Принципы естествознания

Из множества естественнонаучных принципов и их вариаций, используемых в частных науках, мы рассмотрим лишь самые значимые для курса КСЕ. Критерии «значимоКонцепции научного познания сти»: знакомство с принципом необходимо для концептуального осмысливания естествознания; примеры действия принципа наглядно проявляются не только в ортодоксальном естествознании.

Принцип относительности. Физическое содержание принципа обсуждалось в разделе, посвященном специальной теории относительности [41]. Коротко его суть: все процессы в природе протекают одинаково в изолированных инерциальных системах отсчета, двигающихся относительно друг друга равномерно и прямолинейно. Название принципа (по Эйнштейну - Prinzip der Relativtat) отражает тот факт, что в инерциальных системах отсчета относительные движения тел остаются неизменными. Таким образом, принцип фиксирует «две относительности». Это механическое движение тела по отношению к системе отсчета и движение тел относительно друг друга. До трудов X. Лоренца, А. Пуанкаре и А. Эйнштейна считалось, что принцип относительности справедлив только в механике (Г. Галилей). Экспериментально действие принципа подтверждается для всех расстояний, больших 1018 м. В физике интенсивно исследуется возможность нарушения на очень малых расстояниях, меньших 1019 м, когда теряется смысл точечного события, то есть события, происходящего в данной точке пространства в данный момент времени. В русском языке термин «относительность» понимается как установление чего-либо по сравнению с чем-либо другим, например с обстоятельствами, условиями и т.п. «Относительный» означает «не безусловный», в противоположность «абсолютному». Таким образом, принцип относительности в общем случае предполагает, во-первых, отсутствие абсолюта и, во-вторых, обязательность сравнения. В этом смысле известная фраза «все в мире относительно» звучит как очень универсальное и объективное утверждение.

В науке принцип относительности лежит в основе многих концепций научного познания. Так, концепции измерения и моделирования базируются и на отрицании абсолюта, и на необходимости сравнения с мерой или объектом.

Относительность во времени иногда формулируется как принцип причинности: «данное событие не влияет на все прошедшие в том времени, которое есть в системе, где зафиксировано это событие».

Принцип неопределенности и принцип дополнительности. Суть принципа неопределенности изложена в разделе, посвященном современной естественнонаучной картине мира. Там зафиксировано, что этот принцип есть основа квантовой механики. Обсуждены и три следствия: возможность виртуальных переходов, существование нулевой энергии и толкование случайности как объективной природной реальности. Здесь мы лишь отметим, что частные проявления принципа неопределенности были известны, например, в акустике и оптике, задолго до формулировки соотношения неопределенностей (1927 г.). Современная обобщенная трактовка принципа создана лишь в 1947 г.

С принципом неопределенности очень тесно связан принцип дополнительности. Применительно к квантовой механике его впервые сформулировал Н. Бор в 1927 г. Формулировка гласила, что получение информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно связана с потерей информации о «дополнительных величинах». Сопряженные пары величин образуют, например, координата и импульс, энергия и время. В своей чисто физической трактовке принцип дополнительности отражает объективные свойства квантовых систем, не зависящие от наблюдателя, проводящего эксперимент. Роль измерительного прибора заключается в «приготовлении состояния».

Со временем стало ясно, что первичная формулировка Бора-Гейзенберга - всего лишь «проекция на микромир» более общего принципа. Генетически он сохранил свое название, поскольку сама материя обладает и волновыми, и корпускулярными свойствами, и их описания дополняют друг друга. Но двуликим оказался не только микромир. «Дополнительность» обнаружилась и в мегамире, и в нашем привычном макромире. Во Вселенной монотонное снижение средней

Концепции научного познания температуры сопровождается сверхсильным разогревом материи в недрах новых звезд. Изящная локальная упорядоченность в строении звездно-планетных систем сосуществует с почти абсолютным хаосом в распределении галактических скоплений в пространстве Вселенной. Дополняют друг друга процессы возрастания энтропии и самоорганизации. Возрастание энтропии означает нарастание хаоса, беспорядка. Самоорганизация ведет к появлению все более сложных и все более упорядоченных структур. Тенденции явно противоположные. Дополнительность проявляется в том, что возрастание энтропии характеризует всю Вселенную (мегамир), самоорганизация же реализуется локально, в открытых диссипативных системах, пребывающих в состояниях, далеких от равновесия. Великий хаос и почти идеальный порядок дополняют друг друга.

