земной коры не может характеризовать состав земли в целом, так как наружная оболочка составляет всего лишь 1% ее массы. О химическом составе планеты можно судить главным образом по химическому составу ядра и мантии. По данным А.Е. Ферсмана, наиболее распространенными элементами Земли являются (в процентах массы): железо — 39,76; кислород — 27,71; кремний — 14,53; магний — 8,69; никель — 3,46; кальций — 2,32; алюминий — 1,79; сера — 0,64, прочие элементы — 1,10. Химический состав Земли близок к составу метеоритов, в которых, как и в Земле, преобладают железо, кислород, магний, кремний. Близость химического состава Земли к другим планетам подтверждают исследования лунного грунта, доставленного на Землю советскими автоматическими станциями и американскими астронавтами. Как показали исследования, в составе лунных базальтов несколько выше содержание ТО2, FeO, MnO, CaO и Сг2О3, а в земных базальтах SiO2, MgO, Fe2O3, Na2O, K2O. 11.4. Вклад советских ученых в развитие теории тектоники плит Существенный вклад в развитие идей мобилизма в конце 50-х гг. и в 60-х гг. XX в. внес П.Н. Кропоткин. Он одним из первых оценил перспективы использования палеомагнитных1 данных для построения глобальных палеогеографических реконструкций. На примере многих регионов мира, в том числе на примере Азии и южных гондванских2 материков, им было показано значительное перемещение крупных блоков земной коры [4]. Существенный вклад в развитие идей мобилизма внес А.В. Пейве. В конце 1960-х гг., используя большой фактический материал, он убедительно обосновал тот факт, который теперь большинством исследователей признается очевидным, а именно, что встречающиеся в современных горных областях офиолитовые покровы, на самом деле представляют собой фрагменты древней океанской коры, механически надвинутые на континентальные окраины. Палеомагнитизм — свойство горных пород намагничиваться в период своего формирования под действием магнитного поля Земли и сохранять приобретенную намагниченность в последующие эпохи. Палеомагнетизм дает возможность изучать эволюцию геомагнитного поля и создать абсолютную палеомагнитную геохронологическую шкалу. 2 Гондвана (от названия племени гондов и района Индии Вана) — гигантский суперконтинент, существовавший в течение большей части палеозоя и в начале мезозоя в Южном полушарии. Включал части современных Юж. Америки, Африки, Азии (Аравию, Индостан), Австралии и, возможно, Антарктиды. На протяжении мезозоя произошло распадение Гондваны на отдельные части — прообразы современных материков; в меловом периоде она перестала существовать как единое целое. Антипод Гондваны в Северном полушарии — Лавразия. 202 1

Большой вклад в развитие и распространение новых идей в нашей стране принадлежит А.Н. Храмову и В.Е. Хаину. А.Н. Храмов в конце 1960-х гг. был первым советским геофизиком-магнитологом, который использовал новые палеомагнитные данные для определения параметров движения континентов и подтвердил крупные перемещения материков в течение всего фанерозоя, т.е. около 600 млн. лет. В начале 1970-х гг. советские исследователи (С.А. Ушаков, Н.П. Федынский, Ф.С. Шебалин, 1972; А.П. Лисицын, 1974) по данным бурения и магнитным аномалиям построили карты возраста дна Мирового океана. Кроме того, А.П. Лисицын одним из первых использовал изменения условий осадконакопления для определения направлений и величины смещений океанских плит. И.П. Герасимов, А.В. Живаго и С.С. Коржуев с позиций новой теории предприняли интересную попытку рассмотреть геоморфологические особенности дна Мирового океана. Л.И. Лобковским и О.Г. Сорохтиным был теоретически исследован механизм поддвига литосферных плит под островные дуги и рассчитано условие затягивания осадков в зоны поддвига плит. Позднее на основе результатов теоретических расчетов и сопоставлений их с сейсмологическими данными советскими геофизиками впервые была составлена карта толщины океанической литосферы. Ю.И. Галушкиным и С.А. Ушаковым в числе первых исследователей были рассмотрены различные геодинамические модели внутриплитовой эволюции литосферы. Были рассмотрены различные геодинамические модели эволюции литосферы в трансформных разломах, осуществлена классификация трансформных1 разломов по динамическим признакам, выполнен геодинамический анализ моделей процессов, происходящих на конвергентных краях плит. Наряду с развитием вышеперечисленных прикладных проблем теории тектоники плит советские геофизики, в частности О.Г. Сорохтин, внесли существенный, а возможно, даже и определяющий вклад в разработку химической, динамической и термической моделей глобальной тектоники нашей планеты. Полученные результаты дают основание предполагать, что в недалеком будущем возможно создание общей теории глобальной эволюции Земли. 11.5. Контуры современных плит Гипотеза дрейфа материков возродилась в новой фундаментальной теории тектоники литосферных плит, которая привела к бурному развитию более общей концепции глобальной тектоники, став ее составной частью. Для того, чтобы принять новую теорию, надо понять те факты, на которых Трансформные разломы — крупные поперечные разломы земной коры, рассекающие срединно-океанические хребты. Исходя из гипотезы "новой глобальной тектоники", вдоль них осуществляется скольжение сегментов литосферных плит. 1

203

она основана. Материки перемещаются не сами по себе, а в составе литосферных плит. Рассмотрим имеющиеся данные и построенную на их основе теорию эволюции литосферы. Из определения литосферы как жесткой оболочки с конечной прочностью и хрупким разрушением вытекает естественное следствие: если литосферная плита представляет собой единую пластину, то ломаться она должна лишь по краям, и каждый такой разлом — это источник землетрясения. Следовательно, сейсмическая активность сосредоточена на границах литосферных плит в пределах сравнительно узких зон. Давно было известно, что землетрясения распространены по поверхности Земли в виде поясов сейсмической активности, оконтуривающих обширные асейсмические области. Более надежному выделению границ литосферных плит помогла созданная к началу 1960-х гг. мировая сеть стандартных сейсмологических станций. Хорошо определенные сравнительно узкие пояса современной сейсмической активности — это наиболее существенный определяющий признак для трассирования границ и, как следствие, оконтуривания самих литосферных плит. Развитие широкой мировой сети сейсмологических станций позволило установить преобладающие направления смещений на различных типах границ литосферных плит. Современная достаточно обоснованная кинематическая модель очага землетрясения базируется на том простом условии, что смещение происходит по разрыву, обусловленному воздействием пары сил. Согласно такой модели, от очага землетрясения будут распространяться волны сжатия и растяжения. При этом в каждой стороне от плоскости разрыва будут возникать области первичного распространения волн сжатия и растяжения. В направлении смещения каждой из плоскостей разрыва первыми будут возникать волны сжатия, в противоположном — волны растяжения. Эти четыре симметричные области — две сжатия и две растяжения — разделены двумя взаимноперпендикулярными плоскостями. Одна из них, та, по которой происходит разрыв, — главная, вторая — вспомогательная. Выбор каждой из плоскостей для неглубоких, близповерхностных очагов можно сделать по геоморфологическим данным, а для более глубоких — на основании геологических и геофизических критериев. Достоверное направление простирания нодальной плоскости может быть получено, как правило, только статически, на основании достаточно большого количества решений фокальных механизмов землетрясений вдоль одной границы литосферных плит. Для разработки метода определения механизмов смещений в очагах землетрясений по сейсмологическим данным в нашей стране много сделала А.В. Введенская, а для приложения этих данных к тектонике плит — Л.Р. Сайке. В настоящее время можно выделить лишь семь наиболее крупных плит. Это Тихоокеанская, Северо-Американская, Южно-Американская, Африканская, Евразиатская, Индийская и Антарктическая. В несколько раз меньше по размерам плита Наска. Как свидетельствует анализ "мгновенной" 204

кинематики плит, Наска перемещается с достаточно большой скоростью. Также со значительной скоростью перемещаются еще две плиты — Кокос и Аравийская, площадь каждой из них почти в три раза меньше, чем плита Наска. Из семи крупных плит выделяются две самые большие — Тихоокеанская и Африканская. Они имеют в плане округлую форму и расположены антиподально. Все остальные крупные плиты имеют очертания ближе к эллипсовидным. За последнее десятилетие кроме названных выше плит выделено несколько десятков более мелких, из которых самые крупные — Филиппинская, Скоша и Карибская по площади соизмеримы с плитами Аравийской или Кокос. Кроме того, малые плиты могут быть реликтами более крупных в области сближения дивергентных и конвергентных границ. Само пространственное положение двух дивергентных планетарных поясов, от которых большие литосферные плиты расходятся, и двух планетарных поясов сжатия литосферы заставляет задуматься о механизме, управляющем движением всего ансамбля литосферных плит. Такое упорядоченное расположение главных границ плит в виде двух ортогональных друг другу поясов наводит на мысль о двухъячеистой структуре конвективных течений, охватывающих всю мантию Земли. При этом рифтовые трещины будут образовываться в областях, где преобладают восходящие потоки, тогда как планетарные пояса сжатия литосферы возникают над нисходящими потоками. Конечно, из-за жесткости и прочности литосферы не будет полного совпадения дивергентных и конвергентных границ плит с осями восходящих и нисходящих потоков в мантии, но генеральная связь должна иметь место. Вопросы для повторения 1. Каков состав земной коры? 2. Что такое экзогенные процессы? 3. Что такое эндогенные процессы? 4. Что изучает тектоника? 5. Что изучает геодинамика? 6. Что изучает геофизика? 7. Что изучает геохимия? 8. Что такое географический облик Земли? 9. Что такое атмосфера Земли и каков её состав? 10. Что такое геофизические методы разведки земной коры? Библиографический список 1. Жуков, М.М. Основы геологии / М.М. Жуков, В.И. Славин, Н.Н. Дунаева. — М.: Госгеолтехиздат, 1961. 205

2. Горшков, Г.Н. Якушева А.Ф. Общая геология / Г.Н. Горшков, А.Ф. Якушева. — М.: Изд-во МГУ, 1958. 3. Лейялль, Ч. Основные начала геологии или новейшие изменения земли и её обитателей / Пер с англ / Ч. Лейялль. — 1986. — Т. III. 4. Справочник по геологии / Под ред. Строева И.А. — М.: Наука, 1983. 5. Яковлев, С.А. Общая геология / С.А. Яковлев.— М.-Л.: Госгеолтехиздат, 1948.

206

Глава 12. ПРОИСХОЖДЕНИЕ И СУЩНОСТЬ ЖИЗНИ 12.1. История проблемы Вопросы о происхождении природы и сущности жизни издавна стали предметом интереса человека в его стремлении разобраться в окружающем мире, понять самого себя и определить свое место в природе. Многовековые исследования и попытки решения этих вопросов породили разные концепции возникновения жизни: креационизм — сотворение жизни Богом; концепция самопроизвольного зарождения из неживого вещества; концепция стационарного состояния, в соответствии с которой жизнь существовала всегда и концепция внеземного происхождения жизни в результате развития физических и химических процессов [1]. Концепция креационизма, по существу, научной не является, поскольку она возникла в рамках религиозного мировоззрения. Она утверждает, что жизнь такова, какова она есть, потому что такой ее сотворил Бог. Тем самым практически снимается вопрос о научном решении проблемы происхождения и сущности жизни. В XIX в. в биологии возникли концепции механистического материализма и витализма — вершина биологии того времени, между которыми началась ожесточенная борьба идей о происхождении и сущности жизни. Механистический материализм не признавал качественной специфики живых организмов и представлял жизненные процессы как результат действия химических и физических процессов. С этой точки зрения живые организмы выглядели как сложные машины. Но аналогия между живым существом и машиной не объясняет именно того, что она призвана объяснять: причину целесообразной организации живых существ. Такой подход неверен в самой своей основе. Противоположной точкой зрения стал витализм (от лат. vitalis — жизненный), который объяснял качественное отличие живого от неживого наличием в живых организмах особой "жизненной силы", отсутствующей в неживых предметах и не подчиняющейся физическим законам. Такое решение проблемы сущности жизни тесно связано с признанием факта творения ее Богом, разумным нематериальным началом и т.д. Отвергая идею творения мира и жизни, ученые вплоть до середины XIX в. придерживались идеи самопроизвольного зарождения жизни из различных материальных образований, в том числе из гниющей земли, отбросов и иных объектов. Этой точки зрения придерживались такие крупные ученые и выдающиеся мыслители, как Аристотель, врач Парацельс, эмбриолог Гарвей, Коперник, Галилей, Декарт, Гете, Шеллинг и др. Их авторитет во многом определил длительный срок существования идеи самозарождения и ее широкое распространение. Лишь в 60-е гг. XIX в. в развернувшейся между Ф.А. Пуше и Л. Пастером дискуссии, потребовавшей экспериментальных исследований, удалось строго научно обосновать несостоятельность этой концепции. Опыты Пастера 207

продемонстрировали, что микроорганизмы появляются в органических растворах в силу того, что туда были ранее занесены их зародыши. Примерно в этот же период времени (1865) на стыке космогонии и физики немецким ученым Г. Рихтером разрабатывается гипотеза занесения живых существ на Землю из космоса — так называемая концепция панспермии1. Согласно этой идее, зародыши простых организмов могли попасть в земные условия вместе с метеоритами и космической пылью и положить начало эволюции живого, которая в свою очередь породила все многообразие земной жизни. Концепцию панспермии разделяли такие крупные ученые, как С. Аррениус, Г. Гельмгольц, В.И. Вернадский, что способствовало ее широкому распространению среди ученых. Тем не менее, пока и эта гипотеза полного научного обоснования не получила. Хотя спектр возможных условий для существования живых организмов достаточно широк, все же считается, что они должны погибнуть в космосе под действием ультрафиолетовых и космических лучей. Наряду с гипотезой панспермии в современной научной литературе сохраняется также гипотеза о случайном характере возникновения на Земле первичной живой молекулы, которая появилась лишь раз за все время существования нашей планеты. В силу этого обстоятельства экспериментальную проверку данной гипотезы произвести невозможно. Эта гипотеза получила широкое распространение среди генетиков в связи с открытием роли ДНК в явлениях наследственности. Г. Меллер в 1929 г. развивал мысль, что чисто случайно на Земле возникла единичная "живая генная молекула", обладавшая внутримолекулярным жизнеопределяющим строением, которое она пронесла неизменным через все развитие земной жизни. Долгое время моделью такой "живой молекулы" считали частицу нуклеопротеида вируса табачной мозаики, но сейчас стало очевидным, что вирусы нельзя рассматривать как промежуточный этап на пути возникновения жизни: сперва должна была возникнуть жизнь, а затем вирус. Тем не менее, идея случайного возникновения ДНК до сих пор широко распространена в научной литературе, хотя вероятность такого события очень мала [2]. Очевидно, более продуктивно рассматривать жизнь как особую форму движения материи, закономерно возникшую на определенном этапе ее развития. Разумеется, возникновение жизни содержало элемент случайности, но оно было не абсолютно случайным, а в основе своей закономерным, необходимым. Ранее мы уже говорили о процессах самоорганизации материи. Видимо, появление жизни произошло в ходе этого процесса, когда химическая эволюция после одной из точек бифуркации привела к появлению живого организма и началу биологической эволюции. Поэтому сегодня наиболее перспективным направлением для естествознания является исследование возникновения жизни из неживой материи на нашей планете в ходе процессов самоорганизации [3, 4]. Панспермия — гипотеза о возможности переноса жизни во Вселенной с одного космического тел на другое. 208

1

Концепция происхождения жизни А. И. Опарина Одним из главных препятствий, стоявших в начале ХХ в. на пути решения проблемы возникновения жизни, было господствовавшее тогда в науке и основанное на повседневном опыте убеждение в том, что органические вещества в природных условиях возникают только биогенно, то есть путем их синтеза живыми существами. Считалось, что представить себе естественное возникновение даже простейших организмов из неорганических веществ (углекислоты, воды, азота и т.д.) совершенно невозможно. Поэтому так важно было появление концепции А.И. Опарина, вступившей в противоречие с общепринятым мнением. Он выступил с утверждением, что монополия биотического синтеза органических веществ характерна лишь для современной эпохи существования нашей планеты. В начале же своего существования, когда Земля была безжизненной, на ней осуществлялись абиотические синтезы углеродистых соединений и их последующая предбиологическая эволюция. Совершалось постепенное усложнение этих соединений, формирование из них индивидуальных фазовообособленных систем, превращение их в протобионты1, а затем и в первичные живые существа [5]. Опарин предположил и экспериментально доказал, что под действием электрических разрядов, тепловой энергии, ультрафиолетовых лучей на газовые смеси, содержащие пары воды, аммиака, циана, метана и др., появились аминокислоты, нуклеотиды и их полимеры, которые по мере увеличения концентрации органических веществ в "первичном бульоне" гидросферы Земли способствовали возникновению коллоидных систем, так называемых коацерватных капель. Коацерваты — это комплексы коллоидных частиц. Они могут возникать, например, из комплексных солей кобальта, кремнекислого натрия и нашатырного спирта, в растворе ацетилцеллюлозы, в хлороформе или бензоле, при смешивании растворов различных белков. Такой раствор, как правило, разделяется на два слоя — слой, богатый коллоидными частицами, и жидкость, почти свободную от них. В некоторых случаях коацерваты образуются в виде отдельных капель, видимых под микроскопом. Для их образования необходимо присутствие в растворе нескольких (хотя бы двух) разноименно заряженных высокомолекулярных веществ. Поскольку в водах первичного океана это условие было соблюдено, образование в нем коацерватов могло быть реальным. А.И. Опарин предположил, что в массе коацерватных капель должен был идти отбор наиболее устойчивых в существовавших условиях. Многие миллионы лет шел процесс естественного отбора коацерватных капель. Сохранялась лишь ничтожная их часть. Способность к избирательной адсорбции2 постепенно преобразовалась в устойчивый обмен веществ. Вместе с этим в процессе отбора оставались лишь те капли, которые при распаде на дочерние сохраняли особенности своей структуры, т.е. приобретали свойство Протобионты — доклеточные предки. Адсорбация — поглощение вещества из газовой или поверхностным слоем твердого дела (адсорбента) или жидкости. 209 1 2

жидкой

среды

самовоспроизведения — важнейшего признака жизни. По достижении этой стадии коацерватная капля превратилась в простейший живой организм. Коацерватные капли были местом встречи и взаимодействия до этого независимо возникавших простых белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и липидов. Популярность концепции Опарина в научном мире очень велика. Его ученики и последователи и сегодня продолжают исследования в этом направлении. Но у этой концепции есть как сильные, так и слабые стороны. Сильной стороной концепции является достаточно точное соответствие ее теории химической эволюции, согласно которой в процессе добиологической (абиогенной) эволюции материи зарождение жизни — закономерный результат. Убедительным аргументом в пользу этой концепции является также возможность экспериментальной проверки ее основных положений. Это касается не только лабораторного воспроизведения предполагаемых физико-химических условий первобытной Земли, но и коацерватов, которые имитируют доклеточный предок жизни и его функциональные способности. Слабой стороной концепции А.И. Опарина является допущение возможности самовоспроизведения коацерватных структур в отсутствие молекулярных систем с функциями генетического кода. Существование этих систем объяснялось наличием у них свойств открытых микросистем, выживающих за счет вовлечения в них ферментов, находящихся в готовом виде в окружающей среде. А это значит, что в рамках концепции Опарина не удается решить главную проблему — о движущих силах саморазвития химических систем и перехода от химической эволюции к биологической, раскрыть причину таинственного скачка от неживой материи к живой. 12.2. Современные концепции происхождения и сущности жизни Ученые-биологи, занимающиеся сегодня решением вопроса о происхождении жизни, самым сложным считают характеристику структурных и функциональных особенностей протобиологической системы, то есть доклеточного предка. Трудность решения этого вопроса объясняется хорошо известным фактом: для саморепродукции нуклеиновых кислот — основы генетического кода — необходимы ферментные белки, а для синтеза белков — нуклеиновые кислоты. Рассматривая ответы на вопрос о первичности белков или нуклеиновых кислот, все существующие гипотезы и концепции можно разделить на две большие группы: голобиоза и генобиоза. Рассмотренная нами концепция Опарина относится к группе голобиоза — методологического подхода, основанного на идее первичности структур типа клеточной, наделенной способностью к элементарному обмену веществ при участии ферментного механизма. Появление нуклеиновых кислот в ней 210

считается завершением эволюции, итогом конкуренции протобионтов. Эту точку зрения можно еще назвать субстратной1. Сторонники генобиоза исходят из убеждения в первичности молекулярной системы со свойствами первичного генетического кода. Эту группу гипотез и концепций можно назвать информационной. Противостояние гипотез голобиоза и генобиоза обрело форму дискуссии при обсуждении вопроса, что старше — голый ген или белковый протобионт, или в иной терминологии — генетическая репродукция или метаболизм. В новых категориях эта дискуссия стала известной в 1980-е гг. как противостояние двух концепций, каждая по-своему трактующих характер доклеточного предка — информационной (генетической) и субстратной (обменно-метаболической). Основанием для отнесения взглядов Пастера к гипотезе генобиоза служит тот факт, что проблему зарождения живого из неживого Пастер рассматривал на молекулярном уровне, хотя и не поднимал вопроса о самовоспроизведении той диссимметричной молекулярной системы, образование которой было, по его убеждению, первым и необходимым этапом к зарождению жизни. Можно поэтому говорить о том, что Пастер первым вывел изучение проблемы происхождения живого на молекулярный уровень, и в этом его историческая заслуга перед наукой. Эти идеи получили сегодня широкое развитие в естествознании, причем не столько в биологии, сколько в химии и физике. Сегодня считается, что если молекулярная хиральность (диссиметрия) — изначальный и фундаментальный признак живой материи, то способность возрождать хирально чистые молекулярные блоки зародилась так же рано, как и способность к генетически детерминированной саморепродукции. Иными словами, одновременно с генетическим возник и стереохимический код. Его функцией стало кодирование построения хирально чистых мономеров, наличие которых необходимо для комплементарного взаимодействия молекул субстрата и ферментов при биохимических реакциях.

