Концепции современного естествознания

Министерство образования Российской Федерации

Владивостокский государственный университет

экономики и сервиса

КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО

ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Исполнитель: доцент кафедры

Физики, химии

и прикладной механики

ВЛАДИВОСТОК

2005

С О Д Е Р Ж А Н И Е

ВВЕДЕНИЕ

§1. Феноменология Мира.
§2. Феноменология естественного языка.
§3. Структура и предмет естествознания.

ЧАСТЬ I.
ОСНОВНЫЕ КАТЕГОРИИ И ПОНЯТИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

§1. Порядок и Хаос.
§2. Структура и система.
§3. Рост структур.
§4. Энтропия и информация.
§5. Симметрия и группа.

ЧАСТЬ II.
СТРУКТУРНЫЕ УРОВНИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

Введение. Способы описания природных систем.

Глава I. МИКРОМИР

§1. Свойства микрообъектов.
§2. Мир элементарных частиц.
§3. Кварки и теория великого объединения.

Глава II. МЕГАМИР

§1. Метагалактика и общая теория относительности )ОТО).

Глава III. МАКРОМИР

§1. Солнечная система и Земля.
§2. Биолого-химическая эволюция на Земле.
§3. Экологические проблемы и сохранение жизни на Земле.

ЧАСТЬ III.
ОСНОВНЫЕ КОНЦЕПЦИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ.

§1. Логика креационизма.
§2. Логика антропной концепции.
§3. Естественнонаучная концепция.

§1. Феноменология Мира

Мир включает в себя то, что можно наблюдать, что можно ощущать и что можно познавать. Наблюдаемую сторону Мира назовем Природой, чувственную сторону, естественно, свяжем с Человеком (Субъектом) и, наконец, к познаваемой стороне Мира отнесем Логос, имеющий многозначность в переводах с греческого языка - это Разум, Слово, Отношение, Учение.

Структура Мира

Будем пользоваться этой многозначностью в зависимости от контекста. Таким образом, введенные нами понятия Природы, Разума и Человека являются феноменологическими, так как выделены благодаря Опыту. Элементы состояния Природы составляют объективный мир, элементы состояния Человека - субъективный мир и, наконец, элементы состояния Логоса - мир идей и отношений. Само понятие состояния может быть определено с помощью специальным образом выделенных, а значит феноменологических параметров, которые позволяют прогнозировать мировые процессы в Природе, Логосе и Человеке. Элементы Природы, Логоса и Человека пересекаются, существуют совместно; их единство (объединение) составляет то, что мы обозначили словом Мир.

Два основных фундаментальных состояния.

МИР - это все существующее, т. е.
событие Природы, Логоса и Человека.

Форма существования -
пространство Событий.

Событийная форма существования Мира и его элементов позволяет определить два основных фундаментальных состояния: состояние Хаоса и состояние Порядка. В европейской древнегреческой культуре Порядок ассоциировался с Установлением Закона, Гармонией, Красотой и обозначался Космосом. (В наши дни бытовое представление о космосе несколько иное.) Элементом хаоса, нарушающим Порядок (со времен Эпикура) был признан "клинамен" - небольшое уклонение (мы говорим о флуктуации).

Функция Логоса или мирового Разума - создание законов и порядка в Природе и управление в том числе созданием Человека (Субъекта).

Функция Природы - быть носителем Логоса и Человека.

Функция Человека - являться элементарным носителем (эталоном) разумного в Природе. Как не вспомнить знаменитую фразу Протагора:

"мера всем вещам - Человек"

§2. Феноменология естественного языка

Одним из важнейших феноменов является обычный или естественный язык, к обсуждению возникновения которого приступим хотя бы потому, что «вначале было Слово».

Каждый раз, когда мы хотим понять детали какого либо процесса или структуры объекта, то подбираем словесный портрет таким образом, чтобы можно было его записать (закодировать), передать, сохранить и использовать. По-видимому, сама возможность такого способа "моделирования" окружающего нас мира определяется адекватностью исследуемых объектов и сопутствующих им информационных образов. В этом случае информация является объективной.

Имея в виду, что обмен информацией - это один из способов взаимодействия систем, отметим, что результатом взаимодействия всегда является согласование их поведения не только в живой, но и неживой природе. В мире живого важно и содержание, и ценность информации. Последнее понятие нельзя представить в универсальной (объективной) форме - ценность определяется последствиями рецепции. Необходимыми условиями рецепции информации являются следующие:

1.  возможность выделения "сигнала" на хаотическом фоне других сигналов и

2.  возможность кодирования получаемой информации с целью создания коньюнктурной, оперативной или долговременной памяти.

Рецепции информации

Рис.1. Сигнальная система.
В скобках указаны сохраняющиеся аналоги при переходе к человеческому языку

§3. Структура и предмет Естествознания

К определению науки

Мы будем понимать под наукой способ отражения, описания и преобразования систем с целью прогнозирования их поведения в определенных условиях.

Рис.2 Структура предмета Естествознание Выделим среди наук такие, которые в качестве объекта исследования выбирают природные системы. Это география (и геология) (Г), астрономия (А), физика (Ф), химия (Х) и биология (Б), т. е. так называемые, естественные науки. Отдельные пересечения естественных наук, такие как геофизика, биохимия и т. п. дают частные представления о природе, но только совместное пересечение позволяет выделить ту часть естественных наук, которая является общей и именно ее мы будем считать Естествознанием. Таким образом, Естествознание не объединение, а пересечение наук, внутри которых выделены общие категории и понятия.

