Читаем Естественнонаучная картина мира. Часть 1. Естествознание – комплекс наук о природе онлайн бесплатно

Это пособие – первое в серии «Современное естествознание». Актуальность серии связана с тем, что естествознание сегодня – это удивительно интересная, стремительно меняющаяся и непрерывно пополняющаяся новыми открытиями область науки. При этом отражение достижений современного естествознания в образовательных целях осуществляется пока крайне недостаточно.

В последнее время в школьные программы введен интегрированный предмет «Естествознание 10-11», а в вузовские курсы – интегрированная дисциплина «Естественнонаучная картина мира», однако они слабо обеспечены учебными пособиями. Серия «Современное естествознание» предназначена восполнить этот пробел. Она включает в себя учебники, задачники, сборники лабораторных работ, посвященные междисциплинарным вопросам естественных наук, которые могут быть использованы для изучения естествознания в школе, вузе и в целях самообразования.

Данное пособие представляет собой учебник по дисциплине «Естественнонаучная картина мира» в высших учебных заведениях. Под естественнонаучной картиной мира (ЕНКМ) понимают систематизированное представление о природе, исторически сформировавшееся в ходе развития естествознания.

Интересно рассмотреть процесс формирования ЕНКМ в историческом плане – как менялась картина мира по мере развития естествознания от воззрений древнегреческих философов до наших дней. Но ввиду лимита времени, отведенного на изучение курса, в этом пособии мы сосредоточимся на современной ЕНКМ. При этом будем иметь ввиду, что и современная картина не статична, что она ежедневно пополняется и уточняется с каждым новым естественнонаучным открытием, которые сыплются на нас как из рога изобилия. С этим связана особенность курса: его главная задача не столько сообщить определенную сумму знаний, сколько привести уже имеющиеся в систему, задать некую систему координат, скелет, на который в дальнейшем можно нанизывать новые сведения.

Естественнонаучная картина мира – это образ природы, который получен естественнонаучными методами. Все вы учились в школе, изучали физику, химию, биологию, географию, астрономию, экологию, поэтому у каждого из вас в той или иной мере такой образ имеется. Но в большинстве случаев он фрагментарный, разрозненный, поскольку перечисленные школьные предметы изучаются по отдельности.

Изучение наук «по частям» связано вовсе не с тем, что природа, и составляющие ее природные объекты и явления делятся на какие-либо части. Деление естествознания на отдельные области обусловлено, в первую очередь, ограниченностью нашего сознания, невозможностью охватить все многообразие деталей, присущих любому процессу в природе, а также соображениями удобства исследования той или иной конкретной ситуации. Вспомним школьную задачу: «Почему журавли летят клином?». Сразу напрашивается встречный вопрос: а это задача по физике или по биологии?

В связи с этим цель курса «Естественнонаучная картина мира» – расширить, уточнить этот начальный прообраз ЕНКМ, привести его в соответствие с современными научными данными, и, главное, – сделать целостным. Эта цель напрямую соотносится с особенностью современного этапа развития естествознания, для которого характерны интеграция и взаимопроникновение наук.

Чтобы убедиться в этом, достаточно обратиться к перечню Нобелевских премий по физике, химии, физиологии и медицине за последние годы. Практически все открытия, отмеченные этими престижными премиями, сделаны «на стыке наук». Например, в 2018 году Нобелевскую премию по физике присудили ученым (А. Эшкин, Ж. Мур, Д. Стрикленд) за новаторские изобретения в области лазерной физики, которые нашли широкое применение в биологических системах. Оптические пинцеты позволяют манипулировать вирусами, бактериями, живыми клетками, не повреждая их. Метод генерации высокоинтенсивных ультракоротких импульсов используют во многих областях, в том числе и при проведении операций по коррекции зрения с помощью лазеров.

Курс «Естественнонаучная картина мира» содержит три части: 1) «Естествознание – комплекс наук о природе»; 2) «Устройство Вселенной»; 3) «Эволюция Вселенной». В данном пособии представлена первая из них.

Пособие адресовано студентам и преподавателям вузов, а также учащимся старших классов и учителям естествознания. Его также можно использовать для самообразования в естественнонаучной области.

Автор выражает искреннюю благодарность М.В. Солодихиной и Л.В. Королевой за помощь в подготовке пособия к изданию.

Естествознание – это комплекс естественных наук, взятых в их взаимосвязи, как единое целое. К естественным наукам относят физику, химию, биологию, астрономию, географию. Естествознание – это не просто сумма естественных наук, а, именно, комплекс, система наук, учитывающая все многообразие связей между ними.

Для современного этапа развития естествознания характерна интеграция наук, которая идет двумя путями. Первый путь – появление и бурное развитие новых направлений «на стыке» наук: астрофизика, биохимия, геофизика, физическая химия и др. Второй – возникновение новых междисциплинарных направлений: экология, нанотехнологии, биотехнологии и др. Решение проблем в рамках этих направлений требует привлечения знаний по нескольким естественным наукам.

Что же объединяет все естественные науки и позволяет применять к ним общий термин – естествознание?

Что объединяет все естественные науки?

Во-первых, все естественные науки используют общие методы получения новых знаний: наблюдение, измерение, эксперимент, моделирование и др. Каждое естественнонаучное открытие имеет свою историю. Однако, независимо от того, какое явление и в рамках какой науки исследуется, можно выделить общие этапы научного метода. Естественнонаучный поиск – это всегда движение от накопления фактов к их обобщению и выдвижению гипотезы, далее – от гипотезы к следствиям, а от них к экспериментальной проверке.

Во-вторых, это общий объект изучения – природа. В отличие от гуманитарных наук, исследующих человеческое общество, естественные науки (от «естество» – природа) изучают природные объекты, явления и процессы. Все природные объекты материальны, то есть не зависят от нас и наших знаний о них. Существует два вида материи – вещество и поле, и два атрибута (неотъемлемых свойства) материи – пространство и время.

В-третьих, хотя каждая наука использует свой уникальный язык описания природы, некоторые понятия являются универсальными для всех естественных наук. Например, такие термины как энергия, симметрия, случайность, вероятность, самоорганизация, эволюция широко применяются и в физике, и в химии, и в биологии, и в астрономии. Общим для всех естественных наук является также математическое описание природных объектов. По образному выражению Г. Галилея «книга природы написана на языке математики».

В соответствии со схемой, представленной выше, выстроена логика изложения этого пособия. Оно включает четыре главы: «Методы научного познания», «Вещество и поле», «Пространство и время» и «Универсальные понятия естествознания».

По шутливому выражению биолога А. Маркова «мы – всего лишь приматы с ограниченным объемом рабочей памяти». Именно с этим связано наше стремление изучать тот или иной объект под определенным углом зрения, в рамках того или иного узкого научного направления. Но в то же время, видимо, мы – единственный биологический вид на Земле, а возможно, и во всей огромной Вселенной, который может представить себе Вселенную в целом от звезд и галактик до атомов и элементарных частиц.

Возможность познавать окружающий мир, наслаждаться гармонией единых принципов, описывающих, казалось бы, вовсе не связанные между собой явления, ощутить красоту и изящество фундаментальных законов природы дана каждому из нас. Изучение курса «Естественнонаучная картина мира» направлено на то, чтобы помочь вам реализовать эту уникальную возможность.

Задание 1. Докажите, что для современного этапа развития естествознания характерна интеграция наук. Для этого изучите примеры научных исследований по физике, химии, физиологии и медицине, за которые недавно были присуждены Нобелевские премии и приведите пример открытия, которое носит междисциплинарный характер.

Задание 2. Поразмышляйте над следующими высказываниями ученых.

Л. Ландау: «Все науки делятся на естественные, неестественные и противоестественные».

Э. Резерфорд: «Все науки делятся на физику и коллекционирование марок».

И. Кант: «В каждой науке столько истины, сколько в ней математики».

Какие из них носят шутливый характер? Выскажите свои доводы «за» или «против» этих высказываний.

Общая характеристика этапов. Слово «естествознание» происходит от слов «естество» (природа») и «знание», то есть дословно означает знание о природе. В настоящее время этот термин употребляется в двух смыслах.