В гносеологии принцип дополнительности трактуется как единство противоположностей в природных объектах и структурах. В познании все, как в природе: мышление образное и мышление логическое дополняют друг друга, синтез субъективного и объективного опыта создает единство в познании сущности материи и устройства мира. Концепция стационарности (Аристотель, Ньютон) и концепция эволюционизма (Демокрит, Дарвин) являются противоположностями, но обе необходимы для формирования научного мировоззрения. Аксиомы, открывающие эту главу, не требуют доказательств, потому как они есть конкретное проявление принципа дополнительности в его проекции на мировую культуру. В огромном океане мировой культуры часто противопоставляют вроде бы два противоположных полюса - искусство и науку. Сущности действительно несколько различные - искусство есть познание самого себя, а наука - всего остального мира. Их дополнительность и создает единую мировую культуру. Универсальность принципа проявляется в идентичности чисто природных систем и творений человечества, хотя они и выглядят по-разному при взаимодействии с разными «внешними» объектами. Внутреннее единство и многогранность внешних проявлений заложена природой во внутренней структуре систем и процессов в них. Зачем это так, мы не знаем, но описываем с помощью принципа дополнительности. Поэтому в самой общей формулировке этот принцип гласит: «В любой системе есть внутрисистемные связи, не отраженные в её внешних связях». Математической моделью принципа может служить теорема Геделя [35].

Принцип наименьшего действия. Этот принцип был сформулирован довольно давно как один из вариационных принципов механики. Согласно ему из всех возможных видов движения механической системы реализуется тот, при котором физическая величина «действие» имеет минимум. Напомним, что «действие» имеет размерность Дж с (произведение энергии на время), а квант действия равен постоянной Планка. Существенно, что термин «возможные виды движения» означает обязательный учет конкретных условий, наличие «связей», внутренних и внешних. В зависимости от вида связей мы можем оптимизировать движение, варьируя выбор тех или иных условий (или величин). Принцип безукоризненно (как и положено принципу) работает в «чистой» механике, его обобщение также отлично работает во всей физике. В неживых системах принцип наименьшего действия определяет «траекторию движения». В живых системах он приобретает вероятностный характер, поскольку критерии «рационального поведения» не всегда могут быть выражены количественно. Поскольку природа едина, то мы полагаем, что и человеческие деяния также следуют общеприродным закономерностям. Обобщенный принцип наименьшего действия работает во всех сферах человеческой деятельности. Прежде всего в экономических или информационных структурах общества - там, где нужна оптимизация (минимизация усилий, времени или затрат). Поэтому самой изящной формулировкой принципа наименьшего действия можно считать слова И. Ньютона: «Природа проста и не роскошествует излишними причинами вещей» [9].

Принцип наименьшего действия входит в систему вариационных принципов, трактующих условия минимизации

Концепции научного познания некоторой физической величины, характеризующей движение системы, при варьировании других характеристик. Так, принцип Гаусса, он же принцип наименьшего принуждения, определяет минимизацию усилий при варьировании ускорений. Хорошо звучат его версии применительно к нашей жизни (проф. М.Б. Семенов). Например: «Оптимальным является образовательный процесс с наименьшим необходимым принуждением». Иными словами: «Студент, как и Природа, ничего не делает напрасно, и было бы напрасным совершать многим то, что может быть сделано меньшим». Принцип Журдена толкует о минимизации усилий при варьировании скоростей, принцип Герца (он же принцип наименьшей кривизны) определяет выбор системой «прямейших траекторий» при варьировании элементов траектории.

Для заинтересованных уточним некоторые понятия. В общем случае «вариация» есть изменение функционала при малом смещении «аргумента». Функционалом может быть, например, время перехода системы из одного состояния в другое. Или стоимость какого-либо проекта. Аргумент - функция, описывающая «траекторию движения». Вариация отличается от хорошо знакомого вам дифференциала тем, что варьируется не приращение однозначного аргумента, а вид функции. Тогда функционал, то есть численное значение физической величины, зависящее от выбора пути при заданных условиях, может быть оптимизирован («минимизирован») именно выбором функции. «Вариационная» или же функциональная производная есть обобщение понятия обычной производной; она характеризует скорость изменения функционала. Соответственно, равенство нулю вариационной производной означает наличие экстремума (максимума или минимума) функционала как измеряемой физической величины.

