Глава 3. Естествознание: его предмет, структура и история становления
3.1. Предмет и структура естествознания
Стремление человека к познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и направлениях его исследовательской деятельности. Каждая из основных частей объективного мира – природа, общество и человек – изучается отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием. Этимологически слово «естествознание» происходит от соединения двух слов: «естество» – природа и «знание» – знание о природе.
В современном употреблении термин «естествознание» в общем виде обычно обозначает совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные явления и процессы природы, закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является отдельной самостоятельной наукой о природе как едином целом. В этом качестве оно позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать какая-либо одна естественная наука. Поэтому естествознание наряду с науками об обществе и мышлении является важнейшей частью человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т. е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.
Понятие «естествознание» появилось в Новое время в Западной Европе и обозначало тогда всю совокупность наук о природе. Корни этого представления уходят еще глубже, в Древнюю Грецию времен Аристотеля, который первым систематизировал имевшиеся тогда знания о природе в своей «Физике». Сегодня существуют два широко распространенных представления о предмете естествознания. Первое утверждает, что естествознание – наука о природе как единой целостности, второе – что это совокупность наук о природе, рассматриваемой как целое. На первый взгляд эти определения различны. На самом деле различия не так велики, так как под совокупностью наук о природе подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга.
Являясь самостоятельной наукой, естествознание имеет свой предмет исследования, отличный от предмета специальных (частных) естественных наук. Его спецификой является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривая природу «сверху». Только так можно представить природу как единую целостную систему, выявить основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становятся формулировки основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной.
При рассмотрении вопроса о структуре науки нами было отмечено, что она представляет собой сложную разветвленную систему знаний. Естествознание является не менее сложной системой, все части которой находятся в отношении иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является опорой для следующей за ней науки и в свою очередь основывается на данных предшествующей науки.
Фундаментом всех естественных наук, бесспорно, служит физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях. Невозможно заниматься ни одной естественной наукой, не зная физики. Внутри физики выделяется большое число подразделов, различающихся специфическим предметом и методами исследования. Важнейшим среди них является механика – учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем наиболее распространенную форму движения материи. Механика исторически стала первой физической наукой и долгое время служила образцом для всех естественных наук. Разделами механики являются статика, изучающая условия равновесия тел; кинематика, занимающаяся движением тел с геометрической точки зрения; динамика, рассматривающая движение тел под действием приложенных сил. Механика – это физика макромира, зародившаяся в Новое время. В ее основе лежит статистическая механика (молекулярно-кинетическая теория), изучающая движение молекул жидкости и газа. Позже появились атомная физика и физика элементарных частиц.
Следующей ступенькой иерархии является химия, изучающая химические элементы, их свойства, превращения и соединения. То, что в ее основе лежит физика, доказывается легко. Еще на школьных уроках химии говорится о строении химических элементов, их электронных оболочках; это – пример использования физического знания в химии. В химии выделяют неорганическую и органическую химию, химию материалов и другие разделы.
В свою очередь химия составляет основу биологии – науки о живом, изучающей клетку и все от нее производное. В основе биологических знаний лежат знания о веществе, химических элементах. Среди биологических наук следует выделить ботанику (растительный мир), зоологию (мир животных). Анатомия, физиология и эмбриология изучают строение, функции и развитие организма, цитология – живую клетку, гистология – свойства тканей, палеонтология – ископаемые останки жизни, генетика – проблемы наследственности и изменчивости.
Науки о Земле являются следующей ступенькой структуры естествознания. В эту группу входят геология, география, экология и др. Все они рассматривают строение и развитие нашей планеты, представляющей собой сложнейшее сочетание физических, химических и биологических явлений и процессов.
Завершает грандиозную пирамиду знаний о природе космология, изучающая Вселенную как целое. Частью этих знаний являются астрономия и космогония, исследующие строение и происхождение планет, звезд, галактик и т. д. На этом уровне происходит новое возвращение к физике, что позволяет говорить о циклическом, замкнутом характере естествознания, отражающем, очевидно, одно из важнейших свойств самой природы.
Структура естествознания не ограничивается вышеназванными науками. Дело в том, что в науке идут сложнейшие процессы дифференциации и интеграции научного знания. Дифференциация науки – выделение внутри какой-либо науки более узких, частных областей исследования, превращение их в самостоятельные науки. Так, внутри физики выделились физика твердого тела, физика плазмы.
Интеграция науки – появление новых наук на стыках старых, проявление процессов объединения научного знания. Примером такого рода наук являются физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, геохимия, биогеохимия, астробиология и др.
Таким образом, построенная нами пирамида естественных наук значительно усложняется, включая в себя большое количество дополнительных и промежуточных элементов.
3.2. История естествознания
В истории развития человеческой цивилизации становление научного знания под воздействием разных факторов и причин прошло длительный путь. Соответственно естествознание, будучи составной частью науки, имеет такую же сложную историю. Его нельзя понять, не проследив историю развития науки в целом. Согласно мнению историков науки, развитие естествознания прошло три стадии и в конце ХХ в. вступило в четвертую стадию. Этими стадиями являются древнегреческая натурфилософия, средневековое естествознание, классическое естествознание Нового и Новейшего времени, современное естествознание ХХ в.