Общее признание в рамках гипотезы генобиоза получила идея, согласно которой такими блоками были макромолекулы ДНК или РНК2. 1

Субстрат (от средневекового лат. substratum — подстилка, основа) — в биологии: 1) химическое вещество, подвергающееся превращению под действием фермента. Концентрация субстрата в клетке оказывает регулирующее влияние на активность фермента; 2) основа (предмет или вещество), к которой прикреплены животные или растительные организмы, а также среда постоянного обитания и развития организмов, напр. питательная среда для микроорганизмов. 2 Рибонуклеиновые кислоты (РНК) — высокомолекулярные органические соединения, тип нуклеиновых кислот. Образованы нуклеотидами, в которые входят аденин, гуанин, цитозин и урацил и сахар рибоза (в ДНК вместо урацила — тимин, вместо рибозы — дезоксирибоза). В клетках всех живых организмов участвуют в реализации генетической информации. Три основных вида: матричные, или информационные (мРНК, или иРНК); транспортные (тРНК); рибосомные (рРНК). У многих вирусов (т. н. ТНК-содержащих) — вещество наследственности. Некоторые РНК (т. н. рибозимы) обладают активностью ферментов. 211

В начале 1980-х гг. была установлена способность РНК к саморепродукции в отсутствие белковых ферментов, то есть открыта ее автокаталитическая функция. Это решало ранее, казалось, неразрешимую проблему объединения двух функций — каталитической (ранее считавшейся присущей только белкам) и информационно-генетической, необходимых для саморепродукции макромолекулярной системы. В результате сформировалось четкое представление, что древняя РНК совмещала в себе черты фенотипа и генотипа, то есть отвечала требованиям дарвиновской системы, будучи подверженной как генетическим преобразованиям, так и естественному отбору. Сегодня уже очевидно, что процесс эволюции шел от РНК к белку, а затем к образованию молекулы ДНК, у которой С–Н связи более прочны, чем С–ОН связи РНК [2]. 12.3. Сущность живого, его основные признаки В определении Б. М. Медникова, жизнью называется активное, идущее с затратой энергии поддержание и воспроизведение специфических структур, функционирование которых описывают следующие положения: 1) живые организмы характеризуются наличием фенотипа и генотипа; 2) генетические программы не возникают заново, а реплицируются1 матричным способом; 3) в процессе репликации неизбежны ошибки на микроуровне, случайные и непредсказуемые изменения генетических программ (мутации); 4) в ходе формирования фенотипа эти изменения многократно усиливаются, что делает возможным их селекцию со стороны факторов внешней среды. Современная биология в вопросе о сущности живого все чаще идет по пути перечисления основных свойств живых организмов. При этом акцент делается на то, что только совокупность данных свойств может дать представление о специфике жизни. Итак, что такое живое и чем оно отличается от неживого? К числу свойств живого обычно относят следующие: 1) живые организмы характеризуются сложной, упорядоченной структурой. Уровень их организации значительно выше, чем в неживых системах; 2) живые организмы получают энергию из окружающей среды, используя ее на поддержание своей высокой упорядоченности. Большая часть организмов прямо или косвенно использует солнечную энергию;

Репликация (от позднелат. replicatio— повторение) — удвоение молекул ДНК (у некоторых вирусов РНК) при участии специальных ферментов. Репликацией называется также удвоение хромосом, в основе которого лежит репликация ДНК. Репликация обеспечивает точное копирование генетической информации, заключенной в молекулах ДНК, и передачу ее от поколения к поколению. 1

212

3) живые организмы активно реагируют на окружающую среду. Если толкнуть камень, то он пассивно сдвигается с места. Если толкнуть животное, оно отреагирует активно: убежит, нападет или изменит форму. Способность реагировать на внешние раздражения — универсальное свойство всех живых существ, как растений, так и животных; 4) живые организмы не только изменяются, но и усложняются. Так, у растения или животного появляются новые ветви или новые органы, отличающиеся по своему химическому составу от породивших их структур; 5) все живое размножается. Эта способность к самовоспроизведению, пожалуй, самая поразительная способность живых организмов. Причем потомство и похоже, и в то же время чем-то отличается от родителей. В этом проявляется действие механизмов наследственности и изменчивости, определяющих эволюцию всех видов живой природы; 6) сходство потомства с родителями обусловлено еще одной замечательной особенностью живых организмов — передавать потомкам заложенную в них информацию, необходимую для жизни, развития и размножения. Эта информация содержится в генах — единицах наследственности, мельчайших внутриклеточных структурах. Генетический материал определяет направление развития организма. Вот почему потомки похожи на родителей. Однако эта информация в процессе передачи несколько видоизменяется, искажается. В связи с этим потомки не только похожи на родителей, но и отличаются от них. 7) живые организмы хорошо приспособлены к среде обитания и соответствуют своему образу жизни. Однако строго научное разграничение живого и неживого встречает определенные трудности. Имеются как бы переходные формы от неживого к живому. Так, например, вирусы вне клеток другого организма не обладают ни одним из атрибутов живого. У них есть наследственный аппарат, но отсутствуют основные необходимые для обмена веществ ферменты, и поэтому они могут расти и размножаться, лишь проникая в клетки другого организма и используя его ферментные системы. Естественно, что в определении жизни должны быть зафиксированы все эти функциональные признаки. Поэтому можно предложить следующее определение: жизнь — высшая из природных форм движения материи, она характеризуется самообновлением, саморегуляцией и самовоспроизведением разноуровневых открытых систем, вещественную основу которых составляют белки, нуклеиновые кислоты и фосфорорганические соединения. Признаками жизни являются: противостояние энтропийным процессам, обмен веществ с окружающей средой, воспроизводство на основе генетического кода и молекулярная хиральность3.

3

Хиральность — свойство молекулы не совмещаться со своим отображением в идеальном плоском зеркале. Хиральность — необходимое условие активности молекул. 213

12.4. Структурные уровни организации жизни. Структура биологии Для живой природы характерны разные уровни организации ее структур, между которыми существует сложное соподчинение. Жизнь на каждом уровне изучают соответствующие отрасли биологии [4]. Самый нижний, наиболее древний уровень — это уровень молекулярных структур жизни. Здесь проходит граница между живым и неживым. Выше лежит клеточный уровень жизни. И клетка, и заключенные в ней молекулярные структуры в главных чертах строения у всех организмов сходны. Органно-тканевый уровень характерен только для многоклеточных организмов, у которых клетки и образованные из них части организма достигли высокой степени структурной и функциональной специализации. Следующий уровень — это уровень целостного организма. Как бы ни различались организмы между собой, их объединяет то, что они все состоят из клеток. Вид, объединяющий принадлежащие ему организмы, составляет более сложный уровень организации жизни. Здесь действуют свои законы — законы внутривидовых отношений организмов. Наконец, еще более высоким уровнем является уровень биоценозов, т. е. сообществ всех видов, населяющих ту или иную территорию или акваторию. На этом уровне действуют законы межвидовых отношений. Совокупность всего живого, населяющего Землю, составляет биосферу. Это высший уровень организации жизни. Законы, характерные для более высоких уровней организации живого мира, не исключают действия законов, присущих более низким уровням. Общая биология изучает законы, характерные для всех уровней организации жизни. Биология — это наука о живом, его строении, формах активности, сообществах живых организмов, их распространении и развитии, связях друг с другом и с неживой природой. Современная биологическая наука — результат длительного процесса развития. Интерес к познанию живого у человека возник очень давно, он был связан с его важнейшими потребностями — в пище, лекарствах, одежде, жилье и т.д. По объектам исследования биология подразделяется на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию. По свойствам, проявлениям живого в биологии выделяются: морфология — наука о строении живых организмов; физиология — наука о функционировании организмов; молекулярная биология, изучающая микроструктуру живых тканей и клеток; экология, рассматривающая образ жизни растений и животных и их взаимосвязи с окружающей средой; генетика, исследующая законы наследственности и изменчивости. По уровню организации исследуемых живых объектов выделяются: анатомия, изучающая макроскопическое строение животных; гистология, изучающая строение тканей; цитология исследующая строение живых клеток. 214

В развитии биологии выделяют три основных этапа: 1) систематики (К. Линней), 2) эволюционный (Ч. Дарвин), 3) биологии микромира (Г. Мендель). Каждый из них связан с изменением представлений о мире живого, самих основ биологического мышления, со сменой биологических парадигм. Благодаря развитию современной биологии микромира, познанию молекулярных структур живого отчетливее стало просматриваться единство природы, органического и неорганического мира, специфика живого. Клетка — структурная и функциональная единица живого Клетку [7] считают открытой элементарной живой системой. Клетка отграничена от окружающей среды клеточной мембраной, а внутри нее выделяется более плотное ядро, находящееся в полужидкой цитоплазме. Клетка обладает всеми признаками живого: самовоспроизведением, саморегуляцией, историческим развитием, информационным отражением. В клетках происходят процессы обмена веществ — метаболизм и превращения энергии. Новые клетки могут возникать только из исходных клеток в процессе их деления. Классик клеточной теории Р. Вирхов специально подчеркивал: каждая клетка происходит только из клетки. Создание клеточной теории, основы которой были заложены немецкими учеными Т. Шванном и М. Я. Шлейденом, стало одним из крупнейших достижений биологии XIX в. Основное положение клеточной теории состоит в утверждении, что все растительные и животные организмы состоят из клеток, сходных по своему строению. Это положение стало еще одним свидетельством единства происхождения и развития всех видов живого. Многочисленные исследования [8] в области цитологии показали, что клетка состоит из следующих компонентов: вода (80%), минеральные соли и органические соединения (липиды, углеводы, белки, нуклеиновые кислоты, аминокислоты и т.д.). Белки регулируют обмен веществ клетки, нуклеиновые кислоты — хранители наследственной информации и регуляторы образования белков — ферментов. Липиды (жиры и жироподобные вещества) выполняют энергетическую роль, участвуют в процессах метаболизма и размножения клеток. Углеводы служат источником энергии, строительным материалом (клеточная стенка у растений состоит в основном из полисахарида целлюлозы) и выполняют запасающую функцию, накапливаясь в качестве резервного продукта. Метаболизм служит основой для другого важнейшего свойства клетки — сохранения стабильности, устойчивости условий внутренней среды клетки. Это свойство клеток, присущее всей живой системе, называют гомеостазом. Гомеостаз, т.е. постоянство состава клетки, поддерживается обменом веществ или метаболизмом. Обмен веществ — сложный, многоступенчатый процесс, включающий доставку в клетку исходных продуктов, получение из них энергии и белков, 215

выведение из клетки в окружающую среду выработанных полезных продуктов, энергии и "вредных отходов производства". Следует отметить, что в последнее время к миру живого относят также и вирусы, которые не имеют клеточной структуры (бесклеточные организмы). Кроме того, существуют также некоторые организмы с клеточным строением, клетки которых не имеют типичной структуры (отсутствует ядро). Это так называемые прокариоты, безъядерные клетки. Они имеют по одной хромосоме, представленной молекулой ДНК. В ходе эволюционного процесса возникли эукариоты — организмы, клетки которых имеют ядро, содержащее хромосомы в виде соединения ДНК и белков. Таково большинство современных растений и животных. С наличием ядра совершеннее стал процесс деления клеток. В многоклеточных организмах клетки стали различаться на специализированные и неспециализированные. Дифференцированные клетки хорошо приспособлены к какой-либо одной функции. Поэтому жизненный процесс может быть обеспечен лишь взаимодействием разных клеток. Процесс деления клеток называется митозом. Длительность его зависит от типа ткани, физиологического состояния клетки, внешних факторов, особенно от температуры. Митоз протекает так, что из материнской клетки образуются две дочерние с тем же самым набором хромосом и с той же генетической информацией, как и у материнской клетки. В XIX в. считалось, что ядро клетки — это преимущественно орган наследственности, а цитоплазма — орган приспособления к среде. В XX в. установлено, что ядро и цитоплазма совместно определяют процесс формообразования, причем процессы в ядре и цитоплазме взаимно влияют друг на друга. Вопросы для повторения 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Какова суть концепции А. И. Опарина? Что такое ДНК и РНК? Чем отличается живое от неживого? Какие уровни организации жизни вы знаете? Что изучает цитология? Что такое клетка живого организма? Что изучает биология? Библиографический список

1. Бернал, Дж. Возникновение жизни / Дж. Бернал. — М.: Мир, 1969. 2. Дубинин, Н.П. Генетика и человек / Н.П. Дубинин. — М.: Наука, 1978. 3. Камшилов, М.М. Эволюция биосферы / М.М. Камшилов. — М.: Наука, 1974. 4. Общая биология: Пособие для учителя / Под ред. Н. П. Дубинина. — М.: Просвещение, 1980. 216

5. Опарин, А.И. Жизнь, ее природа, происхождение и развитие / А.И. Опарин. — М.: Профиздат, 1960. 6. Удуман, Н.К. Концепция самоорганизации и проблемы молекулярной эволюции / Н.К. Удуман. — М.: Мысль, 1994. 7. Энгельгардт, В.А. Познание явлений жизни / В.А.Энгельгардт.—М.: Мир,1984. 8. Югай, Г.А. Общая теория жизни / Г.А. Югай. — М.: Наука, 1985. Глава 13. ПРИНЦИПЫ ЭВОЛЮЦИИ, ВОСПРОИЗВОДСТВА И РАЗВИТИЯ ЖИВЫХ СИСТЕМ 13.1. История развития жизни Для появления жизни на Земле, прежде всего, были необходимы следующие материальные основы — химические элементы-органогены и важнейший из них углерод, способный создавать разнообразные (несколько десятков миллионов), подвижные, низкоэлектропроводные, насыщенные водой, длинные, скрученные, цепеобразные структуры. Соединения углерода с водородом, кислородом, азотом, фосфором, серой, железом обладают хорошими каталитическими, строительными, энергетическими, информационными и иными свойствами. Кислород, водород и азот наряду с углеродом можно отнести к "кирпичикам" живого. Клетка состоит на 70% из кислорода, 17% углерода, 10% водорода, 3% азота. Все эти элементы живого принадлежат к наиболее устойчивым и распространенным во Вселенной химическим элементам. Они легко соединяются между собой, вступают в реакции и обладают малым атомным весом. Их соединения легко растворяются в воде. Для появления жизни [2] необходимы также определенные физические и химические условия (температура, давление, радиация, вода, соли и т.д.). Эти показатели не должны выходить за границы определенного диапазона значений, вне которых жизнь становится невозможной. Наша планета — "золотая середина" в Солнечной системе — наилучшим образом подходит для зарождения жизни. Возраст Земли предполагается равным 4,6 миллиардов лет, а первые осадочные породы, свидетельствующие о появлении крупных водоемов, заполненных жидкой водой, датируются возрастом 3,8 миллиарда лет, хотя некоторые ученые относят его еще дальше, считая равным 4 миллиардам лет. На Земле постепенно возникли атмосфера и гидросфера — моря, океаны и т.д. Возникли они за счет дегазации лав, выплавлявшихся из верхней мантии при интенсивном вулканизме [4]. Несмотря на то, что объемы океанов и атмосферы все время росли, они и сегодня составляют ничтожную часть массы планеты. Океаны вместе с ледниками составляют одну четырехтысячную, а атмосфера — одну миллионную долю массы Земли. Мы имеем все основания полагать, что при 217

дегазации вулканических лав на поверхность Земли поступали, прежде всего, пары воды и газообразные соединения углерода, серы, азота. Вначале атмосфера была такой тонкой, что парниковый эффект был ничтожен. В таком случае средняя температура поверхности Земли была около 15°С. А при такой температуре все пары воды должны были конденсироваться, за счет этого и образовались океаны. Первичная атмосфера не содержала свободного кислорода, поскольку его не содержали те газы, которые выбрасывались при извержении вулканов. Это соображение подтверждает и анализ пузырьков газа, обнаруженных в протоархейских породах. 60% газов составляла углекислота, остальное — соединения серы, аммиака, другие окислы углерода. Что касается воды первичного океана, то исследователи сходятся на том, что ее состав был близок к современному. Для того есть немало доказательств. Но так же, как и в первичной атмосфере, в первичном океане свободного кислорода не было. Таким образом, свободный кислород, а значит, и химический состав современной атмосферы и свободный кислород океана не были первоначально заданы при рождении Земли как небесного тела, а являются результатом жизнедеятельности первичного живого вещества. Началом жизни на Земле принято считать появление нуклеиновых кислот, способных к воспроизводству белков [5]. Переход от сложных органических веществ к простым живым организмам наукой пока не установлен. Теория биохимической эволюции предлагает лишь общую схему. В соответствии с ней между коацерватами (сгустками органических веществ) могли выстраиваться молекулы сложных углеводородов, что приводило к образованию примитивной клеточной мембраны, обеспечивающей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват молекулы, способной к самовоспроизведению, могла возникнуть примитивная клетка, способная к росту. Следующим шагом в организации живого должно было быть образование мембран, которые отграничивали смеси органических веществ от окружающей среды. С их появлением и получается клетка — "единица жизни", главное структурное отличие живого от неживого. Все основные процессы, определяющие поведение живого организма, протекают в клетках [8]. Сегодня уже не вызывает сомнений, что В.И. Вернадский [7], предположивший, что жизнь сразу возникла в виде примитивной биосферы, был прав потому, что только разнообразие видов живых организмов могло обеспечить выполнение всех функций живого вещества в биосфере. Живое вещество — это вся совокупность живых организмов нашей планеты. Биосфера — внешняя геологическая оболочка Земли, образующая у ее поверхности пленочный слой. Это — системное образование, включающее в себя живое вещество планеты и среду его обитания, преобразованную им. Именно такое понимание биосферы было предложено В.И. Вернадским. Он же впервые нарисовал панораму исторического развития биосферы и показал 218

роль живого вещества в процессе эволюции Земли, неотделимость эволюции биосферы от геологической истории планеты. Вернадский доказал, что жизнь является мощнейшей геологической силой, вполне сравнимой как по энергетическим затратам, так и по внешним эффектам с такими геологическими процессами, как горообразование, извержение вулканов, землетрясения и т.д. Жизнь не просто существует в окружающей ее среде, но активно формирует эту среду, преобразуя ее "под себя". Вернадский выделил биогеохимические функции жизни, отвечающие за это. К ним относятся: газовая — поглощение и выделение кислорода, углекислого газа и др.; окислительная — образование карбонатов, сульфидов, соединений с азотом, серой, фосфором, железом, марганцем и т.д.; восстановительная — десульфинирование, денитрификация и т.д.; концентрация и выделение солей кальция; концентрация фосфора, калия, бора, азота, серы, кальция, натрия, цинка в почвах и осадочных породах; синтез и разрушение органического вещества. И сегодня мы можем смело говорить, что весь лик современной Земли, все ее ландшафты, все осадочные породы, метаморфические породы (граниты, гнейсы, образовывающиеся из осадочных пород), запасы полезных ископаемых, современная атмосфера являются результатом деятельности живого вещества. Следы древнейших организмов обнаружены в кремнистых пластах Западной Австралии, возраст которых, а следовательно, и возраст останков жизни оценен в 3,2–3,5 миллиарда лет. Это минерализовавшиеся нитчатые и округлые микроорганизмы примерно десятка различных видов, напоминающие простейшие бактерии и микроводоросли. Организмы, видимо, имели внутренние структуры, в них присутствовали химические элементы, соединения которых были способны осуществлять фотосинтез. Обнаруженные древнейшие организмы бесконечно сложны по сравнению с самым сложным из известных органических соединений неживого (абиогенного) происхождения. Историю развития жизни на Земле учёные подразделяют на эры и периоды (табл. 2) Таблица 2 Этапы развития жизни на Земле Абсолютный возраст, миллионы лет назад 1 0–1 1–25 25–70

Эра

Период

Важнейшие события в эволюции жизни, уровни развития живого

2

3

4

Кайнозойская

Антропоген Неоген Палеоген 219

Человек Австралопитек Обезьяны

1

2

3

70–140

Мезозойская

Мел

140–185

Юра

185–225

Триас

225–270 270–320

Пермь Карбон

320–400

Девон

400–420

Палеозойская

Силур

420–480

Ордовик

480–570

Кембрий

570–1200

Синий

1200–1500

Протерозойска я

Енисей Саян

1500–1900 1900–2700

Архейская

Не расчленена

2700–3500

Катархейская

Не расчленена

220

Окончание табл. 2 4 Полуобезьяны, вымирание динозавров, выход на первый план млекопитающих Первые птицы Господство пресмыкающихся Наземные позвоночные Животные Папоротники, хвощи, предки современных форм рыб Массовый выход растений, а потом и животных на сушу Панцирные рыбы – первые позвоночные животные Членистоногие, иглокожие, медузы Многоклеточные животные (медузы, губки, черви) Появляются многоклеточные водоросли Начало бурного развития жизни Одноклеточные водоросли и бактерии Бактериоподобные одноклеточные организмы, предполагаемые простейшие, доклеточные формы жизни

13.2. Концепции развития органического мира Концепция развития Ж.-Б. Ламарка Первая попытка построения целостной концепции развития органического мира была предпринята французским естествоиспытателем Ж.-Б. Ламарком. В отличие от многих своих предшественников теория эволюции Ламарка опиралась на факты. Мысль о непостоянстве видов возникла у него вследствие глубокого изучения строения растений и животных. В основу его эволюционной теории положено представление о развитии, постепенном и медленном, от простого к сложному, и о роли внешней среды в преобразовании организмов. У животных активное использование органов ведет к их совершенствованию, а ослабленное их употребление — к деградации. Приобретённые в ходе индивидуального развития свойства, по Ламарку, передаются потомству. Животных он наделял внутренним стремлением к определенным изменениям, целям. Поэтому концепцию Ламарка называют автогенетической и телеологической. Ламарк, допускал и творение мира Богом, и развитие природы по ее собственным законам (тоже созданным творцом). Теория Ламарка не получила признания современников. В это время наука еще не была готова к принятию идеи эволюционных преобразований. К тому же доказательства причин изменяемости видов, приводимые Ламарком, не были достаточно убедительными. Теория катастроф Ж. Кювье В первой четверти XIX в. были достигнуты большие успехи в таких областях биологической науки, как сравнительная анатомия и палеонтология. Основные заслуги в развитии этих областей биологии принадлежат французскому ученому Жоржу Леопольду Кювье, который прославился, прежде всего, своими исследованиями по сравнительной анатомии. Исследуя строение органов позвоночных животных, он установил, что все органы животного представляют собой части единой целостной системы. Вследствие этого строение каждого органа закономерно соотносится со строением всех других. Ни одна часть тела не может изменяться без соответствующего изменения других частей. Это означает, что каждая часть тела отражает принципы строения всего организма. В процессе своих исследований Кювье заинтересовался историей Земли, земных животных и растений. Он потратил многие годы на ее изучение, сделав при этом много ценных открытий. В результате проделанной им огромной работы он пришел к трем безусловным выводам: – Земля на протяжении своей истории изменяла свой облик; – одновременно с изменением Земли изменялось и ее население; – изменения земной коры происходили и до появления живых существ. 221

Совершенно бесспорным для Кювье было убеждение в невозможности возникновения новых форм жизни. Однако многочисленные палеонтологические данные неопровержимо свидетельствовали о смене форм животных на Земле. Когда была установлена разная степень древности вымерших животных. Кювье выдвинул теорию катастроф. Согласно этой теории причиной вымирания были периодически происходившие крупные геологические катастрофы, уничтожавшие на больших территориях животных и растительность. Потом территории заселялись видами, проникавшими из соседних областей. Последователи и ученики Кювье, развивая его учение, пошли еще дальше, утверждая, что катастрофы охватывали весь земной шар. После каждой катастрофы следовал новый акт творения. Таких катастроф и, следовательно, актов творения они насчитывали 27. Теория катастроф получила широкое распространение. Однако целый ряд ученых выражали свое критическое отношение к ней. Бурным спорам между приверженцами неизменности видов и сторонниками стихийного эволюционизма положила конец глубоко продуманная и фундаментально обоснованная теория образования видов, созданная Ч. Дарвином и А. Уоллесом. Эволюционная теория Ч. Дарвина Основные положения теории Ч. Дарвина были опубликованы в 1859 г. в книге "Происхождение видов путем естественного отбора, или сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь". В 1871 г. Ч. Дарвин опубликовал труд "Происхождение человека и половой подбор". Здесь общая теория эволюции конкретизирована в процессе решения вопроса о естественном происхождении человека из животного мира. Основные понятия теории Дарвина — изменчивость живых организмов, борьба за существование, естественный отбор. Вес начинается с изменения отдельных особей, индивидуальная изменчивость — основа эволюционного процесса. Дарвин различает два типа изменчивости. Первый он называет "индивидуальной" или "неопределенной" изменчивостью. Она передается по наследству. Второй тип он характеризует как "определенную" или "групповую" изменчивость. Ей подвержены те группы организмов, которые оказываются под воздействием определенного фактора внешней среды. Позднее в биологии неопределенные изменения стали называть мутациями, а "определенные" — модификациями. С точки зрения теории эволюции Ч. Дарвина: – в любой популяции, виде живых организмов наблюдается изменчивость составляющих ее особей; – некоторые из этих изменений унаследованы от родительских особей, получены от рождения, а другие являются результатом приспособления к окружающей среде, приобретены в течение жизни; – рождается, как правило, значительно большее число организмов, чем доживает до размножения: многие гибнут на стадии семян, зародышей, 222

птенцов, личинок. Выживают лишь те организмы, которые получили по наследству полезный в данных условиях жизни признак. Таким образом, Дарвин последовательно решил проблему детерминации органической эволюции в целом, объяснил целесообразность строения живых организмов как результат естественного отбора. Он показал, что эта целесообразность всегда носит относительный характер, так как любое приспособление оказывается полезным только в конкретных условиях существования. Этим он нанес серьезный удар идеям телеологии в естествознании. Слабым местом в теории Дарвина были представления о наследственности, которые подвергались серьезной критике его противниками. Действительно, если эволюция связана со случайным появлением изменений и наследственной передачей приобретенных признаков потомству, то каким образом они могут сохраниться и даже усиливаться в дальнейшем? Ведь в результате скрещивания особей с полезными признаками с другими особями, которые ими не обладают, они передадут эти признаки в ослабленном виде. В конце концов, в течение ряда поколений случайно возникшие изменения должны ослабнуть, а затем и вовсе исчезнуть. Сам Дарвин вынужден был признать эти доводы убедительными, при тогдашних представлениях о наследственности их невозможно было опровергнуть. Теорией Дарвина завершились длительные поиски естествоиспытателей, которые пытались найти объяснение многим чертам сходства, наблюдаемым у организмов, относящихся к разным видам. Дарвин объяснил это сходство родством и показал, как идет образование новых видов, как происходит эволюция — направленный процесс, связанный с выработкой приспособлений по мере прогрессивного усложнения строения и функций животных и растений. С возникновением дарвинизма на первый план биологических исследований выдвинулись четыре задачи: 1) сбор доказательств самого факта эволюции; 2) накопление данных об адаптивном характере эволюции и единстве организационных и приспособительных признаков; 3) экспериментальное изучение взаимодействия наследственной изменчивости, борьбы за существование и естественного отбора как движущей силы эволюции; 4) изучение закономерностей видообразования и макроэволюции. 13.3. Становление классической биологии Рост антидарвинистских настроений в XIX–XX вв. имел вполне объективные причины — из поля зрения дарвинистов выпал ряд фундаментальных, важных для эволюционной теории вопросов, ради которых она создавалась. Это причины сохранения в историческом развитии системного единства организма, механизмы включения в эволюционный процесс онтогенетических перестроек, неравномерность темпов эволюции, 223

причины макро- и прогрессивной эволюции, крупномасштабные события в эпохи биотических кризисов [15]. Неоламаркизм — первое крупное антидарвинистское учение, возникшее еще в конце XIX в., который основывался: на признании адекватной изменчивости, возникающей под непосредственным или косвенным влиянием средовых факторов и обеспечивающей прямое приспособление организма к ним; на идее наследования приобретенных таким образом признаков; на негативном отношении к созидательной роли естественного отбора. Неоламаркистские концепции утратили свое влияние к 30-м гг. ХХ в., хотя отдельные их идеи находили поддержку еще в начале 70-х гг. Крупнейшим проявлением неоламаркизма в отечественном естествознании была концепция Т.Д. Лысенко о наследственности как свойстве всего организма. В начале XX в. возникает генетика — учение о наследственности и наследуемости измененных признаков. Основателем ее считается австрийский естествоиспытатель Г. Мендель, который ставил свои опыты еще в 1860-х гг. Но датой рождения генетики считается 1900 г. — в это время Г. де Фриз, К. Корренс, Э. Чермак вторично установили правила наследования признаков в поколениях гибридных форм, открытые Менделем в 1865 г. Первые генетики противопоставили данные своих исследований дарвинизму, в результате чего в эволюционной теории возник глубокий кризис. Выступление генетиков против учения Дарвина вылилось в широкий фронт, объединяющий несколько течений — мутационизм, гибридогенез, преадаптационизм и др. — под общим названием генетического антидарвинизма. Открытие устойчивости генов трактовалось как их неизменность, что способствовало распространению антиэволюционизма (У. Бетсон). Мутационная изменчивость отождествлялась с эволюционными преобразованиями, что исключало необходимость в процессе отбора как главной причины эволюции. Венцом была теория номогенеза Л.С. Берга, созданная в 1922 г. Основу ее составила идея, что эволюция есть запрограммированный процесс. Берг считал, что организму присуща внутренняя сила неизвестной природы, действующая целенаправленно, независимо от внешней среды, в сторону усложнения организации. В доказательство этого Берг приводил много данных по конвергентной и параллельной эволюции разных групп растений и животных. На современном этапе своего развития теория биологической эволюции отличается от дарвиновской в следующем: – в ней ясно выделяется элементарная структура, с которой начинается эволюция. В настоящее время такой элементарной структурой принято считать популяцию, а не отдельную особь или вид, который включает в себя несколько популяций; – в качестве элементарного проявления процесса эволюции современная теория рассматривает устойчивое изменение генотипа популяции; 224

– она более аргументированно и обоснованно истолковывает факторы и движущие силы эволюции, выделяя среди них факторы основные и не основные. Современное эволюционное учение видит свою главную задачу в том, чтобы на основе углубленного познания механизма эволюционных процессов предсказать возможности эволюционных преобразований, а, в свою очередь, на этой основе управлять эволюционным процессом. Всё возрастающую роль в решении этой задачи играет одна из наиболее перспективных отраслей биологической науки — генетика. Генетика Генетика — это биологическая наука о наследственности и изменчивости организмов и методах управления ими. Она является научной основой для разработки практических методов селекции, т.е. создания новых пород животных, видов растений, культур микроорганизмов с нужными человеку признаками. Центральным понятием генетики является "ген". Это — элементарная единица наследственности, характеризующаяся рядом признаков. По своему уровню ген — внутриклеточная молекулярная структура. По химическому составу — это нуклеиновые кислоты, в составе которых основную роль играют азот и фосфор. Гены располагаются, как правило, в ядрах клеток. Они имеются в каждой клетке, и поэтому их общее количество в крупных организмах может достигать многих миллиардов. По своему назначению гены — своего рода "мозговой центр" клеток и, следовательно, всего организма. Генетика изучает два фундаментальных свойства живых систем — наследственность и изменчивость, то есть способность живых организмов передавать свои признаки и свойства из поколения в поколение, а также приобретать новые качества. Наследственность создает непрерывную преемственность признаков, свойств и особенностей развития в ряду поколений. Изменчивость обеспечивает материал для естественного отбора, создавая как новые варианты признаков, так и бесчисленное множество комбинаций прежде существовавших и новых признаков живых организмов. Признаки и свойства организма, передающиеся по наследству, фиксируются в генах — участках молекулы ДНК (или хромосомы), определяющих возможность развития одного элементарного признака или синтез одной белковой молекулы. Совокупность всех признаков организма называется фенотипом. Совокупность всех генов одного организма называется генотипом. Фенотип представляет собой результат взаимодействия генотипа и окружающей среды. Эти открытия, термины и их определения связаны с именем одного из основоположников генетики В. Иогансена. В основу генетики легли закономерности наследственности, обнаруженные австрийским биологом Г. Менделем при проведении им серии 225

опытов по скрещиванию различных сортов гороха. Открытия Г. Менделя были по достоинству оценены только после его смерти, а в России — значительно позже, чем в других странах. Заслуга Менделя в области генетики заключается, прежде всего, в четком изложении и описании законов генетики, которые в честь своего первооткрывателя были названы законами Менделя. При скрещивании двух организмов, относящихся к разным чистым линиям (двух гомозиготных1 организмов — в их генотипах есть два одинаковых аллельных2 гена, то есть два абсолютно идентичных по последовательности нуклеотидов гена), отличающихся друг от друга одной парой альтернативных признаков, все первое поколение гибридов (FI) окажется единообразным и будет нести признак одного из родителей. Это первый закон Менделя. Второй закон Менделя гласит, что при скрещивании двух потомков первого поколения между собой (двух гетерозиготных3 особей — признак в таком случае записывается как Аа) во втором поколении наблюдается расщепление в определенном числовом отношении: по фенотипу 3:1, по генотипу 1:2:1 (Аа+Аа=АА+2Аа+аа). При скрещивании двух гомозиготных особей, отличающихся друг от друга по двум и более парам альтернативных признаков, гены и соответствующие им признаки наследуются независимо друг от друга и комбинируются во всех возможных сочетаниях. Это третий закон Менделя. Важным этапом в становлении генетики было создание хромосомной теории наследственности, связанной с именем Г. Моргана. Он выявил закономерности наследования признаков, гены которых находятся в одной хромосоме — они наследуются совместно. Это называется сцеплением генов (закон Моргана). Это открытие было связано с тем, что третий закон Менделя действовал не во всех случаях. Морган логично заключил, что у любого организма признаков много, а число хромосом невелико. Следовательно, в каждой хромосоме должно находиться много генов. Закономерность наследования таких генов он и открыл. Следующим важным этапом в развитии генетики стало открытие роли ДНК в передаче наследственной информации в 30-х гг. XX в. Началось раскрытие генетических закономерностей на молекулярном уровне, зародилась новая дисциплина — молекулярная генетика. В ходе Гомозигота (от гомо... и зигота) — клетка или организм, у которого гомологичные хромосомы несут одну и ту же форму данного гена. 2 Аллели (от греч. allelon — друг друга, взаимно) (аллеломорфы) — различные формы одного и того же гена, расположенные в одинаковых участках (локусах) гомологичных (парных) хромосом; определяют варианты развития одного и того же признака. В нормальной диплоидной клетке может присутствовать не более двух аллелей одновременно. 3 Гетерозигота (от гетеро... и зигота) — клетка или организм, у которого гомологичные хромосомы несут разные формы (аллели) того или иного гена. 1

226

исследований было установлено, что основная функция генов — в кодировании синтеза белков. За эти исследования в 1952 г. Дж. Бидл, Э. Тэйтум и Дж. Ледерберг были удостоены Нобелевской премии [15]. Затем была установлена тонкая структура генов (1950 г., С. Бензер), молекулярный механизм функционирования генетического кода, был понят язык, на котором записана генетическая информация Открытие способности генов к перестройке, изменению является крупнейшим открытием современной генетики. Эта способность к наследственной изменчивости получила в генетике название мутации (от лат. mutatio — изменение). Она возникает вследствие изменения структуры гена или хромосом и служит единственным источником генетического разнообразия внутри вида. Причиной мутаций служат всевозможные физические (космические лучи, радиоактивность и т.д.) и химические (разнообразные токсичные соединения) причины — мутагены. Изменчивость может быть обусловлена не только мутациями, но и сочетаниями отдельных генов и хромосом, например, при половом размножении — генетическая рекомбинация. Одним из наиболее опасных видов мутагенов являются вирусы (от лат. virus — яд). Вирусы — это мельчайшие из живых существ. Они не имеют клеточного строения, не способны сами синтезировать белок, поэтому получают необходимые для жизнедеятельности вещества, проникая в живую клетку и используя чужие органические вещества и энергию. У человека вирусы вызывают множество заболеваний. Большая часть этих данных была получена в последние десятилетия ХХ в., но уже основы генетики показали необходимость приложения ее открытий к дарвиновской эволюции. Соединение дарвинизма с генетикой началось в 20-е гг. ХХ в. и знаменовало начало пятого этапа в становлении идеи развития в биологии. Объединение этих направлений между собой стало основой современного дарвинизма, или синтетической теории эволюции. Синтетическая теория эволюции Генетика привела к новым представлениям об эволюции, получившим название неодарвинизма, который можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерминированных генетически. Другое общепринятое название неодарвинизма — синтетическая, или общая, теория эволюции (СТЭ) введенное в 1926 г. В ней элементарной единицей эволюции служит популяция, поскольку именно в ее рамках происходят наследственные изменения генофонда. Кроме того, механизм эволюции стал рассматриваться как состоящий из двух частей: случайные мутации на генетическом уровне и наследование наиболее удачных с точки зрения приспособления к окружающей среде мутаций, так как их носители выживают и оставляют потомство. Одним из основоположников СТЭ стал С. С. Четвериков. 227

