История системного подхода в науке и технике

Уральская Академия Государственной службы

Кафедра философии

Дипломная работа

По курсу "История и философия науки"

ТЕМА "История системного подхода в науке и технике"

Зав. кафедрой Ю.Г. Ершов

Преподаватель Ю.Г. Ершов

СоискательВ.Б. Колесов

Екатеринбург 2005г.

Оглавление

1. Введение

2. Определение "системы" и "системного подхода"

2.1 Общее представление о системах и системном подходе

2.2 Возникновение систем

2.3 Системное представление о мире

2.4 Системность живой природы

2.5 Ограничения при системном подходе

3. Развитие системного подхода в науке

3.1 Ранние попытки систематизации физических знаний

3.2 Леонардо да Винчи, его открытие строения человеческого организма

3.3 Становление гелиоцентрического мировоззрения

3.4 Классическая механика и механистическая картина мира

3.5 Универсальный закон сохранения количества вещества, открытий М.В. Ломоносовым

3.6 Феномен электричества и его истолкование в классическом естествознании

3.7 Основные достижения постклассической физики

3.8 Корпускулярно-волновой дуализм (волны де Бройля)

3.9 Специальная теория относительности Эйнштейна (теория электромагнитного поля)

3.10 Теория гравитационного поля (общая теория относительности) Эйнштейна

3.11 Эквивалентность инертной и гравитационной массы

3.12 Открытие элементарных частиц

3.13 Физика и космология

3.14 Концепции современной химии и их формирование в ходе великих химических открытий

3.15 Закон сохранения массы Ломоносова

3.16 Закон постоянства состава веществ Пруста

3.17 Закон эквивалентов Рихтера

3.18 Закон кратных отношений Дальтона

3.19 Закон Авогадро о постоянстве количества молекул в данном объеме

3.20 Периодический закон и периодическая система химических элементов Менделеева

3.21 Особенности постклассической химии

3.22 Эволюционная химия

3.23 Биологические явления. Формы и уровни жизни

3.24 Специфика феномена жизни

3.25 Теория эволюции Дарвина и ее синтез с генетикой

3.26 Селекция, экология, клонирование, генетический код

3.27 Цитология, биохимия, физико-химическая биология

3.28 Возникновение жизни на Земле

3.29 Проблема возникновения и эволюции человека

3.30 Исследования поведения животных и человека

3.31 Междисциплинарный характер современной биологии

3.32 Взаимосвязь человека и природы

3.33 Современный уровень знаний в науках о Земле

3.34 Учение Вернадского о биосфере и ноосфере

3.35 Понятие ноосферы

3.36 Неизбежность перехода биосферы в ноосферу

3.37 Рациональное использование природных ресурсов и охрана биосферы

3.38 Нелинейная динамика

4. Развитие системного подхода в технике

4.1 Техническая деятельность в эпоху Древнего мира и античности

4.2 Техническая деятельность в Европе Х-XII в.

4.3 Становление инженерной деятельности

4.4 Инженерная деятельность в эпоху машинного производства

4.5 Инженерная деятельность и проблемы возникающие перед ней на современном этапе ее развития

5. Заключение

Литература

1. Введение

К IV в. до н.э. наука и цивилизация созрели в достаточной мере для того, чтобы возникла потребность в придании знаниям о природе связанного и дифференцированного по отраслям характера; в том, чтобы систематизировать эти знания, а также применить к ним математические и экспериментальные методы. Вся история человечества говорит о том, что для человека всегда было свойственно стремление понять мир и законы, им управляющие, причем, не только исходя из обеспечения потребностей обеспечения безопасности и обеспечения продовольствием.

Известно, что системность - одна из важнейших характеристик научного знания. Ее идеи были высказаны еще в работах античных авторов (греков и римлян) на основе анализа огромного эмпирического материала. И с тех пор продолжалось стихийное, неосознанное использование элементов системности, и то лишь в отдельных отраслях познания. Это составило первый этап исторического развития системного подхода.

Однако с середины ХХ в. при появлении сложных и больших технических систем (ТС) потребовалось специальное теоретическое обоснование методологического характера. Резко возросли комплексность и сложность проблем, некоторые из них стали глобальными (например, связь с помощью спутников). Усилилась зависимость между отдельными вопросами, которые раньше казались не связанными между собой. Актуальность решения проблем значительно возросла. Затраты на реализацию того или иного решения стали достигать многих десятков, сотен миллионов и даже миллиардов долларов, а риск неудачи становился все ощутимее. Потребовался учет все большего числа взаимосвязанных обстоятельств, а времени на решение становилось все меньше. Особенно это касалось разработки новой военной техники. Если раньше относительные затраты на вооружение были невелики, возможностей для выбора было мало, то фактически использовался принцип "ничего, кроме самого лучшего". Но с началом "атомного века" расходы на создание оружия возросли во много раз, и этот подход стал неприемлемым. Его постепенно заменял другой: "только то, что необходимо и за минимальную стоимость". Однако для реализации нового принципа нужно было уметь находить, оценивать и сравнивать альтернативы оружия. Потребовались методы, которые позволили бы анализировать сложные проблемы как целое, обеспечивали рассмотрение многих альтернатив, каждая из которых описывалась большим числом переменных; методы, обеспечивающие полноту каждой альтернативы, помогающие вносить измеримость, имеющие возможность отражать объективные и субъективные неопределенности. Получившаяся в результате развития и обобщения широкая и универсальная методология решения проблем была названа ее авторами "системный анализ". Новая методология, созданная для решения военных проблем, была прежде всего использована в этой области. Однако очень скоро выяснилось, что не только проблемы необоронной промышленности, но и проблемы организационного развития и управления фирмами, проблемы маркетинга, аудита и пр. не только допускают, но и требуют обязательного применения этой методологии. Системный подход довольно быстро превратился в важный метод познания, в отличие от специальных приемов, характерных для разработки техники XVI-XIX в. Это составило второй этап исторического развития системного подхода в технике.

Если при стихийном использовании системного подхода главной целью было изучение конечных результатов, то для второго этапа характерно переключение внимания на начальные стадии, связанные с выбором и обоснованием целей, их полезности, условий осуществления, связей с предыдущими процессами. Это потребовало знаний о структуре и функциях ТС, что обусловило возрастание роли теоретических знаний. Если теоретическая деятельность первого этапа была направлена на описание и классификацию изучаемых объектов, то главным моментом второго этапа стало выявление механизмов функционирования ТС, а также знание условий, нарушающих их нормальную деятельность. Механизм функционирования включает исследования функций системы, определение связей функции со множеством взаимодействующих элементов, рассмотрение структуры ТС не как отношения (взаимосвязь, взаимодействие), а как определенным образом упорядоченного расположения одних элементов ТС относительно других (отношения между отношениями). Но хотя знание структуры и функций ТС является важным, но в дальнейшем и оно стало недостаточным условием для эффективного решения современных проблем. Надо обязательно соотнести цели субъекта с целями системы и выяснить, как скажется их реализация на функционировании ТС.

Сначала системный анализ базировался главным образом на применении сложных математических приемов. Спустя некоторое время ученые пришли к выводу, что математика неэффективна при анализе широких проблем со множеством неопределенностей, которые характерны для исследования и разработки техники как единого целого. Поэтому стала вырабатываться концепция такого системного анализа, в котором упор делается преимущественно на разработку новых диалектических принципов научного мышления, логического анализа ТС с учетом их взаимосвязей и противоречивых тенденций.

Пристальный анализ показывает, что множество рассматриваемых в системном движении вопросов принадлежит не только науке, типа общей теории систем, но охватывают обширную область научного познания как такового. Системное движение затронуло все аспекты научной деятельности, а в его защиту выдвигается все большее число аргументов [1].

В основе системного подхода, как методологии научного познания, лежит исследование объектов как систем. Системный подход способствует адекватному и эффективному раскрытию сущности проблем и успешному их решению в различных областях науки и техники.

Системный подход направлен на выявление многообразных типов связи сложного объекта и сведения их в единую теоретическую картину.

В различных областях науки центральное место начинают занимать проблемы организации и функционирования сложных объектов, изучение которых без учета всех аспектов их функционирования и взаимодействия с остальными объектами и системами просто немыслимо. Более того, многие из таких объектов представляют сложное объединение различных подсистем, каждая из которых в свою очередь тоже является сложным объектом.

Системный подход не существует в виде строгих методологических концепций. Он выполняет свои эвристические функции, оставаясь совокупностью познавательных принципов, основной смысл которых состоит в соответственном ориентировании конкретных исследований.

Несколько лет назад Илья Пригожин, лауреат Нобелевской премии и глава так называемой "брюссельской школы", объединяющей представителей различных естественнонаучных направлений, был одним из самых почетных иностранных гостей на международном симпозиуме в Центре биологических исследований в Пущине под Москвой. Темой встречи были достижения нового междисциплинарного направления, получившего название "синергетика", или теория самоорганизации. В интервью, которое дал тогда бельгийский ученый [2], он говорил, что, с его точки зрения, создание теории самоорганизации, описывающей новые, недавно открытые свойства материи, - самая актуальная проблема современной науки.

Самый простой и наглядный пример радикального изменения научных взглядов - это отношение к обратимости природных процессов. Динамика Ньютона утверждала, что мир построен по обратимым законам, и не задавалась вопросом, отчего, к примеру, можно развести спирт водой, но нельзя проделать обратную операцию. Законы Ньютона независимы от времени, для них не существует понятие "до" и "после". Но сегодня вполне ясно, что обратимость и жесткий детерминизм - это частные случаи. Напротив, необратимость и случайность не отдельные исключения, а общее правило. "Бог играет в кости", если использовать крылатое выражение Эйнштейна, который сам-то как раз и отказывался в это верить, полемизируя с создателями квантовой механики.

Предыстория инженерной деятельности разворачивается в недрах технической деятельности длительного периода ремесленного творчества (первобытного, античного рабовладельческого, средневекового феодального обществ). Но только в условиях раннего капиталистического общества создаются условия для того, чтобы она постепенно стала особой профессией, имеющую ориентацию на научную картину мира и целенаправленное применение в технической практике научных знаний.

2. Определение "системы" и "системного подхода" 2.1 Общее представление о системах и системном подходе

Существенное место в современной науке занимает системный метод исследования или (как часто говорят) системный подход.

Этот метод и стар и нов. Он достаточно стар, поскольку такие его формы и составляющие, как подход к объектам под углом зрения взаимодействия части и целого, становления единства и целостности, рассмотрения системы как закона структуры данной совокупности компонентов существовали, что называется от века, но они были разрозненны. Специальная разработка системного подхода, инициированная Л. Фон Берталанфи, началась с середины ХХ века с переходом к изучению и использованию на практике сложных многокомпонентных систем.

Системный подход - это способ теоретического представления и воспроизведения объектов как систем. В центре внимания при системном подходе находится изучение не элементов как таковых, а прежде всего структуры объекта и места элементов в ней.

Так вот, в "Трактате о системах" Кондильяк обсуждал проблему системности знания. Он показал, что знание всегда образует систему. Мы не можем указать на какое-то знание и сказать: вот оно, вот его границы; мы не можем трактовать его как вещь. И следовательно, он утверждал в этом трактате, что знания суть не вещи, а системы. Если нам кажется, что мы сталкиваемся с каким-то определенным знанием, как бы одиночным, отдельным, вырванным из контекста, то это ошибочное представление, потому что реально в каждом таком случае нам приходится восстанавливать его многочисленные связи с другими знаниями.

Вообще первоначально, когда говорили о системах, то никогда не говорили о вещах или объектах, а говорили только о знаниях.

наука техника системный подход

Позже, скажем, когда Бернулли рассматривал определенное количество газа под поршнем как множество частичек, он никогда не рассматривал такую совокупность как систему, потому что не было понятия связи. Множество не есть система. И механика того времени была механикой точки - кинематикой точки, динамикой точки. Правда, позднее, где-то на рубеже XVIII-XIX веков, в механике перешли к обсуждению систем точек, заимствовав это понятие у Кондильяка. Начали представление о системах знаний переносить на объекты.

Что же понимается под “системным” познанием материи и ее свойств? Известно, что человек осваивает мир различными способами, Прежде всего он осваивает его чувственно, т.е. непосредственно воспринимая его через органы чувств. Характер такого познания, заключающийся в памяти и определяемый эмоциональным состоянием субъекта, является нам как целостным так и дробным - представляющим картину целиком или дробно, выделяя какие либо моменты. На основе эмоциональных состояний в человеке складывается представление об окружающем мире. Но чувственное восприятие есть свойство так же всех животных, а не только человека. Спецификой человека является более высокая ступень познания - рациональное познание, позволяющее обнаруживать и закреплять в памяти законы движения материи.

Рациональное познание системно. Оно состоит из последовательных мыслительных операций и формирует мыслительную систему, более или менее адекватную системе объективной реальности. Системна и практическая деятельность человека, причем уровень системности практики повышается с ростом знания и накопления опыта. Системность различных видов отражения и преобразования действительности человеком есть в конечном счете проявление всеобщей системности материи и ее свойств [3].

Системное познание и преобразование мира предполагает:

Рассмотрение объекта деятельности (теоретической и практической) как системы, т.е. как ограниченного множества взаимодействующих элементов.

Определение состава, структуры и организации элементов и частей системы, обнаружения главных связей между ними.

Выявление внешних связей системы, выделения из них главных.

Определение функции системы и ее роли среди других систем.

Анализ диалектики структуры и функции системы.

Обнаружение на этой основе закономерностей и тенденций развития системы.

Познание мира, а “научное познание” в частности, не может осуществляться хаотически, беспорядочно; оно имеет определенную систему и подчиняется определенным закономерностям [4]. Эти закономерности познания определяются закономерностями развития и функционирования объективного мира.

С современной точки зрения системы классифицируются на целостные, в которых связи между составляющими элементами прочнее, чем связи элементов со средой, и суммативные, у которых связи между элементами одного и того же порядка, что и связи элементов со средой; органические и механические; динамические и статические; “открытые" и “закрытые”; “самоорганизующиеся" и “неорганизованные" и т.д. Отсюда может возникнуть вопрос о неорганизованных системах, например - куча камней, правильнее сказать - совокупностях - являются ли они системами? Да, и этому можно привести доказательства исходя из следующих посылок:

1) неорганизованные совокупности состоят из элементов;

2) эти элементы определенным образом между собой связаны;

3) эта связь объединяет элементы в совокупность определенной формы (куча, толпа и т.п.);

4) поскольку в такой совокупности существует связь между элементами, значит неизбежно проявление определенных закономерностей и, следовательно, наличие временного или пространственного порядка. Таким образом все совокупности являются системами, более того материя вообще проявляется в форме “систем”. Т.е. система есть форма существования материи [5].

2.2 Возникновение систем

С материалистической точки зрения существующий мир в целом не возникает и не исчезает, он существует вечно, представляя собой взаимосвязь, взаимодействие конкретных материальных систем. Возникновение - есть одна из форм движения материи. Это понятие отражает процессы присущие всем конкретным явлениям органической и неорганической природы, общества и мышления [4]. Эта универсальность дает полное право считать “возникновение” философской категорией.

Возникновение невозможно без разрушения. Эти два процесса органически связаны друг с другом и не имеют преимущества перед друг другом.

Причины возникновения как и причины разрушения кроются в вечном взаимодействии взаимосвязанных противоречивых сторон, явлений, процессов. Существует представление [3] о возникновении как акте слияния, соединения двух и более качеств в одно, или разделения одного качества на два (или более) новых. Кроме того образование системы может происходить путем обмена элементов, но это не третий путь, а сочетание соединения и разъединения взаимодействующих объектов.

Возникновение системы есть одновременно и возникновение новой формы движения или нового вида определенной формы движения и связано с тем, что прежняя форма движения исчерпала себя. Это выражается в том, что любая дальнейшая организационная перестройка элементов системы в рамках данной формы движения ведет не к укреплению и совершенствованию этой системы, а к ее преобразованию.

Система считается возникшей, когда между элементарными носителями новой формы движения образуется взаимосвязь, однако в начале связь носит неустойчивый характер, т.е. новая система находится на грани перехода из возможности в действительность. Иначе говоря, новое качество должно еще утвердиться, проявиться, обрести устойчивость, т.е. новая система, возникнув, должна стать.

Из природных примеров можно сделать вывод о непрерывном возникновении нового, но не каждое возникшее оказывается соответствующим внешним условиям [6].

2.3 Системное представление о мире

Сегодня специальные науки убедительно доказывают системность познаваемых ими частей мира. Вселенная предстает перед нами как система систем. Конечно понятие “система” как бы подчеркивает ограниченность, конечность и можно прийти к выводу, что поскольку Вселенная это “система”, то она имеет границу, т.е. конечна. Но с диалектической точки зрения как бы ни представлять себе самую большую из систем, она всегда будет элементом другой, более обширной системы. Это справедливо и в обратном направлении, т.е. Вселенная бесконечна не только “вширь”, но и “вглубь”.

До сих пор все имеющиеся в распоряжении науки факты свидетельствуют о системной организации материи.

Системность неорганической природы

Согласно современным физическим представлениям, неорганическая природа в общем виде делится на две системы - поле и вещество. Материальная сущность физического поля в настоящее время еще четко не определена, но что бы из себя не представляло поле, общепризнанно, что оно проявляется в различных сосуществующих, взаимодействующих и взаимопроникающих видах. Физическое поле, как обобщающее понятие, включает в себя физический “вакуум”, электронно-позитронное, мезонное, ядерное, электромагнитное, гравитационное и другие поля. Иначе говоря, представляет собой систему конкретных материальных полей.

Каждое конкретное поле в свою очередь тоже системно. Но сейчас нельзя с уверенностью сказать о том, что является элементом конкретного поля. Очевидно, каждое конкретное поле имеет свои определенные уровни, иначе говоря, оно как система развивается, например, от “вакуума” до четко выраженного квантового состояния. Сам же квант поля представляет собой элементарную частицу. Поэтому квант вряд ли может быть элементом конкретного поля. Скорее всего такими элементами являются узловые “точки” структуры элементарных частиц [3]. Существуют ясные экспериментальные доказательства существования такой структуры и масса различных способов ее изучения [7]. Но что представляет собой структура элементарной частицы, а тем более ее узловые “точки”, остается пока неясным.

Если допустить мысль о частице как высшей форме развития материи поля, то естественно предположить существование определенных “кирпичиков" которые образуют такую частицу, и являются тем, из чего состоит физическое поле вообще, т.е. элементами системы физического поля. Их взаимодействие (полевая форма движения) и приводит к образованию элементарной частицы того или иного типа.

Такая идея о сложности элементарных частиц, о том, что каждая из них это система, состоящая из различного количества разнообразно взаимодействующих и по разному пространственно расположенных элементарных частиц, но тождественных по своей сущности “кирпичиков" материи, позволяет объяснить взаимопревращаемость частиц и открывает путь к проникновению вглубь материи. Элементарная частица - это не только квант поля, но и то, что может лежать в основе качественно иной системы - вещества.

Вещество - чрезвычайно сложная, глубоко дифференцированная многоуровневая система. Если элементарная частица выступает и как элемент качественно иной, вещественной системы, то две и более взаимодействующие элементарные частицы представляют собой систему, которая может быть названа частичкой вещества [3].

Так, взаимодействие протона и электрона образует простейший атом легкого водорода, внутренне динамическую систему, элементы которой подчинены целому ряду параметров, и вследствие этого отличающиеся от свободных частиц. Атом как система развивается усложняясь по составу и структуре вплоть до такого состояния, когда начинается самопроизвольный распад атомного ядра.

Взаимодействующие атомы образуют различные системы: молекулы, макромолекулы, ионы радикалы, кристаллы.

Молекула представляет собой материальную систему, состоящую из определенным образом расположенных в пространстве и взаимосвязанных атомов одного или нескольких химических элементов. Связь атомов в молекуле прочнее связи атомов со средой, что обеспечивает целостность системы. Молекула является качественно новым материальным образованием по отношению к составляющим ее атомам. Молекулы могут быть простыми и сложными, содержащими один, два и тысячи атомов. Гигантские группы атомов образуют макромолекулы, качественно отличающиеся от других молекул. [5]

Однако не все вещества состоят из систем типа молекул. Ряд химических соединений, например хлорид натрия (поваренная соль), не имеют молекул в обычном понимании этого слова, и являются открытыми системами в которых ионы относительно независимы друг от друга. Такой тип вещественной системы называют кристаллом. Ионами называют как отдельные заряженные атомы, так и группы химически связанных атомов с избытком или недостатком электронов. Группа атомов, переходящая без изменения из одного химического соединения в другое, определяется как радикал. Все эти группы являются системами.

Взаимодействие атомов одного типа образует химический элемент. Из химических элементов слагаются минералы, из минералов - породы, из пород - геологические формации, из геологических формаций - ряды формаций - геосферы, из геосфер - планета Земля [8]. Каждая система, слагающая Землю, в свою очередь сложена по своей структуре. Так, например, атмосфера представляет собой систему, состоящую из пяти подсистем: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера.

Земля, как планета, выступает наряду с другими планетами элементом Солнечной системы. В свою очередь, Солнечная система входит в такую грандиозную космическую систему как Галактика. Взаимодействующие галактики образуют системы галактик, входящие в Метагалактику и т.д. При этом на каждом уровне развития неживой природы, наряду с общими, имеются и свои системообразующие факторы, свои особые связи и взаимодействия. Вместе с тем, принцип организации множества в единство остается одним и тем же. Не меняется он и при переходе к системам живой природы [3].

 

2.4 Системность живой природы

Как и все в природе, живые организмы состоят из молекул и атомов, но где граница между живым и неживым? Существует предел, после которого теряют силу имеющиеся системообразующие факторы и неживое переходит в разряд живого. Так, например, молекула состоящая из 5000000 атомов представляет собой вирус табачной мозаики - самое малое известное живое образование, способное к самостоятельному существованию [3].

В целом вопрос о системности живой природы не вызывает сомнений. Более того, именно изучение живых материальных образований в значительной мере способствовало формированию системных представлений о мире.

Основными системами живого, образующими различные уровни организации, в настоящее время признаются:

1) вирусы - системы, состоящие в основном из двух взаимодействующих компонентов: молекул нуклеиновой кислоты и молекул белка;

2) клетки - системы, состоящие из ядра, цитоплазмы и оболочки; каждая из этих подсистем, в свою очередь, состоит из особенных элементов;

3) многоклеточные системы (организмы, популяции одноклеточных);

4) виды, популяции - системы организмов одного типа;

5) биоценозы - системы, объединяющие организмы различных видов;

6) биогеоценоз - система, объединяющая организмы поверхности Земли;

7) биосфера - система живой материи на Земле.

Система каждого уровня отличается от других уровней и по структуре, и по степени организации (биологическая классификация). Но взаимодействие элементов системы не обязательно предполагает жесткую, постоянную связь. Эта связь может носить временный, случайный, генетический, целевой характер [3].

В целом живая природа, также как и неживая, представляет собой систему систем, причем она дает удивительные примеры разнообразия систем, которые нередко оказываются объединением элементов различных уровней. Например, ландшафт как система включает в себя:

1) абиотические геосистемы (земная кора с рельефами, атмосфера, гидросфера и криосфера);

2) геосистемы почвенной сферы;

3) биотические геосистемы, образующие биосферу;

4) социально-экономические геосистемы, возникшие в результате общественно-исторической деятельности человека. Все эти системы связаны между собой и воздействуют друг на друга, образуя единую саморегулирующуюся систему. Изменение любой составной части ландшафта ведет, в конечном счете, к изменению его в целом. Вместе с тем, каждая система живой природы, являясь ее элементом и определяясь ею, в то же время имеет достаточную самостоятельность саморазвития, чтобы выйти на другой уровень организации материи [3].

2.5 Ограничения при системном подходе

Конечно, при этом не стоит забывать о том, что все это не более, чем наши научные представления об окружающем мире. Но человек при осуществлении деятельности по формированию системы этих представлений в процессе своей научной деятельности - в науке, а также системы приемов и средств, используемых им в преобразовании окружающего мира - в технике, а к таковым можно отнести и создание нового образца техники, вынужден от несвязанных действий в познании и преобразовании окружающего мира перейти к использованию системности. Точнее, к систематизации информации о том, что есть, учету системности изучаемого, преобразуемого или создаваемого объекта, в т. ч. объекта и как некоторой совокупности знаний, информации, системности его взаимодействия с окружающей средой и системности учета последствий результатов научной и технической деятельности.

При этом, как можно видеть из истории и характера достижений науки и техники, наиболее показательные из которых приведены в двух последующих главах, и системный подход не приводит к однозначному для всех исследователей и инженеров подходу к решению одной и той же научной или технической проблемы. Очень многое зависит от "весомости" одних и тех же факторов для разных ученых или инженеров, а она часто в основном определяется соображениями, далеко выходящими за границы чисто научного или инженерного подхода, и даже общепринятой человеческой этики, Примером может служить ситуация с соглашением по ограничению выбросов в атмосферу, ведущих к увеличению озоновых дыр, что может привести к серьезным проблемам для всего человечества. Страна, объявляющая себя оплотом гуманного отношения к человеку США, до сих пор не желает присоединиться к этому соглашению, так называемому Киотскому протоколу.

Основная цель данной работы - показать, что ученому и инженеру в своей деятельности необходимо не только уметь проводить системный анализ объекта деятельности, но и уметь выделить и "принять во расчет" минимум только тех факторов, которые обеспечат успешное решение задачи, и отбросить те, которые хоть и влияют на результат, но степенью их влияния можно пренебречь. И в случае успеха не торопиться объявлять свое решение универсальным или оптимальным, т.к. завтра все это может оказаться теорией, справедливой для весьма ограниченного числа явлений: механика Ньютона, или далеко не оптимальным или совершенным творением техники: лайнер "Титаник", самолеты Ту-144, "Конкорд", Чернобыльская АЭС, космические корабли серии " Шаттл" и многое-многое другое.

3. Развитие системного подхода в науке 3.1 Ранние попытки систематизации физических знаний

Первой действительно успешной попыткой систематизации знаний о природе были труды Аристотеля (384-322 до н.э.), ставшие благодаря своей натурфилософской продуманности и всеобъемлющему характеру основой физики, биологии и других естественнонаучных областей знания в Европе и на Ближнем Востоке в течение более чем двух тысячелетий. В качестве наиболее общих принципов бытия Аристотель выдвигал форму и материю, которые образуют соответственно активное и пассивное начало мироздания. Каждое явление имеет четвероякую причину: материальную (“из чего состоит”), формальную (“по какому плану, вообще: как происходит”), действующую (приблизительно соответствует “силе”) и целостную (“для чего”). Целевые причины особенно важны в аристотелевской системе и ее средневековых вариантах: все в живой и неживой природе целесообразно, тела стремятся к своим “естественным местам” (так Аристотель объяснял падение тел на землю и развитие организмов от зародышевого состояния к взрослому).

Согласно системе Аристотеля Земля - центр Вселенной, а так как все тяжелые частицы стремятся к центру, то именно здесь и образовалось твердое тело нашей планеты. Легкие элементы - воздух и огонь - поднимаются в высокие слои, там они загораются, и тогда люди видят кометы и падающие звезды. Вечно движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю, а Вселенная сферична и конечна.

Стоит заметить, что за несколько столетий до Аристотеля знаменитый математик Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг собственной оси. Более того, он считал, что и Солнце, и Земля, и Луна вращаются вокруг некоторого общего гипотетического центра, который он назвал центральным огнем. Это движение планет и Солнца создает гармонию небесных сфер. Ученики Пифагора утверждали, что только их великий учитель был способен ощущать эту гармонию.

Нетрудно заметить, что в мироощущении Пифагора просматриваются основные принципы гелиоцентрической системы мира. И все же созданная легендарным Пифагором картина мира просуществовала недолго. На смену ей пришла геоцентрическая система Аристотеля.

Параллельно с систематизацией эмпирических знаний о природе наметилась тенденция к математизации естествознания, прежде всего в древнеиталийской школе пифагорейцев (VI-IV вв. до н.э.), открывших ряд важных факторов математической акустики и движения небесных тел. С IV в. до н.э. почти на тысячелетие центром естественнонаучных исследований становится Мусейон (“Музей”, храм Муз) в Александрии, где были сделаны крупные открытия: построена целостная система планиметрии и стереометрии по основе аксиом (Евклид), выведены законы перспективы (им же), довольно точно вычислены размеры земного шара (Эратосфен), начато изучение анатомии нервной системы. Эрасистрат (III в. до н.э.) подразделил нервы на двигательные и чувствительные, обратил внимание на извилины головного мозга и на различие между большим головным мозгом и мозжечком.

Большое влияние на естествознание оказала в эту же эпоху математики в особенности построенные по четко аксиоматическому методу “Начала" Евклида. До сих пор этот труд лежит в основе всех курсов элементарной геометрии в средней и высшей шкале, Евклид подробно изучил свойства прямой линии и окружности, фигур на плоскости и тел в пространстве. Труд Евклида более чем на два тысячелетия предопределил философов и естествоиспытателей, в особенности физиков и астрономов, о пространстве и о роли аксиоматического метода в науке.

Не следует думать, что у древних идея Аристотеля не вызывала никаких возражений. Она, к примеру, не могла объяснить очевидных изменений яркости планет при движении их по небесному своду. А ведь как легко это можно было сделать, предположив, что планеты то приближаются к Земле, то удаляются от нее.

Самый смелый шаг был сделан греческим математиком Аристархом Самосским вскоре после смерти Аристотеля. Он первым из греческих мыслителей расположил Солнце в центре мира, а Землю заставил вращаться вокруг Солнца. Этот факт доподлинно установлен, поскольку Архимед упоминает о нем в своем труде “Исчисление песчинок”. Гипотеза Аристарха Самосского не нашла единомышленников, поскольку астрономия в то время обладала небольшим количеством наблюдательных фактов. Потребовалось более полутора тысяч лет, чтобы она возродилась в знаменитой книге Коперника “О вращениях небесных сфер”.

3.2 Леонардо да Винчи, его открытие строения человеческого организма

Однако в целом для ранних (античных и почти не ушедших вперед по сравнению с ними средневековых) попыток разработки естественнонаучных знаний связь с практикой была исключением. Развитию естествознания в позднеантичный и средневековой период препятствовало также догматизация физики Аристотеля с ее учением о “естественных местах”, целевых причинах и т.д. и господство геоцентризма, законная форма которому была придана александрийским ученым Птолемеем.

Ситуация стала меняться в сторону нового (если первым считать античный) витка прогресса науки только в эпоху Возрождения, раньше всего (XIV-XV вв.) наступившую в Италии. Леонардо да Винчи (1452-1519) воплощает в своей деятельности единство искусства и науки, опыта и математики. Ему принадлежит первое в новое время связное описание анатомии человеческого тела, притом в сопоставлении с другими млекопитающими. Леонардо рассматривал органы в их движении, функционировании, приблизился к открытию кровообращения (но само открытие было сделано лишь в 1628 г.У. Гарвеем). Он описывал и зарисовывал органы чувств, нервную систему.

3.3 Становление гелиоцентрического мировоззрения

По всей видимости, начиная с 1515 года Коперник систематически разрабатывал новую систему мира и одновременно наблюдал движение небесных светил. Очень кратко основные положения, тезисы новой теории он изложил на двенадцати страницах рукописи, которую сейчас принято называть “Малым комментарием”. Сам Коперник называл эти тезисы аксиомами. Первые аксиомы гласили, что “не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер,. центр Земли не является центром мира. Все сферы движутся вокруг Солнца. Так что около Солнца находится центр мира”. В “Малом комментарии" нет каких-либо математических выкладок. Это была философская квинтэссенция последующего гениального произведения “О вращении небесных сфер”.

Продолжатели дела Коперника уделяли больше внимания, чем он, методологии исследований и установили важнейший для классического естествознания принцип: наука абсолютно объективна и ее идеалом является описание мира так, как если бы человека-наблюдателя или какого-либо еще субъекта во Вселенной (например, Бога) не было вовсе. На первых порах последователи Коперника вели свою работу в трудных условиях, поскольку инквизиция преследовала их за взгляды, казавшиеся ей несовместимыми с Библией и в особенности с Аристотелем. В 1600 г. был сожжен Дж. Бруно за поддержку гелиоцентризма.

Джордано Бруно свои взгляды изложил в трех книгах, написанных в форме диалогов: “Пир на пепле”, “О причине начала и едином” и “О бесконечности вселенной и мирах”. Именно здесь он и сформулировал новое научное миропонимание. Нельзя считать, что Бруно лишь развил учение Коперника или обосновал его философски. Бруно - творец нового научного мировоззрения. Гениальное предвидение о бесконечности миров, “которые носятся в эфирном океане, подобно нашему миру”, возрождение атомистической теории, создание новой картины космоса выдвигают Джордано Бруно в первые ряды величайших мыслителей. Казнь Бруно была пирровой победой церкви. Учение Аристотеля агонизировало, и эта агония была необратимой. Но триумф идей Коперника бесспорно не состоялся бы еще многие годы, если бы вскоре после гибели Бруно в Европе не появились телескопы. Именно наблюдательные данные великого Галилея, его точная и последовательная интерпретация этих данных с позиций коперникианства, несмотря на драму отречения, нанесли окончательный удар по системе мира Аристотеля. Одним из творцов астрономии нового времени был также И. Кеплер, открывший законы движения планет по эллиптическим орбитам. Только благодаря работам Галилея и Кеплера система мира Коперника стала одним из краеугольных камней фундамента науки.

Одним из первых Галилей выдвинул как императив для ученого не следствие авторитетам, но “изучение великой книги природы”. В этом отношении с ним солидаризовался его английский современник Ф. Бэкон (1561-1626), разработавший методологические основы эмпирического (индуктивного) естествознания.

Одновременно с Галилеем исследования, обосновавшие гелиоцентрическую систему, проводил немецкий астроном И. Кеплер (1571-1630). Благодаря законам Кеплера гелиоцентрическая система впервые получила значительное количественное выражение. Законы Кеплера послужили исходным пунктом для построения механической картины мира, лежавшей в основе естественнонаучного мировоззрения в период XVII-XIX вв., когда основанная на них классическая механика оставалась наиболее развитой и “образцовой" для всех отраслей науки о природе.

3.4 Классическая механика и механистическая картина мира

Вскоре после открытия Кеплером его законов ряд физиков высказали предположение, что в основе этих законов лежит действие силы, притягивающей планеты к Солнцу и убывающей пропорционально квадрату их расстояния до Солнца. Однако только в 1687 г. это предположение было строго доказано английским физиком и математиком И. Ньютоном (1643-1727), опиравшимся при этом на многочисленные эмпирические измерения, а также на сформулированные им общие законы механики (см.2.2.4) и на открытое им (и одновременно Г.В. Лейбницем в Германии) дифференциальное и интегральное исчисление. Сущность Ньютонова закона всемирного тяготения заключается в том, что любые два тела с массами m₁ и m₂ притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной этим массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между этими телами:

где Y - коэффициент пропорциональности (“гравитационная постоянная”).

С помощью закона тяготения Ньютону и его преемникам удалось с большой точностью объяснить все наблюдаемые движения небесных тел, а также такие явления, как приливы и отливы, сплюснутость Земли у полюсов и т.д. Впоследствии предположения о всеобщем и абсолютном характере ньютоновской формулировки данного закона столкнулось с трудностями, прежде всего в плане объяснения движения небесных тел вблизи огромных тяготеющих масс (например, движение Меркурия вблизи Солнца), и эти трудности были преодолены лишь в XX в. благодаря созданию А. Эйнштейном общей теории относительности.

Сила, согласно механике Ньютона, есть количественная характеристика взаимодействия тел. Это взаимодействие мыслилось как осуществляемое непосредственно и мгновенно (через пустое пространство, заполненное какой-либо средой пространство могло замедлить взаимодействие). Такое представление основывалось на “концепции дальнодействия”. После открытия электромагнитного поля и изучения его свойств это представление было заменено идеей взаимодействия тел через посредство полей, со скоростью распространения света в пустоте, т.е. около 300 тыс. км/сек

Долгое время (приблизительно с конца XVII в. по конец XIX в.) в естествознании господствовало механистическое воззрение на природу, основанное на вере в правомерность экстраполяции на все явления картины мира, впервые в целостном виде сформулированной Ньютоном в 1687 г. в его труде “Математические начала натуральной философии”. Такая экстраполяция основывалась на двух допущениях: на абсолютной верности ньютоновской механики и на возможности сведения к ней закономерностей всех форм движения материи. Оба допущения были в конечном счете неверны, однако с определенной степенью приближения эффективно работали долгое время и подтверждались важными открытиями. Так, на основании расхождений между реально наблюдаемыми и вытекающими из ньютоновской небесной механики данными в течение XVIII - первой трети XX в. были открыты три последние из больших планет Солнечной системы: Уран (1781), Нептун (1846) и Плутон (1930). Открытие Нептуна произвело особенно сильное впечатление в связи с тем, что за год до визуального обнаружения планеты ее наличия было предвычислено (впервые примененными для такой цели математическими приемами) на основании неправильностей в движении Урана. Это был яркий пример предсказательной силы науки, руководствовавшейся классическими принципами “Математических начал”.

Естествознание XVIII-XIX вв. в целом вслед за механикой Ньютона исходило из принципа тождества законов явлений на Земле и в космосе. XVIII столетие ознаменовалось быстрым, но в основном экстенсивным прогрессом физических и химических наук на основе ньютоновской механики и других достижений XVIII столетия. Объяснение той или иной формы движения приравнивалось к ее редукции к механическому перемещению. Ньютон интерпретировал таким образом свет, создав корпускулярную теорию света (в XIX в. она уступила место волновой теории). В XIX в. классическое естествознание обогатилось новой областью, связанной с изучением электромагнитных явлений, что однако не разрушило механистической картины мира, а лишь внесло в нее некоторые дополнения.

Неотъемлемой чертой механистической картины мира было также признание абсолютной детерминированности механистического типа для всех явлений. Такие крупные мыслители, как Г.В. Лейбниц или П.С. Лаплас столетием спустя, отстаивали возможность полного описания и даже предсказания всех явлений, включая биологические и социальные, если бы в достаточной мере были известны начальные условия - координаты и скорости всех материальных частиц для определенного момента времени. Мир, таким образом, мыслился как гигантский механизм, полное описание которого в терминах ньютоновской механики не сталкивается ни с какими сложностями, кроме чисто технических (наличие большого числа переменных).

С современной точки зрения недостатком классического естествознания было отсутствие посредствующих звеньев для объяснения взаимодействий, в силу чего воздействие одного тела на другое могло пониматься как влияние, минующее пространство: тело могло действовать там, где его нет. Ярким примером может служить ньютоновская трактовка действия одного тела на другое на любом расстоянии при явлениях тяготения.

Ньютон дедуцировал закон всемирного тяготения, рассматривая последнее в плане концепции дальнодействия, т.е. передачи силы или влияния без какой-либо посредствующей среды мгновенно на сколь угодно большие расстояния. Эта концепция в течение XVIII-XIX вв. не раз подвергалась критике, в отличие от трех основных законов, сформированных Ньютоном в “Математических началах натуральной философии" (законы инерции, связи силы с ускорением F=ma и равенства действия противодействию) и получивших всеобщее признание как основа классической физики, а в значительной мере и как образец для естествознания в целом. Современное естествознание отказалось от концепции дальнодействия, заменив ее представлением о действии полей, в свою очередь опосредованном воздействием частиц (квантов поля). Однако как раз применительно к гравитационным воздействиям механизм “близкодействия" остается еще не вполне проясненными экспериментально.

Опять можно отметить, что выбираются основные (для ученого) элементы окружающей действительности. Остальное, как опять же, первопричина всего сущего и причины возникновения силы притяжения, не принимаются в рассмотрение.

3.5 Универсальный закон сохранения количества вещества, открытий М.В. Ломоносовым

Законы механики Ньютона касались тяготения, движения и равновесия тел и оставляли в здании классического естествознания важный пробел, связанный с закономерностями сохранения в природе в целом и в замкнутых системах постоянного количества вещества. Этот пробел в 1756 г. восполнил пробел русский ученый-энциклопедист М.В. Ломоносов (1711-1765). Исходя из своих представлений о всеобщей взаимосвязи в природе, Ломоносов сделал вывод о том, что изменения массы вещества в одном месте обязательно влекут за собой изменения в другом, причем ничто не возникает из ничего. Этот вывод он подтвердил экспериментально, прокалывая металл в сосуде без доступа воздуха и измеряя вес сосуда до и после нагревания (вес оказался неизменным).

 

3.6 Феномен электричества и его истолкование в классическом естествознании

Одной из заслуг Ломоносова является, помимо всего перечисленного, разработка теории образования атмосферного электричества под действием восходящих и нисходящих токов воздуха. Исследования русского ученого по этой проблематике лежали в русле одной из важнейших тенденций науки эпохи Просвещения, стремившейся вписать обширный круг уже известных тогда феноменов статического электричества в механистическую картину мира. Отдельные сведения об электричестве накоплялись уже в древнем мире; у римского ученого Плиния Старшего (I в. н.э.) имеется даже сближение по свойствам янтаря и магнита, т.е. зачаток представления об общности электрических и магнитных явлений. К XVIII в. накопилось уже немало сведений об электростатических явлениях: о наличии положительных и отрицательных зарядов, о конденсаторах (“лейденская банка”), о возникновении электричества при трении и о его участии в физиологических процессах. Ломоносов совместно с Г.В. Рихманом количественно исследовали электричество, используя изобретенный Рихманом первый электрический измерительный прибор (“электрический указатель”). Рихман открыл явления электростатической индукции, затем проводил опыты по усовершенствованию молнеотвода, изобретенного незадолго перед тем в США Б. Франклином. Во время этих опытов Рихман трагически погиб от удара молнии (6 августа 1753 г.). В конце XVIII в.Ш. Кулон заложил основы электро- и магнитостатики.

Все эти исследования вряд ли были бы возможны без радикального прорыва в области учения об электричестве и магнетизме, осуществленного на рубеже XVII и XVIII вв. английским физиком У. Гилбертом (1544-1603 гг.).

Свое сочинение “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”, где описаны результаты более 600 опытов, Гилберт опубликовал в 1600 г. Здесь он впервые подробно описал поведение магнитной стрелки, установил нераздельность северного и южного полюсов магнита и невозможность получить магнит с одним лишь полюсом. Путем изучения с помощью магнитной стрелки свойств намагниченного шара, Гилберт открыл их соответствие магнитным свойствам Земли, установив таким образом, что последнюю можно рассматривать как “большой магнит”. Он открыл также несоответствие магнитных полюсов Земли географическим северному и южному полюсов.

В течение XIX в. к первичным сведениям относительно статического электричества, накопленным со времен Гилберта, Ломоносова и Кулона, добавился ряд разделов научного и технического знания, выросших на основе понятия электрического тока. Английский физик М. Фарадей (1791-1867) показал взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, а также между светом и магнетизмом (на примере вращения скорости поляризации света в магнитном поле). Он ввел в 1852 г. и самое понятие поля, в том числе электромагнитного, и усовершенствовал существовавшую и ранее, но не всеми признаваемую теорию волновой природы света, высказав идею об электромагнитной природе света. Эта идея хорошо согласовалась с волновой концепцией света О.Ж. Френеля - Т. Юнга, но противоречила более традиционной корпускулярной концепции света как потока частиц (И. Ньютон). Волновая концепция, хорошо объяснявшая дифракцию и интерференцию, а также электромагнитная концепция света Фарадея послужили для другого английского физика, Дж.К. Максвелла (1831-1879), стимулом к созданию в 1860-1865 гг. теории электромагнитного поля, которая придала завершенный характер классической физике: область электрических явлений благодаря этой теории стала частью предмета физики и оказалось вписанной в механистическую картину мира в таком же смысле, как ранее это можно было сказать о собственно механических явлениях. Свою теорию электромагнитного поля Максвелл сформулировал в виде системы дифференциальных уравнений; убедительно подтвердил то, что у Фарадея оставалось догадкой - что свет есть один из видов электромагнитного излучения; вычислил, что таковое должно распространяться в пустоте со скоростью света. Экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было дано в 1888 г. немецким физиком Г.Р. Герцем (1857-1894), наблюдавшим их интерференцию, поляризацию, преломление и т.д. Отметим, что в том же году (1888) опыты Герца повторил А.С. Попов (1859-1906) и затем высказал идею о возможности их использования для передачи сигналов на расстоянии - мысль, легшая в основу изобретенного им же в 1895 г. радиоприемника и его же открытия эффекта радиолокации (1897).

Математически углубив электродинамику, Герц придал ей форму, полностью демонстрировавшую симметрию между электрическими и магнитными явлениями (“электродинамика Максвелла - Герца”).

Синтезу классического естествознания способствовала точка зрения Максвелла на электрическую и на любой вид энергии как на эквивалент механической. Объединению теории электрического поля с ньютоновской механикой содействовало также признание Максвеллом существования эфира - абсолютно однородной среды, заполняющей все мировое пространство и служащей субстратом для распространения электромагнитных волн всех диапазонов. Гипотеза эфира впоследствии оказалась ложной, но на данном этапе только с ее помощью можно было обойтись без концепции дальнодействия. Теория электромагнитного поля, разработанная Максвеллом и ставшая затем общепризнанной, в конечном счете не нуждалась в допущении эфира.

Управления Максвелла, позволившие определять основные параметры электромагнитного поля в зависимости от пространственного распространения зарядов и токов, легли в основу классической электродинамики. Однако они оказали неприложимыми к электромагнитным волнам малой длины и большой частоты: для этого случая оказалось необходимым разработать иные закономерности, относящиеся уже к области квантовой электродинамики.

 

3.7 Основные достижения постклассической физики

Квантовая электродинамика возникла в рамках квантовой теории поля и до настоящего времени остается наиболее разработанной частью этой теории, основе которой лежит тезис, что поле (в частности электромагнитное) обладает не только непрерывными свойствами, как это предполагалось классической максвелловской электродинамикой, но и прерывными (дискретными) свойствами. Носителями последних являются кванты поля, точнее, соответствующих ему излучений. В случае света и других электромагнитных излучений эти кванты называются фотонами.

Начало XX столетия совпало с началом квантовой механики - теории, ставящей целью объяснить свойства и движение элементарных микрочастиц - дискретных частиц чрезвычайно малой (вплоть до нулевой) массы, к которым относятся как элементарные частицы, так и более сложные объекты микромира, например, атомные ядра и атомы в целом. Первыми экспериментальными предвестниками нового подхода были открытие рентгеновских лучей и радиоактивности, а также первой из ставших известными элементарных частиц - электрона. Все эти события произошли в 1895-1897 гг. Однако непосредственно начало квантовой механике положила лишь в 1900 г. работа немецкого физика Планка (1856-1947). В 1900 г. он выдвинул предположение, что атом изучает световую или вообще электромагнитную энергию лишь определенными порциями - квантами.

Гипотеза Планка на новом уровне возродила корпускулярную теорию светаПредпосылками квантовой концепции Планка-Эйнштейна было открытие фотоэффекта Герцем в 1887 г., электрона Дж. Дж. Томсоном в 1898 г. и объяснение фотоэффекта как испускания электронов Ф. Ленардом в 1899 г. На этом примере видна тесная преемственность классического естествознания с современным, постклассическим: переход от первого ко второму в ряде случаев совершается с такой непрерывностью, что граница не всегда сразу видна. В данном случае ее образуют публикации Планка и Эйнштейна 1900-1905 гг., знаменовавшие переход к новому, квантовому образу мышления.

Исходя их этого образа мышления, датский физик Н. Х.Д. Бор (1885-1962) усовершенствовал созданную в 1911 г.Э. Резерфордом (1871-1937) планетарную модель атома, согласно которой почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны. Однако по законам классической механики такая система не могла быть устойчивой: все электроны давно должны были упасть на ядра. Согласно внесенному в 1913 г. Бором уточнению, электроны, вращаясь вокруг ядра атома по орбитам стационарным орбитам, не излучают энергии, но переходя с одной из своих “допустимых" орбит на другую, излучают в каждом случае квант энергии. Позже Бором была разработана “копенгагенская интерпретация" квантовой механики, исходящая из того, что о самом существовании микрочастиц, тем более об их свойствах и движениях, можно судить только в контексте наблюдения.

Квантовая механика совершенно по-новому осветила микромир и его закономерности, о которых ранее имелись лишь смутные догадки. Эйнштейн в 1905 г., развивая идею Планка о квантованности электромагнитного излучения, предположил, что это излучение и в том числе видимый свет не только испускается порциями, но и вообще состоит из таковых, т.е. из квантов света (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте световых волн. Фотон может превращаться в электрон и позитрон - под последним имеется в виду положительно заряженный “двойник” электрона. Позитрон был открыт сначала теоретически, затем уже экспериментально, в космических лучах, и это открытие вызвало к жизни идею, что и у других элементарных частиц есть двойники-античастицы; каждая частица при становлении со своей античастицей аннигилирует. Помимо позитронов, были затем обнаружены антипротоны, антинейтроны и многие другие античастицы. Массы и спины частиц и соответствующих им античастиц равны, что же касается электрических зарядов и магнитных моментов, то и те и другие у частиц и их античастиц равны по величине и противоположны по знаку. Однако нет точных данных, насколько античастицы распространены во Вселенной: нет ли, в частности, таких крупных областей, которые были бы заполнены состоящим из одних античастиц “антивеществом” (проблема антимиров).

Сейчас известно уже довольно много видов элементарных частиц. Многое в классификации элементарных частиц остается пока гипотетическим и условным; например, не дали еще общезначимых результатов поиска гравитона - частицы, соответствующей гравитационному полю, как фотоны соответствуют электромагнитному.

 

3.8 Корпускулярно-волновой дуализм (волны де Бройля)

В основе квантовой механики лежит парадоксальное с точки зрения классической (неквантовой) физики положение о том, что в поведении микрочастиц проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. Это положение не является чисто теоретическим тезисом с целью построить законченную картину мира, но получило прежде всего экспериментальным путем. Показано, например, что пучок электронов, падающих на кристалл, дает дифракционную картину, объясняемую только при волновой трактовке электронов, в то время как в других случаях они ведут себя явно как частицы.

Концепция Планка - Эйнштейна основывалась на том, что свет представляет собой поток частиц - фотонов. Но это противоречило важной предпосылке самой этой концепции, идее Максвелла о свете как электромагнитных волнах. Эйнштейн предположил, что противоречие это является реальным: свет является в одно и то же время и волнами и потоком частиц. Например, при соударении с металлами фотоны, действуя как частицы, выбирают (при определенной частоте света и следователь, энергии фотонов) из металла электроны; в других случаях, например, при интерференции и дифракции, свет ведет себя как волна. В 1924 г.Л. де Бройль распространил этот корпускулярно-волновой дуализм, т.е. концепцию двоякой (корпускулярной и волновой) природы одного и того же объекта, на вещество, предположив, что вообще поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, однозначно соответствующими массе и энергии частиц. При всей непривычности для сознания физики того времени идеи тождества на микроуровне таких разных объектов, как частица и волна, принятие корпускулярно-волнового дуализма в конечном счете оказалось единственным разумным выходом из противоречия между в равной мере обоснованными волновой и корпускулярной природой света. Обобщение дуализма на всю материю явилось одним из первых и наиболее резких признаков совершившегося перехода к неклассическому мышлению в естествознании. Уже в 20-е годы гипотеза де Бройля получила широкое признание, в том числе и тот ее момент, что количественное соотношение между волновыми и корпускулярными свойствами для всех частиц то же, что было ранее предположено Планком для фотонов.

Э. Шредингер, используя бройлевское обобщение, создал в 1926 г. волновую механику - теорию движения микрочастиц, в которой для описания состояния микрочастиц введена волновая функция. Опыт подтвердил, что все микрочастицы обладают также и волновыми свойствами, а волновым процессам и следовательно, полям присуща дискретность. Таким образом, благодаря корпускулярно-волновому дуализму, вопреки буквальному смыслу слова “дуализм”, была преодолена противоположность между двумя ранее признававшимися формами существования материи: веществом и полем.

Ярким примером проявления корпускулярно-волнового дуализма служат опыты с электронами, в которых у последних наблюдаются, с одной стороны, типичные корпускулярные свойства (электроны) обнаруживают при столкновениях определенную энергию и импульс, имеют траекторию движения и сместе с тем волновые свойства (подтверждаются диффракции; дают интерференционную картину). В отличие от движения классических (более крупных) частиц для движения, микрочастицы не могут быть одновременно определены координата и импульс: это так называемый “принцип неопределенности”. Он тесно связан с другим, более широким принципом: с принципом дополнительности, согласно которому для познания явлений в их целостности необходимо применение взаимоисключающих (взаимно “дополнительных”) классов понятий. Для микрочастиц такими дополнительными понятиями как раз и являются понятия импульса и координаты, или понятия волны и частицы. Идея дополнительности далеко выходит за пределы физики: например, в концепции естественного отбора дополнительны друг другу внутренние (изменчивость генома) и внешние (влияние среды) факторы, в психологии - детерминизм и свобода.

3.9 Специальная теория относительности Эйнштейна (теория электромагнитного поля)

К концу XIX столетия классическое естествознание, которое как раз к этому времени сложилось в целостную и относительную законченную систему знаний о природе и ее законах, давшую возможность описывать и объяснять, казалось бы, любые феномены на основе принципов (1) детерминизма (учения о всеобщей детерминированности), (2) единства закономерностей поведения объектов микро - и макромира, а также (3) сведения высших уровней организации к низшим. Считалось, например, что биологические и даже психологические явления со временем будут сведены к химическим и физическим, а поведение любой сколь угодно сложной системы можно будет вычислить на будущее, если заданы начальные условия.

В основе сложившегося, таким образом, к концу XIX в. классического естествознания - и прежде всего, его наиболее законченной части, механики и физики, - лежала, как было сказано, механистическая жестко детерминистская картина мира и редукционизм (учение о всеобщем значении принципа редукции) как ее важная предпосылка. Осталось несколько аномалий, т.е. фактов несомненных, но не поддававшихся объяснению при имевшемся концептуальном аппарате: прежде всего, несогласованность электродинамики Максвелла с ньютоновской механикой, - несогласованность, которую пытались устранить допущением единой мировой среды, эфира, но эта гипотеза вела к еще большим трудностям и противоречила экспериментальным данным. Далее, не удавалось объяснить отклонение лучей света от прямой траектории при их прохождении около Солнца и некоторые неправильности (по сравнению с тем, что должно было следовать из вычислений), наблюдаемые в годичных смещениях перигелия Меркурия.

Однако по сравнению с бесчисленным множеством явлений, вполне удовлетворительно разъясненных классическим естествознанием, оставшиеся аномалии (заметим, что в XX в. они были разъяснены теорией относительности А. Эйнштейна, см.2.4.3 и 2.4.4) не представлялись особенно важными. Не угасала надежда на их устранение в ходе дальнейшего прогресса классического естествознания.

К тому же в течение всего времени своего формирования (условно - до середины XIX в) и господства (вторая половина XIX в.) классическое естествознание многократно подкреплялось данными практики. Вся техника и промышленность девятнадцатого, в значительной мере и двадцатого века была основана на полученном классической физикой теоретическом и экспериментальном знании, в частности, о свойствах главных для XVIII - первой половины XIX в. (пар) и для последующего периода (электричество) видах энергии.

Наука превратилась к концу XIX в. в социальный институт и неотъемлемую часть культуры всех развитых стран, стала (особенно это касается естествознания) одной из важнейших производительных сил. Отрицательные последствия науки (для экологии, в плане создания средств массового уничтожения и т.п.) еще не выглядели чет-то опасным, и сциентизм (надежда на науку как средство решения всех социальных проблем) был распространенной формой идеологии. По сравнению со всеми остальными социальными сферами и институтами, естествознание выступило как нечто наиболее прогрессивное и прогрессирующее. Казалось, что дальнейшая достройка огромного здания естественных наук будет заключаться лишь в выяснении второстепенных деталей и во все новых и новых прикладных приложениях классического естествознания, само же оно остается неоспоримым. Тем не менее на рубеже XIX и XX вв. ситуация изменилась, что привело к формированию современного естествознания, которое по отношению к классическому (или как иначе говорят, ньютоно-линнеевскому) часто называют неклассическим или постклассическим.

Двадцатый век начался с появления совершенно новой трактовки физической реальности - с создания А. Эйнштейном (1879-1955) теории относительности. Прежде всего он разработал ее применительно к кардинальным для физики категориям пространства и времени (1905). Это была так называемая специальная теория относительности (СТО). В ней пространство и время потеряли свой абсолютный характер, не подвергавшийся после Ньютона сомнению, и были заменены единым целым - “пространством-временем”, зависящим от системы отсчета, по отношению к которой оно определено. Все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны в отношении всех физических явлений и процессов, причем свет распространяется относительно всех ИСО с одинаковой скоростью с, каковая представляет собой наивысшую возможную скорость (скорость света в вакууме). Относительны даже такие свойства событий, как одновременность и последовательность во времени: одновременные в одной ИСО события могут оказываться неодновременными в другой. Получила свое обоснование эквивалентность инертной и гравитационной масс, принимавшаяся в классической механике просто как факт. Понятие массы потеряло свою независимость от энергии и скорости, как было у Ньютона. Формула E=mc² определяет энергию, связанную с данной массой m и пропорциональную ей; фиксируемые этим соотношениям количества энергии действительно освобождаются при ядерных реакциях и взрывах атомных бомб.

Предметом СТО является описание распространения света и других электромагнитных излучений (и соответствующих им полей) в ИСО. Согласно СТО, теория электромагнитного поля не требует допущения эфира или иной среды и оказывается непротиворечивой при признании независимости скорости света от системы отсчета. Эта же скорость (с) является предельной для передачи любых сигналов и взаимодействий. Электромагнитное поле в пустоте стало рассматриваться как новый вид физического объекта (ранее предполагалось, что поле нуждается в носителе - эфире). В трудах А.Х. Комптона и других ученых, начиная с 10-30-х годов, была выявлена связь релятивистских (т.е. относящихся к теории относительности) постулатов и квантовой электродинамики в рамках теории электромагнитного поля.

Согласно СТО, событие А в какой-либо ИСО, являющееся причиной события В, для наблюдателя из некоторой другой ИСО вполне может выглядеть, наоборот, как следствие этого события В. Однако такого рода парадоксы могут приобрести практическое значение только при скоростях, близких к с, а в более привычных для экспериментаторов условиях сохраняют все свое значение классические кинематика, динамика и статика.

Больше того, некоторые положения классической физики получили в СТО дополнительное и более общее обоснование. Основоположения СТО подразумевают, как и классическая физика, что пространство является евклидовым; вместе с тем физика освобождается от постулатов об абсолютном характере пространства и времени, а все измерения привязываются к чисто эмпирически данным ИСО.

 

3.10 Теория гравитационного поля (общая теория относительности) Эйнштейна

Значительно дальше (про сравнению со СТО) отошла от классической физики созданная Эйнштейном на более позднем этапе его деятельности общая теория относительности (ОТО). В ней пространство уже не является евклидовым, т.е. пространством нулевой кривизны, но связывается с распределением и движением масс показателем кривизны: структура пространства - времени определяются, согласно ОТО, перемещением масс материи, включает в себя поле тяготения и этим отличается от однородной структуры пространства и времени в СТО. Тело, движущееся по инерции, искривляет свое движение под влиянием других (удаленных от него) тел: согласно классической физике, это влияние есть воздействие сил тяготения. Согласно ОТО, напротив, оно есть результат неоднородности, “неевклидовости" пространства - времени, гипотеза же дальнодействия оказывается излишней, а поле тяготения отождествляется с геометрическими свойствами пространства. До создания ОТО закон тяготения никак не был связан с законами механики: например, у Ньютона он, как известно, формируется вне связи с тремя его началами (принципами, законами Ньютона - об инерционном движении, о силе F=ma и о противодействии) и как нечто взятое из опыта и не выводимое из этих начал. Астрономические наблюдения подтвердили большую точность ОТО по сравнению с ньютоновским законом тяготения; в частности, подтвердилось требуемое ОТО влияние тяготения на частоту и распространение световых лучей (вспомним, что факт такого влияния, обнаруживаемого вблизи Солнца, был одной из аномалий, ослабивших в конце XIX в. позиции классического естествознания). Сила тяготения, согласно ОТО, есть определенное состояние пространства - времени, а гравитационные волны - “волны пространства-времени” или “волны в пространстве-времени”. ОТО фиксирует отличие априорной, математической геометрии от геометрии физических тел, всегда нуждающейся в экспериментальной проверке. В контексте теории относительности по-новому поставлен и решен вопрос о соотношении инертной и гравитационной массы.

 

3.11 Эквивалентность инертной и гравитационной массы

Как видно из сказанного, теория относительности поставила перед естествознанием новые задачи, в частности, проблему реальности гравитационного излучения, несущего энергию, и соответственно гравитационных волн (волн тяготения). Намечаются также задачи истолковать в геометризованном духе не только гравитационное, но и другие виды полей; разработать ОТО применительно к миру элементарных частиц; и т.д. Экспериментально давно было установлено, что обе массы эквивалентны друг другу с точностью до некоторого постоянного соотношения между измеряющими их единицами. В плане ОТО эта эквивалентность означает эквивалентность инерционных и гравитационных полей.

Инертная масса m определяется ньютоновским соотношением F=mа и служит мерой инерции тела: чем больше инертная масса тела, тем меньше ускорение (под действием одной и той же силы) оно приобретает, иными словами, тем больше его инерция. Но вместе с тем масса выступает как источник поля тяготения и с этой точки зрения определяется уже рассмотренной нами в разделе 2.2.1 формулой где r - расстояние между двумя взаимно притягивающимися телами, m₁ и m₂ - их массы, G - гравитационная постоянная. В этом смысле, т.е. как источник тяготения массу называют гравитационной.

Вообще говоря, теоретически (в рамках классической физики) можно представить себе, что инертная и гравитационная массы не находятся ни в каком определенном соотношении и даже не взаимосвязаны. Однако опыт с очень высокой степенью точности показывает, что они эквивалентны, т.е. при соответствующем подборе единиц измерения оказываются равными. Собственно именно благодаря этой эквивалентности мы и можем определять массу тела взвешиванием. Если в рамках классической механики эквивалентность гравитационной и инертной масс выглядит чисто эмпирическим фактором, то в теории относительности этот факт получил теоретическое объяснение. Оно заключается в “распространении принципа относительности на системы координат, движущиеся неравномерно друг относительно друга. Действительно, такая концепция приводит нас к признанию единства инерции и тяготения; в зависимости от того, каким образом мы их рассматриваем, одни и те же силы могут представляться находящимися под действием только сил инерции или под совместным действием как сил инерции, так и тяготения … Возможность объяснить численное равенство между инерцией и тяготением на основе единства их природы доставляет общей теории относительности столь большое превосходство над представлениями классической механики, что все трудности, с которыми она сталкивается в своем развитии, следует по сравнению с этим считать незначительными" (А. Эйнштейн. Сущность теории относительности. М., 1955, с.54-55).

 

3.12 Открытие элементарных частиц

Одним из отличий постклассических представлений от более ранней физики является изменившаяся картина материи. В основе этой картины в XX в. лежит идея элементарной частицы как далее неделимой структуры. К концу столетия стало общепризнанным, что самое свойство “неделимости” не так очевидно, как думали ранее. Если элементарные частицы и не делятся на части, то они в очень широких пределах друг в друга превращаются. Но в течение большей части XX в. в сознании ученых элементарные частицы были носителями свойства “неделимости” подобно тому, как раньше это свойство приписывали атомам. Что же касается атомов элементов, то они конечно, уже не были в понимании XX в., как для античных мыслителей или для ученых XVII-XIX вв., чем-то неделимым, но мыслилась как состоящая из частей: из электронов и ядра, которое в свою очередь включает в свой состав ряд элементарных частиц.

Открытие античастиц явилолсь одним из примеров введения постклассическим естествознанием правил, не могущих быть понятыми или интерпретированными в рамках классической физики.

За последние десятилетия был открыт (точнее, вычислен, предположен на основе убедительных математических соображений) еще целый ряд “виртуальных”, существующих по-видимому, но не обнаруживаемых в эксперименте частиц, для которых не выполняются обычные соотношения между массой, импульсом и энергией. С другой стороны, много непривычных свойств (например, дробность электрического заряда и т.д.) постулировано для таких ненаблюдаемых, но необходимых для обоснования многих процессов в микромире, как кварки и актикварки (см.2.4.1). В особую категорию выделены, начиная с 1950-х годов (работы Э. Ферми) короткоживущие возбужденные состояния адронов - “резонансы”. В конечном счете нет уверенности, что известные сейчас элементарные частицы являются подлинно элементарными в смысле неразложимости. Однако существенно, в частности в плане концепции корпускулярно-волнового дуализма (см.2.4.2), что каждой частице ставится в соответствие определенный вид поля. Из всех элементарных частиц выделяется группа частиц, возможно, “элементарных" в полном смысле слова, которые определяют всю специфику процессов в микромире. Это кварки и лептоны (частицы со спином 1/2); бозоны, фотоны, глюоны - частицы, “склеивающие” кварки в нуклоне (спин 1/2); а также гипотетические гравитоны.

В настоящее время решается задача объяснить на основе известных и предполагаемых свойств элементарных частиц важнейшее свойство атома - его устойчивости в течение огромных промежутков времени. В первом приближении объяснение этого было достигнуто уже Планком с помощью его гипотезы об элементарном кванте действия (синоним: постоянная Планка, см.2.4.1). Как писал Н. Бор, “… только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу, практически бесконечно малого размера. Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояние с испусканием освобождаемой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения … Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания” (цит. по: В.И. Кузнецов и др., 1996, с.138). В самом деле, учение о жесткой детерминированности благодаря квантовой механике и другим отраслям постклассической физики все больше уступает место принципу неопределенности, а также статистическому и другим более гибким подходам. И в первую очередь этот сдвиг в подходе реализовался благодаря исследованиям мира элементарных частиц.

Интенсивное развитие физики микромира привело к выделению в качестве особой дисциплины ядерной физики

Теория относительности, хотя в принципе и универсальная по своему применению, все же находит приложение и проверку чаще всего на мегауровне, в связи с явлениями масштаба Галактики и Метагалактики (см. ниже). Напротив, квантовая механика исследует прежде всего явления, развертывающиеся на уровне элементарных частиц и вообще индивидуальных микрочастиц. Более приближенные к человеческому уровню восприятия системы, системы мезоуровня продолжают изучаться с одной стороны, средствами классической ньютоновской механики, а с другой, статистически. Примером глубокого проникновения статистических методов в современное естествознание может служить термодинамика. Третье из ее основных начал, принцип недостижимости абсолютного нуля, было установлено В.Ф.Г. Нернстом в 1906 г., в то время как два остальных начала термодинамики - закон сохранения энергии и принцип неубывания энтропии, т.е. меры вероятности состояния системы (микросистема может без внешних влияний переходить лишь от менее к более вероятным состояниям: от порядка к беспорядку, от определенной температуры к более низкой и т.д.), были известны ранее. Из второго начала делался вывод, что мировой процесс должен привести к максимизации энтропии и “тепловой смерти” Вселенной. Однако ОТО показала, что энтропия космических терподинамических систем может сколь угодно долго возрастать без достижения ими равновесного состояния с максимальным значением энтропии. По крайней мере в этом отношении постклассическое естествознание внесло ноту оптимизма в научное миросозерцание, поскольку вопрос о тепловой смерти перестал быть актуальной темой мировоззренческих дискуссий.

 

3.13 Физика и космология

Современные астрономия и космология перестали быть сочетанием чисто наблюдательного и умозрительного подхода, как это имело место до конца XIX в., и стали дисциплинами, опирающимися на точное физическое знание, в особенности на теорию относительности и квантовую механику

Классическое естествознание рассматривало Вселенную как стационарную систему, которая всегда была более или менее такой, как сейчас. Это допущение отражало более общие постулаты об однородности и абсолютности пространства и времени, отвергнутые, как мы видели, теорией относительности. На базе ОТО советский физик и математик А.А. Фридман (1888-1925) в 1922 г. теоретически предсказал, что вселенная может расширяться и сужаться. Согласно уравнениям Фридмана, существуют разные возможности: если средняя плотность вещества Вселенной равна или меньше некоторой критической величины, Вселенная неограниченно расширяется (видимо, эта возможность на данном этапе и соответствует реальности, что подтверждается методами спектроскопии: в спектрах галактик красные линии смещены таким образом, что создают картину удаления галактик от нас во все стороны со скоростью, пропорциональной квадрату расстояния. Это “красное смещение”, поразительным образом подтвердившее гипотезу Фридмана, было открыто через несколько лет после опубликования его работы). Если же плотность больше критической, Вселенная сжимается. При модели расширяющейся Вселенной, Вселенная первоначально имела точечный вид как бы шарика размером подобного электрону, а плотность ее была около 10¹⁰⁰ г/см³. Температура ее была трудно представима, порядка миллиона миллионов градусов. После первичного так называемого Большого взрыва размер Вселенной стал увеличиваться, а температура - снижаться, пока тот и другая не достигли величин, о которых мы можем более или менее непосредственно судить, поскольку от них осталось нечто доступное измерению, а именно реликтовое радиоизлучение - излучение сохранившихся в межзвездных пространствах скоплений водородно-гелиевой плазмы, которые остались неизменными со времени до образования звезд. Все величины, относящиеся к более раннему периоду, получены путем простой экстраполяции более поздних процессов на самые ранние этапы образования Вселенной и потому не столь достоверны и уже неоднократно пересматривались. В частности, удаленность от нас Большого взрыва принималась равной 4-5 миллиардов лет, сейчас - 20-25 миллиардов лет, но и эти цифры не окончательны.

В период, от которого осталось реликтовое радиоизлучение, т.е. приблизительно 3-4 миллиарда лет тому назад, Вселенная состояла из более или менее однородной смеси водорода с гелием, со сравнительно “низкой" температурой - 4-5 тысяч градусов. Позднейшая сверхвысокая температура в недрах звезд возникла вторично в результате, скорее всего, термоядерных реакций. Радиус Вселенной в эпоху формирования реликтового излучения составлял около 15 миллионов световых лет.

3.14 Концепции современной химии и их формирование в ходе великих химических открытий

Вплоть до XVIII столетия в химии удерживались чисто умозрительные представления о том, что вещество состоит из “стихий" типа постулированных еще средневековыми алхимиками “ртути”, “серы" и др. или из “начал” наподобие невесомого “теплорода” (“флогистона”), якобы служащего причиной теплоты. Однако уже в 1660-х годах английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел научное определение химического элемента как простого тела, которое не может быть получено из других тел и веществ. Он ввел в химию экспериментальный метод и измерение, положил начало исследованию закономерностей связи между объемом и давлением газов. Однако лишь в XVIII в. химия стала приобретать характер науки, основанной на выявлении системы объективных закономерностей. Впрочем, этому продолжало мешать господство концепции флогистона и недостаточность надежных количественных данных.

 

3.15 Закон сохранения массы Ломоносова

 

Выступив против концепции флогистона, Ломоносов пришел к гораздо более правдоподобному предположению, что теплота обусловлена вращательными движениями “корпускул”. Он выдвинул ставшую впоследствии известной формулировку закона сохранения массы: “Все перемены, в натуре случающиеся, такова суть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому”. Если Бойль еще доказывал существование флогистона тем, что металл после прокалывания увеличивает свой вес, то Ломоносов в 1756 г. опроверг эти опыты (точнее, их ложную трактовку Бойлем) тем, что при прокалывании без доступа воздуха прибавки веса не получается. Этот факт был подтвержден в 1774 г. французским химиком А.Л. Лавуазье (1743-1794), показавшего затем, что прибавка веса является результатом присоединения особого элемента - кислорода.

 

3.16 Закон постоянства состава веществ Пруста

Для развития химии необходима была фиксация предмета этой науки как чего-то характеризуемого постоянными и устойчивыми признаками. В этом отношении важнейшую роль сыграли работы французского химика Ж.Л. Пруста (1754-1826). Исследовав состав многочисленных хлоридов, сульфидов, а также окислив металлов, он на рубеже XVIII и XIX вв. открыл закон постоянства химических соединений, гласящий, что каждое химическое соединение, независимо от способа, каким оно было получено, состоит из одних и тех же элементов, притом стоящих друг к другу в одних и тех же весовых отношениях. Без этого закона не удалось бы подвести базу под классическое атомно-молекулярное учение (см.1.3.4 и 1.3.5).

3.17 Закон эквивалентов Рихтера

Немецкий химик И.В. Рихтер (1762-1807) стремился отыскать в химических реакциях математические закономерности. В 1793 г. ему удалось показать, что в любой реакции, ведущей к образованию определенного соединения, элементы взаимодействуют в строго определенных пропорциях. Эти пропорции получили впоследствии название эквивалентов, а закон эквивалентов нашел выражение в виде таблиц, ставших основой количественного описания всех известных тогда реакций. Закон эквивалентов Рихтера стал одной из предпосылок химической атомистики.

 

3.18 Закон кратных отношений Дальтона

Первые определения атомных весов элементов были выполнены в первые годы XIX в. английским химиком и физиком Дж. Дальтоном (1766-1844). Обоснованием химической атомистики послужил также его закон кратных отношений для случая, когда два химических элемента образуют друг с другом несколько соединений: весовые количества одного из элементов, поделенные на таковые другого, относятся между собой, как простые целые числа.

На основании своего закона кратных отношений, а также закона постоянства состава Пруста Дальтон в 1803-1804 гг. выдвинул свою теорию атомного строения (химическую атомистику). Благодаря этой теории представления об атоме как носителе химических свойств впервые начали приобретать конкретный характер.

3.19 Закон Авогадро о постоянстве количества молекул в данном объеме

Отправляясь от атомистики Дальтона, итальянский физик и химик А. Авогадро (1776-1856) сформулировал в 1811 г. теорию молекулярного строения вещества. Он разработал метод определения молекулярных масс и с его помощью вычислил в течение 1810-х годов атомные массы кислорода, углерода и многих других элементов, а также открыл закон, согласно которому в одинаковых объемах газов содержится одинаковое количество молекул (при одной и той же температуре и давлении). Он уже в определенном смысле явился предшественником Д.И. Менделеева: так, Авогадро первым установил серию элементов, которые впоследствии вошли в периодическую систему как группа (точнее, главная подгруппа пятой группы. Это были азот, фосфор, мышьяк и сурьма, аналогию в свойствах которых Авогадро подметил).

3.20 Периодический закон и периодическая система химических элементов Менделеева

Перечисленные открытия заложили основу для атомно-молекулярной теории строения вещества, которая получила законченный вид в 1860-х годах, когда А.М. Бутлеров (1828-1886) создал теорию химического строения, а Д.И. Менделеев (1834-1907) - свою систему элементов. Последняя не только представляла собой классификацию элементов по объективным критериям, но и дала новый пример предсказательной силы науки: на основании своей системы Менделеев получил возможность предсказывать открытие новых элементов. Так, им заранее были установлены свойства скандия, германия, галия, эмпирически открытых лишь впоследствии.

Периодическая система Менделеева представляет собой развернутую форму его же периодического закона, первое четкое изложение которого было дано Менделеевым в феврале 1869 г. Сущность этого закона в трактовке самого Менделеева заключается в том, что физические и химические свойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса. В современном понимании эта трактовка должна быть уточнена: свойства элементов зависят не столько от атомного веса, сколько от заряда ядра и определяемого этим зарядом числа электронов в атоме, которое равно порядковому номеру в системе Менделеева. Но в целом Менделеев был прав, называя свою таблицу естественной системой элементов. Она впервые отразила объективное распространение всех известных тогда элементов соответственно их свойствам, причем среди этих свойств выделена одно первичное (атомный вес, мы бы сейчас сказали - заряд ядра) и многочисленные зависимые от него вторичные.

Уже из планетарной модели атома Резерфорда и из факта нейтральности (нулевого заряда) атома в целом вытекло, что положительный заряд ядра является кратным отрицательного заряда электрона. На основе этого соотношения и была в 1913 г. выдвинута гипотеза, впоследствии оправдавшаяся, что число электронов в атоме равно порядковому номеру соответствующего элемента. После усовершенствования резерфордовской планетарной модели Бором выяснилась причина периодичности в таблице Менделеева. Это также был один из примеров преемственности между классическим и постклассическим состоянием науки. Согласно модели Бора, электроны движутся вокруг ядра лишь по “разрешенным” стационарным орбитам. Элементы с одним, двум и т.д. электронами в наружном слое, наиболее определяющем физические и химические свойства элемента, в целом повторяют свойства элементов с одним, двумя и т.д. электронами в наружном слое, но имеющих притом на один или несколько слоев (разрешенных орбит) электронов меньше.

3.21 Особенности постклассической химии

Современная (постклассическая) химия, продолжая оставаться наукой о превращениях и свойствах веществ, проявляющихся при трансформации их структуры на атомно-молекулярном уровне, приобрела в то же время новые особенности по сравнению с классическим периодом. Прежде всего, как сказано, она опирается на квантовую механику и учение о строении атома. Под этим углом зрения переосмысливаются все классические понятия. Например, валентность по-прежнему трактуется как количественная мера способности элемента к образованию химических связей, но в XX в. связи эти трактуются как электростатические силы, причем выяснилось, что упомянутая способность образовывать связи зависит от характера внешней (валентной) оболочки атомов (см.1.3.6). Конечно, для этого необходимы были по меньшей мере открытие электрона и боровская планетарная модель атома.

Еще недавно не имели применения, да почти что и не были известны изотопы - разновидности одного и того же химического элемента, имеющие один номер в периодической таблице, но отличающиеся друг от друга по атомной массе. Порядковый номер (число протонов в ядре) у изотопов одного и того ж элемента одинаков, но имеются добавочные или недостающие нейтроны, так что атомная масса получается неодинаковая. Первые изотопы были получены в процессе радиоактивного распада урана и тория в 1906-1907 гг., что явилось важным компонентов происходившей тогда тотальной перестройки естественнонаучных концепций. Оказалось, что порядковый номер элемента в менделеевской таблице является значительно более сложным показателем, чем полагали ранее, и под ним могут скрываться разновидности этого элемента с неодинаковыми свойствами, хотя и с одним зарядом ядра (конечно, такие формулировки смогли появиться только после принятия планетарной модели атома, каковая и была предложена в 1911 г.Э. Резерфордом, хотя еще и в несовершенной форме по сравнению с раннеквантовой моделью Бора, см.2.1.). Вскоре изотопы были открыты и у стабильных элементов, раньше всего у неона, а в 1934 г.И. Кюри и Ф. Жолио получили изотопы искусственным путем (а именно, отсутствующие в природе радиоактивные изотопы азота ¹²N, кремния ²⁸S; и фосфора ³⁰Р - слева вверху стали писать массовое число изотопа). Затем путем ядерных реакций синтезировали еще много изотопов, в основном радиоактивных.

 

3.22 Эволюционная химия

Широко распространилась за последние годы и представляет уже отчасти переход к биологии концепция эволюционной химии, основанная на введении в химию идеи саморазвития путем восхождения на более высокие уровни сложности и упорядоченности. Эволюция понимается в данном случае как спонтанный - в природе или специально подобранных (чтобы сделать минимальным участие человека) условиях - синтез новых химических соединений, являющихся более сложными по сравнению с исходными материалами. Сюда же примыкает моделирование каталитических систем, к которому мы вернемся в связи с проблемами биологии. Для химического же уровня организации несомненно, что раннему этапу возникновения жизни предшествовали сложные молекулярные процессы, которые можно отнести к категории химической эволюции и без которых жизнь не возникла бы.

На этом этапе в атмосфере Земли взаимодействовали сначала очень простые углеродосодержащие и безуглеродные вещества (вода, углекислый газ, аммиак, сероводород, цианистый водород, фосфорная кислота и т.д.), затем получившиеся из них малые биомолекулы (мономеры: сахара, аминокислоты, пурины, пиримидины, моносахариды и т.п.), затем сложные органические вещества и биополимеры (липиды, полисахариды, белки, нуклеотиды и др.) - и это уже была преджизнь, переход к живому веществу. Механизмы этого процесса перехода во многом неясны и представляют собой одну из тех наиболее увлекательных областей исследования, которые обещают обогатить естествознание новыми и углубленными концепциями. Для них отчасти уже готовы наименования: теория самоорганизации, биогенез, синергетика и т.д. Однако мы еще далеки от редукции реальных эволюционных и биологических процессов к химической основе, если такая редукция вообще возможна.

Редукцию химических концепций и в целом химического уровня организации к физическому можно считать практически состоявшейся, как можно видеть, в частности, на примере валентности, периодического закона Менделеева (см. выше) и многих других концепций и категорий. Редукция биологического уровня к химическому, видимо, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежели редукция химического уровня к физическому. Многие применяемые в биологии понятия не имеют аналогии на низших уровнях организации. Таковы понятия органа, стимула, пола, инстинкта и др. Тем не менее во все возрастающей степени в биологии используется концептуальный аппарат физики и химии, а потому концепции современной биологии необходимо рассматривать как в их специфике, так и в контексте физических и химических данных и категорий.

 

3.23 Биологические явления. Формы и уровни жизни

Многообразие имеющихся на Земле живых систем поразительноЧасти организмов (клетки, ткани, органы), далее сами организмы, популяции, нередко рассматриваются в виде особых, всевозрастающих в отношении сложности объектов - уровней организации. “Лестница" этих уровней представляет собой часть более общей шкалы повышения организации в природе, начиная от атомов и молекул и кончая человеком, человеческим обществом и ноосферой (см. ниже).

В плане построения четкой картины многоуровневости живой природы в настоящее время наиболее адекватным представляется выделение следующих уровней: (1) молекулярного, составляющего предмет молекулярной биологии; (2) субклеточного - органелл и других внутриклеточных структур; (3) клеточного; (4) тканевого; (5) органного; (6) организменного; (7) популяционного - как сказано, ключевого с точки зрения СТЭ; (8) видового (сюда же примыкают уровни более высоких систематических единиц: рода, семейства, класса и т.д.); (9) биогеоценотического и (10) биосферного. Два последних уровня включают в себя не только организмы, но и участки земной поверхности и вообще местообитания организмов и будут рассмотрены ниже.

 

3.24 Специфика феномена жизни

Отличительные особенности живых существ заключаются, во-первых, в их составе, во-вторых, в строении и функциях. По составу они относятся к тому региону материального бытия, в основе которого лежат органические соединения. Какие именно, есть разные мнения. Раньше считали, что в основе жизни лежат белки; однако сейчас представляется более вероятным (как мы увидим ниже, при изучении генетических концепций), что еще важнее нуклеиновые кислоты - биополимеры построенные из нуклеотидов (азотистых оснований - пуриновых и пиримидиновых), углеводов и остатка фосфорной кислоты и лежащие в основе процессов хранения и передачи негенетической информации, т.е. информации, передающейся от одного поколения организмов к другому. Белки важны в осуществлении самых разнообразных функций в течение онтогенеза. Но при передаче признаков по наследству, а значит, и при филогенезе их роль сравнительно с нуклеиновыми кислотами пассивна, она лишь реализует программу, заложенную в последних. Теоретически возможны, например, на других планетах, и формы жизни, основанные на каких-либо других соединениях, например, не углеродных, а кремниевых. Сейчас для описания феномена жизни в наиболее общем виде берут за основу чаще всего не состав, а функции и структуру живых объектов как систем.

Под этим углом зрения первостепенными для определения некоторой системы как живого организма являются ее целостность; далее, уже упомянутый факт онтогенеза (согласно теории эволюции, также и филогенеза - исторического, т.е. в геологическом времени, формирование видов, родов, классов и других систематических групп организмов); обмен веществ и энергии с окружающей средой; способность целесообразно реагировать на ее изменения; сложность (высокоупорядоченность) строения; размножение. Взятые порознь, все эти аспекты специфики живого не являются абсолютными. Так, в определенной мере целостность характерна уже для кристаллов; в процессе кристаллизации в растворах, когда около “зародышевых” центров в течение определенного времени образуются “взрослые" кристаллы, с основанием можно видеть нечто подобное онтогенезу, т.е. индивидуальному развитию. Видимо, этот процесс в каких-то формах, возможно, напоминающих современные вирусы, также и исторически предшествовал появлению типичной жизни. Обмен веществ и энергии (иногда в том же смысле, т.е. как осуществляющих этот обмен, говорят о живых системах как открытых) тоже не столь уникальный случай: открытых систем и вне жизни много (например, газовые оболочки гигантских планет, где нет жизни, но идут потоки вещества и энергии к поверхности планеты и в космос). Вообще неорганические (“косные”) системы весьма нередко обмениваются (хотя бы в элементарной форме) веществом и энергией со своей средой и реагируют на ее изменения, и если это реагирование трудно определить как “целесообразное”, то по крайней мере есть системы, определенным образом “направленные" на поддержание своего равновесия: например, смесь уксусной кислоты с ее же натриевой солью или вообще буферные растворы, сохраняющие в известных рамках при добавлении воды, кислот или оснований на одном и том же уровне свою важнейшую характеристику - кислотность.

В то же время говорить о целесообразности реагирования организмов можно далеко не всегда: сталкиваясь с непривычными стимулами, они вполне могут поступать себе во вред. Вспомним о мотыльках, летящих на огонь, или о “самоубийствах” китов, выбрасывающихся на берег. Как раз устойчивость (к внешним воздействиям) параметров внутренней седы организма, реализуемая на основе системы обратных связей - гомеостаз - является более отчетливой характеристикой живых систем. Примером гомеостаза может служить выравнивание артериального давления после того, как изменение давления воспринимается барорецепторами сосудов, те передают сигнал в мозговые центры, откуда другой сигнал направляется к гладкой мускулатуре сосудов и снижает ее тонус, а это в свою очередь сигнализируется в мозг, который прекращает посылать расслабляющие импульсы. Не только организмам, но и другим живым системам свойствен гомеостаз: генетический гомеостаз представляет собой условие существования популяций, он заключается в поддержании (при возникающем равновесии внешнем воздействии) их генетической структуры. Однако как момент в определении специфики жизни гомеостаз немного дает, ибо присущ, как мы видели, и чисто химическим системам. Он встречается и в физических и технических системах: известен сконцентрированный У.Р. Эшби в 1948 г. “гомеостат” - система из четырех магнитов с перекрестными обратными связями. При отклонении системы от равновесного состояния магниты перемещаются случайным образом, “отыскивая” новое равновесное положение. Гомеостат Эшби мог даже до известной степени обучаться, компенсируя частичную поломку и восстанавливая связи нарушенные под влиянием изменений в среде, т.е. проявлял зачаточную целесообразность. Сложность тоже понятие относительное: была ли Вселенная в целом до появления жизни проще, чем какой-нибудь бактериофаг?

Более специфично для жизни явление размножения - воспроизведение себе подобных. Однако и ему есть аналогии в неживой природе: размножение кристаллов в насыщенном растворе, а также деление атомного ядра. При поглощении нейтрона ядра атома урана меняет форму, образуется “шейка”, а после ее уточнения и разрыва - два разлетающихся осколка, которые в свою очередь испускают нейтроны и т.д., причем все эти нейтроны подобны первому во всяком случае больше, чем организмы своему прародителю. При бета-распаде (распаде атомного ядра, сопровождающемся вылетом из него бета-частицы - электрона или позитрона) увеличивает число протонов или нейтронов, в зависимости от разновидности распада (b ^- или b⁺).

Это формальное возражение следует иметь в виду, тем не менее, по существу размножение представляет собой достаточно оригинальное свойство именно живого: “достаточно" для того, чтобы быть положенным в основу определения жизни. Вот один из вариантов такого определения: “жизнь есть форма существования высокоупорядоченных открытых систем, способных к целесообразной реакции и к размножению”. С древнейших времен, как только люди стали пытаться определить жизнь в отличие от всего остального, они опирались на этот признак. Что заповедует в Библии Бог живым существам, творя их? Не реагировать ли, не обмениваться ли веществом и энергией со средой, не быть сверхсложными? Нет, но: “плодитесь и размножайтесь”. Отсюда можно видеть, что с самого начала этот признак как очевидно важный, в том числе и практически, наиболее привлекал внимание. По истечении тысячелетий он не стал менее важен, но постигнул научно и стал предметом рассмотрения наиболее, пожалуй, специфической из биологических дисциплин: генетики, науки о наследственности временного естествознания, появление первых организмов на Земле, стало возможным как заключительный этап химической эволюции.

Развитие современной генетики началось одновременно с развитием других отраслей постклассического естествознания - в первых годах XX в., с переоткрытия несправедливо забытых перед тем законов Менделя (1900 г.) и введения в 1909 г. понятия “ген” (элементарная единица наследственности; как позднее выяснилось - отрезок молекулы нуклеиновой кислоты).Г. Мендель (1822-1884) в своей классической работе 1865 г. “Опыты над растительными гибридами" не употреблял, конечно, этой современной терминологии, но открыл существеннейшие закономерности наследственной передачи: независимость комбинирования генов (он писал: “наследственных факторов”), рецессивность и доминирование (см. ниже). По терминологии XX в., каждый ген лежит в основе какого-либо признака (впрочем, есть случаи определения признака несколькими генами и влияния гена на несколько признаков - упомянем об этом для полноты картины, но абстрагируемся от этих случаев). Гены и соответственно признаки при наследственной передаче дискретны и передаются независимо один от другого.

 

3.25 Теория эволюции Дарвина и ее синтез с генетикой

Генетика в тех ее формах, какие она приобрела в первую половину XX столетия, удачно объясняла постоянство наследственной природы организма, но в меньшей степени эффективно давала интерпретацию изменений этой природы. Между тем независимо от генетики (так сложилось первоначально) такую интерпретацию давало эволюционное учение и в особенности возникший в середине XIX в. дарвинизм.

Предположения о том, что современный растительный и животный мир не существовал извечно, но представляет собой нечто исторически возникшее и изменявшееся, бывали еще в древнем мире. Эти догадки принимали форму креационизма, т.е. учения о сотворенности жизни; иногда также форму учения о самозарождении жизни в неживых субстратах (иле, морской воде и т.д.). Постепенно накапливался позитивный материал (селекция, находки остатков вымерших организмов, обнаружения атавизмов), свидетельствовавший об историчности всех проявлений жизни.

С 1796 г. берет начало палеонтология - наука о строении, системе и свойствах ископаемых организмов. Сначала возникла палеонтология позвоночных (работы Ж. Кювье, 1769-1832, который был также основателем сравнительной анатомии), затем и беспозвоночных (1810-е гг. - работы Ж.Б. Ламарка (1744-1829), автора первой целостной эволюционной теории). Успехи биологии дали людям средства для борьбы со многими заболеваниями, в том числе инфекционными, и поставили на научную основу селекцию полезных организмов. Однако развитие наук о жизни тормозилось рядом ошибочных концепций: линнеевской догмой неизменности видов, теорией катастроф Кювье (жизнь на Земле якобы периодически погибла и затем создавалась вновь, в иной форме), учением Ламарка о наследовании приобретенных признаков.

Генетика послужила удачным дополнением дарвиновской теории эволюции. В частности, дискретность наследственных зачатков разъяснила одну из трудностей, с которой столкнулась концепция естественного отбора: при скрещивании вновь возникающие полезные признаки, казалось бы, должны были раствориться в массе старых бесполезных и исчезнуть. На самом деле они сохраняются даже при своей рецессивности и как сказано, в благоприятном случае вновь проявиться. К 60-м годам генетика столь тесно сплелась с теорией эволюции, что это привело к созданию синтетической теории эволюции (СТЭ) - концепции, объединившей генетику и отчасти молекулярную биологию (исследование биологических объектов на молекулярном уровне) с концепцией естественного отбора. Основные позитивные моменты теории Дарвина признаны СТЭ. В самом деле, сторонники СТЭ признают, давая новые толкование, также постулаты - теперь можно сказать, факты - как ненаправленная изменчивость (она объяснена как мутации - внезапные стойкие изменения генов; они как спонтанные встречаются в природе, а искусственно могут быть вызваны радиацией и химическими агентами - “мутагенами”); изоляция, способствующая накоплению изменений (в современном толковании: мутаций); естественный отбор (этот центральный для теории Дарвина пункт остался без изменений, т.е. трактуется как выживание наиболее приспособленных). Вместе с тем СТЭ отвергла как противоречащие реальности некоторые иногда встречаемые у Дарвина, хотя в целом не характерные для него ошибочные тезисы, например, иногда (далеко не всегда) допускаемое им наследование приобретенных признаков. Оно признавалось ранее многими, особенно Ж.Б. Ламарком, который создал на основе этого тезиса одну из наиболее ранних разновидностей эволюционного учения. У нас агрессивный вариант ламаркизма проповедовался в 1930-1960-х гг. “школой" Т.Д. Лысенко. Однако теперь идея наследования приобретенных признаков имеет лишь историческое значение.

 

3.26 Селекция, экология, клонирование, генетический код

Отбор действует преимущественно на уровне популяции. Поэтому в качестве неотъемлемого компонента в СТЭ вошла генетика популяций, т.е. изучение наследственных процессов в популяциях растений и животных; с генетикой популяций тесно связаны также включенные в СТЭ эволюционные аспекты - экологии - науки о связи организмов с условиями их местообитаний. Генетика приобретает в настоящее время огромное прикладное значение. Помимо уже давно применяемых методов улучшения пород домашних животных и сортов культурных растений с помощью искусственного мутагенеза, теперь начинают распространяться и приемы генной инженерии - целенаправленного изменения генов, вплоть до операций на генах и в целом воздействия на наследственную природу. С 1997 г. развернулись опыты по клонированию - генетическому копированию животных, в том числе из вегетативных клеток (ибо геном, т.е. набор генов организма, во всех клетках тождествен). Потенциально этот метод применим и к людям, но этические аспекты допустимости выведения “двойников” вызывают ожесточенные споры.

 

3.27 Цитология, биохимия, физико-химическая биология

По разнообразию своих уровней, от молекулярного до биосферного, с живой материей не может сравниться ни одна из других форм существования природы. Естественно, что мы не можем здесь подробно рассмотреть все эти уровни. Остановимся специально на одном из них, в известном смысле ключевом для понимания жизни на клеточном. Еще в классический период естествознания клетка была признана универсальной ячейкой всего живого. Сейчас так нельзя сказать безоговорочно, есть и доклеточные формы жизни (вирусы), и организмы с нетипичной (безъядерной) клеткой - прокариоты, например, бактерии и сине-зеленые водоросли. Но в целом всеобщая роль клетки с ее характерными структурами признается и сейчас. Именно клетка является той “ячейкой” организации, на уровне которой впервые в полной мере проявляются все свойства жизни как таковой: целостность, обмен со средой (открытость), целесообразное реагирование, сложность строения, способность к размножению.

Чтобы лучше понять современные представления о биологической клетке, полезно остановиться на некоторых сведениях из прошлого экспериментальных и описательных в биологии. Реальная эффективность экспериментального подхода в этой области проявилась почти одновременно с успехами эксперимента в физике (и раньше, чем в химии), а именно с 1628 г., когда У. Гарвей открыл кровообращение и определил его важные параметры (в частности, количество крови, выбрасываемое сердцем при каждом сокращении). В целом же для биологии XVII - первой половины XIX вв. характерно преобладание описательных исследований, развитию которых способствовало открытие огромного числа новых видов в эпоху великих географических открытий XVII в. и затем в ходе экспедиций XVIII - XIX вв., проникших в труднодоступные районы внутренней Африки, Сибири, Америки и других регионов.

Благодаря изобретению микроскопа в середине XVII в., перед учеными открылся мир микроорганизмов и клеточных, а затем и субклеточных структур. Клетка была описана английским натуралистом Р. Гуком (1635-1703) в 1665 г. в труде “Микрография”, но лишь в 1838-1839 гг. немецкий зоолог Т. Шванн оценил ее значение как основной ячейки строения организма, т.е. создал клеточную теорию - учение о том, что клетка представляет собой универсальную ячейку всех живых организмов. В основном эта теория сохраняет свое значение, хотя открыты и бесклеточные организмы - вирусы. Впрочем их не всегда признают за живые, поскольку они могут кристаллизироваться наподобие неживых объектов. Но им свойственны размножение делением и другие характерные свойства живого, о которых см. раздел 4.1.

 

3.28 Возникновение жизни на Земле

Наибольшее распространение получила гипотеза происхождения жизни, разработанная А.И. Опариным. Согласно этой гипотезе, первым этапом предбиологического процесса было перемещение тяжелых элементов к центру Земли, легких - на ее поверхность. Это происходило 5-4 млрд. лет назад, когда Земля была очень горячей. Атмосфера состояла из водорода и его соединений (воды, точнее, водяного пара; метана, аммиака, цианистого водорода и т.д.). В ней под действием излучения Солнца возникли сравнительно несложные органические вещества: сахара, аминокислоты, уксусная, молочная, муравьиная кислота и др. Этот процесс удается воспроизвести в лаборатории.

Затем абиогенным путем, в отсутствии свободного кислорода (он появился в атмосфере позднее, под действием зеленых растений) были синтезированы более сложные соединения, включая аденозинтрифосфат (АТФ) - богатое энергией соединение, впоследствии играющее центральную роль в энергетическом балансе организмов. В процессе охлаждения земли водяной пар превращался в воду, образовался “первичный бульон” - водный раствор аммиака, двуокиси углерода, метана и упомянутых более сложных органических соединений. В результате их полимеризации возникли линейные полимеры: полипептиды и полинуклеотиды. Последние способны к самокопированию почти так называемого комплементарного связывания их нуклеотидов (мономеров): аденина с урацилом, гуанина и уитозином. Этот процесс сам по себе идет очень медленно, но мог быть ускорен тем, что среди образовавшихся к тому времени полипептидов некоторые были катализаторами, т.е. могли, не расходясь сами, ускорять матричный синтез и урацила на аденине, цитозина на изанине. При этом путем отбора, т.е. отмирания нежизнеспособных комбинаций, сохранялись лишь “удачные” комбинации катализаторов и нуклеиновых кислот, т.е. (сначала РНК, затем более сложный ДНК), т.е. образовался генетический код. Так появились первые организмы (гетеротрофы, поскольку свободного кислорода еще не было, и прокариоты или даже еще более примитивные).

Однако главная и далеко еще не решенная проблема, связанная с появлением жизни и первых организмов, заключается в выяснении процессов, приведших к формированию генетического кода. Оно относится к древнейшим временам, видимо, еще к стадии химической эволюции, поскольку даже для прокариотной клетки, например, бактериальной, характерно наличие двойной спирали ДНК, правда, несколько более примитивного типа, чем у эукариотов. Бактерии, как и все клеточные организмы, содержат оба типа нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, вирусы - только одну из них. Однако неизвестно, является ли простота вирусов первичной или вторичной. Во всяком случае, современные вирусы не могли существовать раньше клеточных организмов, ибо живут, только паразитируя на них.

Половой процесс возник на стадии прокариот; он имеется, например, у бактерий, хотя и не обязателен (существует наряду с простым делением). Во всяком случае наследственность и изменчивость представлены уже на самих ранних этапах происхождения жизни, причем в самом общем плане на основе тех же генетических механизмов, что и сейчас. Поэтому можно считать, что генетика является столь же универсальной по применимости биологической дисциплиной, как биохимия или биофизика.

Клетки, действительно возникшие, скорее всего, симбиогенным путем, (продолжали захватывать более мелкие аэробные клетки, которые, будучи богаты АТФ, эволюционировали, с одной стороны в митохондрии - энергетические центры клеток; с другой, в фотосинтезирующие хлоропласты) около 3 млрд. лет назад образовали многообразные скопления - колонии. По видимому, это были уже не стадии эукариотной жизни. В результате “разделения труда" между клетками колонии возникли многоклеточные организмы. Этот процесс знаменовал переход от древнейшей, архейской эры в истории Земли к протерозойской - “эре первичной жизни" (название достаточно условное, так как появлению многоклеточных предшествовала эволюция доклеточных и одноклеточных организмов в течение по меньшей мере одного - двух млрд. лет). Вплоть до палеозойской эры, около 1 млрд. лет назад, на Земле господствовали сравнительно примитивные животные (губки, кишечнополостные) и водоросли. В течение палеозойской эры, закончившейся около 200 млн. лет назад, растения постепенно усложнялись, вплоть до голосеменных, а из животных бурно развивались беспозвоночные (моллюски, гигантские ракоскорпионы, иглокожие - кембрийский период); затем - в силурийском периоде - осуществляется выход на сушу беспозвоночных, несколько позднее, в каменноугольном периоде - позвоночных. Первоначально это были земноводные (стегоцефалы), затем от них произошли уже более свободные от водной стихии, даже в своем размножении, пресмыкающиеся.

В течение мезозойской эры, приблизительно 200-100 млн. лет назад, шло иссушение климата Земли в связи с бурными горообразовательными процессами. Рептилии заняли господствующее положение и завоевали все среды обитания, вплоть до воздушной (летающие ящеры). Поздний мезой (меловой период) - время появления и стремительного распространения по всей суше известковых растений. Это также время появления млекопитающих, победивших рептилий в борьбе за существование благодаря ряду крупных эволюционных преобразований, открывших пути к дальнейшей эволюции (такие преобразования часто называют ароморфозами, в отличие от менее значительных, чисто приспособительных изменений - идиоадаптаций): благодаря более совершенной заботе о потомстве (внутриутробное развитие, вскармливание детенышей молоком), четырех камерному сердцу и полному разделению венозной и артериальной частей кровеносной системы, образованию волосяного покрова, совершенствованию коры головного мозга, преобладанию условных рефлексов над безусловными, что обеспечило более гибкое приспособление к среде.

Общей базой всех этих эволюционных процессов был естественный отбор. За мезозойской эрой последовала кайнозойская, важнейшим событием в ходе которой была с точки зрения эволюции смена естественного отбора, как доминирующего механизма эволюции, более сложными, социальными механизмами. Речь идет о возникновении человека, т.е. об антропогенезе.

 

3.29 Проблема возникновения и эволюции человека

Происхождение человека также входит со времен Дарвина в круг проблем, изучаемых теорией эволюции. В настоящее время наиболее вероятной признается концепция, согласно которой предки человека - рамапитеки отделились от человекообразных обезьян в миоцене, т.е.12-15 миллионов лет назад. Фрагменты челюстей рамапитеков находят в Индии, Кении и даже в Европе (Венгрия). Потомками рамапитеков был прямоходящий и изготовлявший каменные орудия Homo habilis (“человек умелый”), а также близкие к нему виды, жившие 3,5-2 млн. лет назад. Их остатки найдены в 1960-1970-х гг. в Танзании и Кении. Ближе к нам питекантропы и синантропы, жившие несколько сотен тысяч лет назад. Они уже употребляли огонь. Еще ближе к нам, появившиеся около 200 тысяч лет назад и создавшие элементы цивилизации (жилища, религия) неандертальцы. Наконец, человек современного вида - кроманьонец - появился на Земле около 80 тысяч лет назад. Движущими факторами антропогенеза (так называют процесс историко-эволюционного формирования человека) явились естественный отбор и мутации, в сочетании с позднейшими факторами: речью, трудом, социальностью.

 

3.30 Исследования поведения животных и человека

Важным направлением современной биологии, во многом смыкающимся с такими областями гуманитарного знания, как психология, социология, социальная психология и др., является также исследование поведения животных и человека. В биологическом плане это направление основывается на достижениях физиологии. Что касается изучения поведения человека и высших животных (млекопитающих), здесь основополагающим продолжает оставаться изучение условных рефлексов, открытых И.П. Павловым. Вместе с тем значительное развитие получили концепции “социальности" поведения животных, изучение явлений иерархии и доминирования в группах, коммуникации и т.д. Любопытным открытием явилось явление импринтинга - процесса на ранних этапах онтогенеза, в ходе которого животные научаются определенным действиям и связывают их с тем, кто осуществлял научение (или даже просто присутствовал при этом).К. Лоренц обнаружил, что если, учась передвигаться по суше, утята видели его, а не собственную мать-утку, то потом следовали за ним так же, как должны были бы следовать за матерью. Важным направлением развития науки на грани биологии и общественных наук является исследование группового поведения, иногда обозначаемое как социобиология. С ее помощью в группах приматов и других животных обнаружены такие явления, как иерархия, забота о слабых, сложные формы коммуникации.

 

3.31 Междисциплинарный характер современной биологии

В течение XIX столетия и особенно в XX в. (очевидно, эта тенденция сохранится и в XXI столетии) биологическое исследование все в большей мере приобретает междисциплинарный характер. Математика, физика, химия вошли в биологическое исследование как методы и компоненты. Физическая химия и химическая биофизика особенно важны в этом контексте. “Без преувеличения можно сказать, что именно современная физико-химическая биология как бы в единый комплекс объединила биологические дисциплины, которые ранее по объективному признаку считались самостоятельными. Сказанное относится не только к экспериментальным наукам, развитие которых всецело определяется характером и уровнем используемых ими физико-химических методов. Этими же методами пользуется сегодня … традиционная биология. Например, цитология и морфология издавна оценивались как описательные науки, а биохимия - как типично экспериментальная, имеющая независимый путь развития и накапливающая собственный багаж знаний. Какую же роль в судьбе этих наук сыграла физико-химическая биология?

Электронно-микроскопическая цитология воедино слилась с биохимией. Она “заговорила" на языке биохимии, а биохимия обрела новую роль: она стала топографической (от греч. topos - место, местность + grapho - пищу) биохимией клетки и получила возможность “вписать” процессы обмена веществ в общую картину цитологических структур. Появилась реальная возможность совместить субмикроскопическую и молекулярную системы клетки с функциями составляющих эти системы компонентов. Осуществилась давняя мечта биологов об объединении знаний о структуре и функциях организма в целом. Прямым следствием этого оказалось то, что традиционное разделение биологии на науки о строении - цитологию, гистологию, анатомию, морфологию - и науки, исследующие физиолого-биохимические процессы - физиологию и биохимию - в значительной мере утратило свой первоначальный смысл.

Таким образом, в биологии второй половины XX в. явственно обозначилась двойственная тенденция в ее развитии. С одной стороны, объективная и дисциплинарная специализация вследствие вычленения и конкретизации все новых объектов, требующих и особых подходов к их изучению. С другой стороны, происходит объективно-методическая интеграция биологических наук: проявляется тенденция к формированию как бы единого фронта наук, выявить границы между которыми становится все труднее" [1].

 

3.32 Взаимосвязь человека и природы

В наше время человеческая деятельность все более активно вторгается в природу, создавая на поверхности Земли практически современно новую экологическую среду. Соответственно в экологии и географии все большее место занимают исследования, так или иначе связанные с анализом последствий деятельности человека. Можно отметить направления, ориентированные на изучение культурных ландшафтов, антропогенных черт окружающей среды, результатов хозяйственной деятельности человека. На грани между биологией и физической географией возникла междисциплинарная область исследований - экология, изучающая динамику популяций и их приспособленности к среде, эффекты от воздействия человека на природу, процессы взаимодействия человека и природы. Важнейшими для экологии понятиями стали введенные в тридцатых годах понятия экосистемы (совокупность совместно обитающих животных и растений и их абиотической, т.е. неживой среды; понятие введено А. Тэнсли в 1935 г.) и биогеоценоза (единство организмов, населяющих определенный участок земли, и его ландшафтных, водных и почвенных условиями; понятие введено В.Н. Сукачевым в 1936 г.). Оба понятия характеризуют биогеоценотический уровень организации (см.2.3.). Различие между ними лежит в том оттенке, что в понятие биогеоценоза делается ударение на единстве организмов с их средой, в то время как “экосистема”, напротив, констатирует совместное наличие организмов и среды; и еще в том, что Сукачев подчеркивает такой компонент среды, как почву.

Это отнюдь не случайно, поскольку почвоведение как наука о почве - поверхностном слое земной коры, несущем растительный покров и характеризуемом качественно особым свойством - плодородием - родилась в России и была создана в 1860-1880-х гг. трудами Ф.И. Рупрехта и В.В. Докучаева. Двадцатый век и в этой области принес переворот, поскольку К.К. Гедройц в 1910-х гг. создал новое междисциплинарное направление - коллоидную химию почв и обнаружил в почвах “поглощающий”, или коллоидный комплекс, определяющий динамику почвенных процессов. Благодаря этому открытию Гедройцу удалось создать эффективную теорию мелиорации почв.

Учения об экосистеме и биогеоценозе сыграли важнейшую роль в построении концепций биосферы и ноосферы (см. ниже). Здесь же необходимо подчеркнуть наряду с огромным значением деятельности человека для окружающей среды еще и другую сторону вопроса - неотъемлемость человека от природных корней его существования. В основе всех сложнейших видов человеческой деятельности лежат достижения эволюции, хотя конечно, сами эти виды деятельности далеко не сводятся к своей биологической основе и не исчерпываются ею. Например, интеллектуальная деятельность была бы невозможна без накапливаемых в течение жизни условных рефлексов; управление механизмами, в том числе такими сложными, как компьютеры - без сенсорной базы человека (органов чувств с их характерным диапазоном, включая слух, цветное зрение и т.д.), возникшей в ходе эволюции и являющейся ее наследием. Собственно именно из-за этой неразрывности природного и интеллектуального, знание современных естественнонаучных концепций является необходимым специалистов в области гуманитарных наук.

 

3.33 Современный уровень знаний в науках о Земле

Если говорить только о новом времени, то в области наук о Земле роль, сходную с ролью дарвинизма в биологии, сыграли работы Ч. Лайелля (1797-1875), доказавшие однородность физических факторов, формировавших поверхность Земли, сейчас и в отдаленные геологические эпохи. Это помогло решить продолжавшийся в течение XVIII - первой половины XIX в. спор “вулканистов” и “нептунистов”, выдвигавших на первый план соответственно факторы, связанные с деятельностью вулканов и с работой воды. В налаживании связи между геологическими и биологическими дисциплинами особую роль сыграл опубликованный в 1875 г. в Вене труд Э.Ф. Зюсса “Возникновение Альп”, где введено важнейшее понятие биосферы - оболочки Земли, являющейся областью распространения жизни и ареной деятельностью организмов. Благодаря этому получила законченный вид модель Земли как шара (или близкого к шару слегка сплюснутого “геоида”), в центре которого находится массивное ядро, а по периферии от него - сферические оболочки, “геосферы”: мантия, литосфера (она же земная кора - твердая, каменистая оболочка Земли) и гидросфера - прерывистая водная оболочка (моря, океаны, озера, реки и т.д.). Очевидно, что биосфера охватывает часть гидросферы (кроме некоторых глубоководных участков или водоемов, перенасыщенных солями) и самые нижние слои атмосферы, а на поверхности суши образует сплошной - если учитывать микроорганизмы - покров. Но при этом не обращалось специального внимания на деятельность человека, по существу надстраивающую над биосферой еще одну оболочку. Концепция биосферы эффективно способствовала приданию завершенности всей системе классического естествознания.

Появившиеся в результате обновления в течение XX в. естественно-научных представлений практически во всем их объеме, новые концепции природы и материи не могли не коснуться и области исследований строения Земли. Открытие П. Кюри и М. Склодовской в 1899-1903 гг. явления радиоактивного распада позволило разработать методику определения абсолютного возраста горных пород. Возраст Земли оказался равным не нескольким десяткам миллионов лет, как полагали ранее, а, по крайней мере, двум-трем миллиардам лет. Начальные этапы истории Земли стало возможным связать с космогонической эволюцией.

Была выявлена общность химического состава Земли и метеоритов. Изучена история земной атмосферы. Древнейшая атмосфера была весьма разреженной и состояла в основном из паров воды и из углекислого газа, современная же атмосфера образовалась как вторичная, причем весь свободный кислород в ней возник как продукт фотосинтеза, а азот - в результате вулканических извержений.

Выяснена структура такого грозного и опасного явления, как землетрясение. Его очаг представляет собой разрыв в земной коре, на глубине в большинстве случаев 20-30 км. На основании “стандартной” модели Земли, в основе которой лежат рассмотренные нами представления о земной коре, мантии и ядре, разработан метод определения очагов землетрясения - “сейсмический годограф

 

3.34 Учение Вернадского о биосфере и ноосфере

Важнейшим достижением в области наук о Земле в XX в. - достижением, которое в значительной мере относится и к биологическим, гуманитарным и техническим наукам, объединяя их в единое целое - было создание В.И. Вернадским (1863-1945) учения, глубоко укоренившегося в традициях русского естественнонаучного и философского мышления. Непосредственно же Вернадский исходил из концепций своего учителя, В.В. Докучаева (1846-1903), которые на основе своих исследований строения почв значительно углубил существовавшее и ранее учение о зональной структуре биосферы и области человеческого обитания на Земле (ойкумены), стал разрабатывать новые глобальные обобщения, получившие с двадцатых годов мировое признание. Прежде всего, Вернадский углубил учение Зюсса о биосфере, показав, что ее компоненты - атмосферный, гидросферный и литосферный (биосферы частично перекрывается с литосферой, т.е. земной корой, а именно с ее верхней частью) - непрерывно обмениваются потоками вещества и энергии (так называемые биогеохимические циклы миграции вещества и энергии).

Вернадский раскрыл планетарную функцию живого вещества, о которой мы отчасти уже говорили, упомянув, что весь свободный кислород земной атмосферы является результатом деятельности зеленых растений. Но также и горючие сланцы, нефти, угли, вообще каустобиолиты - горючие ископаемые органического происхождения - созданы живым веществом планеты. То же в значительной мере верно о известняках, глинах и таких продуктах их метаморфоза, как мраморы и граниты. К современной биосфере они не относятся, но составляют реликтовую “область былых биосфер”.

Учение о биосфере связывается с конкретно-биологическими исследованиями через уже рассмотренные нами понятия экосистемы и биогеоценоза, которые можно рассматривать как “ячейки" или элементарные структуры биосферы, как ее составляющие. Почва составляет неотъемлемую часть этих структур, источник их продуктивности, а следовательно и один из важнейших компонентов биосферы в целом. Огромное значение имеет вставшая перед человечеством в особенности именно в XX веке задача сохранить биологические ресурсы биосферы, нейтрализовать вредные последствия техногенных и антропогенных воздействий на нее. Биосфера устойчива благодаря многообразию своих живых компонентов (организмов, видов). Сознательно или несознательно снижая это разнообразие, человек подрывает основы своего биологического существования. Вернадский отчетливо видел это и считал, что одна из задач науки - предотвратить опасности, угрожающие биосфере.

 

3.35 Понятие ноосферы

При этом Вернадский пошел еще дальше и, опираясь на усовершенствованное им учение и биосфере, выдвинул концепцию еще одной оболочки Земли, ноосферы, сферы взаимодействия человека и биосферы (опосредованно также - природы в целом), для которой (для ноосферы как последней по времени формирования земной оболочки) определяющим факторов является человеческая деятельность.

Особенно важным при этом является технизованный и общественный характер этой деятельности. При рациональном подходе ноосфера, постепенно охватывая и пронизывая биосферу, не уничтожит ее богатств, поскольку человек как главный системообразующий фактор носсферы может и должен прилагать все усилия к их сохранению и (в том, что касается возобновимых, т.е. биологических ресурсов) приумножению, а также проводить мероприятия по охране природы, включая создание биосферных заповедников.

 

3.36 Неизбежность перехода биосферы в ноосферу

Чтобы уяснить себе соотношение биосферы и ноосферы, надо иметь в виду, что последняя по времени охватывает лишь ничтожный отрезок времени сравнительно с миллиардами лет существования биосферы; и тем не менее за этот малый отрезок, в особенности (если иметь в виду наиболее интенсивное развитие ноосферы) за XX век и даже меньше - за период существования того, что науковеды называют “большой наукой”, т.е. за последние полвека - ноосфера по порядку величины своих планетарных воздействий практически сравнялась с биосферой. Из космоса можно теперь наблюдать Землю как мощную радиоизлучающую звезду - благодаря радиостанциям и другим источникам техногенных излучений. Ноосфера является, с одной стороны, принципиально новым состоянием и завершающей стадией развития биосферы; но с другой стороны, она особая оболочка, поскольку пока еще не вся биосфера переходит в ноосферу. Со временем положение измениться и в конечном счете вся биосфера неизбежно перейдет в ноосферу.

Далее, ноосфера (буквальное значение этого греческого слова - “сфера ума”) есть плод дискретных человеческих интеллектов. Она не является в полном смысле - как, например, атмосфера - сплошной, но, тем не менее она достаточно непрерывна, чтобы можно было с основанием считать ее еще одной, пятой (наряду с литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой) оболочкой Земли или геосферой. Ведь в нее входят не только люди, но и все результаты их деятельности и влияния. Со всеми присущими другим оболочкам энергиями ноосфера сопоставима по мощности своего воздействия на природу. Благодаря космическим полетам ноосфера уже сейчас не только идеальным образом, через познание (зрение, телескопы) выходит за земные пределы, но и вполне материально - через космические зонды и другие аппараты - соприкасается с космосом, продолжая и развивая космическую функцию, присущую уже биосфере (зеленые растения как источник кислородного компонента атмосфера). Опыты по созданию искусственной пищи могут, в конечном счете, превратить человечество в автотрофную систему, что будет представлять собой прорыв и новацию по отношению ко всем имевшимся в течение миллиардов лет существования Вселенной формам использования энергии.

Параллельно с вариантом Вернадского, другие трактовки концепции ноосферы предложили во Франции Э. Леруа (1870-1954) и П. Тейяр де Шарден (1881-1955). Из них более разработан в естественнонаучном плане вариант Тейяра, рассматривавшего эволюцию Вселенной как цепь стадий усложнения единой субстанции - “ткани Универизма”, в свою очередь являющейся модификацией особого вида энергии - “радиальной энергии”, которая служит воплощением вечного стремления к процессу.

Завершение этого стремления - “феномен человека”, собственно и выражающийся в создании ноосферы, которую Тейяр понимает в общем так же, как Вернадский, но больше подчеркивает идеальный характер этой оболочки и духовный фактор технического прогресса. В работах Тейяра много недоконченного, неясного, требующего доработки; вместе с тем его идеи предвосхитили некоторые важнейшие концепции и подходы современного и быть может, даже будущего естествознания: тенденцию к синтезу естественнонаучного и гуманитарного подхода, видение прогресса как неотъемлемого принципа природы, понимание того, что в биологическом и геологическом познании так же, как в физическом, наблюдатель не может быть “осмыслен”: ноосфера в одинаковой мере выступает и как субъект, и как объект исследования.

3.37 Рациональное использование природных ресурсов и охрана биосферы

Как уже было сказано, охрана природы является одной из прикладных областей современной биологии; здесь можно добавить: также и физических, химических и технических наук, наук о Земле и (поскольку для эффективной охраны природы нужно воспитание людей в соответствующем духе) гуманитарных наук.

Между тем реально далеко не всегда (скорее наоборот!) деятельность человека является благотворной для окружающей среды. Например, в значительной мере вредным и создающим для многих организмов совершенно непривычную, часто губительную среду обитания является парниковый эффект, вызванный увеличением содержания в атмосфере таких компонентов, как СО, СО₂ и СН₄. Приведем только одно возможное последствие парникового эффекта: подъем уровня моря всего на 1м приведет к затоплению 25% дельты Нила и до 30% территорий такой страны, как Бангладеш. Нарушение озонного слоя атмосферы уже сейчас ведет к росту ультрафиолетового излучения и соответственно заболеваемости раком. Воздух загрязняется многими примесями, вплоть до ядовитых тяжелых металлов и сернистого газа, порождающего кислотные дожди, которые делают безжизненными внутренние водоемы. Неумеренное расширение орошаемых территорий уже вызвало гибель многих водоемов, в том числе таких крупных, как Аральское море. Истребление лесов ведет к размыванию почвы и к загрязнению внутренних водоемов, в конечном счете, и мирового океана.

Рациональное использование природных ресурсов и охрана биосферы представляют собой две стороны единой задачи, стоящей сейчас перед человечеством. Из всей площади суши почти половина уже занята пахотными, пастбищными и другими угодьями и плантациями, т.е. ее природный режим резко деформирован. В атмосферу ежедневно выбрасывается огромное количество углекислоты и других газов, что ведет, помимо загрязнения воздуха, к опасному потеплению климата вследствие парникового эффекта. Сельскохозяйственное использование ресурсов по крайней мере оставляет открытый путь для их возобновления, в то время как добыча каустобиолитов, металлов и т.д. истощает их запасы. Только рациональная система природопользования может спасти человека от опасности загрязнения среды и истощения ее ресурсов. В эту систему входит создание широкой сети охраняемых территорий всех рангов, внедрение давно уже разработанных технологий переработки отходов и создание новых, правовая регуляция охраны среды и природопользования. Природа Земли - наше невозместимое ничем достояние, и все страны, все человечество должны объединиться для решения труднейшей задачи сохранения и оптимального использования этого достояния.

Задачами рационального использования природных ресурсов является овладение экологически чистыми источниками энергии (ветром, геотермальными водами, солнечной энергией и т.д.), ограничение вредных выбросов, налаживание цикличного повторного использования отходов производства. Применяя биологические методы борьбы с вредителями, мы снижаем применение ядохимикатов. Редкие или вообще стоящие под угрозой виды организмов во многих случаях удается сохранить путем создания заповедников и заказников. Но пожалуй, наиболее общей и эффективной мерой в области охраны природы является воспитание у людей экологического сознания, включая понимание того, насколько - при современных технических средствах - легко нарушить и насколько трудно восстановить биосферу.

 

3.38 Нелинейная динамика

В "доквантовую" эпоху развития наука, техника и общество довольно неплохо обходились законами классической механики и математической логичными моделями расчетов, не обращая внимания на якобы незначительные вопросы, не подчиняющиеся расчетам. Но как ограниченные возможности экономики заставили экономить на значительных научно-технических проектах, вынудив с помощью системного подхода виртуально проигрывать большое число вариантов решений без их натурной реализации, так и возможности ограниченные прежних подходов к моделированию хаотических процессов заставили искать новые средства для их описания. Активное изучение подобных процессов, насчитывающее около двух десятилетий, осуществляется в рамках новой дисциплины, называемой нелинейной динамикой.

Достижения в этой среде позволяют говорить о возможности управления сложными системами. "Эффект бабочки" из рассказа Рея Брэдбери "И грянул гром" подводит к идее о возможности направления развития целого государства "по другой траектории" одним телефонным звонком. Эти же достижения помимо необычайных возможностей в компьютерной графике, в создании искусственного интеллекта, в более достоверном описании законов рынка в экономике, привели к созданию целой индустрии прогноза, Модели, созданные на основе нелинейной динамики, предложенные американским ученым Дж. Маейр-Крессом и его коллегами, стали в свое время важным аргументом в пользу отказа от планов США по созданию СОИ. Выяснилось, что развертывание такой системы не повысит, а существенно понизит безопасность США.

Кроме того, при изучении хаотических процессов было выявлено явление их равновесия при определенных условия, т.е. при этих условиях происходит самоорганизация системы. Изучением таких систем занимается синергетика. Возможности синергетики помимо предсказания условий наступления состояний равновесия в хаотических системах открывает необычайные перспективы по эффективному сжатию и хранению огромных массивов информации.

4. Развитие системного подхода в технике

Инженерная деятельность занимает одно из центральных мест в современной культуре. Ведь все, что нас сегодня окружает, - небоскребы и автомобили, вычислительные устройства и космические корабли, атомные электростанции, железные дороги и самолеты - все это было бы невозможно без ее достижений.

 

4.1 Техническая деятельность в эпоху Древнего мира и античности

Что означает слово "техника"? Как и когда возникло слово "инженер" и сама инженерная деятельность как профессия? Чем отличаются техническая и инженерная деятельности?

Слово "техника" (греч. и лат. tehne - искусство, мастерство) имеет несколько значений. Оно может быть истолковано как мастерство, умение, сноровка, т.е. как система определенных навыков, выработанная для любого применения. В боле узком смысле техникой называют орудия труда, с помощью которых человек оказывает воздействие на природу (изготовление разнообразных предметов, процессов и явлений). Техника рассматривается как специфическая человеческая деятельность - техническая деятельность, посредством которой человек выходит за пределы ограничений, налагаемых его собственной природой. Техника - это также система технических знаний, включающая в себя не только научные, но и различные конструктивные, технологические и другие подобные знания, выработанные в ходе технической практики (технологии). Современная техника тесно связана с наукой.

Родственным слову "техника" считается слово "инженер". Оно произошло от латинского корня ingeniare? Что означает "творить", "создавать", "внедрять". Слово "ingenious" было впервые применено к некоторым военным машинам во II в. Человек, который мог создавать такие хитроумные устройства, стал называться - ингениатор (изобретатель), также и слово "механик" в первом своем значении применялось к умельцу, создателю машин, а "машина" - к ухищрению.

Крупнейшим естествоиспытателем древнего мира был тесно связанный с александрийской наукой Архимед (287-212 до н.э.). Он заложил основы механики, открыл законы рычага и определив силу, действующую на тело, погруженное в жидкость. Своим открытием Архимед положил начало статике жидкостей. В своих механических и математических работах Архимед примыкал к александрийской школе, в частности к работам Эрапосфена; ряд идей и методов Архимеда позволяют считать его предшественником математического анализа; в частности, Архимед впервые исследовал бесконечные ряды. Из результатов своих работ он наиболее ценил свои геометрические достижения: открытие методов вычисления объема шара и цилиндра, площади поверхности конуса и шара. Он же был первым, кто регулярно стал применять физические закономерности к построению машин и вообще в области техники в особенности военной. Архимед погиб при защите своего родного города Сиракуз от осадивших его римлян.

Галилей первым экспериментально показал, что воздух - тело, имеющее тяжесть, и вычислил его удельный вес. Его опыты по механике тел животных поставили на количественную основу гениальные догадки Леонардо. Экспериментами по определению прочности веществ Галилей заложил начало сопротивлению материалов как дисциплине.

Инженерная деятельность вначале носила военный характер, т.к. инженер руководил созданием военных машин и фортификационных сооружений. Таким инженером был, например, Леонардо да Винчи. До этого времени инженер и архитектор практически не различались - это тот, кто руководит созданием сложных искусственных сооружений.

В XIX в. с развитием машинного производства появились многочисленные инженеры-механики. Данное событие можно назвать ключевым в формировании понятия "инженер" в современном смысле. В ХХ в. инженерия разделилась на множество групп и подгрупп: физическая (электрическая, оптическая, механическая и т.д.), химическая, биохимическая инженерия, информационная и вычислительная техника представляют собой лишь некоторые ее разделы. Но они имеют характерную черту: инженер - это не тот, кто действительно делает искусственный объект, а тот, кто управляет процессом его создания, планирует или проектирует сложную техническую систему.

Следует различать инженерную и техническую деятельность. Современная техническая деятельность по отношению к инженерной несет на себе исполнительную функцию, направленную на непосредственную реализацию в производственной практике инженерных идей, проектов и планов. Инженерная деятельность выделилась на определенном этапе развития общества из технической деятельности, которая присуща человеческому обществу на самых ранних его стадиях и связана с изготовлением орудий труда. Она возникает тогда, когда изготовление орудий уже не может основываться только на традиции, ловкости рук, смекалке, а требует ориентации на науку, целенаправленное использование для этого научных знаний и методов. Теперь именно инженерная деятельность занимает промежуточное место между исполнительской технической деятельностью и наукой.

Предыстория инженерной деятельности разворачивается в недрах технической деятельности длительного периода ремесленного творчества (первобытного, античного рабовладельческого, средневекового феодального обществ). Но только в условиях раннего капиталистического общества создаются условия для того, чтобы она постепенно стала особой профессией, имеющую ориентацию на научную картину мира и целенаправленное применение в технической практике научных знаний.

В древности не было сознательной ориентации техников на науку вплоть до эпохи Возрождения. Современная культура, начиная с эпохи Возрождения, ориентирована на создание, изобретение нового, на научно-технический прогресс. Древние культуры были каноническими, ориентированными на освещенную веками традицию, поэтому в те далекие времена не могло быть изобретателей в их современном понимании, хотя изобретения как таковые конечно были.

Способность делать орудия - неотъемлемая черта человека разумного. Выделившись из природы, человек создал вокруг себя "искусственный мир", "вторую природу", без которой немыслимо существование современной цивилизации. И все это было бы невозможно без знания, без науки. Именно на пересечении знания, науки и практики возникла профессия инженера.

Уже у древних вавилонян можно найти зачатки дифференциального исчисления, а в древнем Египте - инженеров. Знания вавилонян об окружающем их мире были созданы практической необходимостью. Многие из этих знаний так и остались в области чистой практики и передавались из поколения к поколению только устно (например, как большинство ремесленных приемов, навыков и рецептов). Нет данных о том, что древние строители занимались техническими расчетами, если не считать приходно-расходных расчетов, требовавших преимущественно знания арифметики и некоторых элементом геометрии. И хотя человечество до сих пор удивляется красоте и грандиозности египетских пирамид, вряд ли можно назвать создателя первой из них инженером в современном смысле этого слова. Свидетельством этому может служить, например, диалог между двумя писцами Хори и Аменемоном, сохранившийся в древних египетских папирусах (XIII в. до н.э.). Хори упрекает Аменемона в недостаточной компетенции, и эти упреки служат яркой иллюстрацией того, что именно требуется от “ученого” писца: Аменемон, оказывается, не умеет вычислить необходимое количество пайков для отряда войска, вычислить размеры и количество строительных материалов для возведения строительной насыпи, составить расчеты для установки каменного колоса и т.д. * Все это такие сведения, которые необходимы в повседневной практической деятельности. Сама же практика была эмпирична, опиралась на традиции, умение, догадку.

Научное познание в этот период отождествлялось с созерцанием природы, всматриванием, вслушиванием в нее. Подлинная цель науки виделась в усмотрении истины в природе, а всякое практическое действие с природными объектами рассматривалось как мешающее ему, затемняющее истину. В античности теоретическая и практическая деятельности были четко разграничены. Аристотель по этому вопросу говорил так: "Целью теоретического знания является истина, а целью практического - дело"*. Именно в античной культуре были впервые сформулированы ценность и реальность чистой науки. Получение "знания ради знания" рассматривалось как высшая форма человеческой деятельности. "Из наук считается мудростью та, которая избирается ради нее самой и в целях познания, а не та, которая привлекает из-за ее последствий" (Аристотель) *. Так сложилось противоречие теории и практики.

Однако это вовсе не значит, что античная философия и наука никак не были связаны с практическими нуждами общества. Так, Сократ, будучи сыном скульптора, имел также некоторое количество обще признанных работ в этой области. Философ Анаксимандр создал солнечные часы с устройством указывающим равноденствие и солнцестояние. Платону приписывают изобретение водяного будильника, который собирал ранним утром учеников академии на лекции и занятия. Даже в биографии первого древнегреческого философа Фалеса, одного из мудрецов, деятельность которого Платон и Аристотель ставили как образец "созерцательной жизни", имеется интересный факт. По свидетельству Диогена Лаэртского, желая показать силу знания, он однажды в предвидении большого урожая оливок снял в наем все маслодавильни и этим нажил много денег. А перевод войск Креза через реку Галис (при соответствии этого действительности) говорит о высокой квалификации Фалеса в чисто инженерных вопросах.

Так были ли в античности инженеры в том смысле слова, в котором оно понимается сегодня? Этот вопрос лучше всего рассмотреть на примере всем известного древнегреческого механика и геометра Архимеда.

Архимеда соотечественники считали отрешенным от земных проблем геометром-мудрецом. Решая математическую задачку, он даже не заметил, как римляне ворвались в его родной город Сиракузы, и был убит римским воином, несмотря на просьбу дать ему возможность дорешать геометрическую задачу. В своих трудах Плутарх писал о нем: "Архимед был человеком такого возвышенного образа мыслей, такой глубины души и богатства познаний, что в вещах доставивших ему славу ума не смертного, а божественного, не пожелал написать ни чего, но, считая сооружение машин и вообще всякое искусство, сопричастное повседневным нуждам, низменным и грубым, все свое рвение обратил на такие занятия, в которых красота и совершенство пребывают не смешанными с потребностями жизни. … И нельзя не верить рассказам, будто он был тайно очарован некой сиреной, не покидавшей его ни на миг, а потому забывал о пище и об уходе за телом, и его нередко силой приходилось тащить мыться и умащаться, но и в бане он продолжал чертить геометрические фигуры на золе очага и даже на собственном теле проводил пальцем какие-то линии - поистине вдохновленный музами, весь во власти великого наслаждения". **

Такое представление не совсем соответствует действительности. Архимед начал свою деятельность как механик и закончил ее как механик, ведь даже в его математических произведениях механика является важным средством решения математических задач. К ранним механическим работам Архимеда относится создание механической модели "небесной сферы", в которой при помощи вращательного движения водяного двигателя, получались различные вращения небесных светил. На ней также демонстрировались солнечные и лунные затмения. Его заслугой также является усовершенствование машины для поливки полей, более известной сейчас под названием "винт Архимеда", при помощи которой можно было выкачивать из реки большие объемы воды с малой затратой сил.

Иногда удивительные достижения Архимеда в практической области подвергаются сомнению. Например, сообщения древних авторов о том, как он один с помощью механических приспособлений (системы блоков) сдвинул с места полностью груженый корабль, или легенда о сожжении им неприятельского флота с помощь зеркал.

Как и другие античные философы и механики он следовал в своей деятельности идеалу построения научного знания. Работа Архимеда "О плавающих телах" построена строго в соответствии с научными нормами: выдвигаются аксиомы, на основе которых доказываются теоремы, при доказательстве которых используется знание предыдущих теорем. В этой работе не приведены описания практических моделей, наблюдений или опытов. Тем не менее, Архимед использовал практические знания о реальных жидкостях и телах, осуществляя в некотором смысле действия схожие с постановкой современного опыта. Так широко известен ставший классикой случай с золотой короной царя Гиерона, когда великого геометра попросили определить количество золота, ушедшего на ее изготовление.

Архимед строго различает доказательство определенного положения, проведенное математически (теоретическое обоснование), и практическое усмотрение того же положения с помощью механических средств. По его собственному мнению, изучение при помощи механического метода "еще не является доказательством: однако получить при помощи этого метода некоторое предварительное представление об исследуемом, а затем и найти само доказательство гораздо удобнее, чем производить изыскания, ничего не зная". Таким образом, механический метод рассматривается Архимедом как вспомогательное средство для решения некоторых математических задач, но строгих доказательств этот метод дать не может и поэтому выносится им за пределы всякой науки.

Фактически сформулированное Архимедом основное уравнение плавучести нашло практическое применение только в XVII в. Тогда (в 1666 г.) английский корабельный инженер А. Дин "предсказал" углубление корабля до спуска его на воду. Он был настолько уверен в своей правоте, что приказал еще на стапеле вырезать во внешней обшивке корпуса отверстия пушечных портов, которые после спуска корабля на воду возвышались над ее поверхностью на расстоянии, которое было заранее вычислено строителем.

Как видно на примере Архимеда, в период античности можно говорить лишь об отдельных "образцах" инженерной деятельности. Архимеда нельзя назвать инженером в современном смысле этого слова.

Сегодня кажется обычным требовать от науки прикладных результатов. Да и сама современная наука без технической практики просто не мыслима. Однако такое соотношение науки и практики существовало не всегда. В период античности, даже если полученные в результате ремесленной практике, использовались в науке, то они подвергались переработке и систематизировались в соответствии с идеалами теоретического знания.

Прикладные исследования, направленные на специальное исследование техники, по существу, отсутствовали, как и многочисленные сегодня технические науки. В них тогда просто не было необходимости. Кроме того, рабский труд не способствовал развитию техники и целенаправленному приложению к ней техники. Свободный же ремесленник более был заинтересован в высоком качестве производимой им продукции. В античности ремесленное производство - это прежде всего художественное производство. Оно не ориентировалось на науку, хотя и использовало научные знания. Различные механические изобретения служили лишь демонстрацией мощи научного знания. Но повсеместного применения в ремесленном производстве они не находили. Поэтому и не возникла в тот период профессиональная инженерная деятельность, без которой немыслим современный инженер, а сами изобретения зачастую служили лишь украшением частных библиотек.

 

4.2 Техническая деятельность в Европе Х-XII в.

В это время в Европе зарождаются одни из первых профессиональных ремесленных структур - цехи. В момент своего зарождения цехи были прогрессивны. Они формировались как корпорации свободных ремесленников, занимающихся одним и тем же ремеслом. Каждый цех имел свой статут, в котором строго регламентировали тип и качество используемого материала, вид приспособлений и орудий труда, количество и качество выпускаемых изделий, поведение его членов и многое другое. При этом велся строгий надзор за выполнением предписаний этих статутов. Обычно статут начинался примерно так: "Тот кто хочет и знает ремесло может стать мастером с условием того, чтобы он работал согласно обычаям цеха, которые таковы: …". Далее следовал ряд запретов типа: "запрещается вырабатывать в неделю больше 110 кож", "переманивать друг у друга работников, предлагая им большее количество денег", "покупать больше сырья чем требуется без ведома старосты цеха" и т.д. [1]

Как уже говорилось, будучи в момент зарождения прогрессивными, постепенно цехи стали тормозом в развитии технической деятельности и ремесленного производства. Жесткая регламентация ремесленной технической деятельности, слабая специализация ремесел внутри цехов, ограниченность рынков сбыта, отсутствие стимулов, заставляющих удешевлять и увеличивать выпуск изделий, не заинтересованность в развитии технической базы определяли тогда отношение к технике. Боясь конкуренции, цехи были противниками всяких новшеств и изобретений, которые воспринимались ими как нечто "отвратительное" и нарушающее их привилегии. Выдвигались даже запреты на использование не только самих изобретений, но и изделий изготовленных с их помощью, а изобретателей преследовали. В конце средних веков цеховая организация промышленности приходит в противоречия с новыми потребностями производства, рассчитанного на широкий рынок. Однако, не смотря на все это, у средневековых ремесленников были качества, которых часто не достает современному инженеру - озабоченность нуждами потребителя, ориентация не на усредненного, а на конкретного потребителя, стремление держать высокую марку цеха.

 

4.3 Становление инженерной деятельности

Становление инженерной деятельности было связано с развитием высших технических школ, которые начинают целенаправленную научную подготовку инженеров. В них проводятся и первые научно-технические исследования. С необходимостью систематизации научного материала, нужного для подготовки инженеров, связано и возникновение первых технических наук. К концу XIX в. научная подготовка инженеров, их специальное, именно высшее образование, становится настоятельной необходимостью. Поэтому к этому времени многие ремесленные, средние технические училища преобразуются в высшие учебные заведения, где наряду с практическими предметами основное место начинают занимать самые различные науки, хотя на практике эти науки и применяются первоначально весьма редко и инженеры работают пока часто, как и раньше, "на глазок". Но уже когда начинает ощущаться недостаточность основательной теоретической научной базы инженеров. В то же время образование инженеров должно было сочетаться с их практической подготовкой. К концу IХ началу XX в. наука все более проникает в инженерную практику и инженерное образование. Эти две тенденции - ориентация на практику и на науку - характерны и сегодня для высших технических школ. С точки зрения первой ориентации, инженерная деятельность рассматривается как искусство, то есть система приемов и методов практической деятельности (например, строительное искусство, искусство проектирования и т.п.); с точки зрения второй - как своего рода прикладная, техническая наука как порождение науки, как результат приложения науки к технической практике. В соответствии с этими тенденциями реализуются и различные идеалы и нормы инженерной деятельности и инженерного образования: поощрение преимущественно изобретательско-проектной функции инженера, восходящей к художникам-архитекторам и ремесленникам-механикам эпохи Возрождения, или познавательски-исследовательской, расчетной, научной, восходящей к ученым-экспериментаторам Нового времени. В течение всего периода становления классической инженерной деятельности эти две тенденции конкурируют и поочередно возобладают как в сфере практической инженерной деятельности, так и в сфере инженерного образования.

Технический стиль мышления близок художественному, поскольку оба они связаны с очеловечиванием природы. В эпоху Возрождения эта связь получает новое выражение в деятельности великих мастеров того времени. И хотя у них уже намечается четкая ориентация на науку, все же преобладающим является художественный стиль мышления. Мифологическая картина мира средневекового ремесленника в эпоху Возрождения сменяется художественной картиной реальности, стремлением к научному познанию окружающего человека мира [2, с.57]. В отличии от научного и технического мышления основной функцией художественного является культурная - проблема ценностей и идеалов выражающих замысел и пути развития мира по законам красоты. В свою очередь инженерное мышление несет в себе черты как практического технического мышления предшествующих эпох, переработанного художниками-архитекторами Возрождения в новый художественно-научно-технический стиль, так и теоретического мышления архимедово-галилеевской времени.

С художественным мышлением сближает широкое использование им графических средств для выражения своих идей. Язык черчения - язык богатый своими возможностями и международный. Чертеж для инженера - это не только средство общения с исполнителями и коллегами, это идеализированная, но в тоже время поставленная в четкое соответствие с практикой, плоскость выражения его мысли. Именно по этому инженеры предпочитают чертить схемы, а не писать формулы или текст. В отличие от художника это графическое пространство служит инженеру не для художественного отображения окружающего мира с целью вызвать эстетическое наслаждение, а для детализации и конкретизации инженерной идеи в развернутую схему, научного обоснования и математического расчета этой схемы, чтобы впоследствии можно было выполнить рабочие чертежи - предписания мастерам и рабочим к реализации его замыслов [2, с.58]. В современных технических школах студенты в процессе обучения значительную часть своего времени уделяют черчению, где усваивают этот графический язык.

Средневековые ремесленники и архитекторы тоже могли пользоваться и действительно пользовались чертежами и математическими пропорциями, но они выполняли тогда иную функцию. Между языками ремесла и современного проектирования, в структуру которого действительно входит наука, есть принципиальная разница. Пропорция для античного и средневекового мастера была не научным или даже не эстетическим средством, а живой методикой делания вещи, начиная с выбора материала, всей технологической последовательности выполнения работ и кончая определением строя вещи в целом и каждой ее части. Когда современный архитектор, желая придать фасаду здания эстетичый вид, расчерчивает его по так называемому "золотому сечению", то это совсем иной научно-рациональный подход, чем это было в прошлом. Не следует забывать, что сегодня техническое черчение - это воплощенная наука, применение начертательной и проективной геометрии к решению практических задач машиностроения, строительства и т.д. Одним из создателей этого графического языка инженеров был французский инженер и ученый Гаспар Монж.

Монж был математиком и инженером одновременно. Он одним из первых понял и создал строго научную, математически точную систему графических изображений для нужд техники. В этом смысле он был продолжателем учения о перспективе художников-инженеров эпохи Возрождения. Но Монж пошел дальше их, сделав язык чертежа, с одной стороны, более строгим и научным, а с другой - пригодным для решения практических инженерных задач [3, с.103]. Очень скоро техническое черчение стало центральным пунктом инженерного образования, графическим языком инженеров. В других отраслях техники и технической науки также сложились свои особые графические средства для выражения инженерных идей, хотя и не всегда тесно связанные с геометрией, как, например, электрические схемы в электротехнике и радиотехнике.

Таким образом, на протяжении веков сформировались три особенности инженерного мышления - художественная, техническая (практическая) и научная. И хотя инженеры более охотно рисуют чертежи и схемы, а ученые пишут формулы и тексты (статьи, учебники), современное инженерное мышление глубоко научно. И чертеж, и схема, эти языки инженера, насквозь пронизаны наукой, прежде всего математикой.

Научная картина мира, вырабатывавшаяся на протяжении XVII-XVIII столетий, только в XIX в. начала медленно входить в повседневный обиход рядового инженера. В XVIII в. галилеева экспериментальная математизированная наука так и не дошла еще до всех "уголков" практической инженерной деятельности, продолжавшейся оставаться инженерным искусством. Подлинное проникновение науки в сферу инженерной деятельности и промышленности начинается лишь с развитием машинного производства.

 

4.4 Инженерная деятельность в эпоху машинного производства

Со становлением машинного производства происходит дифференциация инженерной деятельности, которая на первых этапах включает в себя лишь изобретательство, конструирование и технологию производства. С возникновением технических наук к ним добавляются еще инженерные исследования и проектирование.

Приемы работы конструктора в зависимости от каждого конкретного случая, но они не выходят за пределы конструктивных вариантов и представляют собой применение известных, уже выработанных искусственных приемов и простых стандартных расчетов. Поэтому его задача заключается в том, чтобы произвести такое видоизменение, чтобы получилась лишь новая конструкция, а не новое изобретение. Прогресс в технике как раз и заключается в том, что нововведение усваивается и переходит из разряда изобретений в разряд конструкций. Конструкторская деятельность становится особенно необходимой с развитием серийного и массового производства технических изделий. Проектирование же занимает промежуточное положение между изобретением и конструированием и более тесно связано с научной деятельностью.

Полный цикл инженерной деятельности включает изобретательство, конструирование, проектирование, инженерное исследование, технология и организация производства, эксплуатация и оценка техники, а завершает этот процесс ликвидация устаревшей или вышедшей из строя техники.

Изобретательство. Изобретательская деятельность, как правило, начинает цикл инженерной работы. В изобретательской деятельности на основании научных знаний и технических достижений заново создаются новые принципы действия, способы реализации этих принципов или конструкции инженерных устройств и систем или же их отдельных компонентов. Сложности в изготовлении, конструировании и техническом обслуживании существующих технических систем, а также необходимость создавать принципиально новые инженерные устройства и системы стимулируют производство особого продукта - изобретений, авторство на которые закрепляется в виде патентов. Они имеют широкую сферу применения, выходящую за пределы единичного акта инженерной деятельности, и используются при конструировании и изготовлении новых технических систем или усовершенствовании старого оборудования.

Вот как, например, в своих записках характеризует суть такой деятельности академик Борис Николаевич Юрьев, разработчик и исследователь вертолетной техники: "Основные этапы изобретательской работы. Изобретения возникают лишь в результате долгой и систематической работы. Вдохновение, озарение и т.п. приходят лишь тогда, когда для них уже создан солидный фундамент.

Обычно работа по изобретательству состоит из следующих четырех этапов:

1. Четкая постановка задачи. Правильно поставить задачу - это часто означает решить ее наполовину.

2. Анализ задачи. Разложение ее на составляющие элементы. Теория. Часть элементов окажется известной. Неизвестное встает более ясно.

3. Комбинаторика (творчество). Классификация решений и заполнения пустых классов. Аналогии. Смелые скачки мысли. Фантазии. Теория и наивыгоднейшие соотношения. Чем смелее, тем лучше!

4. Критический фильтр. Строгая проверка п.3. Проверка новизны, целесообразности и пользы. Чем строже, придирчивее, тем лучше" (Практически этапы системного подхода).

Изобретение, по мнению Б.Н. Юрьева, - это открытие новых методов использования явлений природы для удовлетворения нужд человека, его потребностей наиболее рациональным или экономичным способом. И далее:

"Пути изобретательства.

Зарождение идеи.

1. От явления к применению. Узнав о каком-нибудь явлении или открыв его, нужно попытаться приложить его к практическим целям. Списки не использованных еще явлений природы.

2. От применения (задания) к явлению. Наметив практическую задачу, пытаться решить, подбирая подходящие физические явления. Списки неудовлетворенных технических потребностей или удовлетворенных, но плохо.

3. Подражание природе.

4. Дикие фантазии с последующим отбором. Неожиданные решения, делание наоборот. Рассуждения по аналогии.

5. Научные исследования вопроса и нахождение оптимальных величин (максимума, минимума, экстремума, вариационные задачи и т.д.). Сначала - перевод задания на математический язык. Анализ формул. Практические выводы.

6. Комбинирование известного для получения нового эффекта"*

Весьма показательным в плане систематики труда изобретателя является алгоритм решения изобретательских задач, предложенный Альтшуллером в 60-х годах прошлого века.

Конструирование. Инженерная деятельность направлена на создание нового, а не на слепое копирование имеющихся образцов, как это было свойственно ремесленной практике. Однако только сформулировать идею еще недостаточно. Идея изобретателя, даже воплощенная в виде опытного образца, требует работы целой армии конструкторов, меняющих детали и их расположение, упрощающих конструкцию и т.д. Результатом конструкторской деятельности является готовая конструкция технического устройства или системы, материализуемая затем в процессе изготовления. Эта конструкция, как правило, состоит из определенным образом связанных стандартных элементов, выпускаемых промышленностью. Если каких-либо элементов не достает или их параметры не соответствуют требованиям конструктора, они изобретаются и проектируются заново. Для целей массового производства и варьирования технических характеристик по требованию заказчиков на этой стадии проводятся дополнительные инженерные расчеты и учет ряда таких требований, как простота и экономичность изготовления, удобство использования, соблюдение определенных габаритов и возможность применения стандартных или уже имеющихся конструктивных элементов. Конструктор рассчитывает конкретные конструктивно-технические характеристики создаваемого устройства, учитывающие специфические условия его изготовления на данном производстве. Конструктор создает новые типы машин, имеющие общее устройство, но различающиеся характером отдельных деталей, их расположением, материалом и другими конструктивными особенностями.

Конструкторская деятельность становится необходимой именно с развитием серийного и массового машинного производства технических изделий и заключается в создании, испытании и отработке опытных образцов различных вариантов будущего инженерного объекта, выборе из них наиболее оптимального с точки зрения заказчика варианта и разработке технической документации - руководства для изготовления его на производстве [3, с.107]. За конструктором остается расчет конструктивно-технических и технологических параметров технического устройства, разработка же технологии изготовления - задача уже другого специалиста - инженера-технолога. Однако это не снимает с конструктора ответственности за создание технологичной конструкции. Конструктор должен быть хорошо знаком со всеми процессами изготовления и обработки проектируемых машин, сооружений или вообще всяких изделий. Без такого знакомства он может сконструировать детали, которые вообще невозможно изготовить или обработать либо которые окажутся неудобными, дорогими и чрезмерно долгими в изготовлении.

Технология и организация производства. В результате конструирования рождается чертеж готовой технической машины или системы, который является посредником для передачи идеи изобретателя и описания конструкции, разработанной инженером-конструктором, не только исполнителю-рабочему, но и инженеру-технологу, который руководит изготовлением деталей и их сборкой. Исходным материалом этого вида инженерной деятельности являются материальные ресурсы, из которых создается изделие, а продуктом - готовое технически устройство и руководство к его эксплуатации. Функция инженера в данном случае заключается в организации производства конкретной типа изделия с требуемым качеством и разработка технологии изготовления определений конструкции этого изделия, а также, если это необходимо, орудий машин для его изготовления или отдельных его частей. Разработка и усовершенствование новой технологии в той или иной отрасли промышленности связана сегодня с научными исследованиями, например новых материалов, и созданием нового наукоемкого технологического оборудования.

Часто крупные инженеры сочетают в одном лице и изобретателя и конструктора, и технолога, выполняя функции организатора производства какого-либо типа изделий промышленности. Однако современное разделение труда в сфере инженерной деятельности неизбежно ведет к специализации инженеров, работающих в научной следовательских институтах, конструкторских бюро, на заводах и фабриках преимущественно либо в области инженерного исследований либо конструирования, либо организации производства и технологи изготовления определенного типа технических систем. Такого рода разделение труда наметилось уже на первых заводах, хотя первые их создатели и руководители совмещали в своей деятельности почти все эти позиции одновременно. Однако в конце XIX в. на них уже действовал более четкий принцип разделения инженерного труда, выделяются в самостоятельные подразделения техническая дирекция, конструкторское бюро, мастерские и технический надзор за исполнением заказов. Инженер в мастерских уже ничего не изготавливает сам, как нередко случалось раньше, а лишь руководит сборкой по чертежам, полученным от инженеров-конструкторов, имея в распоряжении мастеров и старших рабочих. В дальнейшем ни изобретательская, ни конструкторская, ни технологическая инженерная деятельность не обходятся без тщательного научно-технического исследования.

Эксплуатация, оценка функционирования и ликвидация. В настоящее время в сферу инженерной деятельности попадает и эксплуатация технических систем, то есть операторская деятельность, и их техническое обслуживание. В процессе эксплуатации технической системы проводится также оценка ее функционирования, что весьма важно для постоянного совершенствования и разработки новых таких систем.

В последнее время особенно сложной инженерной задачей становится утилизация и ликвидация отработавших технических устройств и их компонентов, которая может составлять предмет особого научного исследования. Уже на стадии разработки новой технической системы должны быть сформулированы требования к материалам и компонентам, входящим в ее состав, с точки зрения возможности их утилизации с минимальным ущербом для окружающей среды и здоровья людей. Это относится не только к атомным реакторам и к новейшим вычислительным комплексам, утилизация которых обходится весьма дорого и требует специальных инженерных и научных разработок и даже создания особых устройств для их утилизации, но и к таким, казалось бы, простым побочным продуктам технической деятельности, как упаковка отдельных компонентов или устройства в целом. Для переработки всего этого также разрабатываются достаточно сложные технические комплексы, такие, например, как печи для сжигания мусора или очистные сооружения для очистки промышленных вод, бывших в употреблении. Научные исследования и инженерные разработки в этой области финансируются в настоящее время во все большем объеме в промышленно развитых странах. Утилизация отходов атомной энергетики требует создания не только специальных наукоемких и дорогостоящих производств, но и специальных транспортных средств, контейнеров и хранилищ для них, представляющих собой вершину науки и инженерного искусства.

Таким образом, развитая инженерная деятельность включает в себя целый набор различных специализаций и видов деятельности, которые и сами составляют сложную систему, требующую исследования и организации. Организация инженерной деятельности сама становится одним из важных видов инженерной деятельности.

Инженерные исследования и проектирование. Развитие инженерной деятельности привело к необходимости выделения в ней слоя собственных исследований, которые получили название инженерных, или научно-технических, где доводится до практически применимого уровня полученные в науке результаты, происходит обобщение, систематизация выработанных в ходе инженерной деятельности знаний. Часто имеющихся научных разработок недостаточно и в ходе решения той или иной конкретной инженерной задачи возникает потребность постановки и разработки чисто научной проблемы. В историческом плане это приводит к формированию сначала отдельных, а затем и целых блоков технических наук.

Для классической инженерной деятельности характерна ориентация каждого вида инженерной практики на соответствующую базовую науку, или на целый комплекс научно-технических дисциплин. В современных видах технической деятельности привлекаются любые методы, средства и знания из любых научных предметов. Их объединяет общность решаемой сложной инженерной задачи и единство подхода к ее решению. Система сложившихся на сегодня технических наук простирается от теоретических до практических исследований. Прямым посредником между инженерной деятельностью и производством становятся инженерные исследования и проектирование. Да и само проектирование развилось из простой работы чертежников-рисовальщиков до квазинаучной деятельности инженера-"теоретика" со всеми, как в науке, аналогичными методами решения проблем, включая системный анализ.

 

4.5 Инженерная деятельность и проблемы возникающие перед ней на современном этапе ее развития

Современный этап инженерной деятельности характеризуется системным подходом к решению сложных научно-технических задач, обращением ко всему комплексу общественных, естественнонаучных, математических и научно-технических дисциплин Так, в 1969г. в СССР была начата разработка многоцелевого орбитального комплекса, параллельно с работами над станцией "Салют". И хотя в 1974г. эти работы были прекращены, при разработке технического предложения впервые в истории советского космического ракетостроения для решения разноплановых задач с использованием ракетной техники был применен системный подход с широким технико-экономическим анализом и оценкой реализуемости.

Обособление проектирования и экспансия его в смежные области, связанные с решением экологических, биотехнологических и социотехнических проблем, привели к кризису традиционного инженерного мышления и развитию новых форм проектной культуры, системных и методологических ориентаций современной инженерной деятельности, выходу ее на гуманитарные методы познания и освоения действительности. Например, для создания автоматизированных систем управления предприятиями или отраслями промышленности уже недостаточно традиционно используемых в инженерной деятельности знаний технических и естественных наук. Для их разработки требуются особые социально-экономические, социологические, социально-психологические исследования. А пренебрежение ими приводит к снижению эффективности таких систем. Конкретные социальные условия функционирования автоматизированных систем управления должны учитываться на стадии проектирования.

Есть и еще одна важная сторона этой проблемы. Как известно, многие современные массовые технологии, например в пищевой, фармацевтической промышленности, сельском хозяйстве и т.д., часто приводят к губительным для человека и природы последствиям. Все это требует тщательного исследования технологий производства пищевых продуктов, лекарств, сельскохозяйственных продуктов, вдумчивому научному анализу будущих разработок.

Сегодня особенно актуальными становятся проблемы социальной ответственности инженеров и проектировщиков, не только перед заказчиком, но и перед обществом в целом. В результате научно-технического прогресса перестраивается окружающий нас мир и не всегда наилучшим образом, а часто и во вред человеку, обществу и даже всему человечеству.

5. Заключение

Последние годы XIX в. и начало XX в. были периодом переворота по всему фронту естественнонаучных исследований. По-видимому, научные дисциплины, несмотря на все различия их предметов, развиваются в какой-то мере в одном ритме. С другой стороны, имела место как бы цепная реакция на всем концептуальном пространстве естествознания: квантовая механика и теория строения атома позволили переосмыслить периодическую систему элементов и теоретическую химию в целом, что отразилось и на биологии, приведя к формированию ряда новых дисциплин, включая молекулярную биологию и молекулярную генетику.

Методологические принципы, на которых основывается естествознание, также претерпели в XX в. некоторые изменения. Детерминизм как учение о том, что все явления имеют причину, в целом сохранился, но в модифицированном виде: на микроуровне он перестал быть столь жестким, как того требовала классическая механика. Принципы дополнительности и неопределенности заставили заменить классические выражения типа “А следует из В" уравнениями, накладывающими определенные ограничения на последовательность превращений микрочастиц, и сделали реальность такого рода превращений вероятностной функцией. На мезоуровне термодинамические закономерности позволяют говорить о статистической природе детерминированности. Наконец, на мегауровне причинно-следственная структура мира оказывается теснейшим образом связанной со структурой релятивистского пространства - времени.

Метод редукции сохранил и углубил свое значение по сравнению с классическим периодом: была осуществлена, например, редукция периодического и других законов химии к количественным закономерностям строения электронных оболочек и ядра атома. Однако это не означало победы редукционизма: биологические явления не могут быть сведены к физическим и химическим, а в пределах самой физики выделяется несколько областей исследования, которые, будучи взаимосвязанными, тем не менее не могут быть сведены друг к другу. Таковы, например, теория относительности и квантовая механика, или СТО и ОТО.

Мы видим, что мир представляет собой единство систем, находящихся на разном уровне развития, причем каждый уровень служит средством и основой существования другого, более высокого уровня развития систем. Данное относится не только к природе, но и обществу, где мы наблюдаем ряд организационных форм, наиболее грандиозные из которых получили название “общественно-экономические формации”.

Итак, мир, будучи системой систем, сложнейшим материальным образованием, находится в процессе непрерывного движения, возникновения и уничтожения, взаимоперехода одних систем в другие, причем одни системы изменяются медленно и длительное время кажутся неизменными, другие же изменяются настолько стремительно, что в рамках обыденных человеческих представлений фактически не существуют. Чем обширнее система, тем медленнее она изменяется, а чем меньше, тем быстрее она проходит этапы своего существования. В этом простом соответствии скрыт глубокий смысл еще не до конца понятой связи пространства и времени. И здесь можно увидеть одну из закономерностей развития материи: от меньшего к большему и от большего к меньшему, осознание которой привело к пониманию развития и качественного изменения систем слагающих мир, и мира как системы.

Во второй половине XX в. воздействие научно-технического прогресса на общество и природу становится глобальным. Это вызывает целый ряд сложнейших экологических проблем, означающих, что ученый и инженер не просто специалисты. Они имеет дело и с природой - основой жизни общества, и с другими людьми. Современная научно-техническая деятельность выдвигает поэтому и проблему социальной ответственности, интеллектуальной честности и профессиональной этики.

В результате научно-технической деятельности создано многое, без чего немыслима цивилизация наших дней. Инженеры и конструкторы сделали реальным то, что казалось сказочным и фантастическим, и чему теперь мы перестали удивляться (полеты человека в космос, телевидение и т.п.). Но они разработали и изощренные технические средства уничтожения людей. И хотя сами наука и техника этически нейтральны, творцы не могут оставаться равнодушным к ее вредоносному использованию. Еще великий Леонардо да Винчи был всерьез обеспокоен возможным нежелательным характером использования его изобретений. Развивая идею аппарата подводного плавания, он писал: "Каким образом человек с помощью машины может оставаться некоторое время под водой. И почему я не решаюсь описывать мой метод пребывания под водой и то, как долго я могу оставаться без пищи. И о том, что я не хочу опубликовать и предать гласности это дело из-за злой природы человека, который мог бы использовать его для совершения убийств на дне морском путем потопления судов вместе со всем экипажем". Это пример высокой морали, оставленный Леонардо да Винчи будущим поколениями инженеров. В связи с этим мы сталкиваемся с необходимостью при системном подходе к решению проблем кроме обычного набора "технических" факторов принимать во внимание дополнительные, нравственно-этические факторы.

Но одними призывами к ученым и инженерам следовать в своей деятельности идеалам гуманизма делу не поможешь. Не они распоряжаются результатами своей деятельности. И не от них, фактически, зависит финансирование тех или иных исследований и разработок. С другой стороны, кто посмеет осудить создателей образцов вооружения Красной Армии, использованных во время Великой Отечественной войны 1941-45г. г. или Курчатого за создание атомной бомбы во время великого противостояния. Без ее создания вероятность повторения Херосимы на территории СССР была бы практически стопроцентной, что и показали действия США в отношении Кореи, Вьетнама, Кубы, Панамы, Ирака. Но стоит воздать хвалу разработчикам модели "ядерной зимы", которая в значительной степени способствовала переходу ядерных держав в подходе к статусу ядерного оружия от оружия нападения к средству сдерживания и отказу от доктрин, допускающих глобальную ядерную войну. Думаю, что именно в этом направлении можно найти действительно эффективные средства предотвращения негативного воздействия научно-технического прогресса на человечество и окружающий мир.

Но есть и еще один существенный момент. Как видно из истории системного подхода в свете сведений, приведенных в данной работе, системность подхода развивается в направлении расширения количества и продолжительности проявления связей изучаемого явления или создаваемого объекта с окружающим его пространством или увеличения количества рассматриваемых явлений, объектов. Наукой, несмотря на весь ее консерватизм, практически признано существование биополя человека, не за горами научное подтверждение и признание телепатии. Очередным скачком, аналогичным переходу от классической механики к нелинейной динамике и ее частному случаю - синергетике, скорее всего будет признание влияния космоса на жизнь и развитие человечества, к чему подводят труды Чижевского, Гумилева, Вернадского. Но эта перспектива тоже не ведет к очевидным эффективным средствам воздействия на сознание политиков, а именно они определяют направление использования научно-технических разработок. И убедить их скорее всего можно, по-видимому, только с помощью разработок, подобных модели "ядерной зимы" и т.п. Вполне очевидно, что включение при разработке элементов системного подхода в число рассматриваемых и этих факторов - это наиболее эффективный путь к предотвращению негативного использования результатов научно-технического прогресса.

Литература

1. Князева Е.Н. Сложные системы и нелинейная динамика в природе и обществе. // Вопросы философии, 1998, №4

2. "Синергетика-на-Оке", "Знание - сила", 1983 год, № 12

3. Аверьянов А.Н. Системное познание мира. М.: Политиздат, 1985.

4. Андреев И.Д. Методологические основы познания социальных явлений. М., 1977.

5. Фурман А.Е. Материалистическая диалектика. М., 1969.

6. Анохин П.К. Философские аспекты функционирования системы.

7. Блохинцев Д.И. Проблемы структуры элементарных частиц. - Философские проблемы физики элементарных частиц. М., 1963.

8. Кулындышев В.А., Кучай В.К. Унаследованность: качественная и количественная оценки. - Системные исследования в геологии. Владивосток, 1979.

1. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

2. Лавриненко В.Н. и др. Концепции современного естествознания. Учебник для вузов. М., 1997.

3. Мэрион Дж.Б. Физика и физический мир. М., 1975.

4. Жизнь науки. Антология выступлений к классике естествознания / Сост. Капица С.П.М., 1973.

5. Миллер Т. Жизнь в окружающей среде. Программа всеобщего экологического образования. Т.1-3.М., 1993-1996.

8. Старостин Б.А. Параметры развития науки. М., 1980.

9. Пахомов Б.Я. Становление физической картины мира. М., 1985.

10. Романовский С.И. Великие геологические открытия. С. - Пб., 1995.

11. Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Химия на перекрестке наук. М., 1989.

12. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса.

13. Соловьев В.С. Философский словарь Владимира Соловьева. Р-на-Д, 2000.

14. Горохов В.Г. Знать, чтобы делать. М., 1987.

15. Горохов В.Г., Розин В.М. Введение в философию техники. М., 1992.

* по В. Г Горохов. "Знать, чтобы делать", с. 20.

* В. Г Горохов. // Цит. по: Аристотель. Метафизика. М.,1934.

* В. Г Горохов. // Цит. по: Аристотель. Метафизика. М.,1934.

** В. Г Горохов. // Цит. по: Плутарх. Сравнительные жизнеописания. М.,1962. - Т. 1.

* В. Г Горохов. // Цит. по: Стражева И.В., Буева М. В.. Борис Николаевич Юрьев. М.,1980.