Основополагающие принципы естествознания

Универсум (Вселенная) является динамической, изменяющейся во времени суперсистемой. Все изменения в ней происходят за счет внутренних причин и в рамках законов, присущих всей суперсистеме. Это аксиома, принятая наукой. О возможности существования внешних по отношению к Универсуму причин науке ничего не известно, ибо это находится за пределами ее возможностей. Эта аксиома лежит в основе следующей посылки: Универсум является самоорганизующейся системой. Все подсистемы Универсума взаимодействуют между собой. Их изменение обусловлено не только их внутренними причинами, но и воздействиями со стороны других подсистем. Они являются открытыми и функционируют в некотором едином ритме.

Окружающий нас мир изменчив, в нем все наполнено движением, он процессуален. Процессы могут протекать в двух направлениях: либо в сторону самоорганизации, упорядочения и усложнения систем (эволюции), либо в сторону хаотизации, деградации (инволюции) и разрушения. В представлениях науки это положение оформилось в виде принципа направленности развития природных процессов. Первоначально он был сформулирован применительно к закрытым термодинамическим газовым системам. Однако в реальности закрытых систем не существует; закрытая система есть лишь удобная модель для исследования каких-то частных особенностей того или иного явления.

Закрытая термодинамическая система обладает одним замечательным свойством. Благодаря явлениям теплопереноса, диффузии, внутреннего трения внутри самой системы она самопроизвольно и необратимо стремится к макросостоянию с наименьшей энергией (к состоянию динамического равновесия). В этом состоянии все макропараметры системы в разных точках занимаемого ею объема - давление, температура, плотность, концентрация - выравниваются. Но равновесное состояние не есть состояние покоя. В газе продолжается беспорядочное хаотическое движение молекул, система пребывает в состоянии динамического хаоса. Поэтому каждое мгновение в результате столкновений изменяются энергии и скорости отдельно взятых молекул, а значит, изменяются и микропараметры системы.

То есть одному макросостоянию соответствует целый набор или, как говорят, ансамбль микросостояний. Условие существования такого ансамбля - постоянство средних значений макропараметров системы. Число способов реализации макросостояния через микросостояния называют статистическим весом W (или термодинамической вероятностью). Вследствие хаотичности движения молекул макропараметры с течением времени колеблются около некоторого своего среднего значения, т.е. флуктуируют. В системах с большим числом частиц флуктуации малы, и классическая термодинамика их не учитывает. Например, при количественном определении эффективности работы тепловой машины достаточно знать средние температуры нагревателя и холодильника. Однако флуктуации очень часто себя проявляют. В частности, флуктуациями объясняется броуновское движение, голубой цвет неба, появление «шумов» в каналах связи. Они определяют предел чувствительности электронной аппаратуры. В определенных условиях флуктуации могут стать толчком к упорядочиванию структур.

Термодинамические процессы, протекающие в закрытых системах, необратимы. Необратимость характерна и для многих природных процессов. Например, колебания маятника из-за потерь энергии, которая идет на нагревание окружающей среды, затухают. Но сколько бы мы ни нагревали окружающую среду, маятник от этого не начнет колебаться. Разбитая ваза сама собой не соберется из кусочков, нагретая наковальня не заставит подпрыгивать молот, более холодное тело не будет самопроизвольно передавать свое тепло более нагретому.

Если к газу при температуре Т подвести некоторое количество теплоты DQ, то его энтропия S получает приращение DS = DQ/Т. Значение этого приращения зависит от обратимости процесса. Если процесс обратимый (процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, повторяя все промежуточные состояния прямого процесса), то приращение энтропии в ходе такого процесса равно нулю. Примером может служить колебание маятника в отсутствии сил сопротивления среды. В случае необратимых процессов в замкнутых системах энтропия возрастает, т.е. DS>0. Р. Клаузиус сформулировал положение, которое получило название второго начала термодинамики (первое начало, как известно, отражает закон сохранения энергии):

- в замкнутых системах энтропия со временем не убывает, т.е. DS³0;

- в случае открытых систем энтропия может вести себя как угодно.

Внутренняя сущность II начала термодинамики была вскрыта австрийским физиком Л. Больцманом, который показал, что энтропия является функцией вероятности пребывания термодинамической системы в том или ином состоянии. Чем больше состояний доступно системе, тем выше ее энтропия, тем больше в ней хаоса, отождествляемого с представлением о хаотичности теплового движения совокупности молекул газа. Все самопроизвольные процессы в закрытой системе протекают в сторону установления термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Понятие энтропии, как и понятие температуры, имеет смысл лишь применительно к коллективу частиц, занимающих некоторый объем. С ее увеличением возрастает и степень беспорядка системы, поэтому говорят, что энтропия есть мера свободы системы или мера беспорядка.

Складывается впечатление, что преобладающей тенденцией природных процессов является стремление к разрушению упорядоченностей, случайно возникших в результате маловероятных флуктуаций. На основе этого вывода в конце XIX века была выдвинута гипотеза «тепловой смерти» Вселенной. Смысл ее заключался в следующем: если Вселенная является закрытой системой, то рано или поздно она придет к тепловому равновесию, все упорядоченные системы разрушатся, и она перейдет в состояние исходного хаоса, что равносильно ее смерти как упорядоченной системы.

Однако уже к началу XIX века имелось множество фактов, подтверждающих, что противоположная тенденция - самоупорядочения (самоорганизации) и самоусложнения систем - также закономерный процесс. Современная наука считает, что большинство существующих систем, благодаря обменным процессам с окружающей средой, находится в состоянии, далеком от термодинамического равновесия, а их развитие происходит в направлении возрастающей упорядоченности. Порядок и хаос - это две стороны процесса развития систем.

· Принцип периодичности

С распадом античных цивилизаций (I-II в.в. н.э.) рассеялась по миру их уникальная культура, а с ней и те зачатки наук, которые сформировались в натурфилософии. И лишь к середине X века, после окончательного установления христианства, сквозь тьму варварства и мракобесия начинают пробиваться ростки новой культуры. Рождаются средневековые города, а с ними и элементы демократического управления, интенсивно развиваются ремесла. Появляются первые университеты. При монастырях создаются школы и библиотеки. В XII-XIII в.в. разрозненные остатки древней науки начинают собираться воедино. Переводятся на современные языки сохранившиеся труды древнегреческих философов. Ренессанс гуманитарной культуры послужил мощным толчком к возрождению знаний античности. В недрах средневековой культуры появляются зародыши экспериментальной науки. Ее провозвестником стал Р. Бэкон (1214-1294). «Есть два способа познания: через аргументы и через опыт», - утверждал он. Занимаясь опытами, он нашел способы получения фосфора, магния, висмута, изучал оптические явления и преуспел в их объяснении. Становлению опытного естествознания во многом способствовали бурно развивающиеся и процветающие астрология, алхимия, ятрохимия (химия ядов).

XII-XIII века - начало эпохи Возрождения, расцвет которой приходится на XIY-XY века. Она подарила человечеству такого титана, как Леонардо да Винчи (1452-1519), на плечах которого сформировалась наука XVI-XVII веков. Один из лучших умов человечества, живописец и скульптор, архитектор, ученый, инженер, он изучал движение тел, трение скольжения, гидравлику, сопротивление материалов, разрабатывал проекты каналов, ирригационных систем, машин для подъема и транспортировки грузов, металлургических печей, прокатных станов, ткацких, печатных и деревообрабатывающих станков, летательных аппаратов, подводных лодок, мостов. В музеях мира хранится около 10 тысяч листов с его чертежами и проектами. Как ученый, он считал, что любой проект должен подтверждаться математическими расчетами и проходить экспериментальную проверку.

Культура Возрождения подготавливала почву для становления «зрелой» науки. Этому во многом содействовали средневековые монастыри, школа и университет. Поощрялась книжная ученость. В средневековой схоластике (греч. scholastikos - школьный, ученый) высокий уровень развития получило логико-дискурсивное мышление. Во многом это способствовало возвращению к античной математической программе, ее активному развитию и внедрению в научные исследования.

XY век - это век великих географических открытий, зарождения океанических цивилизаций и колониальной системы. К этому времени Западная Европа истребила бо¢льшую часть своих природных ресурсов и в поисках возможностей их восполнения обратила свои взоры на восток и на запад. Не просто любопытство вело Колумба, Магеллана, Васко да Гама в неизведанные края, а необходимость - завоевание новых территорий и развитие торговли. Нужно было уплывать в дальние дали в поисках сказочно богатых стран, но и велико было желание вернуться на родину. Однако парусный флот и примитивные способы навигации, доставшиеся средневековью в наследство от античности, мореплавание которой было ограничено бассейном Средиземного моря, уже не удовлетворяли требованиям времени. Нужно было развивать кораблестроение, технику, навигацию. А это невозможно сделать без физики и астрономии. Необходимость овладения навигацией заставила человека более пристально взглянуть на небо и выделить астрономию в самостоятельную область исследования. Именно в это время она отделяется от астрологии.

В конце XYI века средневековая цивилизация с ее феодальным укладом и ремесленным производством подходит к своему закату. Нарождается новый тип социально-экономических отношений, основанный на развитии мануфактурного производства. Возвышение практической деятельности, одобрение практицизма и предпринимательства, новый взгляд на человека как энергичную личность, устремленную на преобразование мира, поощрение индивидуализма, замешанного на религиозных ценностях, - все это способствовало формированию нового общественного сознания.

Этот период в развитии цивилизации ознаменовался крупнейшей революцией в естествознании, сопровождавшейся жесткой борьбой с религией за новое мировоззрение. У ее истоков стояли Н. Коперник (1473- 1543), Д. Бруно (1548-1600), Г. Галилей (1564-1642), И. Кеплер (1571-1630). Умирающий Н. Коперник в 1543 году публикует свою книгу «О вращении небесных сфер», в которой утверждается гелиоцентрическая система мира, о которой догадывался еще Аристарх Самосский в III в. до н.э. Зарождается пантеизм - философское учение, отождествляющее бога и природу, как единую, вечную и бесконечную субстанцию, причину самой себя. Философ - пантеист и поэт Д. Бруно выдвинул гипотезу о бесконечности Вселенной и бесчисленности миров, за что и был, как еретик, сожжен на костре на площади Цветов в Риме.

Революция, произведенная Н. Коперником в астрономии, стала мощным толчком для развития оптики и механики и обусловила переход к новому методу исследования, основу которого составили эксперимент и математическое описание его результатов. В 1609 г. Галилей изобрел телескоп. С его помощью он рассмотрел рельеф Луны, темные пятна на Солнце, открыл спутники Юпитера, наблюдал фазы Венеры. Будучи активным защитником гелиоцентрической системы, он в 1633 году был подвергнут суду инквизиции, вынудившей его формально отказаться от учения Коперника, однако в действительности он продолжал исследования в этом направлении. Галилей заложил основы экспериментальных исследований в механике макромира. Внедрение математики в физические исследования позволило ему представить свои результаты в виде кинематических уравнений. Им впервые было сформулировано понятие физического закона в его современном значении. Он ввел в механику представление об относительности. И. Кеплер, используя собственные наблюдения и измерения Тихо Браге, открыл законы движения планет вокруг Солнца и вывел уравнения их орбит, о чем и возвестил миру в книгах «Новая астрономия» и «Гармония мира».