Развитие естествознания подчиняется данной периодизации. На первой стадии происходило накопление прикладной информации о природе и способах использования ее сил и тел. Это так называемый натурфилософский этап развития науки, представляющий непосредственное созерцание природы как нерасчлененного целого. На данном этапе происходил верный охват общей картины природы при пренебрежении частностями, что было характерно для всей греческой натурфилософии.
Позднее к процессу накопления знаний добавилось теоретическое осмысление причин, способов и особенностей изменений в природе, появились первые концепции рационального объяснения природных процессов. В результате наступил так называемый аналитический этап в развитии науки, когда идет анализ природы, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиск отдельных причин и следствий. Такой подход характерен для начального этапа развития любой науки, а в историческом развитии науки – для Позднего Средневековья и Нового времени. В это время методики и теории объединились в естествознание как целостную науку о природе, произошла череда научных революций, кардинально менявших практику общественного развития.
Итогом развития науки становится синтетическая стадия, когда ученые воссоздали целостную картину мира на основе познанных частностей. Это произошло на основе соединения анализа с синтезом и привело к появлению современной науки XX в.
Начало науки. Древнегреческая натурфилософия. Наука – сложное многогранное общественное явление, которое вне общества не могло ни возникнуть, ни развиваться. Наука появляется только тогда, когда для этого создаются особые объективные условия, отвечающие ранее отмеченным критериям науки. Этим условиям соответствует древнегреческое знание VI–IV вв. до н. э. В то время в древнегреческой культуре появились принципиально новые черты, которых не было на Древнем Востоке – признанном центре рождения человеческой цивилизации.
Возникновение первых форм знания произошло в восточных цивилизациях. Более 2 тыс. лет до н. э. в Египте, Вавилоне, Индии, Китае установилась взаимосвязь между теоретическими знаниями и практическими навыками. Это происходило во всех областях человеческой деятельности, но связывалось в основном с земледельческой культурой (первые астрономические знания способствовали предсказаниям погоды, зачатки математики позволяли измерять земельные площади и т. д.).
Историки науки связывают появление естествознания с научным взрывом в VI–IV вв. до н. э. в Древней Греции, который ознаменовал собой начало первого периода в истории естествознания – периода натурфилософии (от лат. natura – природа), т. е. философии природы как системы знаний о естественных причинах природных явлений. От практических знаний, которые в те времена давали математика, астрономия, знахарство, ее отличало умозрительное толкование природы на основании положения о единстве явлений природы и ее целостности.
Начало древнегреческой натурфилософии относится к попыткам поиска природного первоэлемента, обеспечивающего единство и многообразие природного мира. Это означает, что натурфилософия отличалась стремлением выделить какую-то одну природную стихию в качестве основы всего существующего. Впервые в истории это стремление выразил философ Милетской школы Фалес, который считал первоэлементом всего мира воду, поскольку невозможно найти в мире абсолютно сухое тело.
В античной науке Фалес был первым астрономом и математиком, ему приписывались открытие годового вращения Солнца, определение времени солнцестояний и равноденствий. Фалес утверждал, что Луна светит не своим светом, а небесные тела представляют собой воспламенившуюся землю. Всю небесную сферу Фалес разделил на пять зон и ввел календарь, определив продолжительность года в 365 дней и разделив его на 12 месяцев по 30 дней.
Первой научной программой Античности стала математическая программа, представленная Пифагором Самосским и позднее развитая Платоном. В ее основе, как и в основе других античных программ, лежало представление, что мир (Космос) – упорядоченное выражение целого ряда первоначальных сущностей. Пифагор эти сущности нашел в числах и представил их в качестве первоосновы мира. Числовые соотношения рассматривались им основой всего мироздания, источником гармонии Космоса. По мнению Пифагора и его учеников, в основе мира лежат количественные отношения действительности. Они рассматривали всю Вселенную как гармонию чисел и их отношений, приписывали определенным числам особые, мистические свойства. Этот подход позволил увидеть за миром разнообразных качественно различных предметов их количественное единство. Кроме того, пифагорейцами впервые была выдвинута идея о шарообразной форме Земли. Самым ярким воплощением математической программы стала геометрия Евклида, знаменитая книга которого «Начала» появилась около 300 г. до н. э.
Высшее развитие древнегреческая натурфилософия получила в учении Аристотеля, объединившего и систематизировавшего все современные ему знания об окружающем мире. Оно стало основой третьей, континуальной программы античной науки. Основными трактатами, составляющими учение Аристотеля о природе, являются «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. В этих трактатах были поставлены и рассмотрены важнейшие научные проблемы, которые позднее стали основой для возникновения отдельных наук. Особое внимание Аристотель уделил вопросу движения физических тел, положив начало изучению механического движения и формированию понятий механики (скорость, сила и т. д.). Правда, представления Аристотеля о движении кардинально отличаются от современных. Он считал, что существуют совершенные круговые движения небесных тел и несовершенные движения земных предметов. Если небесные движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца, то земные движения их имеют и делятся на естественные и насильственные. По Аристотелю у каждого тела есть предназначенное ему по природе место, которое это тело и стремится занять. Движение тел к своему месту – естественное движение, оно происходит само собой, без приложения силы. Примером может служить падение тяжелого тела вниз, стремление огня вверх. Все прочие движения на Земле требуют приложения силы, направлены против природы тел и являются насильственными. Аристотель доказывал вечность движения, но не признавал возможности самодвижения материи; все движущееся приводится в движение другими телами. Первоисточником движения в мире является перводвигатель – Бог. Как и модель Космоса, эти представления благодаря непререкаемому авторитету Аристотеля настолько укоренились в умах европейских мыслителей, что были опровергнуты только в Новое время, после открытия Г. Галилеем идеи инерции.
Космология Аристотеля носила геоцентрический характер, поскольку основывалась на идее, что в центре мира – наша планета Земля, имеющая сферическую форму и окруженная водой, воздухом и огнем, за которыми находятся сферы больших небесных светил, вращающихся вокруг Земли вместе с другими маленькими светилами.
Бесспорным достижением Аристотеля стало создание формальной логики, изложенной в его трактате «Органон» и поставившей науку на прочный фундамент логически обоснованного мышления с использованием упорядоченного понятийного аппарата. Ему же принадлежит утверждение порядка научного исследования, которое включает в себя изучение истории вопроса, постановку проблемы, внесение аргументов «за» и «против», а также обоснование решения. После аристотелевских работ научное знание окончательно отделилось от метафизики (философии), произошла дифференциация самого научного знания. В нем выделились математика, физика, география, основы биологии и медицинской науки.
Завершая рассказ об античной науке, нельзя не сказать о работах других выдающихся ученых этого времени. Активно развивалась астрономия, которой нужно было привести в соответствие наблюдаемое движение планет (они перемещаются по сложным траекториям, совершая колебательные, петлеобразные движения) с предполагаемым их движением по круговым орбитам, как того требовала геоцентрическая модель мира. Решением данной проблемы стала система эпициклов и деферентов александрийского астронома К. Птолемея (I–II вв. н. э.). Чтобы спасти геоцентрическую модель мира, он предположил, что вокруг неподвижной Земли находится окружность с центром, смещенным относительно центра Земли. По этой окружности, которая называется деферентом, движется центр меньшей окружности, называемой эпициклом.
Нельзя не сказать еще об одном античном ученом, заложившем основы математической физики. Это Архимед, живший в III в. до н. э. Его труды по физике и механике были исключением из общих правил античной науки, так как он использовал свои знания для построения различных машин и механизмов. Тем не менее главным для него, как и для других античных ученых, была сама наука, а механика стала важным средством решения математических задач. Хотя для Архимеда техника была лишь игрой ума (отношение к технике, к машинам как к игрушкам было характерно для всей эллинистической науки), работы ученого сыграли основополагающую роль в возникновении таких разделов физики, как статика и гидростатика. В статике Архимед ввел понятие центра тяжести тел, сформулировал закон рычага. В гидростатике он открыл закон, носящий его имя: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом.
Как видно из приведенного и далеко не полного перечня идей и направлений натурфилософии, на этой стадии были заложены основы многих современных теорий и отраслей естествознания. Не менее важным представляется формирование в этот период стиля научного мышления, включающего в себя стремление к нововведениям, критику, стремление к упорядоченности и скептическое отношение к общепринятым истинам, поиск универсалий, дающих рациональное понимание всего окружающего мира.
Упадок древнегреческой культуры практически остановил развитие натурфилософии, но ее идеи продолжали существовать довольно долго. Окончательно натурфилософия потеряла свое значение только в XIX в., когда она перестала заменять собой отсутствовавшие науки, когда естествознание достигло высокого уровня развития, был накоплен и систематизирован большой фактический материал, т. е. когда выявились действительные причины многих природных явлений и раскрылись реальные связи между ними.
Развитие науки в Средние века. Развитие естественно-научного познания в Средние века было сопряжено с утверждением двух мировых религий: христианства и ислама, которые претендовали на абсолютное знание природы. Эти религии объясняли происхождение природы в форме креационизма, т. е. учения о сотворении природы Богом. Все другие попытки объяснить мир и природу из самих себя, без допущения сверхъестественных божественных сил, осуждались и беспощадно пресекались. Многие достижения античной науки при этом были забыты.
В отличие от Античности средневековая наука не предложила новых фундаментальных программ. В то же время она не ограничивалась пассивным усвоением достижений античной науки. Вклад средневековой науки в развитие научного знания состоял в том, что был предложен целый ряд новых интерпретаций и уточнений античной науки, ряд новых понятий и методов исследования, которые разрушали античные научные программы, подготавливая почву для механики Нового времени.
С точки зрения христианского мировоззрения человек считался созданным по образу и подобию Божьему, он был господином земного мира. Так в сознание человека проникает очень важная идея, которая никогда не возникала и не могла возникнуть в Античности: раз человек является господином этого мира, значит, он имеет право переделывать этот мир так, как нужно ему. Новый, деятельный подход к природе был также связан с изменением отношения к труду, который становится обязанностью каждого христианина; постепенно физический труд стал пользоваться в средневековом обществе все большим уважением. Тогда же возникло желание облегчить этот труд, что вызвало новое отношение к технике. Изобретение машин и механизмов переставало быть забавой, как в Античности, и становилось делом полезным и уважаемым.
Таким образом, именно христианское мировоззрение посеяло зерна нового отношения к природе. Это отношение позволило уйти от созерцательного отношения к ней и прийти к экспериментальной науке Нового времени, поставившей целью практическое преобразование мира во благо человека.
В недрах средневековой культуры успешно развивались такие специфические области знания, как астрология, алхимия, ятрохимия, натуральная магия. Часто их называли герметическими (тайными) науками. Они представляли собой промежуточное звено между техническим ремеслом и натурфилософией, содержали в себе зародыш будущей экспериментальной науки в силу своей практической направленности. Например, на протяжении тысячелетия алхимики пытались с помощью химических реакций получить философский камень, способствующий превращению любого вещества в золото, приготовить эликсир долголетия. Побочными продуктами этих поисков и исследований стали технологии получения красок, стекла, лекарств, разнообразных химических веществ и т. д. Таким образом, алхимические исследования, несостоятельные теоретически, подготовили возможность появления современной науки.
Очень важными для становления классической науки Нового времени были новые представления о мире, опровергавшие некоторые положения античной научной картины мира. Они легли в основу механистического объяснения мира. Без таких представлений просто не смогло бы появиться классическое естествознание. Так появились понятия пустоты, бесконечного пространства и движения по прямой линии, понятия «средняя скорость», «равноускоренное движение», вызревало понятие ускорения. Конечно, эти понятия еще нельзя считать четко сформулированными и осознанными, но без них не смогла бы появиться физика Нового времени.
Также закладывалось новое понимание механики, которая в Античности была прикладной наукой. Античность и Раннее Средневековье рассматривали все созданные человеком инструменты как искусственные, чуждые природе. В силу этого они не имели никакого отношения к познанию мира, так как действовал принцип «подобное познается подобным». Именно поэтому только человеческий разум в силу принципа подобия человека Космосу (единства микро- и макро Космоса) мог познавать мир. Позднее инструменты стали считаться частью природы, лишь обработанной человеком, и в силу своего тождества с ней их можно было использовать для познания мира. Открывалась возможность использования экспериментального метода познания.
Еще одной новацией стал отказ от античной идеи о модели совершенства – круге. Эта модель была заменена моделью бесконечной линии, что способствовало формированию представлений о бесконечности Вселенной, а также лежало в основе исчисления бесконечно малых величин, без которого невозможно дифференциальное и интегральное исчисление. На нем строится вся математика Нового времени, а значит, и вся классическая наука.
Рассматривая вопрос о достижениях средневековой науки, следует отметить Леонардо да Винчи, который развил свой метод познания природы. Он был убежден, что познание идет от частных опытов и конкретных результатов к научному обобщению. По его мнению, опыт является не только источником, но и критерием познания. Будучи приверженцем экспериментального метода исследования, он изучал падение тел, траекторию полета снарядов, коэффициенты трения, сопротивления материалов и т. д. В ходе своих исследований да Винчи заложил фундамент экспериментального естествознания. Например, занимаясь практической анатомией, он оставил зарисовки внутренних органов человека, снабженные описанием их функций. В итоге многолетних наблюдений он раскрыл явление гелиотропизма (изменения направления роста органов растения в зависимости от источника света) и объяснил причины появления жилок на листьях. Леонардо да Винчи считается первым исследователем, который обозначил проблему связи между живыми существами и окружающей их природной средой.
3.3. Глобальная научная революция XVI–XVII вв.
В XVI–XVII веках натурфилософское и схоластическое познание природы превратилось в современное естествознание – систематическое научное познание на базе экспериментов и математического изложения. В этот период в Европе сформировалось новое мировоззрение и начался новый этап в развитии науки, связанный с первой глобальной естественно-научной революцией. Ее отправной точкой стал выход в 1543 г. знаменитой книги Н. Коперника «О вращении небесных сфер», ознаменовавший переход от геоцентрических представлений о мире к гелиоцентрической модели Вселенной. В коперниковской схеме Вселенная по-прежнему оставалась сферой, хотя ее размеры резко возрастали (только так можно было объяснить видимую неподвижность звезд). В центре Космоса находилось Солнце, вокруг которого вращались все известные к тому времени планеты, в том числе и Земля со своим спутником Луной. Новая модель мира сделала понятными многие ранее загадочные эффекты, прежде всего – петлеобразные движения планет, которые объяснялись теперь движением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Впервые была обоснована смена времен года.
Следующий шаг в становлении гелиоцентрической картины мира был сделан Д. Бруно. Он отверг представление о Космосе как о замкнутой сфере, ограниченной неподвижными звездами, и впервые заявил о том, что звезды не светильники, созданные Богом для освещения ночного неба, а такие же солнца, вокруг которых могут вращаться планеты и на которых, возможно, живут люди. Таким образом, Д. Бруно предложил набросок новой полицентрической картины мироздания, окончательно утвердившейся век спустя: Вселенная вечна во времени, бесконечна в пространстве, вокруг бесконечного числа звезд вращается множество планет, населенных разумными существами.
Но, несмотря на грандиозность этой картины, Вселенная продолжала оставаться эскизом, наброском, нуждавшимся в фундаментальном обосновании. Надо было открыть законы, действующие в мире и доказывающие правильность предположений Н. Коперника и Д. Бруно; это стало важнейшей задачей первой глобальной научной революции, которая началась с открытий Г. Галилея. Его труды в области методологии научного познания предопределили весь облик классической, а во многом и современной науки. Он придал естествознанию экспериментальный и математический характер, сформулировал гипотетико-дедуктивную модель научного познания. Но особое значение для развития естествознания имеют работы Г. Галилея в области астрономии и физики.
Со времен Аристотеля ученые считали, что между земными и небесными явлениями и телами существует принципиальная разница, так как небеса – место нахождения идеальных тел, состоящих из эфира. В силу этого считалось, что, находясь на Земле, невозможно изучать небесные тела, это задерживало развитие науки. После того как в 1608 г. была изобретена зрительная труба, Г. Галилей усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным увеличением. С его помощью он совершил целый ряд выдающихся астрономических открытий. Среди них – горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры, четыре крупнейших спутника Юпитера. Г. Галилей первый увидел, что Млечный Путь представляет собой скопление огромного множества звезд. Все эти факты доказывали, что небесные тела не эфирные создания, а вполне материальные предметы и явления. Ведь не может быть на «идеальном» теле гор, как на Луне, или пятен, как на Солнце.
С помощью своих открытий в механике Г. Галилей разрушил догматические построения господствовавшей почти две тысячи лет аристотелевской физики. Он впервые проверил многие утверждения Аристотеля опытным путем, заложив тем самым основы нового раздела физики – динамики, науки о движении тел под действием приложенных сил. Именно Г. Галилей сформулировал понятия физического закона, скорости, ускорения. Но величайшими открытиями ученого стали идея инерции и классический принцип относительности.
Согласно классическому принципу относительности никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно. Также классический принцип относительности утверждает, что между покоем и равномерным прямолинейным движением нет никакой разницы, они описываются одними и теми же законами. Равноправие движения и покоя, т. е. равноправие инерциальных систем (покоящихся или движущихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно), Г. Галилей подтверждал рассуждениями с многочисленными примерами. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и имеет все основания утверждать, что книга движется с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что в одно и то же время книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.
Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Г. Галилея не имеет иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение: движение или покой – всегда движение или покой относительно того, что служит нам системой отсчета.
Огромную роль в развитии науки сыграли исследования Р. Декарта по физике, космологии, биологии, математике. Учение Р. Декарта представляет собой единую естественно-научную и философскую систему, основывающуюся на постулатах о существовании непрерывной материи, заполняющей все пространство, и ее механическом движении. Ученый поставил задачу объяснить все известные и неизвестные явления природы, исходя из установленных им принципов устройства мира и представлений о материи, пользуясь лишь «вечными истинами» математики. Он возродил идеи античного атомизма и построил грандиозную картину Вселенной, охватив в ней все элементы природного мира: от небесных светил до физиологии животных и человека. При этом свою модель природы Р. Декарт строил только на основе механики, которая в то время достигла наибольших успехов. Представление о природе как о сложном механизме, которое Р. Декарт развил в своем учении, сформировалось позднее в самостоятельное направление развития физики, получившее название картезианства. Декартовское (картезианское) естествознание закладывало основы механического понимания природы, процессы которой рассматривались как движение тел по геометрически описываемым траекториям. Однако картезианское учение не было исчерпывающим. В частности, движение планет должно было подчиняться закону инерции, т. е. быть прямолинейным и равномерным. Но поскольку орбиты планет остаются сплошными замкнутыми кривыми и подобного движения не происходит, то становится очевидным, что какая-то сила отклоняет движение планет от прямолинейной траектории и заставляет их постоянно «падать» по направлению к Солнцу. Отныне важнейшей проблемой новой космологии становилось выяснение природы и характера этой силы.
Природа этой силы была открыта И. Ньютоном, работы которого завершили первую глобальную естественно-научную революцию. Он доказал существование тяготения как универсальной силы, сформулировал закон всемирного тяготения.
Ньютоновская физика стала вершиной развития взглядов в понимании мира природы в классической науке. Исаак Ньютон обосновал физико-математическое понимание природы, ставшее основой для всего последующего развития естествознания и формирования классического естествознания. В ходе своих исследований ученый создал методы дифференциального и интегрального исчисления для решения проблем механики. Благодаря этому ему удалось сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Механика И. Ньютона основана на понятиях количества материи (массы тела), количества движения, силы и трех законов движения: закона инерции, закона пропорциональности силы и ускорения, закона равенства действия и противодействия.
Хотя И. Ньютон провозгласил: «Гипотез не измышляю!», все же некоторое количество гипотез было им предложено, и они сыграли важную роль в дальнейшем развитии естествознания. Эти гипотезы были связаны с дальнейшей разработкой идеи всемирного тяготения, которое оставалось достаточно загадочным и непонятным. В частности, необходимо было ответить на вопросы, каков механизм действия этой силы, с какой скоростью она распространяется и есть ли у нее материальный носитель.
Отвечая на эти вопросы, И. Ньютон предложил (подтверждавшийся, как тогда казалось, бесчисленным количеством фактов) принцип дальнодействия – мгновенное действие тел друг на друга на любом расстоянии без каких-либо посредствующих звеньев, через пустоту. Принцип дальнодействия невозможен без привлечения понятий абсолютного пространства и абсолютного времени, также предложенных И. Ньютоном.
Абсолютное пространство понималось как вместилище мировой материи. Оно сравнимо с большим черным ящиком, в который можно поместить материальное тело, но можно и убрать – тогда материи не будет, а пространство останется. Также должно существовать и абсолютное время как универсальная длительность, постоянная космическая шкала для измерения всех бесчисленных конкретных движений, которая может течь самостоятельно без участия материальных тел. Именно в таком абсолютном пространстве и времени мгновенно распространялась сила тяготения. Воспринимать абсолютное пространство и время в чувственном опыте невозможно. Пространство, время и материя в этой концепции – три независимые друг от друга сущности.
Работы И. Ньютона завершили первую глобальную научную революцию, сформировав классическую полицентрическую научную картину мира и заложив фундамент классической науки Нового времени.
3.4. Классическое естествознание Нового времени
Закономерно, что на основе отмеченных достижений дальнейшее развитие естествознания приобретало все большие масштаб и глубину. Происходили процессы дифференциации научного знания, сопряженные с существенным прогрессом уже сформировавшихся и с появлением новых самостоятельных наук. Тем не менее естествознание этого времени развивалось в рамках классической науки, имевшей свои специфические черты, которые наложили отпечаток на работу ученых и ее результаты.
Важнейшей характеристикой классической науки является механистичность – представление мира в качестве машины, гигантского механизма, четко функционирующего на основе вечных и неизменных законов механики. Не случайно наиболее распространенной моделью Вселенной был огромный часовой механизм. Поэтому механика была эталоном любой науки, которую пытались построить по ее образцу. Также она рассматривалась как универсальный метод изучения окружающих явлений. Это выражалось в стремлении свести любые процессы в мире (не только физические и химические, но и биологические, социальные) к простым механическим перемещениям. Такое сведение высшего к низшему, объяснение сложного через более простое называется редукционизмом.
Следствиями механистичности стало преобладание количественных методов анализа природы, стремление разложить изучаемый процесс или явление до его мельчайших составляющих, доходя до конечного предела делимости материи. Из картины мира полностью исключалась случайность, ученые стремились к полному завершенному знанию о мире – абсолютной истине.
Еще одной чертой классической науки была метафизичность – рассмотрение природы как неразвивающегося целого, из века в век неизменного, всегда тождественного самому себе. Каждый предмет или явление изучались отдельно от других, игнорировались их связи с другими объектами, а изменения, которые происходили с этими предметами и явлениями, были лишь количественными. Так возникла сильная антиэволюционистская установка классической науки.
Механистичность и метафизичность классической науки отчетливо проявились не только в физике, но и в химии, биологии. Это привело к отказу от признания качественной специфики жизни и живого. Они стали такими же элементами в мире-«механизме», как предметы и явления неживой природы.
Эти черты классической науки наиболее отчетливо проявились в естествознании XVIII в., создав множество теорий, почти забытых современной наукой. Отчетливо проявлялась редукционистская тенденция, стремление свести все разделы физики, химии и биологии к методам и подходам механики. Стремясь добраться до конечного предела делимости материи, ученые XVIII в. создавали «учения о невесомых» – электрической и магнитной жидкостях, теплороде, флогистоне как особых веществах, обеспечивающих у тел электрические, магнитные, тепловые свойства, а также способность к горению. Среди наиболее значимых достижений естествознания XVIII в. следует отметить развитие атомно-молекулярных представлений о строении вещества, формирование основ экспериментальной науки об электричестве.
Революционными открытиями естествознания стали принципы неевклидовой геометрии К. Гаусса, концепция энтропии и второй закон термодинамики Р. Клаузиуса, периодический закон химических элементов Д.И. Менделеева, теория естественного отбора Ч. Дарвина и А.Р. Уоллеса, теория генетической наследственности Г. Менделя, электромагнитная теория Д. Максвелла.