В целом система вариационных принципов значима прежде всего тем, что при решении практических задач позволяет заранее исключить наперед неизвестные реакции связей. При этом речь идет не только об исследовании равновесных состояний, но и об исследовании движения. В последнее время интенсивно разрабатывается научное направление, связанное с использованием идей вариационного подхода к исследованию нефизических систем, таких, как экономика, образование и им подобные (проф. М.Б. Семенов и др.). Ясно, что такие проблемы, как минимизация затрат в заданных условиях, оптимизация информационных потоков в образовании и т.п., требуют применения научно обоснованных методов.

Принцип суперпозиции. Термин «суперпозиция» переводится как «наложение». В своей изначальной формулировке принцип суперпозиции напоминал скорее правило или допущение. Областью его применения была теория колебаний и волн, где исследовалось наложение нескольких процессов. Результирующий эффект при этом представляет собой простую сумму эффектов отдельных компонентов. Обязательное условие - компоненты друг на друга не влияют («линейное приближение»). С развитием физики суперпозиция стала вызывать все больший интерес. М. Фарадей гениально осознал наличие в природе своеобразной сущности - физического поля. Исследование свойств электростатического, магнитного, гравитационного полей привело к переосмысливанию принципа суперпозиции. Оказалось, что в вакууме наложение любого числа физически реализуемых электромагнитных полей дает также реализуемое электромагнитное поле. Но только в вакууме («линейная среда»!). Для многих реальных случаев, например поведения диэлектриков и магнетиков в сильных полях, «линейность» не выполняется. Эти среды, в отличие от вакуума, могут изменять свои свойства при воздействии поля. Уравнения, описывающие такие ситуации, становятся нелинейными, а «воздействие суммы» более не равно «сумме воздействий». Такие процессы сопровождают, например, зарождение молнии. Молния сама делает воздух проводящим («нелинейный процесс»!). А мы наблюдаем красивое зрелище -«нарастание нелинейности» - ибо по определению и молния, и наблюдатель есть явления нелинейные и неравновесные. Таким образом, в классической физике принцип суперпозиции фактически не был принципом, а был только частной закономерностью. Он был очень полезен, но носил приближенный характер. Фундаментальность принцип обрел в квантовой механике. Вместе с принципом неопределенности он составил

Концепции научного познания всю математическую основу квантовой механики. Принцип суперпозиции утверждает, что если квантовомеханическая система может находиться в нескольких состояниях, то физически допустимым будет и суперпозиция этих состояний с любым мыслимым «весом» этих состояний. Фактически был открыт принцип суперпозиции состояний. Он отражает универсальность корпускулярно-волнового дуализма материи.

Антропный принцип. В естествознании антропный принцип стоит несколько особняком. И по названию, и по сути своей он означает включение в систему принципов человека. Назначение принципа - осмысливание условий и причин возникновения Вселенной и места человека в этой Вселенной. В современном естествознании антропный принцип анализируется в двух качествах: «сильный» и «слабый». Формулировка слабой версии гласит: «То, что мы предполагаем наблюдать, должно удовлетворять условиям, необходимым для присутствия человека в качестве наблюдателя». Поскольку наблюдаем мы многое, в том числе и структуру Вселенной, то принцип формулирует условия совместного существования человека и Вселенной. В этой «слабой» формулировке устанавливается факт наличия человечества как элемента Вселенной. Причины и мотивы («почему?», «зачем?») появления Вселенной и человека пока остаются вне анализа.

«Сильная» формулировка гласит: «Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некоторой стадии эволюции мог существовать наблюдатель». Здесь уже есть подход к причинам - Вселенная должна быть, чтобы появились мы. В Большом взрыве из первичной сингулярности возникли:

  • - наше время и наше пространство, наш четырехмерный мир. Возможно, возникли и миры с другим числом измерений;
  • - набор фундаментальных физических констант, тех постоянных величин, что мы ввели в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи. Это такие константы, как скорость света, гравитационная постоянная, постоянная Планка, планковские единицы массы, длины и времени, элементарный электрический заряд и др. Вопрос о том, являются ли эти константы «абсолютными» или же они медленно изменяются по ходу эволюции Вселенной, в современной космологии и физике остаются открытыми;
  • - фундаментальные законы природы, такие как закон всемирного тяготения, законы сохранения и им подобные. Их фундаментальность почти очевидна, но время от времени подвергается сомнениям.