Структурно СТЭ состоит из теорий микро- и макроэволюции. Теория микроэволюции изучает необратимые преобразования генетикоэкологической структуры популяции, которые могут привести к формированию нового вида. Реально вид существует в виде популяций. Именно популяция является элементарной единицей эволюции. Теория макроэволюции изучает происхождение надвидовых таксонов (семейств, отрядов, классов и т.д.), основные направления в целом, включая закономерности развития жизни на Земле в целом, включая возникновение жизни и происхождение человека как биологического вида. Суть синтетической теории эволюции состоит в следующем. 1. Главный движущий фактор эволюции — естественный отбор как следствие конкурентных отношений борьбы за существование, особенно острой внутри вида или популяции. Факторами видообразования являются также мутационный процесс (мутации разных типов), дрейф генов (генетико-автоматнческие процессы) и различные формы изоляции. 2. Эволюция протекает дивергентно, постепенно, через отбор мелких случайных мутаций. Новые формы могут образовываться через крупные наследственные изменения (сальтации). Их жизненность также определяется отбором. 3. Эволюционные изменения случайны и ненаправленны. Исходным материалом для эволюции являются мутации разного типа. Сложившаяся исходная организация популяции и последовательные изменения условий среды ограничивают и канализируют наследственные изменения в направлении неограниченного прогресса. 4. Макроэволюция, ведущая к образованию надвидовых групп, осуществляется через процессы микроэволюции и каких-либо особых механизмов возникновения новых форм жизни не имеет. Опираясь на достижения современной генетики, крупный вклад в развитие селекции, создание новых сортов растений, пород животных, борьбу с их болезнями внесли выдающиеся отечественные биологи Н.И. Вавилов, И.В. Мичурин, Н.П. Дубинин, Н.В. Тимофеев-Ресовский. Синтетическая теория эволюции более доказательна, опирается на широкое применение экспериментальных методов, на воспроизводимые опыты. Она продолжает развиваться, совершенствуясь в процессе практического применения для выработки обоснованных способов управления эволюционным процессом с учетом многообразных экологических проблем современности. 13.4. Многообразие живых организмов — основа организации и устойчивости биосферы В буквальном переводе термин "биосфера" обозначает сферу жизни, и в таком смысле он впервые был введён в науку в 1875 г. австрийским геологом и палеонтологом Э. Зюссом. Однако задолго до этого под другими названиями, в частности "пространство жизни", "картина природы", "живая 228

оболочка Земли" и т.п., его содержание рассматривалось многими другими естествоиспытателями. Первоначально под всеми этими терминами подразумевалась только совокупность живых организмов, обитающих на нашей планете, хотя иногда и указывалась их связь с географическими, геологическими и космическими процессами, но при этом обращалось внимание на зависимость живой природы от сил и веществ неорганической природы. Даже автор самого термина "биосфера" в своей книге "Лик Земли", опубликованной спустя 30 лет после введения термина, не замечал обратного воздействия биосферы и определял её как "совокупность организмов, ограниченную в пространстве и во времени и обитающую на поверхности Земли". Первым из биологов, который указал на огромную роль живых организмов в образовании земной коры, был Ж.-Б. Ламарк. Он подчёркивал, что все вещества, находящиеся на поверхности земного шара и образующие его кору, сформировались благодаря деятельности живых организмов. Под биосферой понимается совокупность всех живых организмов вместе со средой их обитания, в которую входят: вода, нижняя часть атмосферы и верхняя часть земной коры, населенная микроорганизмами. Два главных компонента биосферы — живые организмы и среда их обитания — непрерывно взаимодействуют между собой и находятся в тесном, органическом единстве, образуя целостную динамическую систему. Биосфера как глобальная суперсистема в свою очередь состоит из ряда подсистем. Отдельные живые организмы не существуют изолированно. В процессе своей жизнедеятельности они соединяются в различные системы (сообщества), например, в популяции. В ходе эволюции образуется другой, качественно новый уровень живых систем, так называемые биоценозы — совокупность растений, животных и микроорганизмов в локальной среде обитания. Эволюция жизни постепенно приводит к росту и углублению дифференциации внутри биосферы. В совокупности с окружающей средой обитания, обмениваясь с ней веществом и энергией, биоценозы образуют новые системы — биогеоценозы (термин введен академиком В. Н. Сукачевым в 1940 г.) или, как их еще называют, экосистемы (термин английского ботаника А. Тенсли, 1935 г.). Они могут быть разного масштаба: море, озеро, лес, роща и т.д. Одним из первых в науке комплексное учение о биосфере стал разрабатывать выдающийся русский ученый В. И. Вернадский. В отличие от предшествующих исследователей природы, В. И. Вернадский не ограничивал понятие биосферы только "живым веществом", под которым он понимал совокупность всех живых организмов планеты. В биосферу он включал и все продукты жизнедеятельности, выработанные за время существования жизни [7]. Согласно представлениям Вернадского, живые организмы без пропусков заполняют всю поверхность планеты. Размножением, питанием и дыханием 229

они создают определенное давление на среду, меняют течение всех химических реакций, участвуют в круговороте всех химических элементов. Они выполняют в биосфере строго определенные биогеохимические функции для поддержания жизни на Земле. Более подробно В. И. Вернадский определяет понятие живого вещества в работе "О коренном материально-энергетическом отличии живых и косных естественных тел биосферы". Он отмечает два различных подхода к изучению явлений жизни — биогеохимический подход, когда живое вещество рассматривается как математически выраженная совокупность средних живых организмов, и подход других биологических наук, где изучается главным образом отдельные усредненные живые организмы. Кроме того, вводятся понятия однородного живого вещества (родовое, видовое и т.п.) и неоднородного живого вещества (лес, степь, биоценоз вообще), являющегося смесью однородных живых веществ. Наряду с живым веществом В.И. Вернадский вводит понятие косного вещества: "Материально-энергетическое вещество, строящее биосферу, резко неоднородно. Мы в нем с этой точки зрения должны различать главную массу вещества, не входящую в живое вещество; вещество, которое я буду называть косным, не живым". Таким образом, косное вещество — горные породы, жидкие и газообразные тела, в совокупности с живым веществом образуют биосферу. Решающее отличие живого вещества от косного заключается в следующем: – изменения и процессы в живом веществе происходят значительно быстрее, чем в косных телах. Поэтому для характеристики изменений в живом веществе используется понятие исторического, а в косных телах — геологического времени. Для сравнения отметим, что секунда геологического времени соответствует примерно 100 тыс. лет исторического; – в ходе геологического времени возрастают мощь живого вещества и его воздействие на косное вещество биосферы. Это воздействие, указывает В.И. Вернадский, проявляется прежде всего "в непрерывном биогенном токе атомов из живого вещества в косное вещество биосферы и обратно"; – только в живом веществе происходят качественные изменения организмов в ходе геологического времени. Процесс и механизмы этих изменений впервые нашли объяснение в теории происхождения видов путём естественного отбора Ч. Дарвина; – живые организмы изменяются в зависимости от изменения окружающей среды, адаптируются к ней и, согласно теории Дарвина, именно постепенное накопление таких изменений служит источником эволюции. В. И. Вернадский высказывает предположение, что живое вещество, возможно, имеет и свой процесс эволюции, проявляющийся в изменении с ходом геологического времени, вне зависимости от изменения среды. Кроме понятий живого и косного вещества В. И. Вернадский выдвигает понятия о живых природных (естественных) телах (например, растение, жук, и т.п.), косных телах (например, горная порода, кварц и т.п.) и биокосных 230

телах (например, почва, озерная вода и т.п.). Если понятия живого и косного тел природы В.И. Вернадский относит к бытовым, исторически понятным на основе здравого смысла, то понятие биокосного тела, как он считает, нуждается в определении. Биокосные естественные тела характерны для биосферы. Это закономерные структуры, состоящие из косных и живых тел одновременно (например, почвы), причем все их физико-химические свойства требуют — иногда чрезвычайно больших — поправок, если при их исследовании не учтено проявление находящегося в них живого вещества. Современное естествознание в ходе изучения биоценозов 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. Ведь в приспособлении (как в природе, так и в обществе) решающую роль играет не борьба за существование, а взаимопомощь, согласованность и "сотрудничество" различных видов, в том числе и не связанных между собой генетическими узами. Развитие биосферы происходит путем углубления взаимодействия живых организмов и среды. В ходе эволюции постепенно происходит процесс планетарной интеграции, т.е. усиления и развития взаимозависимости и взаимодействия живого и неживого. Процесс интеграции В.И. Вернадский считал сущностной характеристикой биосферы. Несмотря на всю свою противоречивость, развитие биосферы является фактором планетарного масштаба и означает прогрессирующее овладение жизнью всей планеты. Существование жизни на Земле коренным образом изменило облик нашей планеты и его составляющие — ландшафт, климат, температуру Земли и т.д. 13.5. Экологические аспекты естествознания "Окружающая среда" — более широкое понятие, чем географическая. Оно включает, помимо поверхности Земли и ее недр, часть Солнечной системы, которая попадает или может попасть в сферу деятельности человека, а также созданный им материальный мир. В структуре окружающей среды выделяют две важнейшие составляющие: естественную и искусственную среды обитания. Естественная среда обитания включает неживую и живую части природы — геосферу и биосферу. Она существует и развивается без вмешательства человека, естественным образом. Однако в ходе эволюции человек постепенно все больше осваивает естественную среду обитания. Первоначально это было лишь простое потребление естественных богатств (диких плодов, растений и животных). Затем человек начал использовать и естественные источники средств жизни (полезные ископаемые, энергетические источники), преобразуя их в ходе своей практической деятельности. 231

Для человека положительные моменты освоения и преобразования природных источников, как составных частей естественной среды обитания неоспоримы. В результате этой деятельности человек смог не только выжить как биологический вид, но и приобрести то, что принципиально отличает его от других живых существ — способность производить орудия труда, создавать и накапливать материальную и духовную культуру, целенаправленно преобразовывать окружающую среду. Однако человек в ходе эволюции не остановился лишь на взятии у природы материала в непосредственном или преобразованном виде. Он перестал бы быть разумным существом, если бы не смог создать нечто свое, искусственное, чего не было до сих пор в природе. В результате им была создана искусственная среда обитания — все то, что специально сделано человеком: разнообразие предметов материальной и духовной культуры, преобразованные ландшафты, а также выведенные в процессе селекции и одомашнивания растения и животные. С развитием общества роль и значение для человека искусственной среды обитания непрерывно возрастают. Попробуйте сегодня представить себе хоть на минуту человеческое общество без крупных городов, дорог, предприятий, домов, автомобилей, бытовой техники и т.д. Все это создано человеком и является творением его рук, результатом деятельности его разума. Масштабы созданной человечеством материальной культуры поистине огромны, и темпы ее развития постоянно увеличиваются. В наши дни так называемая техномасса (все созданное человеком за год) уже на порядок превышает биомассу (вес диких живых организмов). Это тревожный сигнал, он требует вдумчивого отношения к балансу составляющих системы природа — биосфера — человек. Экология — это наука о взаимоотношениях живых существ между собой и с окружающей их неорганической природой, о связях в надорганизменных системах, о структуре и функционировании этих систем. Экология как наука сформировалась лишь в XIX в. после того, как были накоплены сведения о многообразии живых организмов на Земле, об особенностях их образа жизни. Возникло понимание, что не только строение и развитие организмов, но и взаимоотношения их со средой обитания подчинены определенным закономерностям, которые заслуживают специального и тщательного изучения. В переводе с греческого слово "экология" означает "жилище", "местопребывание", "убежище". Этот термин предложил немецкий зоолог Э. Геккель в 1866 г. Современная экология является теоретической основой рационального природопользования, ей принадлежит ведущая роль в разработке стратегии взаимоотношений природы и человеческого общества. Термин "экология" прижился не сразу и получил всеобщее признание лишь к концу XIX в. Во второй половине XIX столетия содержанием экологии было в основном изучение образа жизни животных и растений и их адаптации к климатическим условиям: температуре и световому режиму, 232

влажности и т.д. В настоящее время экология представляет собой разветвленную систему наук. Проблема охраны природы, ее разумного и рационального использования на основе экологических законов становится одной из важнейших задач человечества. Экология является основной теоретической базой для осуществления этой задачи. На современном этапе развития экология обязана изучать не только связи организмов и законы функционирования надорганизменных систем, но и обосновывать рациональные формы взаимоотношений природы и человеческого общества. Таким образом, растет социальная роль экологических знаний. Основные цели развития фундаментальных исследований в области экологии определяются острыми народнохозяйственными проблемами: необходимостью интенсифицировать производство и повышать экономическую эффективность использования природных ресурсов, сохраняя при этом состояние окружающей среды. На первый план выдвигаются вопросы биологической продуктивности и стабильности природных и искусственных сообществ. Эти проблемы могут быть решены только совместными усилиями экологов всех стран, поэтому широко реализуется международное сотрудничество в области глобальной экологии. В настоящее время ясно осознана опасность экологического кризиса, возможности катастрофических неравновесных преобразований планетарной системы в связи с широкой экстенсивной хозяйственной деятельностью человека. Возможности предотвращения этого кризиса могут быть найдены только на основе развития экологических знаний. Действенная сила экологических знаний помогает правильно эксплуатировать природные ресурсы, управлять численностью популяций, находить новые решения сельскохозяйственных проблем, новые принципы организации промышленных производств. Человечество долго не осознавало ту большую опасность, которая возникла в результате индустриального бума в XX в.. Постоянная потребность в источниках энергии (электростанции, котельные, двигатели внутреннего сгорания) вошла в противоречие с экологической ситуацией, которая особенно опасна для городского населения, где уровни загрязнений во много раз превышают предельно допустимые. Загрязнение окружающей среды, и в особенности воздуха, выброс промышленных предприятий, автомобильного транспорта вызывает в последние годы все большее беспокойство во многих странах. В легкие человека, через которые за сутки проходит 10 000 л воздуха, попадают многочисленные примеси, включая бактерии, вирусы и пыль, способные действовать как антигены, раздражающие, или токсические агенты. Горожане подвергаются воздействию загрязняющих веществ промышленного происхождения. Насыщение воздуха отработанными газами, продуктами сгорания из отопительных систем, заводским дымом и пылью оказывает вредное действие на дыхательный аппарат, особенно выраженное у людей пожилого возраста и у больных с заболеваниями сердечно-сосудистой системы и дыхательных путей. 233

Как известно, факторы окружающей среды разделяют на химические, биологические и физические. Их особенности — многочисленность, разнообразие и сочетаемость действия с другими факторами и условиями среды. Не все из них в достаточной мере изучены и оценены с гигиенической точки зрения, более того — далеко не все они нам известны. Одни факторы среды являются природными, другие антропогенными, причем последние постоянное пополняются новыми, до того неизвестными агентами: это новые синтетические химические соединения, в том числе пестициды, моющие средства, промышленные продукты и выбросы в атмосферу, водоемы, почву, т.е. распространяющиеся в окружающей среде, а затем проникающие в продукты питания, жилища, общественные здания и т.д. Из антропогенных веществ наиболее многообразны вещества промышленного происхождения, в том числе органические и минеральные химические соединения различных классов. В настоящее время человек контактирует с более чем 60 тыс. химических соединений, причем это число ежегодно пополняется 200–1000 новых веществ. Если только 1% всех химических веществ, находящихся в постоянном использовании, обладает канцерогенным или мутагенным действием, то и тогда они представляют серьёзную опасность для человека. В мире 50 веществ производится в количестве 1 млн. тонн в год и более. Наибольшее распространение получили минеральные удобрения, пестициды, синтетические моющие средства, соли тяжелых металлов. Химические вещества, поступающие в окружающую среду в виде жидких, газообразных и твердых отходов, гигиенисты в зависимости от целей и задач исследования классифицируют по различным показателям: это источники их поступления в среду (промышленные, транспортные, энергетические, сельскохозяйственные, бытовые и другие загрязнители); преимущественно загрязняемые объекты (атмосферный воздух, вода, почва, продукты питания, жилища и т.д.); характер действия на человека (общетоксические, канцерогенные, мутагенные, аллергические и др. вещества); степень опасности (разные классы опасности) и т.д. Наиболее значительным источником загрязнения окружающей среды являются промышленные предприятия, энергетические установки, работающие на жидком и твердом топливе, транспорт, работающий на нефтепродуктах. При этом в особенности загрязняются атмосферный воздух городов, открытые водоемы ниже выпуска сточных вод, в некоторых случаях — подземные воды, почва, сельскохозяйственные растения, водные организмы, используемые человеком в качестве продуктов питания и т.д. Существенным источником загрязнения являются предприятия различных отраслей промышленности: целлюлозно-бумажной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической, угольной, черной и цветной металлургии, химической и др. Атомная промышленность, как и всякая область человеческой деятельности, порождает свои отходы — радиоактивные. 234

С момента возникновения атомной промышленности все внимание было сосредоточено на проектировании промышленных предприятий, на их строительстве и на получении ядерного горючего. Об удалении и захоронении ядерных отходов никто и не думал. Но накопляющиеся в больших количествах радиоактивные сборы, загрязняющие атмосферу, воздух и водные источники, заставили коренным образом изменить отношение к ним. Эта проблема стала глобальной для всего человечества [1]. Радиоактивные отходы (РАО) — это побочные биологически и технически вредные вещества, которые содержат образовавшиеся в результате производственной деятельности человека радионуклиды. Радиоактивность ядерных отходов снижается только в процессе радиоактивного распада, длящегося порой сотни, тысячи и даже миллионы лет. С начала ядерного века не было недостатка в идеях о том, каким образом изолировать радиоактивные отходы от атмосферы. Ученые предполагали захоронить их под антарктическим льдом, укрыть на дне океана, запустить в космос и так далее. Радиоактивные отходы, в отличие от других, не могут быть уничтожены в результате химических или механических процессов. Драма Течи и меры по оздоровлению Урал за годы Великой Отечественной войны превратился в один из самых могучих экономических районов страны и внес наибольший вклад в обеспечение фронта военной техникой и боеприпасами. Сюда по решению Государственного Комитета Обороны эвакуировали многие крупные предприятия, сотни тысяч высоко квалифицированных конструкторов, инженеров, рабочих [9]. Свою роль сыграло и то обстоятельство, что Урал был значительно удален от Москвы. Урал обладал колоссальными природными ресурсами. Итак, регион, где следовало разместить первое предприятие атомной промышленности — Урал. При поиске места под плутониевый завод важную роль играло наличие больших запасов пресной воды в открытых водоемах, которые должны были выполнять роль своеобразных охладителей активной зоны атомного реактора. Особый интерес представляла система озёр в Челябинской области и вытекающие из них несколько небольших рек. В реки согласно представлениям того времени можно было сливать отходы радиохимического производства. Наибольшую техногенную нагрузку во всей экологической проблеме региона пришлось выдержать рекам, озерам и водохранилищам, вошедшим в водную систему комбината "Маяк" — Теча, Минилян, Иртяш, Кызылташ, Карачай и Старое болото [11]. С 1947 г. на Тече началось сооружение гидротехнических объектов комбината "Маяк". Сброс радиохимических отходов осуществлялся по специальной канализации. В реку поступали радионуклиды с радиохимического производства и с промышленного реактора. До июля 1951 235

г. радиоактивные растворы сбрасывались в Течу. Вследствие этого в верховьях реки скопилась большая активность радиоактивных продуктов. Содержание радиоактивности в иле достигало 20 тысяч микрокюри на килограмм, что было гибельным для всех живых организмов на расстоянии более 160 километров от точки сброса. В апреле – мае 1951 г. в результате необычно мощного паводка произошло радиоактивное загрязнение поймы, которая использовалась частью жителей для сенокосов и как пастбище. Если до этого радионуклиды поступали населению деревень в основном с водой, то теперь и с молоком и овощами [3]. Многие местные жители — башкиры, систематически употреблявшие много чая, жаловались на ухудшение качества воды из реки, что было вполне вероятным, так как при залповых аварийных выбросах происходило увеличение концентрации сульфатов. В жилых помещениях, где пользовались речной водой, полы, табуретки, скамейки, столы, белье "звенели" — имели повышенный радиоактивный фон. В результате выборочного дозиметрического контроля, установили, что длительное употребление речной воды, рыбы, овощей и других загрязненных радиоактивных продуктов привело к тому, что в организме людей, проживавших по берегам Течи и Исети, скопились радионуклиды, и они сами становились источником излучения. У части населения верховьев Течи возникли заболевания, являющиеся следствием воздействия внешнего облучения. В 3 раза увеличилась патология беременности и родов, изменились в худшую сторону показатели крови, нарастали изменения функций черепно-мозговых сосудов, органического поражения нервной системы. Произошло снижение иммунитета и нарастание аллергической перестройки организма [3, 6]. В мае и июне 1951 г. сотрудники дозиметрической лаборатории комбината обнаружили значительное количество радиоактивности на донных и береговых иловых отложениях в Метлинском пруду и Тече. Реакция руководства комбината последовала незамедлительно. Приказом директора запрещалось пользоваться водой из пруда, как для хозяйственных нужд, так и для питья. Источником воды стали несколько колодцев. Одновременно принимались меры для снижения уровня радиоактивности сбросов радиохимического завода. Для контроля за радиоактивностью вне промышленной площадки на базе дозиметрической лаборатории создали службу внешней дозиметрии. Ей поручался контроль уровня активности воды в Тече и на прилегающей к промышленной площадке территории. Постепенно начинает выстраиваться система в работе, направленной на ликвидацию последствий радиоактивного загрязнения. Приказом директора комбината предписывалось проведение один раз в 2 месяца медицинского обследования всего населения. 21 октября 1954 г. Совет Министров СССР специальным постановлением утвердил льготы вынужденным переселенцам. Всего в 1954–1960 гг. в "чистые" районы с берегов радиоактивной Течи переселилось около 7,5 тысяч человек из 19 населенных пунктов. 236

Эвакуация опоздала на 5–10 лет, так как переселенцы уже успели получить большую дозу как внешнего, так и внутреннего облучения. Даже при выборочном, не сплошном, медицинском обследовании было зарегистрировано 935 случаев заболевания хронической лучевой болезнью [14]. 29 сентября 1957 г. в воскресный день, в 16 часов 22 минуты по местному времени на радиохимическом заводе взорвалась одна из ёмкостей, так называемая банка № 4 комплекта С-3, служащая хранилищем высокоактивных отходов. Взрыв полностью разрушил ёмкость из нержавеющей стали, находившуюся в бетонном каньоне глубиной 8,2 метра. Во время расследования было доказано, что основной причиной взрыва на химкомбинате стало осушение и разогрев радиоактивных осадков при неправильной организации охлаждения ёмкости. Радиационная авария 1957 г. показала, что к хранению высокоактивных осадков следует относиться с особой ответственностью, как и к основному ядерному производству. Загрязненными оказались многие производственные здания, строящиеся объекты, паровозы, вагоны, автотранспорт, бетонные и железные дороги. Основное пятно радиоактивного загрязнения находилось на территории промплощадки. Взорвавшаяся ёмкость была полностью разрушена. Нарушенной оказалась система охлаждения других ёмкостей. В любую минуту мог произойти новый взрыв [12]. Радиационная промышленная авария такого масштаба до того не наблюдалась нигде в мире. Количество выброшенных гамма излучающих радионуклидов было близким к выбросу их при взрыве 10–20 килотонной ядерной бомбы, взорванной в Хиросиме. Поэтому проведение эффективных мер по защите населения и природных объектов, длительное изучение причин этой аварии, ликвидации её последствий имели очень важное научное, народнохозяйственное и оборонное значение для страны. Радиационная авария 1957 г. стала не только тяжелым бедствием, но и полезным уроком для работников атомного ведомства, начиная с министра и кончая рядовым оператором химкомбината. После аварии Челябинск- 40 (ныне г. Озёрск) стал самым чистым городом в области. Строгой проверке подвераются все жилые дома, служебные, бытовые и другие помещения. Особенно тщательно проверяли продукты питания. Авария, её огромные негативные последствия, встряхнули жителей и работников комбината, заставили по-другому посмотреть на свою работу, на отношение к своим обязанностям. Южно-Уральский радиоактивный след Территория, которая подверглась радиоактивному загрязнению в результате взрыва на химкомбинате, получила название Южно-Уральский радиоактивный след (ЮУРС) [13]. 237

Стало очевидным, что на обширной территории произошло опасное загрязнение полей и пастбищ, водоемов и лесов, сделавшее многие из них непригодными для дальнейшего использования. Возникла срочная необходимость в обследовании всей загрязненной территории и составление полной карты-схемы радиоактивного следа с указанием районов, с определением уровней загрязненности. Особенно большое значение имело определение границ радиоактивного следа автомобильной экспедицией. Было установлено, что общая площадь загрязненной территории с плотностью более 2 кюри на квадратный километр, составляет более 1000 кв. км, а общая радиоактивность около 2 млн кюри. Анализ проб грунта показал, что выпавшие радиоактивные вещества почти полностью сосредоточены в верхних двух сантиметрах почвы, а в лесных районах — на деревьях. Радиоактивный след был обследован практически на всем его протяжении, что позволило составить общую картину расположения зон различной степени загрязненности. В населенных пунктах, попавших в зону ЮУРСа, все жители, домашние животные и птица, продукты питания, фураж и источники водоснабжения оказались загрязненными радиоактивными продуктами. Значительно были загрязнены озера и три небольших реки. Уровень радиации повысился в них в 1,5–60 раз. Загрязнена была вся водная экосистема. В зоне ЮУРСа леса занимают треть площади. Загрязнение веток, коры, хвои, листьев на расстоянии 15…20 км от места образования облака достигало несколько кюри на килограмм. Наиболее чувствительными к радиации оказались хвойные деревья. На расстоянии 12,5 км от центра взрыва летом 1958 г. наблюдалась полная гибель сосен. Березовые леса погибли только на участках с максимальной плотностью загрязнения — 4000 кюри на квадратный километр. Радиоактивное загрязнение грибов, ягод, насекомых в лесу привело к заражению птиц и животных, питающихся ими. Из обитателей озер наиболее уязвимыми оказались растительноядные рыбы — карп и карась. Выпавшее радиоактивное вещество в начальный период не было закрепленным в окружающей среде, его присутствие обнаруживалось во всех, без исключения, объектах, включая живые организмы и продовольственные продукты. Проникновение его в объекты окружающей среды усиливалось ветровой миграцией. Особенно опасен был ветровой подъем и перенос радиоактивного вещества. В октябре 1957 г., после образования ЮУРСа, происходил значительный разнос активных аэрозолей с защищенной полосы, чему способствовали отсутствие дождей и сильные ветры. Вследствие ветровой миграции происходило перераспределение радиоактивного вещества, загрязнение новых территорий. При этом почвы и донные отложения стали основными аккумуляторами радиоактивности. На территории ЮУРСа, признанной непригодной для проживания, загрязнение стронция-90 достигало 1000 кюри на квадратный километр и более. 238

В целях предупреждения опасного влияния загрязненной территории на окружающее население в 1959 г. правительство РФ приняло решение об образовании на этой части ЮУРСа санитарно-защитной зоны с особым режимом. Земли этой зоны признаны временно непригодными для ведения сельского хозяйства. В течение двух лет на территории ЮУРСа производилась перепашка сельхозугодий, что снизило концентрацию радиоактивных веществ на несколько десятков процентов. Почти 50-летнюю "биографию" ЮУРСа [11] можно разделить на 2 этапа: 1) чрезвычайный, когда были проведены срочные мероприятия по выселению людей, образована санитарно-защитная зона; 2) восстановление сельскохозяйственного производства, пользование лесами, водоемами, а также всесторонние исследования и разработка рекомендаций по восстановлению и ведению сельского и лесного хозяйства в условиях загрязненных радионуклидами территорий. Радиационная обстановка на следе в целом продолжает улучшаться. Авария 1957 года и здоровье населения В средствах массовой информации не раз сообщалось о гибели большого числа людей во время взрыва на химкомбинате "Маяк". С другой стороны, официальные органы утверждают, что во время аварии и спустя 10 лет после нее не было ни одного смертельного случая. Самым важным заключением по результатам медицинского обследования, являлось то, что ни один человек из облучившихся не заболел лучевой болезнью. Вместе с тем у людей обнаружили разные заболевания: у взрослых чаще всего атеросклероз мозговых и сердечных сосудов, ишемическую болезнь сердца, гипертонию, бронхит; у детей — острую респираторную инфекцию. Эти заболевания зарегистрированы примерно у 47% обследованных взрослых. Частота выявленных болезней на территории ЮУРСа оказалась не выше, чем остального населения. Об этом свидетельствовали результаты регулярно проводящихся диспансерных осмотров. Последние исследования ученых-медиков показали, что сам страх населения перед радиацией — радиофобия, может стать источником заболеваний. Одним из чувствительных критериев поражения при действии радиации являются ранняя детская смертность и внутриутробные аномалии развития. В течение последних 25 лет смертность от злокачественных опухолей в стране увеличилась более чем на 30%. В первый период после аварии проводились в основном экстренные мероприятия, направленные на предупреждение последствий острого облучения, во второй — плановые мероприятия, направленные на предупреждение последствий хронического облучения. С учетом этого была разработана система мер защиты населения в условиях длительного 239

проживания и ведения сельскохозяйственного производства на территории радиоактивного следа. Медицинское наблюдение за людьми, облучившимися вследствие радиационной аварии, продолжается. Особое внимание при этом уделяется детям, родившимся от облученных родителей. Актуальным остается вопрос о реабилитации людей, которые ощутили на себе все тяготы переселения или ограничения привычного образа жизни в своих населенных пунктах [1, 3, 14]. Государственная программа радиационной реабилитации Предпринятые до 1992 г. меры по ослаблению последствий радиоактивного загрязнения региона не соответствовали реальному экономическому ущербу, не охватывали всего пострадавшего от радиации населения. С 1957 по 1992 гг. специальных инвестиций по компенсации ущерба не проводилось. Компенсация осуществлялась только по отношению к отселенным жителям населенных пунктов по реке Теча, а также пострадавшим после радиационной аварии 1957 г. Медицинское наблюдение за облученным населением и лечение пострадавших проводилось в недостаточных объемах, был низок уровень профилактической работы. В населенных пунктах, расположенных на загрязненных территориях, низок уровень материально-технической базы здравоохранения, народного образования, культуры. Социально-психологическая реабилитация населения этих районов не проводилась. Все это и вызвало необходимость в проведении дополнительных реабилитационных мероприятий на пострадавших территориях Уральского региона. В качестве основы для социальной защиты населения региона стал закон РФ "О социальной защите граждан, подвергшихся радиации вследствие аварии 1957 г. на производственном объединении "Маяк" и сбросов радиационных отходов в реку Теча". В рамках программы организован комплексный радиоэкологический мониторинг, основными задачами которого являются создание системы получения сбора и анализа данных о радиоактивном загрязнении окружающей среды. Он предполагает также организацию и ведение специализированных банков данных, оценку и прогноз состояния природной сферы и антропогенного воздействия на нее. В конце каждой зимы проводится отбор и анализ проб снега на содержание долгоживущих радионуклидов в радиусе до 100 километров от ПО "Маяк". Наблюдения проводятся на озерах, загрязненных в результате аварии 1957 г., а также на водоемах, расположенных вблизи санитарно-защитной зоны ПО "Маяк". Были приобретены и смонтированы приборы и сетевое оборудование, что позволило улучшить радиационный и химический контроль. Большой объем исследований выполнен в рамках работ по реке Теча. 240

Люди, нуждающиеся в углубленном обследовании и стационарном лечении, получают необходимую медицинскую помощь. Для улучшения радиоэкологической и ветеринарно-санитарной обстановки был осуществлен перенос с загрязненных территорий летних пастбищ крупного рогатого скота. Большая работа проводилась по повышению квалификации специалистов. Значительное место в государственной программе отведено социальноэкономической реабилитации пострадавших территорий [13]. Вопросы для повторения 1. Каковы основные этапы развития жизни на Земле? 2. В чём суть концепции развития Ж.-Б. Ламарка? 3. В чём суть теории катастроф Ж. Кювье? 4. В чём суть теории Ч. Дарвина? 5. Чем занимается генетика? 6. Какие вы знаете законы Менделя? 7. Что такое синтетическая теория эволюции? 8. Что такое биосфера? 9. В чём суть учения В. И. Вернадского? 10. Что изучает экология? 11. В чём суть концепции коэволюции? Библиографический список 1. Антропов, З.Г. Итоги изучения и опыт ликвидации последствий аварийного загрязнения территории / З.Г. Антропов. — М.: Энергоатомиздат, 1990. 2. Афанасьев, В.Г. Мир живого: системность, эволюция и управление / В.Г. Афанасьев,. — М: Наука, 1986. 3. Базуев, А.К. Заложники: Документальная повесть / А.К. Базуев. — Челябинск: Рифей, 1997. 4. Барг, О.А. Живое в едином мировом процессе / О.А. Барг. — Пермь: Перм. кн. изд-во, 1993. 5. Борзенков, В.Г., Северцов А.С. Теоретическая биология: размышление о предмете / В.Г. Борзенков, А.С. Северцов. — М.: Мысль, 1980. 6. Булдаков, Л.А. Медицинские последствия радиационной аварии на Южном Урале в 1957 году / Л.А. Булдаков// Медицинская радиология. — 1990. — №12 7. Вернадский, В.И. Начало и вечность жизни /В.И.Вернадский.— М.:Наука,1989. 8. Войткевич, Г.В. Возникновение и развитие жизни на Земле / Г.В. Войткевич. — М.: Просвещение, 1988. 9. Дощенко, В.Н. Правда о радиации / В.Н. Дощенко. — Челябинск: Юж.Урал. кн. изд-во, 1991. 241

10. Колчинский, Э.И. Эволюция биосферы / Э.И. Колчинский. — Л.: Наука, 1990. 11. Ларин, В. Комбинат ″Маяк″ — полвека проблем / В. Ларин. — М.: Наука, 1996. 12. Медведев, Ж. Ядерная катастрофа на Урале // Энергия, экономика, техника, экология / Ж. Медведев. — 1990. № 1–3 13. Миронов, П.М. Радиационный след на Южном Урале: проблемы сельского хозяйства и социальной защиты населения / П.М. Миронов, Л.А. Хромых. — Челябинск: Юж.-Урал. кн. изд-во, 1993. 14. Соколов, В.Е. Экологические последствия радиоактивного загрязнения на Южном Урале / В.Е. Соколов, Д.А. Приволуцкий. — М: Наука, 1993. 15. Чепиков, М.Г. Современная революция в биологии / М.Г. Чепиков. — М.: Наука, 1976. 16. Югай, Г.А. Общая теория жизни / Г.А. Югай. — М.: Наука, 1985. Темы рефератов 1. Гипотезы происхождения Земли. 2. Теория тектоники литосферных плит. 3. Земля в архее и протерозое. 4. Земля в палеозое. 5. Земля в мезозое. 6. Земля в кайнозое. 7. «Зимы планеты нашей». 8. Будущее Земли. 9. Геопатогенные зоны. 10. Уровни организации живых существ. 11. Концепция В.И. Вернадского о биосфере. 12. Гипотезы возникновения жизни. 13. Биохимическая эволюция. 14. Гипотеза Ч. Дарвина о происхождении видов. 15. Гипотеза В. А. Зубакова. 16. Принципы универсального эволюционизма. 17. Проблемы генетики. 18. Концепция предков человека. 19. Ископаемые высшие обезьяны. 20. Протоантропы. 21. Архантропы. 22. Неандертальцы и связанные с ними проблемы. 23. Экосистемы и их структуры. 24. Взаимодействие экосистем с окружающей средой. 25. Влияние человека на климат. 26. Экология и здоровье. 27. Экологический кризис палеолита. 28. Современный глобальный экологический кризис. 242

29. Каково строение атмосферы Земли? 30. Как происходит развитие Земли с точки зрения тектоники атмосферных плит? 31. Что такое биосинтез и как он происходит в организме? Раздел IV

СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ЧЕЛОВЕКЕ Глава 14. ЧЕЛОВЕК, БИОСФЕРА И КОСМОС. НА ПУТИ К НООСФЕРЕ 14.1. Происхождение человека Проблему происхождения человека исследовали многие видные учёные: Ч. Дарвин, Т. Гексли, Э. Геккель, Ф. Энгельс, И.М. Сеченов, И.И. Мечников, К.А. Тимирязев, В.О. Ковалевский, А.Н. Северцев, Д.Н. Анучин и другие. В результате трудоёмких поисков и раскопок важные находки останков древних людей (черепов, фрагментов челюстей, костей, каменных орудий труда и т.п.) сделали Е. Дюбуа, Р. Дарт, В. Кенингсвальд, супруги Л. и М. Лики и их сын Р. Лики [1]. Еще Аристотель отмечал сходство высших обезьян с человеком, считая при этом, что обезьяна "менее красива, чем лошадь, она более похожа на человека". Карл Линней в первом издании "Системы природы" (1735) объединил человека и обезьян в один отряд и дал ему имя "приматы" (один из первых). Ж.-Б. Ламарк в "Философии зоологии" (1809) изложил гипотезу происхождения человека от обезьян путем исторического развития организмов. Ч. Дарвин [1] преодолел однолинейный детерминизм Ламарка и показал, что эволюция в органическом мире осуществляется в результате трех основных факторов: изменчивости, наследственности и естественного отбора. Изменчивость является основой образования новых признаков в строении и функциях организмов. Наследственность закрепляет их. Под воздействием естественного отбора в процессе борьбы за существование устраняются организмы, которые не могут приспособиться к условиям жизни. Благодаря этому единому процессу организмы в результате эволюции накапливают все новые приспособительные признаки, что и ведет, в конечном счете, к образованию новых видов. Таким образом, Дарвин установил движущие силы эволюции органического мира и объяснил естественно-научным путем процесс становления и развития биологических видов. Однако, разработав теорию естественного происхождения человека, он не включил в нее влияние социального фактора на его развитие. Кроме того, в теории Дарвина отсутствует качественное отличие ума человека от 243

животного. Это во многом объясняется тем, что он не затрагивает роли труда в процессе антропогенеза. Палеоантропологические исследования и открытия последних лет дали дополнительные доказательства того, что человек своими корнями прочно уходит в биосферу и является одним из ее многочисленных естественных созданий. Основные черты строения и эмбрионального развития человека четко определяют его как вид Homo sapiens в типе хордовых, подтипе позвоночных, классе млекопитающих, отряде приматов, подотряде человекообразных обезьян. Вместе с тем человек имеет специфические, присущие только ему особенности: прямохождение, мощно развитую мускулатуру нижних конечностей, сводчатую стопу с сильно развитым первым пальцем, подвижную кисть руки, позвоночник с четырьмя изгибами, расположение таза под углом 60о к горизонтали, очень большой и объемный мозг, крупные размеры мозгового и малые размеры лицевого черепа, бинокулярное зрение, ограниченную плодовитость и некоторые другие. Происхождение человека от обезьян, ведущих древесный образ жизни, предопределило ряд особенностей его строения, которые в свою очередь явились анатомической основой его способности к труду и дальнейшей социальной эволюции. Большинство ученых придерживаются теории африканского происхождения человека и считают, что будущий победитель в эволюционной гонке возник на Юго-Востоке Африки и расселился оттуда по всей планете. Цепочка предшественников современного человека, с точки зрения сегодняшнего естествознания, будет выглядеть так: самый древний известный науке предок человека и высших обезьян — рамапитек — жил на территории от Индии до Африки около 14 млн. лет назад. Примерно 10 млн. лет назад от него отделился предок орангутанга — сивапитек, который остался в Азии. Общий же предок гориллы, шимпанзе и человека, по-видимому, обосновался в Африке, поскольку именно там обнаружены древнейшие орудия труда (примерно 2,5 млн. лет назад) и остатки жилищ (1,75 млн. лет назад). В Африке найдены останки человека умелого — зинджантропа, жившего 2 млн. лет назад. Он обладал уже такими чисто человеческими признаками, как прямохождение и заметная развитость кисти руки. При этом название "умелый" ему дано за умение изготовлять и применять первобытные каменные орудия труда. От человека умелого прослеживается связь с древнейшим человекообразным существом — австралопитеком, жившим от 4 до 2 млн. лет назад. Далее развитие современного человека прослеживается более определенно: питекантроп (обитавший во временных рамках 1,9–1,65 млн. лет назад), синантроп (400 тыс. лет назад) и неанерталец (ранняя форма homo sapiens), появившийся, по разным данным, от 30 до 40 тыс. лет назад. Виды Homo habilis ("человек умелый"), Homo erеctus ("человек прямостоящий"), питекантропы, синантропы, неандертальцы и Homo sapiens объединяются в род Номо. В настоящее время род Homo представлен одним видом — Homo sapiens, остальные виды вымерли, стали ископаемыми. 244

Необходимо отметить, что антропогенез не следует представлять в виде линейного процесса. Говоря о нелинейности процесса антропогенеза, следует также иметь в виду, что эволюция осуществляется в процессе постоянного возникновения новых ответвлений, большая часть которых очень быстро исчезает. В каждый период времени существует множество параллельных эволюционных линий, происходящих от общего предка. Сущность человека Биологическая эволюция, как считает большинство ученых, завершилась 30– 40 тыс. лет назад после возникновения Homo sapiens. С тех пор человек выделился из животного мира, и биологическая эволюция перестала играть решающую роль в его развитии. Определяющим фактором в развитии стала социальная эволюция, от которой сегодня зависит биологическая природа, физический облик и умственные способности человека. Данная позиция отражена в частности во взглядах В.И. Вернадского, который писал, что человек не является случайным, независимым от окружающего мира существом. По мнению ученого, он есть часть природы и представляет собой неизбежное проявление закономерного природного процесса [2]. Нет никаких оснований для утверждений об эволюции головного мозга человека. Его размеры остаются неизменными на протяжении 30–40 тыс. лет. У наших же предков в ходе биологической эволюции он увеличивался постоянно. Так, у австралопитеков размер мозга составляет 500…600 куб. см, у питекантропов — до 900 куб. см, у синантропов — до 1000 куб. см. У современного человека масса мозга колеблется в пределах 1020…1970 г, у мужчин — на 100…150 г больше, чем у женщин. Средняя масса мозга у представителей разных рас различается ненамного. Средняя масса мозга африканских негров — 1316 г, европейцев — 1361 г, в том числе у немцев — 1291 г, швейцарцев — 1327 г, русских и украинцев — 1377 г. Масса мозга японцев — 1374 г, бурят — 1508 г. Главным показателем считается не абсолютная масса мозга, а его отношение к массе всего тела. У синего кита, например, масса мозга 6800 г, а общая его масса 30 т. В среднем у кита 1 г мозга управляет пятью килограммами тела (у китов-гигантов это соотношение составляет 1:20), а у человека 1 г мозга отвечает лишь за 50 г тела. При этом нет прямой зависимости между величиной мозга и способностями человека. Так, по имеющимся данным, довольно маленький размер мозга среди талантливых людей имел известный французский писатель А. Франс — не более 1000 куб. см. А самый большой объем мозга среди них имел И.С. Тургенев — 2012 куб. см. Это еще раз доказывает, что на основе различий в объеме мозга не следует делать каких-либо выводов об умственных способностях человека. Биологическое и социальное выступают как генетически и функционально связанные уровни целостной организации человека. Биологическое, будучи первичным во времени, детерминирует социальное, 245

становится предпосылкой его воспроизведения. Поэтому биологическое есть необходимое, но недостаточное условие становления и функционирования социального. И действительно, человек не может возникнуть без биологического, ибо наличие биологического — непременное условие и обязательная предпосылка становления человека из животного мира. Естественный отбор у человека происходит главным образом на уровне зародышевых клеток. В основном дети рождаются из здоровых в генетическом отношении клеток. Об этом свидетельствует тот факт, что крупные генетические нарушения в половых клетках родителей в подавляющем большинстве случаев обусловливают гибель оплодотворенных яйцеклеток и зародышей на ранних стадиях развития. А меняются ли вместе с социальным обликом человека и его биологическая природа, физический облик, умственные способности? Становятся ли новые поколения людей более развитыми в физическом и умственном плане? И проблема сохранения здоровья людей является очень важной как для отдельного человека, так и для всего общества. Здоровье человека Очевидно, что состояние физического здоровья человека за историю Нomo sapiens существенно улучшилось. Одним из аргументов в пользу этого утверждения может служить динамика средней продолжительности жизни. Под влиянием социальных условий она возросла с 20–22 лет в древности до 30 лет в XVIII в. К началу XX в. в странах Западной Европы средняя продолжительность жизни была примерно 56 лет. Сегодня в этих странах она достигла 75–78 лет, а потенциалом средней продолжительности жизни, по данным науки, является 80–90 лет. Функционирование человеческого тела является предметом медицины — науки, изучающей причины возникновения болезней человека, закономерности их развития, методы их распознавания и лечения, а также формы оптимальной организации медицинской помощи населению. Естественно, медицина не всегда была наукой, но всегда существовала как часть человеческой культуры, занимающаяся проблемами здоровья человека. Являясь частью культуры определенного народа и определенной эпохи, медицина по-разному в разное время объясняла причины болезней и рекомендовала разные способы их лечения. Если сделать диахронный срез истории медицины, то можно увидеть в ней четыре основных варианта моделей болезни: магико-анимистическую, мистико-религиозную, натурфилософскую и естественно-научную. XX в. принес в дискуссии о сущности болезней новые черты: приобретает значение идея целостности организма, устанавливается понимание недостаточности сугубо натуралистического объяснения болезни, узости односторонне соматического (телесного) ее содержания. Поэтому возникают психосоматические, антропологические и социокультурные модели болезни. Среди этих моделей особое место занимает концепция З. Фрейда, пробившая 246

брешь в традиционных натуралистических воззрениях. По Фрейду болезнь есть своеобразное телесное выражение душевных расстройств или следствие неподвластных человеку переживаний и конфликтов и их вытеснение в подсознание. Наша отечественная медицина после довольно долгих дискуссий стала определять здоровье человека как нормальное психосоматическое состояние и способность человека оптимально удовлетворять систему материальных и духовных потребностей. Болезнь — нарушение оптимального психосоматического состояния и способности удовлетворять свои потребности [3]. Причинами болезней, как принято сегодня считать, являются не внешние и внутренние факторы (патогенные воздействия среды и нарушения функций организма), а их взаимодействие. При этом роль различных факторов, вызывающих болезни, меняется в зависимости от времени, эпохи, уровня социально-экономического развития общества. Так, если в прошлом характер патологии детерминировался в основном патогенными природными воздействиями, то в настоящее время он обусловливается, прежде всего, воздействиями, идущими от преобразованной самим же человеком природы. Главную роль в детерминации многих заболеваний в настоящее время, соответственно, играют гиподинамия, то есть недостаточная физическая активность, информационное изобилие и психоэмоциональный стресс. Определенное сочетание психоэмоциональных стрессов с малоподвижным образом жизни и избыточным питанием ведет к суммированию этих воздействий, способствует росту некоторых заболеваний, особенно сердечнососудистых. С переходом от одной ступени общественного развития к другой все более усложняются психоэмоциональные отношения людей. Все каналы эмоциональной взаимосвязи ныне до предела заполнены, а иногда перегружены. Возрастает темп жизни, происходит устаревание некоторых профессий, убыстряется развитие науки, техники, культуры и т.п. Все это предъявляет новые повышенные требования к внутренним ресурсам человека, важным компонентом которых является психическое здоровье и эмоциональное равновесие. Эмоции и интеллект В различных отношениях сознание человека выступает как его ум, честь и совесть, как его рассудок, разум и мудрость, как самосознание и душа, как индивидуальное проявление духа времени — общественного сознания на конкретном этапе его исторического развития. И все это является особыми формами отражения и выражения природы, общества и внутреннего мира каждого отдельного человека. В эмоциональной сфере сознания различают элементарные эмоции (голод, жажда, усталость...), чувства (любовь, ненависть, горе, радость...), аффекты (ярость, ужас, отчаяние...), страсти и эмоциональное самочувствие, 247

настроение (веселое, подавленное), особо сильные состояния эмоциональной напряженности — стрессы. Нарушение сознания начинается с расстройства сначала эмоциональной сферы, затем нарушается мышление, за ним самосознание. Если человек не осознает опасности, он не испытывает и страха. Если кто-либо не сознает нанесенного оскорбления, он не переживает и гнева. Если нет совести, то нет и осознания своей вины и раскаяния. Теперь обратимся к вопросу о развитии умственных способностей. Один из создателей евгеники (теории о наследственном здоровье человека и путях его улучшения), английский психолог и антрополог Ф. Гальтон, был убежден в том, что интеллект современного человека снижается [3]. По его мнению, представители низших классов обладают более низким коэффициентом интеллектуальности (К.И.). В то же время именно они имеют большее число детей. Причем статистические данные, свидетельствовавшие о более высоком репродуктивном уровне людей с низким К.И., были широко распространены до сравнительно недавнего времени. На основании этих данных Гальтоном и некоторыми другими учеными делался вывод о том, что человеческий вид будет все более наполняться "худшими породами" людей и, следовательно, уменьшать свой К.И. Однако в начале 1960-х гг. вывод о том, что существует прямая зависимость между социальным положением, количеством детей и К.И. был признан ошибочным. При ответе на вопрос, какое же будущее ожидает человечество с точки зрения развития вида, иногда высказывается мнение, что все виды животных и растений постепенно вымрут вследствие деградации генома (генетической программы развития). По мнению большинства ученых, главная опасность состоит не в старении вида, а во все большем загрязнении биосферы различного рода отходами, повышении уровня радиации в связи с авариями, увеличении мутационной опасности химических загрязнителей и т.п. Главная опасность и угроза дальнейшему существованию человека связаны в первую очередь с недостатками и несовершенством нашей культуры. Месмеризм и гипнотизм История развития представлений о внушении и гипнозе насчитывает тысячелетия — жрецы древних цивилизаций всегда умели вызывать "святой сон", предназначенный для лечения различных болезней и расстройств. Примерно в 1530 г. швейцарский врач Парацельс создал теорию, согласно которой здоровье человека зависит от влияния некоего магнетического флюида, который представляет собой излучение небесных тел. В дальнейшем различными исследователями эта мысль была развита — считалось, что сам человек излучает магнетические поля, которыми может контролировать психическую и физическую жизнь других людей. Спустя более чем два столетия венский врач Франц Антон Месмер (1734– 1815) развил эту теорию и занимался лечением в соответствии с её принципами. 248

Первоначально он предложил применять и использовать для лечения различных заболеваний, кроме магнетизма, электричество, металлы и различные деревья. Его основной доктриной было учение алхимиков. Он верил, что все металлы, а также деревья и растения обладают сродством и несут в себе в скрытом виде связь с человеческим организмом. Все во Вселенной развилось из единой гомогенной первоначальной субстанции, разделенной на неисчислимые виды материи, и все они обречены на возвращение обратно. Он утверждал, что секрет излечения состоит в знании соответствия и сродства между родственными атомами. Если обнаружить, что металл, дерево или растение в большой степени обладают соответствующим сродством с телом больного, и если при внутреннем или наружном применении это средство наделяет пациента дополнительной силой для борьбы с болезнью (как правило, развивающейся в результате введения некоторого инородного элемента в организм) и ее изгнания, это, безусловно, приведет к его излечению. Такие лекарства, применяемые Антоном Месмером, были многочисленны и удивительны. Были вылечены люди с сердечными заболеваниями. Даме высокого положения, обреченной на смерть, было полностью возвращено здоровье путем прикладывания определенных симпатических сортов древесины. Сам Месмер, страдавший от острого ревматизма, полностью излечился применением специально приготовленных магнитов. В 1774 г. он столкнулся с теургическим1 секретом прямой витальной передачи и был столь сильно заинтересован этим, что оставил все свои старые методы, посвятив себя целиком этому новому исследованию. С тех пор он месмеризировал пристальным взглядом и движениями рук и перестал использовать естественные магниты. Таинственные действия таких манипуляций он назвал — животным магнетизмом. Это привлекло к Месмеру множество последователей и учеников. Эксперименты с новой силой ставили во всех городах Европы, и повсюду его признали как реальный факт. Около 1780 г. Месмер обосновался в Париже, и в скором времени вся столица, от королевской семьи до последних истеричных буржуа, была у его ног. Духовенство было напугано и кричало: "Дьявол"! Даже сэр Б. Франклин, столь хорошо знакомый с космическим электричеством, не распознал его первоначальный источник и вслед за Байи, Лавуазье, Магенди и другими провозгласил месмеризм обманом. В настоящее время, когда эксперименты полностью продемонстрировали, что "месмеризм", или животный магнетизм, ныне известный под именем гипнотизма — это факт, все же мы видим множество ученых, отрицающих его существование. Основным достижением Месмера была не его псевдонаучная теория, а разработанный им метод погружения в транс, который он увязал с сомнамбуТеургия (греч. theurgia, букв. — божественное действие, чудо) — вид магии, с помощью которой считалось возможным изменить ход событий подчиняя своей воле действия богов и духов. 249 1

лизмом4. Он видел, что терапевтическое воздействие наиболее качественно по отношению к пациентам, погружённым в состояние транса. Само понятие "гипноз" (от греческого "сон") ввёл хирург Джеймс Брэд. Он сделал вывод, что феномен магнетизма обязан не воздействию потусторонних флюидов, а воздействию сил, которые имеет сам индивид, находясь в состоянии транса. Далее, врач француз А.А. Льебо усовершенствовал сам способ гипнотизации, повысив действенность лечения. Продолжателем дела Льебо стал профессор медицинского института в Нанси И. Бергнейм. Вместе с большой группой учёных он приступил к широкому исследованию гипноза и сопутствующих явлений. Бернгейм первым указал на существование внушения в бодрствующем состоянии посредством механизма самовнушения. Русские учёные трезво подходили к учению о животном магнетизме, но в то же время стали исследовать практическую и лечебную деятельность месмеристов. Профессор Харьковского университета В.Я. Данилевский в многочисленных экспериментах изучал гипнотические явления у животных. В 1891 г. он сделал вывод, что гипнотическое состояние у человека и у животных очень сходно по проявлению. Он объяснял гипноз, как паралич воли и самостоятельности мышления, а причиной считал психическое принуждение. Конечно, это было далеко от действительности. Русский психофизиолог В. М. Бехтерев, изучая особенности гипнотического состояния человека, пришёл к выводу, что большую роль при наступлении гипнотического состояния человека играют словесное внушение и ряд физических раздражителей. Он подразделял гипноз на три стадии — малый, средний и глубокий. Бехтерев изучал особенности повышенной внушаемости в коллективе, разработал методику коллективного гипноза, которую использовал при групповом лечении больных. И.П. Павлов установил условия, способствующие повышению восприимчивости к внушению. Согласно Павлову, основой повышенной внушаемости является понижение предела работоспособности корковых клеток, что вызывает их облегчённую тормозимость. На основе учения Павлова врач Е.С. Катков разработал подробную классификацию различных стадий и степеней глубины гипноза. Более поздние исследования установили, что гипноз не может быть частичным торможением коры головного мозга, так как понятие "торможение" неприменимо к популяции нервных клеток головного мозга. В наши дни на кафедре психотерапии Центрального института усовершенствования врачей удалось установить, что гипноз возникает как качественно самостоятельный режим работы мозга, не похожий ни на сон, ни на бодрствование. Был сделан вывод, что первостепенное место в возникновении и протекании гипноза принадлежит далеко не полностью Сомнамбулизм (от лат. somnus — сон и ambulo — хожу) (лунатизм) — расстройство сознания, при котором автоматически во сне (отсюда название — снохождение) совершаются привычные действия (напр., ходьба, перекладывание вещей). 4

250

сознаваемым психологическим факторам, а именно характеру воздействий, исходящих от гипнотизирующего, а также значимых установок испытываемого. 14.2. Человек, биосфера и космические циклы На протяжении длительного времени в науке и философии доминировал принцип антропологического рационализма: человек, мотивы его поведения и само бытие рассматривались только как проявление сознательной жизни. Человек в данном случае выступал лишь как "человек разумный". Но, начиная с Нового времени, в учении о человеке все большее место занимает проблема бессознательного. Определяющее влияние на разработку этой проблемы оказал З. Фрейд, открывший целое направление в учении о человеке и утвердивший бессознательное как важнейший фактор человеческого измерения и существования. Он представлял бессознательное как могущественную силу, которая противостоит сознанию. Драматизм человеческого существования, по Фрейду, усиливается тем, что среди бессознательных влечений имеется и врожденная склонность к разрушению и агрессии, которая находит свое предельное выражение в "инстинкте смерти", противостоящем "инстинкту жизни". Внутренний мир человека оказался, следовательно, еще и ареной борьбы между двумя этими влечениями. Таким образом, фрейдовский человек получился сотканным из целого ряда противоречий между биологическими влечениями и социально обусловленными нормами, сознательным и бессознательным, инстинктом жизни и инстинктом смерти. Но в итоге биологическое бессознательное начало оказывается у него определяющим. Человек, по Фрейду, — это, прежде всего, эротическое существо, управляемое бессознательными инстинктами. Проблема бессознательного и сознательного развивалась и другими представителями психоанализа — последователями Фрейда, которые уточняли и развивали его учение, внося в него свои коррективы. А. Адлер подверг критике учение Фрейда за его биологическую и эротическую детерминацию человека. По Адлеру, человек — не только биологическое, но и социальное существо, жизнедеятельность которого связана с сознательными интересами. Таким образом, Адлер в определенной степени уже социологизирует бессознательное и пытается снять противоречие между бессознательным и сознанием в рассмотрении человека. Наиболее видным представителем неофрейдизма, или современного фрейдизма, является немецко-американский психолог и социолог Э. Фромм. Он выступил против биологизации бессознательного и подверг критике теорию Фрейда за провозглашенный им антагонизм между сущностью человека и культурой. Вместе с тем он отверг и социологизаторские трактовки человека. Фромм попытался соединить психоаналитические идеи 251

Фрейда с марксистской концепцией человека и найти между ними некоторую середину. Человек, по Фромму, биологически неприспособленный индивид, следствием чего и является его социальное развитие. Но до конца развить свои социальные способности он тоже не может, ибо смертен. Поэтому человек — существо "незавершенное и неполное", существование которого характеризуется внутренними противоречиями. Мотивы поведения человека исследуются Фроммом через призму этих противоречий. На протяжении многих сотен человеческих поколений взаимодействие человека с окружающей средой заметных изменений в биосфере не вызывало, но все это время шло накопление знаний и сил. Постепенно, используя свое интеллектуальное превосходство над остальными представителями животного мира, человек охватил своей деятельностью всю верхнюю оболочку планеты — всю биосферу. Эта деятельность привела к приручению животных, к выведению культурных растений. Человек стал менять окружающий его мир и создавать для себя новую, не существовавшую никогда на планете живую природу. Биосфера — это живое вещество планеты и преобразованное им косное вещество (образованное без участия жизни). Таким образом, это не биологическое, геологическое или географическое понятие. Это фундаментальное понятие биогеохимии, один из основных структурных компонентов организованности нашей планеты и околоземного космического пространства, сфера, в которой осуществляются биоэнергетические процессы и обмен веществ вследствие деятельности жизни. Пленка биосферы, окутывающая Землю, очень тонкая. Сегодня принято считать, что в атмосфере микробная жизнь имеет место примерно до высоты 20…22 км над земной поверхностью, а наличие жизни в глубоких океанических впадинах опускает эту границ до 8…11 км ниже уровня моря. В системе современного научного мировоззрения понятие биосферы занимает ключевое место во многих науках. Разработка учения о биосфере неразрывно связана с именем В.И. Вернадского, хотя и имеет довольно длинную предысторию, начавшуюся с книги Ж.-Б. Ламарка "Гидрогеология" (1802), в которой содержится одно из первых обоснований идеи о влиянии живых организмов на геологические процессы. Введя понятие живого вещества как совокупности всех живых организмов планеты, в том числе и человека, Вернадский тем самым вышел на качественно новый уровень анализа жизни и живого — биосферный. Это дало возможность понимать жизнь как могучую геологическую силу нашей планеты, действенно формирующую сам облик Земли. В функциональном плане живое вещество становилось тем звеном, которое соединяло историю химических элементов с эволюцией биосферы. Введение этого понятия также позволяло поставить и решить вопрос о механизмах геологической активности живого вещества, источниках энергии для этого [2]. 252