В широком смысле естествознание – это совокупность знаний о природных объектах, явлениях и процессах. Такие знания были необходимы человеку всегда: для того, чтобы ориентироваться в окружающей обстановке, распознавать опасности, находить способ их избежать, растить детей, находить пропитание для своей семьи и многого другого. В связи с этим потребность в познании и начальные знания о природе появились еще на заре развития человечества, однако долгое время были разрозненными.

В узком смысле естествознание – это комплекс естественных наук (физики, биологии, химии, астрономии и др.), взятых в их взаимосвязи, как единое целое. Каждая из естественных наук представляет собой систему знаний об определенной области действительности: например, биология – о живой природе, астрономия – о космических объектах и т.д. Системные знания, охватывающие широкий круг явлений и опирающиеся на прочные экспериментальные основания, появились сравнительно недавно, начиная примерно с XVII века. Поэтому естествознание как комплекс естественных наук – более узкое понятие, в историческом плане это всего лишь один из этапов развития естествознания в широком смысле. С другой стороны, на этом этапе, который называют научным, ученым удалось экспоненциально расширить представления об окружающем мире, кардинально изменив жизнь каждого человека. При этом разрозненные знания, накопленные ранее, прошли экспериментальную проверку и были включены в общую систему знаний о природе.

В связи с этим в данном параграфе, чтобы отразить исторический контекст, мы рассмотрим этапы развития естествознания в широком смысле. А во всех последующих параграфах сосредоточимся на естествознании как комплексе естественных наук, чтобы дать представление о современной естественнонаучной картине мира. Очевидно, что в рамках одного параграфа нельзя даже конспективно описать историю развития естествознания, которая длится тысячелетия и содержит множество великих имен и открытий. Задача – в другом. Глава называется «Методы научного познания» и важно показать эволюцию этих методов в процессе естественнонаучного познания, а также роль научного метода в становлении современной науки.

Когда зародилось естествознание никто не знает. Дело в том, что для ответа на этот вопрос требуются письменные источники, которых не существовало на заре развития естествознания. Видимо, первые естественнонаучные знания появились тогда же, когда и первые цивилизации. Такие изобретения как обожженный кирпич, гончарный круг, колесо относят ко времени – 3 тысячи лет до н.э., то есть около 5 тысяч лет назад. Две тысячи лет до н.э. люди уже пользовались циркулем и весами, а преодолевать морские просторы им помогали компас, паруса и весла. Эти изобретения несомненно требовали определенных знаний об окружающем мире и творческой мысли для их практических приложений. Но в целом период до VI века до н.э. называют мифологическим и не относят к естествознанию, поскольку природные явления здесь связываются весьма случайным образом. В мифах зачастую неодушевленным предметам приписываются свойства одушевленных (Солнце, Луна, звезды – это люди, которые жили на Земле, потом поднялись на небо и превратились в светила), а природные тела и естественные силы природы обожествляются.

Далее в развитии естествознания выделяют несколько этапов, которые в целом примерно соответствуют историческим периодам: Древний мир – натурфилософский этап развития естествознания (VI в. до н.э. – V в. н.э.); Средневековье – этап застоя в развитии естествознания (V в. – XIV в.) и переходный этап (XIV в. – XVI в.), Новое время и Новейшее время (XVII в. – XXI в.) – научный этап. Схематически эти этапы представлены на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Этапы развития естествознания

Примечательно, что если первые три этапа, предваряющие возникновение естествознания как науки, заняли во времени целых два тысячелетия (а с учетом мифологического этапа намного больше), то самый молодой научный этап, современниками которого мы все являемся, длится всего около 400 лет. При этом подавляющее число открытий, раскрывающих тайны окружающего мира, было сделано именно за это короткое время.

Одна из причин этого – внедрение в практику исследования особого метода познания, получившего название «научный метод». В связи с этим, не углубляясь в историю развития естествознания (это тема для отдельного учебника), сконцентрируем свое внимание на том, какие методы использовали естествоиспытатели на каждом из трех этапов.