Согласно антропному принципу, у сингулярного состояния были именно такие параметры, которые через совокупность «мировых констант» и законов бытия материи неизбежно привели эволюцию к человеку. Характерно, что именно реализованное в нашей Вселенной сочетание констант определило условия, необходимые и достаточные для жизни, которую мы наблюдаем. Ученые просчитали, что даже малые вариации констант или законов приводит к неустойчивостям или абсолютной невозможности существования, например, галактик, в том числе и Млечного пути вместе с нашей Землей. Нужна была очень точная «подстройка» Вселенной к возникновению «нашей жизни», и она реализовалась. Проблема: «зачем возникла Вселенная?» пока что обоснованного толкования не имеет. Усиливая антропный принцип до антропоцентризма, можно предположить, что Вселенная возникла для того, чтобы нам было что наблюдать. Зачем возникло человечество - тоже не очень прозрачно. Может быть, для того, чтобы разумно управлять самим процессом эволюции Вселенной? Человечество - разум Вселенной! Звучит!?

В первооснове антропный принцип базируется на факте земной формы жизни. Но Земля - планета весьма своеобразная, а судя по структуре Солнечной Системы - в чем-то даже уникальная. И в этой связи антропный принцип вывел на новый уровень проблему внеземных цивилизаций. Мы довольно интенсивно начали их искать, но ищут ли они нас? Самая главная сложность - понять, как отличить искусственный сигнал от природного, ибо сигналы сверхразвитых цивилизаций мы можем просто принять за природные, естественным способом генерируемые где-то в уютных местах многочисленных

Концепции научного познания галактик. Есть, например, в космосе так называемые пульсары -космические радиоисточники, излучение которых представляет собой периодическую последовательность импульсов. Пульсаров люди нашли всего лишь несколько сотен, что очень мало для наблюдаемых размеров Вселенной. Линейный размер пульсаров - порядка радиуса Земли. Периодичность очень стабильная, что характерно для природных процессов. Но бывают и скачки, срывы периодичности. Может, оператор заснул? Излучение пульсара характеризуется высокой степенью поляризации и аномально высокой яркостной температурой. Может, специально сделали, чтобы привлечь наше внимание? Но: практически все наблюдаемые характеристики можно объяснить на основе модели вращающихся нейтронных звезд, имеющих сверхмощные магнитные поля. Модель построена вполне целенаправленно для непротиворечивого объяснения наблюдаемых нами характеристик излучения пульсаров. Модель получилась очень сложная. Создание объекта, который она моделирует, вполне можно приписать какому-то сверхразуму. Это вполне мыслимая цивилизация научилась строить пульсары, располагать их внутри остатков сверхновых звезд и использовать для зондирования межзвездной среды. Или же для посылки сигналов нам и другим цивилизациям. Кстати, исследуя радиоизлучение пульсаров, земные ученые много узнали о межзвездной среде, о концентрации электронов в ней и о структуре межзвездных магнитных полей. Трудность же в том, что мыслящие создатели пульсаров вынуждены пользоваться тем же самым набором законов природы и фундаментальных констант, который мы используем для построения моделей. Поэтому мы всегда работу «искусственных прожекторов» можем объяснить как функционирование природных источников, возникших сами по себе в соответствии с ходом эволюции. Таким образом, прогнозные качества антропного принципа не очень велики. Он фиксирует, что в нашей Вселенной есть жизнь, и не просто жизнь, а жизнь разумная. И есть человек - самая сложная система в наблюдаемой Вселенной, способная эту Вселенную познавать.

Что дальше? Можно спрогнозировать формирование «коллективного разума», своего рода «суперсложной сверхсистемы», начальной фазой которой служит ноосфера. Можно. Но нужно ли? Это вам на размышление...

Завершая обзор принципов естествознания, отметим, что в ранге принципа в частных науках фигурирует много обобщающих положений. Есть принцип соответствия, согласно которому любая новая теория должна включать предшествующую как частный случай. Пример: в наших макропроцессах, при малых скоростях и больших значениях действия, уравнения теории относительности переходят в уравнения Ньютона. В термодинамике есть принцип Ле-Шателъе-Брауна: внешнее воздействие, выводящее систему из положения равновесия, вызывает в ней такие процессы, которые стремятся ослабить результат воздействия. Проекция этого принципа на химию известна под названием правила смещения равновесия Я. Вант-Гоффа, в электродинамике он работает как правило Ленца для направления индукционных токов. В науковедении известен принцип бритвы Оккама, согласно которому понятия, несводимые к интуитивному и опытному знанию, должны удаляться из науки. Соответствующий афоризм: «Не измышляй ненужных сущностей!» ныне очень актуален в связи с активизацией различных псевдонаук. В наше время набор принципов общенаучного значения обретает черты системности. Но пока в наборе нет личности, системы нет. Перейдем к категориям.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >