Естественные науки

Введение

Связь вопроса о сути понятия "естественные науки" и времени их рождения.

Математика-техне в древних Шумере и Египте и математика-теория в древней Греции.

Основные этапы развития естественной науки Нового и Новейшего времени в контексте истории культуры Запада. Периоды в истории физики и естественной науки Нового времени: "классический" (XVIII-XIX вв., царство классической механики), "неклассический" (c конца XIX в., царство теории относительности и квантовой механики) и "постнеклассический" (с сер. ХХ в., царство нелинейной физики, химии и синергетики). Общность характерных черт этих периодов с параллельными явлениями культуры (искусством, философией, социально-политическими процессами): основные характеристики эпохи классицизма и просвещения и периода "конца века"; революционный период начала века; переход к постмодернизму и постиндустриальному обществу.

Тема 1. Структура раздела науки

Два источника современной естественной науки: Фр. Бэкон и Г. Галилей. Метод эмпирической индукции Фр. Бэкона. Понятия "эмпирического факта", эмпирического закона", теоретического закона". Доминирующее место эмпиризма в научном мировоззрении и философии науки и проблема Д. Юма. Геометрия Евклида как образец теории. Проблема пересмотра оснований наук (в геометрии и физике) в конце XIX в. в связи с появлением неэвклидовых геометрий и "неньютоновской" электродинамики Максвелла. Понятие о неявном и явном типах введения понятий. Введение понятий "первичного идеального объекта" – ПИО и "ядра раздела науки" – ЯРН. Различение “созидательной” фазы – фазы создания новых ПИО и фазы "использования" – фазы использования старых (уже имеющихся) ПИО.

Физика как наука о движении-перемещении частиц и непрерывной среды. Движение-перемещение как изменение состояния. Взаимообусловленность понятий физической системы (объекта) и его состояний. Принципиальное отличие непрерывной среды от частицы. Программы "дальнодействия" Ньютона и "близкодействия" Декарта.

Галилее-ньютоновская структура ЯРН в физике: понятия модели физической системы и состояния физической системы, математические образы физической системы и состояния физической системы, уравнение движения. Диахронический (динамический) и синхронический (структурный) аспекты уравнения движения. Процедуры приготовления исходного состояния, процедуры измерения (сравнения с эталоном). Их "нетеоретический" характер.

Тема 2. Анализ формирования нового первичного идеального объекта на материале истории классической физики: механики, гидродинамики и электродинамики

Механика Ньютона – образец корпускулярной модели. Исходная проблема Ньютона (связь между законами Кеплера, теорией тяготения и законами механики Ньютона). Механическая частица и ее состояния. Инерциальная (т. е. движущихся параллельно и равномерно друг относительно друга) система отсчета, сила, масса и проблема их измерения.

Пример непрерывной среды в теории идеальной жидкости Эйлера. Понятия физической системы и ее состояний в гидродинамике. Волны как дочернее образование непрерывной среды. Интерференция и дифракция волн. Сравнение волны и частицы.

Основные этапы развития и понятия электродинамики. Формирование понятий заряда и тока и процедур их измерения. Соперничество двух программ (немецкой и английской) и их связь со спором Ньютона и Декарта. Теория Фарадея-Максвелла и понятие электромагнитного поля. Электромагнитные волны.

Проблема оснований механики, альтернативные механики конца XIX в., гносеологический кризис конца XIX в.

Тема 3. Теория относительности (специальная (СТО) и общая (ОТО)) и современная космология

Принцип относительности Галилея-Ньютона и "преобразования Галилея" (для координат, времени, скорости). Проблема распространения принципа относительности на электродинамику Максвелла и "преобразования Лоренца". СТО А. Эйнштейна: скорость света как новый основной эталон, основанные на нем новые процедуры измерения времени, расстояния и одновременности. Вытекающие из этого кинематические эффекты: замедление времени, сокращение длин, относительность одновременности. Проблема одновременности и “парадокс близнецов”. Место проблемы движения эфира относительно Земли и опыты Майкельсона и Морли в учебниках и реальной истории. Изменение уравнения движения и динамические эффекты: зависимость массы от скорости, E=mc2. Метод "затравочной классической модели" в ТО и "неклассической" физике. Соотношение микро-, макро - и мега - миров.

Новое математическое представление – 4-мерное пространственно-временное многообразие Минковского – и миф о 4-мерии реального мира.

ОТО А. Эйнштейна: сведение сил тяготения к искривлению пространства-времени в ОТО. Физическая модель, математическое представление, процедуры измерения в ОТО. Равенство инертной и гравитационной масс. Программы геометризации физических взаимодействий. Отличие программ Клиффорда от ОТО Эйнштейна и геометродинамики Уиллера. Современные модели гравитационного поля и эфира.

Истинное место 4-мерного пространственно-временного многообразия в ТО. Методы симметрии и повышение роли математики в "неклассической" физике.

Нестационарное решение космологического уравнения ОТО и новая космология. Основные моменты сценария “Большого взрыва”.

Место теории относительности Эйнштейна в культуре XX вв.

Тема 4. Квантовая механика

Этап 1-й. Теория теплового излучения "абсолютно черного тела" и постоянная Планка. Проблемы строения атома, атомных спектров, фотоэффекта и введение представления о квантах света (Планк, Эйнштейн). Принципы соответствия и квантования в "старой" квантовой механике.

Этап 2-й. Формулирование квантового парадокса “волна-частица” (Эйнштейн, де Бройль) как начало перехода к "новой" квантовой механике.

Этап 3-й. Появление математического представления волновых функций Э. Шредингера. Их вероятностная интерпретация М. Борном. Понятие "распределение вероятностей" (на примере бросание правильной и неправильной многогранной кости). Особенность процедур измерения в квантовой механике.

Процесс измерения в квантовой механике. "Парадокс" "кота Шредингера". Критический анализ постановки проблемы. Мнимое и действительное место “наблюдателя” в квантовой механике. Место "принципа неопределенности" Гейзенберга (DxDp>h/2p).и "принципа дополнительности" Бора как специфических свойств состояний квантовых систем.

От "принцип соответствия" Н. Бора к методу преобразования “затравочной классической модели" системы в квантовую. Модель системы и состояния системы в квантовой механике.

Спор Эйнштейна и Бора вокруг вопроса о законченности и полноте нерелятивистской квантовой механики. Современное состояние вопроса.

Квантовая механика многих частиц. Принцип неразличимости, запрет Паули, статистика бозонов и фермионов. "Парадокс" Эйнштейна-Подольского-Розена (ЭПР) и миф о квантовой телепортации.

Основные ПИО и процедуры измерения в квантовой электродинамике, теории элементарных частиц и квантовой теории твердого тела. Что такое "виртуальные частицы" и “физический вакуум”. Электромагнитные, слабые и сильные взаимодействия. Поиски единой теории. Спектр элементарных частиц и методы симметрии, "химические" и "спектроскопические" подходы к систематизации. Теория кварков и глюонов.

Место квантовой механики в культуре XX вв.

Тема 5. Термодинамика, кинетическая теория тепла, равновесная статистическая физика и физическая кинетика

Теория теплорода и формирование и понятия термодинамической системы и основных измеримых величин (p, V, T, dQ). Пример термодинамической системы – газ под поршнем. Уравнение состояния идеального газа. Утверждение о невозможности создания “perpetum mobile” (“вечного двигателя”) – I закон термодинамики (dU= dQ + dA) и понятие внутренней энергии U. Законы сохранения энергии в макроскопических процессах. Понятия равновесного термодинамического состояния, обратимого и необратимого процесса. Утверждение о невозможности создания “вечного двигателя 2-го рода” – II закон термодинамики. Идеальный тепловой двигатель, “цикл Карно” и понятие энтропии. Проблема тепловой смерти Вселенной.

Возрождение корпускулярной модели в виде газа упругих твердых шаров и получение с ее помощью термодинамических законов для идеального газа. Проблема невидимости молекул. Броуновское движение. Формирование молекулярно-кинетической модели Максвелла-Больцмана. Попытка механического вывода второго начала термодинамики и энтропии. Проблема механического смысла необратимости.

Представление о различии газообразной, жидкой и твердой фазах вещества и фазовых переходах 1-го и 2-го рода. Аморфное и кристаллическое состояние, порядок и беспорядок в природе;

Тема 6. Синергетика

Открытие динамического хаоса (модель Лоренца) и понятия фазового портрета, аттрактора и целевой причинности, бифуркации, фрактала. Открытие химических колебаний Белоусова-Жаботинского. Открытие активной среды и динамических структур (модель морфогенеза Тьюринга и эффект Бенара). Синергетика как естественная наука о структурных преобразованиях в открытой диссипативной нелинейной системе (Г. Хакен). Специфика синергетики и теории колебаний (науки о типах движения). Дальнейшее развитие динамических моделей нового типа в биологии (). Синергетика как физика неравновесных процессов (И. Пригожин). Необратимость времени.

Проблема предсказуемости поведения в нелинейных системах. Режимы с обострением (С. Курдюмов и др.) и рост народонаселения. Глобальное моделирование и эко-, био - и социо - системы. Кибернетика, синергетика, системный подход как науки о сложных системах.

Самоорганизация в живой и неживой природе. Принципы универсального эволюционизма. Понятие постнеклассической науки.

Тема 7. Основные понятия химии

Понятия элементов у Аристотеля, алхимиков и Бойля. Понятие простого и составного вещества. Формирование атомной модели вещества и модели химических превращений (Лавуазье и Дальтон). Модель химического вещества как ансамбля химических атомов (АХА); модель простого химического вещества как ансамбля одинаковых химических атомов; аналитическая химия – набор процедур измерения-определения веществ. Введение понятий молекулярного ансамбля химических атомов. Составление таблицы различных молекулярных соединений, отличающихся атомным составом. Введение на их основе понятий химической межатомной связи и валентности, как характеристики межатомной связи. Развитие понятия химической межатомной связи – введение понятия молекулярной структуры (в связи с открытием явления изомерии). Химическое превращение (реакция) как превращение одних ансамблей химических атомов в другие – базовая модель химии. Связь свойств вещества и его состава и структуры.

Последующие усложнения модели – введение понятий: скорости химической реакции и катализатора. Необратимые и обратимые реакции.

Разделы химии как различные типы ансамблей химических атомов: химия простых молекул (химии состава); химия структурных молекул, кристаллохимия и т. п.

Возникновение физической химии в результате отождествления химического вещества и физической системы. Возникновение квантовой химии в результате отождествления химического и физического атомов в ХХ в. и рассмотрение атомов и межатомных связей как квантовых явлений (объектов). Возникновение физической аналитической химии (спектроскопия, рентгеноанализ и т. п.) – т. е. нового типа эталонов и измерительных процедур. Обновление на этой основе понятия химической связи и химического соединения. Объяснение на основе квантовой механики атомов периодической системы химических элементов и создание теорий элементарных физико-химических связей (ковалентная связь, ее донорно-акцепторный механизм, ее свойства; ионная связь; полярные и неполярные молекулы; металлическая связь; ван-дер-ваальсова связь). Понятие многоатомной физико-химической связи.

Химия сложных реакций, состоящих из системы простых реакций (единиц нового уровня). Наложение специфических физико-химических условий реакции.

Специфика химии – везде основой остается базовая модель превращения ансамблей химических атомов (конечного числа сортов) – альтернатива переходу из одного состояния в другое в физике.

Тема 8. Структура биологических наук

Проблема специфики биологии. Проблема сущности жизни и ее происхождения: химическая эволюция Опарина и "принцип Реди", креационизм, гипотеза панспермии. Что сначала: "мир РНК" или биосинтез белков?; организм-клетка или биосфера ("жизнь кишела")? Механицизм и витализм.

Что такое теоретическая биология? Сравнение с физикой и химией. В каких понятиях схватываются биологические объекты и процессы?

Спор холизма и атомизма (элементаризма, редукционизма), механицизма и органицизма. Две линии развития биологии.

Успехи механицистской биологии: а) биомолекулярная химия 1950-70 гг.: открытие структуры ДНК, механизмы наследственности и биосинтеза белков, генная инженерия, программа "геном человека"; б) биомолекулярная физика (мембранная биофизика); в) биомолекулярная химия 1990-х (нелинейная динамика "биохимических фабрик" клетки; г) холистская биомолекулярная физика когерентных состояний электромагнитного поля (модели квантовой нелинейной оптики).

2) Органицистская биология. Проблема системы основных понятий и моделей.

Морфология и физиология. Организм и среда: обмен веществом, энергией, информацией, открытость системы. Орган – функция как важнейшая форма целесообразной активности (онтогенез, поисковая активность).

Организм и клетка. Отличие поведение клеток in vivo и in virtue. Межклеточная среда и сигнальные белки. Ядро клетки и основные органеллы. Прокариоты, эукариоты и археобактерии. Основные фазы мейоза и митоза. Превращение яйцеклетки в организм (онтогенез), преформизм и эпигенез.

Вид и эволюция. Разнообразие организмов и понятие вида. Бинарная номенклатура видов по К. Линнею. Проблема существования видов и эволюции: К. Линней (вид), Ж.-Б. Ламарк (изменчивость), Ч. Дарвин (вид и изменчивость), (гомологические ряды как причина канализованности изменчивости). Формальные и биологические (продуктивное потомство) основания выделения видов.

Эволюция жизни по Дарвину и основные его альтернативы – ламаркизм, номогенез, нейтралистская эволюция. Их сочетание сегодня. Синтетическая теория эволюции (от организма к популяции). Эволюция как преобразование разнообразия. Место эволюционной теории Дарвина в культуре XIX-XX вв.

Эволюция и генетика. Дарвин и Мендель. Законы Менделя. Генотип и фенотип. Молекулярный механизм наследственности и блочно-иерархический принцип в эволюции. 4 основные фактора эволюции на популяционном уровне – мутации, популяционные волны, дрейф генов, изоляции (разных видов), естественный отбор.

Система иерархических уровней: организм, популяция, биоценоз (продуценты, консументы, редуценты и окружающая среда), биосфера. Потоки и обмен веществ и энергии, трофические взаимодействия (типология трофии (способов питания), современная классификация метаболизма: катаболизм, анфиболизм, анаболизм; автотрофные и гетеротрофные организмы. Проблема биоразнообразия, устойчивость экосистемы и экологический кризис. Связь цель-механизм между различными уровнями: 1)адаптация через динамическое разнообразие на уровне биосферы и биоценоза (механизм ее реализации – динамическая адаптация популяции путем ее количественного и качественного изменения (эволюция вида); 2)цикл смерти-рождения особей как механизм осуществления динамической адаптации популяции; 3)продолжение рода (эффективное размножение) – цель динамической адаптации биологической особи-организма, которая осуществляется путем взаимодействия со средой через органы (физиология), обновление клеток и поведение.

Биосфера, геосфера и космические циклы. Учение о биосфере . "Гипотеза Геи" Дж. Лавлока – еще одна форма биосферологии.

Биологический фактор в развитии человека. Асимметрия функций левого и правого полушарий мозга. Как работает человеческий мозг. Теория рефлекторной деятельности и разумная социальная деятельность.

"Оптимистическое" понятие ноосферы по Вернадскому и неоптимистические альтернативы (быстрота темпов развития биосферы и техносферы, их глобальность, экологические проблемы как их столкновение). Концепция "устойчивого развития".

Проблема морфогенеза и другие нерешенные проблемы биологии. Мир форм (понятие морфогенетического поля по Дришу, Гурвичу, Шелдрейку). Анализ понятия "биополя".