Эти и многие другие открытия ХIХ в. подняли естествознание на качественно новую ступень, превратили его в дисциплинарно организованную науку. Из науки, собиравшей факты и изучавшей законченные, завершенные, отдельные предметы, она превратилась в систематизирующую науку о предметах и процессах, их происхождении и развитии. Это произошло в ходе комплексной научной революции середины ХIХ в. Но все эти открытия оставались в рамках методологических установок классической науки. Не ушла в прошлое, а была лишь скорректирована идея мира-«машины», остались неизменными все положения о познаваемости мира и возможности получения абсолютной истины. Механистические и метафизические черты классической науки были лишь поколеблены, но не отброшены. В силу этого наука ХIХ в. несла в себе зерна будущего кризиса, разрешить который должна была вторая глобальная научная революция конца ХIХ – начала XX в.
3.5. Глобальная научная революция конца XIX – начала XX в.
Целый ряд замечательных открытий разрушил всю классическую научную картину мира. В 1888 году немецкий ученый Г. Герц открыл электромагнитные волны, блестяще подтвердив предсказание Д. Максвелла. В 1895 году В. Рентген обнаружил лучи, получившие впоследствии название рентгеновских лучей, которые представляли собой коротковолновое электромагнитное излучение. Изучение природы этих загадочных лучей, способных проникать через светонепроницаемые тела, привело Д. Томпсона к открытию первой элементарной частицы – электрона.
К великим открытиям конца XIX в. также следует отнести работы А.Г. Столетова по изучению фотоэффекта, П.Н. Лебедева о давлении света. В 1901 г. М. Планк, пытаясь решить проблемы классической теории излучения нагретых тел, предположил, что энергия излучается малы ми порциями – квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности ныне называется постоянной Планка (h). Она является одной из немногих универсальных физических констант нашего мира и входит во все уравнения физики микромира. Также было обнаружено, что масса электрона зависит от его скорости.
Все эти открытия буквально за несколько лет опрокинули стройное здание классической науки, которое еще в начале 1880-х гг. казалось практически законченным. Все прежние представления о материи и ее строении, движении и его свойствах и типах, о форме физических законов, о пространстве и времени были опровергнуты. Это привело к кризису физики и всего естествознания и стало симптомом более глубокого кризиса всей классической науки.
В лучшую сторону ситуация начала меняться только в 1920-е гг. с наступлением второго этапа научной революции. Он связан с созданием квантовой механики и сочетанием ее с теорией относительности, созданной в 1906–1916 гг. Тогда начала складываться новая квантово-релятивистская картина мира, в которой открытия, приведшие к кризису в физике, были объяснены.
Началом третьего этапа научной революции было овладение атомной энергией в 1940-е гг. и последующие исследования, с которыми связано зарождение электронно-вычислительных машин и кибернетики. Также в этот период физика передает эстафету химии, биологии и циклу наук о Земле, начинающих создавать свои собственные научные картины мира. С середины XX века наука окончательно слилась с техникой, приведя к современной научно-технической революции.
Главным концептуальным изменением естествознания ХХ в. был отказ от ньютоновской модели получения научного знания через эксперимент к объяснению. Эйнштейн предложил иную модель объяснения явлений природы, в которой гипотеза и отказ от здравого смысла как способа проверки высказывания становились первичными, а эксперимент – вторичным.
Развитие эйнштейновского подхода привело к отрицанию ньютоновской космологии и формировало новую картину мира, в которой логика и здравый смысл переставали действовать. Оказывается, что твердые атомы И. Ньютона почти целиком заполнены пустотой, что материя и энергия переходят друг в друга. Трехмерное пространство и одномерное время превратились в четырехмерный пространственно-временной континуум. Согласно этой картине мира, планеты движутся по своим орбитам не потому, что их притягивает к Солнцу некая сила, а потому, что само пространство, в котором они движутся, искривлено. Субатомные явления одновременно проявляют себя и как частицы, и как волны. Нельзя одновременно вычислить местоположение частицы и измерить ее ускорение. Принцип неопределенности в корне подорвал ньютоновский детерминизм. Нарушились понятия причинности; субстанции, твердые дискретные тела уступили место формальным отношениям и динамическим процессам.
Это основные положения современной квантово-релятивистской научной картины мира, которая становится главным итогом второй глобальной научной революции. С ней связано создание современной (неклассической) науки, которая по всем своим параметрам отличается от классической науки.
3.6. Основные черты современного естествознания и науки
Механистичность и метафизичность классической науки сменились новыми диалектическими установками всеобщей связи и развития. Механика больше не является ведущей наукой и универсальным методом изучения окружающих явлений. Классическая модель мира – «часового» механизма сменилась моделью мира-«мысли», для изучения которого лучше всего подходят системный подход и метод глобального эволюционизма. Метафизические основания классической науки, рассматривавшие каждый предмет в изоляции, как нечто особенное и завершенное, ушли в прошлое.
Теперь мир признается совокупностью разноуровневых систем, находящихся в состоянии иерархической соподчиненности. При этом на каждом уровне организации материи действуют свои закономерности. Аналитическая деятельность, являвшаяся основной в классической науке, уступает место синтетическим тенденциям, системно-целостному рассмотрению предметов и явлений объективного мира. Уверенность в существовании конечного предела делимости материи, стремление найти конечную материальную первооснову мира сменились убеждением в принципиальной невозможности сделать это (неисчерпаемость материи вглубь). Получение абсолютной истины считается невозможным; истина считается относительной, существующей во множестве теорий, каждая из которых изучает свой срез реальности.
Названные черты современной науки нашли свое воплощение в новых теориях и концепциях, появившихся во всех областях естествознания. Среди важных научных завоеваний XX в. – теория относительности, квантовая механика, ядерная физика, теория физического взаимодействия; новая космология, основанная на теории Большого взрыва; эволюционная химия, стремящаяся к овладению опытом живой природы; открытие многих тайн жизни в биологии и др. Но подлинным триумфом неклассической науки, бесспорно, стала кибернетика, воплотившая идеи системного подхода, а также синергетика и неравновесная термодинамика, основанные на методе глобального эволюционизма.
Начиная со второй половины ХХ в. исследователи фиксируют вступление естествознания в новый этап развития – постнеклассический, который характеризуется рядом фундаментальных принципов и форм организации. В качестве таких принципов выделяют чаще всего эволюционизм, космизм, экологизм, антропный принцип, холизм и гуманизм. Эти принципы ориентируют современное естествознание не столько на поиски абстрактной истины, сколько на его полезность для общества и каждого человека. Главным показателем при этом становится не экономическая целесообразность, а улучшение среды обитания людей, рост их материального и духовного благосостояния. Естествознание таким образом реально поворачивается лицом к человеку, преодолевая извечный нигилизм по отношению к злободневным потребностям людей.
Современное естествознание имеет преимущественно проблемную, междисциплинарную направленность вместо доминировавшей ранее узкодисциплинарной ориентированности естественно-научных исследований. Сегодня принципиально важно при решении сложных комплексных проблем использовать сочетание разных естественных наук применительно к каждому конкретному случаю исследования. Отсюда становится понятной и такая особенность постнеклассической науки, как нарастающая интеграция естественных, технических и гуманитарных наук. Исторически они дифференцировались, отпочковывались от некой единой основы, развиваясь длительное время автономно. Характерно, что ведущим элементом такой нарастающей интеграции становятся гуманитарные науки.
В анализе особенностей современного естествознания следует отметить такую его принципиальную особенность, как невозможность свободного экспериментирования с объектами (фундаментальных исследований). Реальный естественно-научный эксперимент оказывается опасным для жизни и здоровья людей. Пробуждаемые современной наукой и техникой мощные природные силы способны при неумелом обращении с ними привести к тяжелейшим локальным, региональным и даже глобальным кризисам и катастрофам.
Исследователи науки отмечают, что современное естествознание органически все более срастается с производством, техникой и бытом людей, превращаясь в важнейший фактор прогресса цивилизации. Оно уже не ограничивается исследованиями отдельных «кабинетных» ученых, а включает в свою орбиту комплексные коллективы исследователей разных научных направлений. В процессе исследовательской деятельности представители различных естественных дисциплин все более отчетливо начинают осознавать тот факт, что Вселенная представляет собой системную целостность с пока недостаточно понятными законами развития, с глобальными парадоксами, в которой жизнь каждого человека связана с космическими закономерностями и ритмами. Универсальная связь процессов и явлений во Вселенной требует комплексного, адекватного их природе изучения, и в частности глобального моделирования на основе метода системного анализа. В соответствии с этими задачами в современном естествознании все более широкое применение получают методы системной динамики, синергетики, теории игр, программно-целевого управления, на основе которых составляются прогнозы развития сложных природных процессов.
Современные представления о глобальном эволюционизме и синергетике позволяют описать развитие природы как последовательную смену рождающихся из хаоса структур, временно обретающих стабильность, но затем вновь стремящихся к хаотическим состояниям. Кроме того, многие природные системы предстают как сложноорганизованные, многофункциональные, открытые, неравновесные, развитие которых носит малопредсказуемый характер. В этих условиях анализ возможностей дальнейшей эволюции сложных природных объектов предстает как принципиально непредсказуемый, сопряженный со многими случайными факторами, могущими стать основаниями для новых форм эволюции.
Все эти изменения идут в рамках продолжающейся в настоящее время очередной глобальной научной революции, которая завершится скорее всего к середине XXI в. Конечно, сейчас сложно представить облик будущей науки. Очевидно, что она будет отличаться как от классической, так и от современной (неклассической) науки. Но вышеперечисленные некоторые ее черты просматриваются уже сейчас.
Таблица 3.1. Наиболее значимые ученые естествознания: с VI в. до н. э по XX в.
Продолжение
Продолжение
Продолжение
Продолжение
Окончание