Геологическая роль живого вещества основана на его геохимических функциях, которые современная наука классифицирует по пяти категориям: энергетическая, концентрационная, деструктивная, средообразующая, транспортная. Они основаны на том, что живые организмы своим дыханием, своим питанием, своим метаболизмом, непрерывной сменой поколений порождают грандиознейшее планетное явление — миграцию химических элементов в биосфере. Это предопределило решающую роль живого вещества и биосферы в становлении современного облика Земли — ее атмосферы, гидросферы, литосферы. Но нет резкой границы между биосферой и окружающими ее земными оболочками. И, прежде всего, нет такой границы в атмосфере, которая делала бы биосферу закрытой для всех космических излучений, а также энергии Солнца. Таким образом, биосфера открыта космосу, купается в потоках космической энергии. Перерабатывая эту энергию, живое вещество преобразует нашу планету. Само образование биосферы, в том числе и происхождение жизни на Земле, является результатом действия этих космических сил, важнейшего фактора функционирования биосферы. Космические излучения и, прежде всего, энергия Солнца оказывают постоянное действие на все явления на Земле. Основатель гелиобиологии А. Л. Чижевский особенно много занимался изучением солнечно-земных связей [4, 6]. Он отмечал, что самые разнообразные и разнохарактерные явления на Земле — и химические превращения земной коры, и динамика самой планеты и составляющих ее частей, атмо-, гидро- и литосферы, — протекают под непосредственным воздействием Солнца. Солнце является основным (наряду с космическим излучением и энергией радиоактивного распада в недрах Земли) источником энергии, причиной всего на Земле — от легкого ветерка и произрастания растений до смерчей и ураганов и умственной деятельности человека. Циклы солнечной активности также оказывают свое влияние на жизнедеятельность человека. Так, обработав материал по вспышкам возвратного тифа в Европейской России с 1883 по 1917 гг., а также данные по холере в России с 1823 по 1923 гг. и данные по активности Солнца, Чижевский пришел к выводу, что эти земные явления наступают синхронно с изменениями, происходящими в разных солнечных сферах. На основании построенных им графиков он еще в 1930-х гг. предсказал, что в I960–1962 гг. произойдет эпидемическая вспышка холеры, что действительно произошло в странах Юго-Восточной Азии. Приведенные факты позволяют нам говорить о влиянии космоса на физиологические процессы в отдельном человеческом организме. Но ведь одновременно человек является частью человечества, общественного организма, который также подвержен влиянию солнечной активности. Чижевский попытался установить взаимосвязь одиннадцатилетних солнечных циклов с насыщенностью историческими событиями разных периодов человеческой истории. В результате своего анализа он сделал вывод, что максимум общественной активности совпадает с максимумом 253

солнечной активности. Средние точки течения цикла дают максимум массовой деятельности человечества, выражающийся в революциях, восстаниях, войнах, походах, переселениях, являются началами новых исторических эпох в истории человечества. В крайних точках течения цикла напряжение общечеловеческой деятельности военного или политического характера понижается до минимального предела, уступая место созидательной деятельности и сопровождаясь всеобщим упадком политического и военного энтузиазма. Эти идеи о связи космоса, человека и биосферы, представленные концепциями Вернадского и Чижевского, легли в основу популярной сегодня гипотезы Л. Н. Гумилева о пассионарном толчке, рождающем к жизни новые этносы. Ключевым понятием концепции этногенеза Гумилева является понятие пассионарности, которое он определяет как повышенное стремление к действию. Пассионарность — это признак, возникающий вследствие мутации (пассионарного толчка) и образующий внутри популяции некоторое количество людей, обладающих повышенной тягой к действию. Их называют пассионариями. Пассионарии стремятся изменить окружающее и способны на это. Это они организуют далекие походы, из которых возвращаются не многие. Это они борются за покорение народов, окружающих их собственный этнос, сражаются против захватчиков. Для такой деятельности требуется повышенная способность к напряжениям. Любые условия живого организма связаны с затратами некоего вида энергии. Такой вид энергии был открыт и описан нашим великим соотечественником В.И. Вернадским, и назван им биологической энергией живого вещества биосферы. Механизм связи между пассионарностью и поведением очень прост. Обычно у людей, как у живых организмов, энергии столько, сколько необходимо для поддержания жизни. Если же организм человека способен "собрать" энергии из окружающей среды больше, чем необходимо, то человек теряет отношения с другими людьми и связи, которые позволяют применить эту энергию в любом из выбранных направлений. Возможно и создание новой религиозной системы, научной теории и строительство пирамиды, Эйфелевой башни и т. п. При этом пассионарии выступают не только как непосредственные исполнители, но и как организаторы. Вкладывая свою избыточную энергию в организацию и управление соплеменниками на всех уровнях социальной иерархии, они, хотя и с трудом, вырабатывают новые стереотипы поведения, навязывают их всем остальным и создают, таким образом, новую этническую систему, новый этнос, видимый для истории. Но уровень пассионарности в этносе не остается неизменным. Этнос, возникнув, проходит ряд закономерных фаз развития, которые можно уподобить различными возрастами человека. Постепенно пассионарность иссякает. Когда энергии в системе становится мало, ведущее положение в обществе занимают субпассионарии 254

— люди с пониженной пассионарностью. Они стремятся уничтожить не только беспокойных пассионариев, но и трудолюбивых гармоничных людей. Наступает фаза обскурации, при которой процессы распада в этносоциальной системе становятся необратимыми. Везде господствуют люди вялые и эгоистичные, руководствующиеся потребительской психологией. А после того, как субпассионарии проедят и пропьют все ценное, сохранившееся от героических времен, наступает последняя фаза этногенеза — мемориальная, когда этнос сохраняет лишь память о своей исторической традиции. Затем исчезает и память, приходит время равновесия с природой (гомеостаза), когда люди живут в гармонии с родным ландшафтом и предпочитают великим замыслам обывательский покой. Пассионарности людей в этой фазе хватает лишь на то, чтобы поддерживать налаженное предками хозяйство. Новый цикл развития может быть вызван лишь очередным пассионарным толчком при котором возникает новая пассионарная популяция. Но она отнюдь не рекомендует старый этнос, а создает новый, давая начало очередному ветку этногенеза — процесса, благодаря которому человечество не исчезает с лица земли. 14.3. Концепции ноосферы и устойчивого развития Современная биосфера является результатом длительной эволюции всего органического мира и неживой природы. В этой эволюции принимает участие и сам человек, воздействие которого на природу постоянно усиливается и по своим масштабам приближается к действию геологических процессов. Биосфера Земли все больше становится управляемой человеческим разумом, постепенно превращаясь в ноосферу [2, 5]. Еще в 20–30-х гг. ХХ в. В.И. Вернадский, размышляя о геологической роли человека, вооруженного научной мыслью (разумом), пришел к выводу, что биосфера под влиянием разумной человеческой деятельности переходит в качественно новое состояние. Это новое состояние биосферы, преобразованной человеческой мыслью и трудом, Вернадский назвал ноосферой. Ее существенной характеристикой является поддержание глобального равновесия системы на основе оптимального сочетания социальноисторических и естественно-природных законов. Сам термин "ноосфера", в прямом переводе означающий "сфера разума", был введен французскими учеными и философами П. Тейяром де Шарденом и Е. Леруа и которые, по их собственному признанию, впервые использовали его после парижских лекций В.И. Вернадского 1922–1926 г. Вернадский, знакомый с ними, тоже стал использовать этот термин, но, в отличие от них, понимавших под ноосферой некий "мыслящий пласт", подходил к ноосфере с сугубо материалистических позиций. Концепция ноосферы Вернадского явилась логическим завершением многолетней работы ученого над проблемами живого вещества и биосферы. Ноосферу следует рассматривать как высшую стадию развития биосферы, связанную с возникновением и развитием в ней человеческого общества, 255

которое, познавая законы природы, становится крупнейшей планетарной силой, превышающей по своим масштабам все известные геологические процессы. Становление ноосферы теснейшим образом связано с овладением всеми формами движения материи и созданием новых живых организмов с помощью методов и средств биотехнологии и генной инженерии. Ценность концепции Вернадского состоит в том, что она дает конструктивную модель вероятного будущего, а ее ограниченность в том, что она рассматривает человека, прежде всего, как разумное существо, тогда как он редко ведет себя по-настоящему разумно. Биосфера существовала до появления на Земле человека, может существовать и без него. Но человек без биосферы существовать не может. Осознание глобальной экологической опасности грозящей гибелью человечеству, заставило мировое сообщество искать новые пути выхода из создавшегося положения и привело к пониманию необходимости разработки концепции устойчивого развития. Эта концепция была принята на конференции ООН по окружающей среде и развитию (1992 г., Рио-де-Жанейро), где была отмечена невозможность прогресса развивающихся стран по пути, который прошли развитые страны. Было признано, что эта модель развития завершится гибелью человечества. Поэтому была провозглашена необходимость перехода мирового сообщества на путь устойчивого развития, то есть развития общества на базе экологически целесообразного природоиспользования, обеспечивающего высокое качество жизни для людей целого ряда поколений. Устойчивое развитие было выдвинуто как основная задача человечества на конец XX– начало XXI вв. Эта модель развития предполагает: 1) снижение материало- и энергоемкости производства, максимальное сокращение отходов, снижение оборота токсичных веществ и расширение использования возобновляемых ресурсов, включая источники энергии; 2) переход к ценообразованию, учитывающему экологические критерии (цену ущерба окружающей среде) и стимулирующему использованию новых, экономически безопасных ресурсо- и энергосберегающих технологий в сочетании с системой налогов и штрафов; 3) содействие устойчивому ведению сельского хозяйства и развитию сельских районов через повышение продуктивности сельскохозяйственных культур, улучшение питательных свойств растительной и животной продукции, использование комплексных методов борьбы с вредителями сельского хозяйства и т.д.; 4) передачу индустриально развитыми странами передовых технологий развивающимся странам, в частности, новых технологий, созданных на основе генетических материалов, полученных из развивающихся стран; 5) создание международных институтов, способных определять единую глобальную линию устойчивого развития, устанавливать единые для всех стран экологические стандарты, аккумулировать и перераспределять ресурсы в интересах всего сообщества, контролировать соблюдение всеми государствами единых правил экологического поведения. 256

Вопросы для повторения 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Что изучает наука палеонтология? Основные этапы развития человека? Что такое здоровье человека? Что такое эмоции и интеллект? Что такое месмеризм? В чём суть теории пассионарности Л. Н. Гумилёва? Чем занимается гелиобиология? Библиографический список

1. Андреев, Н.А. Происхождение человека и общества / Н.А. Андреев. — М.: Мысль, 1982. 2. Вернадский, В.И. Биосфера и ноосфера / В.И. Вернадский. — М.: Наука, 1989. 3. Гиренок, Ф.И. Экология, цивилизация, ноосфера / Ф.И. Гиренок. — М.: Наука, 1987. 4. Мирошниченко, Л.И. Солнечная активность и Земля / Л.И. Мирошниченко. — М.: Наука, 1981. 5. Намшилов, М.М. Эволюция биосферы / М.М. Намшилов. — М.: Наука, 1979. 6. Чижевский, А.Л. Земное эхо солнечных бурь / А.Л. Чижевский. — М.: Мысль, 1976. Темы рефератов 1. Путь к единой культуре. 2. Ноосфера. 3. Человек современного вида. 4. Расы человека. 5. Будущее человека. 6. Парапсихология как отрасль естествознания. 7. Истоки концепции внемозговых носителей психического. 8. Месмеризм. 9. Гипотезы мысленного внушения (телепатии). 10. Гомосфера (биополе). 11. Гелиобиология. 12. Техносферная траектория развития мира. 13. Ноосферная траектория развития мира.

257

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА ДЛЯ РАБОТЫ НАД РЕФЕРАТОМ 1. Агекян, Т. А. Звезды, галактики. Метагалактика / Т.А. Агекян. — М.: Наука, 1981. 2. Алексеев, В. П. Становление человечества / В.П. Алексеев. — М.: Знание, 1984. 3. Ахметов, Н. С. Общая и неорганическая химия / Н.С. Ахметов. — М.: Высшая школа, 1981. 4. Баландин, Р. К. Природа и цивилизация / Р.К. Баландин, Л.Г.Бондарев.— М.: Мысль, 1988. 5. Будыко, М. И. Эволюция биосферы / М.И. Будыко. — М.: Наука 1984. 6. Верзилин, Н. М. Биосфера, ее настоящее, прошлое и будущее / Н.М. Верзилин. — М.: Мысль, 1976. 7. Вернадский, Н. В. Живое вещество / Н.В. Вернадский. — М.: Наука, 1978. 8. Веселовский, И. А. Введение в генетику / И.А. Веселовский. — М.: Колос. 1969. 9. Гаврилов, В. И. Путешествие в прошлое Земли / В.И. Гаврилов. — М.: Недра, 1986. 10. Гиляров, А. М. Популярная экология / А.М. Гиляров. — М.: Просвещение, 1990. 11. Джохансон, Д. Люди: истоки рода человеческого / Д. Джохансон, М. Иди. — М.: Мир, 1982. 12. Дубинин, Н. П., Что такое человек / Н. П. Дубинин. — М.: Наука, 1983. 13. Зигель, Ф. Ю. Астрономия и ее развитие / Ф.Ю. Зигель. — М.: Просвещение. 1988. 14. "Зимы нашей планеты" — земля подо льдом / под ред. Б. Джона. — М.: Мир, 1982. 15. Зубаков, В.А. XXI век. Сценарии будущего: анализ последствий глобального экологического кризиса / В.А Зубаков. // Зеленый мир. — 1996. — № 9. 16. Иванов, Б. Н. Законы физики / Б. Н. Иванов. — М.: Высшая школа, 1986. 17. Иорданский, Н. Н. Развитие жизни на Земле / Н. Н. Иорданский. — М.: Просвещение, 1981. 18. Карапетьян, М. X. Строение вещества / М. X. Карапетьян, С.М. Дракин. — М.: Высшая школа. 1986. 19. Кельман, Т. А. Основы геологии / Т. А. Кельман, В.Б Болтырев. — М.: Недра, 1985. 20. Киселева, 3. С. Генетика / 3.С. Киселева, А.Н. Мягкова. — М.: Просвещение. 1983. 21. Котляков, Н. В. Климат Земли: прошлое, настоящее, будущее / Н.В. Котляков, М.Г. Гросвальд, А.Н. Кренке. — М.: Знание, 1985. 22. Миркин, Б. М. Социальная экология / Б.М. Миркин, Л.Г. Наумова. — Уфа: Изд. ВЭГУ, 1995. 23. Моисеев, Н. Н. Человек и ноосфера / Н.Н. Моисеев. — М.: Мысль, 1990. 24. Новиков, И. Д. Эволюция Вселенной / И.Д. Новиков. — М.: Высшая школа, 1990. 25. Новиков, Э. А. Планета загадок / Э.А. Новиков. — Л.: Недра, 1987. 258

26. Орлова, А. В. Подвижная мозаика планеты / А.В. Орлова. — М.: Недра, 1981. 27. Пенроуз, Р. Структура пространства и времени / Р. Пенроуз. — М: Мир, 1972. 28. Райхенбах, Г. Философия пространства и времени / Г. Райхенбах. — М.: Мир, 1985. 29. Ровинский, Р. К. Развивающая Вселенная / Р.К. Ровинский. — М.: Наука, 1995. 30. Рогинский, Я. Я. Основы антропологии / Я.Я. Рогинский, М.Г. Левин. — М.: 1985. 31. Рябинина, Н. П. Экология и экономика / Н.П. Рябинина. — Челябинск: Изд. ЧГПУ, 1997. 32. Семенов, Ю. И. На заре человеческой истории / Ю.И. Семенов. — М.: Просвещение, 1989. 33. Силк, Дж. Большой взрыв / Дж. Силк. — М.: Мир, 1982. 34. Сорохтин, О.Г. Теория тектоники литосферных плит — современная геологическая теория / О.Г. Сорохтин. — М.: Изд. общ-ва "Знание" РСФСР, 1984. 35. Судо, М.М. Современная геология / М.М. Судо. — М: Знание, 1981. 36. Уоддингтон, К.Х. Основные биологические концепции / К.Х. Уоддингтон.— М.: Мир, 1970. 37. Утияма, Р.К. К чему пришла физика / Р.К. Утияма. — М: Знание, 1986. 38. Шкловский, И.С. Звезды, их рождение, жизнь и смерть / И.С. Шкловский. — М.: Наука, 1977. 39. Югай, Г. А. Общая теория жизни / Г.А. Югай. — М.: Мир, 1985. 40. Ясаманов, Н. А. Современная геология / Н.А. Ясаманов. — М.: Недра, 1987. 41. Хакен, Г. Информация и самоорганизация / Г. Хакен.— М.: Мир, 1991.

259

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ПРОМЕЖУТОЧНОЙ АТТЕСТАЦИИ Тема 1 (Раздел I. Главы 1, 5) Кто впервые предложил гелиоцентрическую систему? Какова главная отличительная особенность науки средних веков? Каковы особенности классической науки? Каковы три основные научные программы античности? Какова современная естественно-научная картина мира? Какова отличительная черта науки в эпоху Возрождения? В какой стране возникла наука, как форма общественного сознания и часть культуры? 8. В какую эпоху происходило разделение науки на отдельные естественно-научные дисциплины? 9. Какую систему строения мира приняли в Средние века? 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Тема 2 (Раздел I. Главы 2, 3, 4) 1. Какие методы познания относятся к эмпирическим методам? 2. Какие методы познания относятся к теоретическим методам? 3. Какому эмпирическому методу познания соответствует определение: «… активное, целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на изучаемый объект»? 4. Как называется метод познания, который сводится к расчленению целого объекта на составляющие части с целью их всестороннего изучения? 5. Как называется метод познания, основанный на сознательном отвлечении от ряда свойств и отношений изучаемого явления, с одновременным выделением интересующих исследователя свойств и связей? 6. Как называется метод познания, который основан на мысленном внесении определенных изменений в изучаемый объект в соответствии с целями исследования? 7. Как называется метод познания, основанный на умозаключениях, которые приводят к получению общего вывода на основе частных посылок? 8. Как называется метод познания, который сводится к получению частных выводов на основе знания каких-то общих положений? 9. Как называется метод познания, заключающийся в применении специальной символики, с помощью которой можно отвлечься от изучения реальных объектов, от содержания описывающих их теоретических положений, и позволяющий оперировать вместо этого некоторым множеством символов? 260

Тема 3 (Раздел I. Глава 1) 1. Чем характеризуются гуманитарные науки? 2. Чем характеризуются естественные науки? 3. Какое положение наиболее правильно отражает соотношение науки и культуры? 4. Как достигают истину в естественных науках? 5. Чем отличается наука от религии? 6. Каков характер объекта исследования в естественных науках? Тема 4 (Раздел II. Главы 7, 8) 1. Каковы необходимые условия самоорганизации, т.е. самопроизвольного перехода от менее сложных к более сложным и упорядоченным формам организации материи? 2. Какие положения соответствуют ведущей идее глобального эволюционизма, т.е. идее современной естественно-научной картины мира? 3. Какие идеи современной естественно-научной картины мира помимо глобального эволюционизма являются ведущими? 4. Какие идеи современной естественно-научной картины мира помимо системного подхода являются ведущими? 5. Что является предметом исследования синергетики? 6. Одним из понятий теории самоорганизации является понятие о точке бифуркации. Чем характеризуется точка бифуркации? Тема 5 (Раздел II. Главы 6, 7, 8) 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Какова структурная иерархия мегамира? Что относится к микромиру? Что относится с макромиру? Что относится мегамиру? Какова структурная иерархия микромира? В каких пределах в настоящее время простирается область материального мира? Тема 6 (Раздел II. Главы 6, 7)

1. 2. 3. 4.

Какова природа света, согласно современным представлениям? Каковы основные положения механической картины мира? Каковы основные положения электромагнитной картины мира? Как называется двойственность свойств микрочастицы? 261

Тема 7 (Раздел II. Главы 6, 7, 8) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Какое взаимодействие доминирует в ядрах атомов между нуклонами? Каким взаимодействием обусловлено существование атома? Какое взаимодействие доминирует в мегамире? Какое взаимодействие доминирует в макромире? Как передается любой вид взаимодействия согласно механизму дальнодействия? Посредством чего происходит взаимодействие между структурами мира? Каким взаимодействием обеспечивается длительное «горение» звезд, в том числе и Солнца? Посредством какого взаимодействия происходит соединение атомов в молекулы? Как передается любой вид взаимодействия согласно механизму близкодействия? Тема 8 (Раздел II. Глава 8)

1. 2. 3. 4. 5.

Каковы основные положения механической картины мира? Каковы основные выводы из специальной теории относительности? Каковы основные выводы из общей теории относительности? Какие системы отсчета называются инерциальными? Как изменяется скорость движения тела и его линейный размер согласно специальной теории относительности? Тема 9 (Раздел II. Глава 8)

1. Какой закон является следствием однородности пространства? 2. Какой закон является следствием изотропности пространства? 3. К каким объектам можно применить понятие симметрии, как неизменности свойств объекта по отношению к операциям, выполняемым над ними? 4. Согласно теореме Э. Нетер «каждому виду симметрии соответствует свой закон сохранения». Какому закону соответствует трансляционная симметрия пространства? 5. Какое понятие характеризует свойство объекта быть несовместимым со своим отображением в идеальном плоском зеркале? 6. Следствием чего является закон сохранения энергии? 7. Следствием чего является закон сохранения импульса? 8. Следствием чего является закон сохранения момента импульса?

262

Тема 10 (Раздел II. Глава 8) 1. Какие положения соответствуют квантовой механике? 2. Какие утверждения отражают суть принципа дополнительности? 3. Какие высказывания характеризуют физический смысл соотношения неопределенностей? Тема 11 (Раздел II. Главы 6, 7, 8) 1. Какие теории являются статистическими? 2. Какие теории являются динамическими? 3. Какое суждение верно отражает соотношение между динамическими и статистическими законами? 4. Какое утверждение отражает соотношение динамических и статистических теорий в современном естествознании? Тема 12 (Раздел I. Глава 5. Раздел II. Главы 6, 7, 8) 1. Каково экспериментальное подтверждение модели Большого взрыва? 2. Каково экспериментальное подтверждение модели расширяющейся Вселенной? 3. Какая модель Вселенной в современной космологии является наиболее общепринятой? 4. Чем занимается наука космология? 5. Как можно охарактеризовать Вселенную на раннем этапе эволюции согласно модели Большого взрыва? 6. Экспериментальным подтверждением какой модели считается эффект Хаббла? 7. Экспериментальным подтверждением какой модели считается реликтовое (микроволновое фоновое) излучение? 8. Каков предмет изучения науки космогонии? 9. Каковы основные причины высокой светимости звезд согласно современным теориям? Тема 13 (Раздел II. Глава 9) 1. Какое учение является теоретической основой классической химии XVIII-XIX веков? 2. Какая наука является теоретической основой современной неклассической химии?

263

3. Что помимо учения о составе, структуре и закономерностях химических процессов является одним из основных уровней химического знания? 4. Какая теория является теоретической основой эволюционной химии? 5. Что изучает эволюционная химия, являясь одним из уровней химического знания? Тема 14 (Раздел II. Глава 9) 1. В результате чего образована молекула, как квантовомеханическая система? 2. Чем обусловлена индивидуальность химического элемента? 3. В результате чего образован атом, как квантовомеханическая система? 4. Какой систематизирующий фактор использовался Д.И.Менделеевым при разработке периодической системы химических элементов? 5. Какие признаки имеет ферментативный анализ? 6. Каким является ферментативный катализ по фазовому признаку? 7. Какие высказывания соответствуют понятию изотопы? 8. Что является основой химических процессов живого организма? 9. Что такое полимеры? Тема 15 (Раздел II. Главы 8, 9) 1. В каких процессах энтропия возрастает? 2. В каких процессах энтропия уменьшается? 3. Что характеризует энтропия? Тема 16 (Раздел II. Глава 9) 1. С чем связана реакционная способность вещества? 2. Какими уравнениями выражается зависимость скорости химической реакции от температуры? 3. Каким принципом определяется направление смещения равновесия под влиянием внешних воздействий? 4. Каким законом выражается зависимость скорости химической реакции от концентрации реагентов? 5. Чем определяется влияние природы реагирующих веществ на скорость химической реакции в законе действующих масс? 6. Что влияет на реакционную способность вещества? 7. Что позволяет определить принцип Ле Шателье? 8. Что выражает правило Вант Гоффа в химической кинетике?

264

Тема 17 (Раздел III. Главы 10, 11) 1. Какова структурная иерархия биологического уровня организации материи от низкого к более высокому? 2. Какая мельчайшая единица живой природы является основой строения и жизнедеятельности всех животных и растений? 3. Какой уровень организации живой материи представляют отдельные особи? Тема 18 (Раздел III. Главы 11, 12) 1. Каковы основные идеи теории эволюции Ч.Дарвина? 2. В результате синтеза какой науки с теорией эволюции Ч.Дарвина возникла синтетическая теория эволюции (СТЭ)? 3. Какой фактор микроэволюции обязательно приводит к нарушению свободы скрещивания и генетической разобщенности организмов одного вида? 4. Что изучает теория микроэволюции? 5. Что изучает теория макроэволюции? 6. Каковы особенности макроэволюции? 7. Что служит элементарным эволюционным материалом согласно синтетической теории эволюции? Тема 19 (Раздел III. Главы 11, 12) 1. Как называются первые живые организмы по способу питания? 2. В 1953 году американские ученые С.Л.Миллер и Г.К.Юри экспериментально получили низкомолекулярные органические вещества, пропуская электрические разряды через смесь газов и паров воды. Какой газ при этом отсутствовал в их экспериментах? 3. Как называются организмы, синтезирующие органические вещества из неорганических за счет солнечной энергии или энергии неорганических соединений? 4. Как называется гипотеза, предполагающая, что жизнь на Земле имеет космическое происхождение? 5. Какая концепция вплоть до середины XIX века была единственной альтернативой креационизму? 6. Как называется фундаментальный признак, присущий только живой материи, неотъемлемое свойство которого асимметрия биомолекул, то есть отсутствие зеркальной симметрии? 7. Каковы главные признаки живого? 8. Что такое гипотеза стационарного состояния жизни на Земле?

265

Тема 20 (Раздел III. Главы 10, 11, 12) 1. Как называется нуклеиновая кислота, имеющая наибольшую молекулярную массу и содержащая 100 млн. нуклеотидов? 2. Какое химическое соединение входит в состав в ДНК и отсутствует в РНК? 3. Что является мономером нуклеиновых кислот? 4. Из чего состоит нуклеотид? 5. Какое вещество является мономером РНК? 6. Какая нуклеиновая кислота перемещает аминокислоты из цитоплазмы в рибосому? 7. Какая нуклеиновая кислота перемещает сведения о первичной структуре белка из ядра в рибосому? 8. Какой принцип лежит в основе образования водородных связей между двумя цепями молекулы ДНК? 9. Какие признаки характерны для молекулы ДНК? Тема 21 (Раздел III. Главы 11, 12) 1. Какое химическое соединение образуется в процессе биохимической реакции, называемой транскрипция? 2. Чему равно число аминокислот, входящих в состав белка, который шифруется участком ДНК из 120 нуклеотидов, кодирующих первичную структуру белка? 3. Как называется ферментативный процесс, происходящий в рибосоме? 4. Как называется процесс, во время которого путем матричного синтеза происходит считывание информация с молекулы ДНК и образуется химическое соединение, отличное от ДНК? 5. Белок состоит из 90 аминокислот. Чему равно число нуклеотидов одной полинуклеотидной цепи ДНК, шифрующих последовательность аминокислот в этом белке? 6. Чему равно число нуклеотидов, входящих в состав одного кодона ДНК или и-РНК, который кодирует одну аминокислоту? 7. Как называется процесс, в ходе которого происходит сборка полипептидной цепи? 8. В чем выражается триплетность генетического кода? 9. Как называется ферментативный процесс, посредством которого на молекуле ДНК образуется молекула РНК, комплементарная небольшому участку одной из полунуклеотидных цепей ДНК? Тема 22 (Раздел III. Главы 11, 12) 1. Как называется совокупность всех генов организма, локализованных в его хромосомах? 266

2. Как называется совокупность всех признаков и свойств организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития? 3. Как называются разные формы одного и того же гена? 4. Что определяют аллельные гены? 5. Какой пол человека является гомозиготным? 6. Совокупностью каких признаков является фенотипом? 7. Как называется организм, генотип которого содержит одинаковые аллели одного гена? Тема 23 (Раздел IV. Глава 13) 1. 2. 3. 4. 5.

6. 7. 8. 9.

За каким сном следует «парадоксальный» сон? Как называется новая наука о здоровье души и тела? Как иначе можно назвать здоровье человека? Что такое интеллект человека? Какую деятельность может заменить система искусственного интеллекта – система, использующая компьютер для моделирования и воспроизведения некоторых видов деятельности человека? О чем говорит русская пословица «утро вечера мудренее»? Что происходит на этапе озарения, как этапе творческого процесса? Каковы основные функции левого полушария головного мозга? Что такое здоровье по определению Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ)? Тема 24 (Раздел IV. Глава 13)

1. Какой главный фактор эволюции биосферы? 2. Каковы три фундаментальные точки бифуркации, которые прошла эволюция биосферы с точки зрения синергетики? 3. Как назвал Вернадский В.И. совокупность всех живых организмов, населяющих нашу планету? 4. Кто играет главную роль в круговороте веществ и превращении энергии в биосфере? 5. Как называется функция живого вещества, которая проявляется в способности хвощей, осок, накапливать в клетках кремний? 6. Как называется функция живого вещества, проявляющаяся при поглощении бактериями азота? 7. Как называется функция живого вещества, связанная с минерализацией органических и неорганических веществ и вовлечением их в биологический круговорот? 8. Какая функция биосферы служит для накопления и отложения живыми организмами в почвах и гидросфере химических соединений?

267

Тема 25 (Раздел III. Глава 12) 1. Как называются регулярные наблюдения и контроль за состоянием окружающей среды, определение изменений, вызванных антропогенным воздействием? 2. С каким фактором связано изменение природной среды под влиянием деятельности человека, отражающееся на функционировании экосистемы? 3. Какие антропогенные факторы существуют? 4. Как называется наука, изучающая отношения организмов и образуемых ими сообществ между собой и с окружающей средой? 5. Что относится к биотическим компонентам экосистемы луга? 6. Каков смысл закона американского ученого Б.Коммонера «Все должно куда-то деваться»? 7. Что означает один из дополнительных законов экологии: «Каждый шаг должен быть под контролем»? 8. Каково основное значение озонового слоя атмосферы для живых существ, обитающих на Земле? 9. На какой высоте над уровнем Земли формируется озоновый слой, отражающий губительные для живых организмов космические излучения и ультрафиолетовые лучи? Тема 26 (Раздел IV. Глава 13) 1. С чем коррелирует цикличность эпидемий на Земле? 2. Какой из космических факторов, влияющих на биохимические процессы на Земле, является наиболее существенным? 3. Во что превращает биосферу активное участие Человека в замкнутом пространстве круговорота веществ, когда производительные силы Человека принимают участие в непрерывном обмене веществом, энергией и информацией с биосферой? 4. Как называется состояние биосферы, когда ее развитие происходит целенаправленно, когда Разум имеет возможность корректировать развитие биосферы в интересах человека будущего? 5. Кто автор учения о переходе биосферы в ноосферу? 6. Как называется раздел биофизики, изучающий влияние изменений активности Солнца на земные организмы? 7. Какова длительность цикла изменения солнечной активности? 8. Как называется качественно новая форма организованности, возникающая при взаимодействии Природы и общества? 9. Что происходит с общественной возбудимостью (войны, революции и т.д.) в годы максимума солнечной активности по А.Л. Чижевскому?

268

ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................................... 3 Раздел I. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ В НАУКЕ И КУЛЬТУРЕ Глава 1. Естественно-научная и гуманитарная культуры 1.1. О взаимоотношениях двух типов культур................................................................ 5 1.2. Интеграция естественно-научной и гуманитарной культур ..................................... 11 Вопросы для повторения .................................................................................................... 12 Библиографический список................................................................................................. 12 Глава 2. Основные сведения о науке 2.1. Понятие о науке и взаимосвязь науки, техники и материального производства ........................................................................................................................ 12 2.2. Зарождение науки, основные тенденции её развития .............................................. 16 2.3. Организация научных исследований в Российской Федерации ............................... 20 Вопросы для повторения .................................................................................................... 25 Библиографический список................................................................................................. 25 Глава 3. Методология научного исследования 3.1. Роль диалектического метода в научном творчестве ................................................. 26 3.2. Психология научного творчества ............................................................................... 29 3.3. Общенаучные методы исследования ......................................................................... 32 3.4. Основные этапы выполнения и прогнозирования научных исследований ............ 37 3.5. Применение математических методов исследования в естествознании ................. 39 Вопросы для повторения .................................................................................................... 47 Библиографический список................................................................................................. 47 Глава 4. Информационный поиск в научных исследованиях 4.1. Роль информации в научном исследовании ............................................................... 48 4.2. Изобретение .................................................................................................................... 53 Вопросы для повторения .................................................................................................... 55 Библиографический список................................................................................................. 55 Глава 5. История, панорама современного естествознания и тенденции его развития 5.1. Возникновение науки ................................................................................................... 55 5.2. Развитие рациональных знаний Древнего Востока .................................................... 57 5.3. Наука Древней Греции .................................................................................................. 61 5.4. Формирование естествознания в эпоху средневековья ........................................... 68 5.5. Революция в мировоззрении в эпоху Возрождения ................................................... 72 5.6. Научная революция XVI – XVII вв. и становление классической науки .............. 75 5.7. Естествознание XVIII в. ............................................................................................... 82 5.8. Развитие и завершение классической науки в XIX в. ................................................ 84 5.9. Научная революция в естествознании начала XX в. ................................................. 90 5.10. Кризис современной науки. На пути к постнеклассической науке XXI в. ......................................................................................................................... 98 Вопросы для повторения .................................................................................................... 101 Библиографический список................................................................................................. 101 Темы рефератов ................................................................................................................... 101

269

Раздел II. СОВРЕМЕННАЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА Глава 6. Физическая картина мира 6.1. Механистическая картина мира .................................................................................. 102 6.2. Электромагнитная картина мира ................................................................................ 105 6.3. Становление современной физической картины мира ............................................. 106 6.4. Материальный мир ....................................................................................................... 108 Вопросы для повторения .................................................................................................... 108 Библиографический список ............................................................................................... 109 Глава 7. Порядок и беспорядок в природе 7.1. Структурные уровни организации материи .............................................................. 109 7.2. Поле и вещество ............................................................................................................ 110 7.3. Физические взаимодействия ....................................................................................... 113 7.4. Теория Великого объединения и полная теория объединения ............................... 117 Вопросы для повторения .................................................................................................... 118 Библиографический список ............................................................................................... 118 Глава 8. Концепции пространства и времени в современном естествознании 8.1. Развитие представлений о пространстве и времени ................................................. 119 8.2. Основные физические принципы ............................................................................... 123 8.3. Динамические и статистические закономерности в природе ................................. 130 8.4. Эволюция Вселенной .................................................................................................... 135 Вопросы для повторения .................................................................................................... 137 Библиографический список ............................................................................................... 137 Глава 9. Общие представления о возникновении разума и материи 9.1. Кибернетика как общая наука об управлении .......................................................... 138 9.2. Синергетика как общая наука о самоорганизации систем ........................................ 140 Вопросы для повторения .................................................................................................... 148 Библиографический список ............................................................................................... 148 Глава 10. Химия в естествознании. Великие химические открытия 10.1. Взаимосвязь естественных наук. Уровни организации материи ........................... 149 10.2. Основная проблема химии как науки........................................................................ 151 10.3. Алхимия ....................................................................................................................... 156 10.4. Теория флогистона ..................................................................................................... 162 10.5. Возникновение учения о составе веществ ................................................................ 165 10.6. Концепции физической химии .................................................................................. 175 10.7. Учение о химических процессах .............................................................................. 179 10.8. Эволюционная химия — высшая ступень развития химических знаний ............. 183 Вопросы для повторения .................................................................................................... 185 Библиографический список ............................................................................................... 185 Темы рефератов ................................................................................................................... 186 Раздел III. НАУЧНОЕ ПОНИМАНИЕ СУЩНОСТИ ЖИЗНИ Глава 11. Внутреннее строение и история геологического развития Земли 11.1. От физики и химии к геологии и биологии ............................................................. 188 11.2. Эволюция земной коры .............................................................................................. 189 11.3. Общие тенденции развития знаний о Земле ............................................................. 197 11.4. Вклад советских ученых в развитие теории тектоники плит ................................. 202 11.5. Контуры современных плит ........................................................................................ 203 Вопросы для повторения .................................................................................................... 205 Библиографический список ................................................................................................ 205 270

Глава 12. Происхождение и сущность жизни 12.1. История проблемы ...................................................................................................... 206 12.2. Современные концепции происхождения и сущности жизни ................................ 209 12.3. Сущность живого, его основные признаки ............................................................. 211 12.4. Структурные уровни организации жизни. Структура биологии ......................... 213 Вопросы для повторения .................................................................................................... 215 Библиографический список ............................................................................................... 215 Глава 13. Принципы эволюции, воспроизводства и развития живых систем 13.1. История развития жизни ............................................................................................. 216 13.2. Концепции развития органического мира ............................................................... 220 13.3. Становление классической биологии ........................................................................ 222 13.4. Многообразие живых организмов — основа организации и устойчивости биосферы ..................................................................................................... 227 13.5. Экологические аспекты естествознания .................................................................. 230 Вопросы для повторения .................................................................................................... 269 Библиографический список ............................................................................................... 240 Темы рефератов ................................................................................................................... 240 Раздел IV. СОВРЕМЕННАЯ НАУКА О ЧЕЛОВЕКЕ Глава 14. Человек, биосфера и космос. На пути к ноосфере 14.1. Происхождение человека .......................................................................................... 241 14.2. Человек, биосфера и космические циклы ................................................................. 249 14.3. Концепции ноосферы и устойчивого развития ........................................................ 253 Вопросы для повторения .................................................................................................... 255 Библиографический список................................................................................................. 255 Темы рефератов ................................................................................................................... 255 Дополнительная литература для работы над рефератом ................................................ 256 Вопросы для подготовки к промежуточной аттестации ....................................................... 258

271

Владимир Александрович Кукк , Сергей Васильевич Сергеев, Борис Александрович Решетников КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Учебное пособие Издание второе, дополненное и переработанное

Техн. редактор А.В. Миних Издание Южно-Уральского государственного университета Подписано в печать 14.06.2006. Формат 60x84 1/16. Усл.печ.л. 15,81. Уч.-изд.л. 16,18. Тираж 100 экз. Заказ 424. Цена 64 р. 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И. Ленина, 76. 272

273