Определим
Естествознание,
как науку о диалектическом

единстве, взаимосвязи,

взаимозависимости и изменчивости

активных неживых и живых видов, а

также форм существования

природных объектов микро-,

макро - и мегамира.

Под активностью (заряженностью) будем понимать феноменологическое свойство системы, являющееся следствием ее внутренней неустойчивости.

Основными категориями Естествознания будем считать: хаос и порядок, простое и сложное, случайное и необходимое, устойчивое и неустойчивое, живое и не живое.

Понятийный аппарат науки будет содержать понятия: система, состояние, структура, симметрия, энтропия, информация, вероятность, распределение, организм, организация и др..

Основными процессами в Естествознании будем считать: движение, эволюцию, превращение, самоорганизацию, рождение, рост, распад, гибель, игру, творчество.

Структура и Система

Введем представление о Структуре, как множестве элементов с определенным отношением связи между ними.

В качестве элементов структуры в природе могут выступать элементарные частицы, атомы, молекулы, клетки, объединяемые одним или несколькими типами взаимодействия.

В обществе, структуры социальные, экономические, политические строятся по тому же принципу, если учесть, что существуют и нефизические типы взаимодействий.

Если структура имеет набор возможных состояний, то управление переходами между ними позволяет кодировать информацию в той или иной форме. Тогда говорят, что на структуре производится "запись" информации. Если же на множестве элементов в принципе невозможно записать никакой информации, то такое состояние множества будем считать "бесструктурным".

Системы

Часто употребляемое феноменологическое понятие Системы отличается от понятия Структуры тем, что множество элементов в системе определяется заданным отношением между ними и эти отношения не обязательно имеют характер связи, взаимодействия. Элементы могут быть и физически независимыми. Отношения в системе определяют иерархическую подчиненность элементов, выделяя главное, основное и не основное. Системные отношения выстраивают структурные уровни по их важности, называемые таксонами, что особенно характерно для социальных, экономических систем и группировок в животном мире. Не всякая система имеет четко выраженную структуру, но любая структура является системным понятием, часто являясь элементом системы.

Солнечная СИСТЕМА

Очевидно, что для системы существенным фактором является не как элемент соотносится с другим элементом, а какое место занимает элемент в системе, важна не совокупность элементов, а их "целокупность".

Рост структур

Под рождением структуры будем понимать возникновение связей между ее элементами при выходе из бесструктурного состояния. Гибель структуры, это, соответственно, обратный процесс перехода элементов структуры в бесструктурное состояние хаоса.

Структура изменяется, если меняются характеристики параметров связи либо без их перестройки, либо при сохранении основной части параметров.

Наконец, превращение структуры определяется изменением отношений связи между элементами. Происходит перестройка структуры (фазовый переход).

Увеличение количества элементов в системе с сохранением основных типов взаимодействия между ними характеризует процесс роста.

Приведем несколько примеров роста структур из различных областей естествознания.

1.  Рост клеток

2.  Рост кристаллов

3.  Рост полимино

4.  Рост фракталов и Анимация фракталов, 3-D аттракторов.

5.  Математическое описание процессов роста

В биологии под процессом роста часто подразумевают увеличение числа клеток организма, помещенных в питательную среду. Допустим, что мы поместили несколько сотен бактериальных клеток в закрытую ватной пробкой колбу со стерильной питательной средой. Если с часовым интервалом отбирать по 1куб. см питательной среды и подсчитывать в пробе число живых клеток, то получится так называемая S - кривая роста, представленная на рис.1 (по М. Зуссману).

Рис.1. Кривая роста

Кривая состоит из трех частей:
I - период, называемый Лаг - фазой, в течение которого идут подготовительные (накопительные) процессы;
II - период истинного роста, называемый экспоненциальной или логарифмической фазой и
III - период, в течение которого рост клеток прекращается и популяция вступает в стационарную фазу.

Нелинейное уравнение:
может описывать рост "популяции" и в нем соотношение между коэффициентами "размножения" a и коэффициентом "потерь" b является решающим.

Сценарии увеличения численности населения Земли

Кривая состоит из трех частей:
I - период, называемый Лаг - фазой, в течение которого идут подготовительные (накопительные) процессы;
II - период истинного роста, называемый экспоненциальной или логарифмической фазой и
III - период, в течение которого рост клеток прекращается и популяция вступает в стационарную фазу.

§4. Энтропия и информация.

Понятие энтропии как меры хаоса возникло в молекулярной физике при анализе теплового движения молекул и поэтому мы вынуждены далее рассматривать состояние и процессы в термодинамических системах.

Способы описания термодинамических систем

В качестве примера построения распределения используем знакомую всем, в той или иной мере, экономику.

Как известно, в условиях рынка из-за меняющегося спроса на товары и предложения производителей товаров, доход каждого участника рынка характеризуется некоторой неопределенностью и "ожиданием", мерой которого является вероятность. Фиксированная доля людей с большими и малыми доходами определяет эти вероятности экспериментально.

Если обозначить N - число людей с доходом, равным R, среди общего числа N - участников рынка, то отношение N/N (доля) может быть представлена графически в зависимости от величины дохода R (см. рис.). Этот график и есть график распределения.

Пример распределения

Вид зависимости почти не изменяется со временем в условиях стабильности рынка или, как говорят физики, в условиях динамического равновесия. Макроэкономические параметры, такие как средний доход RC, наиболее часто встречающаяся величина дохода RH, разброс в доходах и др.

Все процессы в природных замкнутых системах протекают в направлении, сопровождающемся возрастанием энтропии (хаоса).

Эта замечательная по своей простоте формула позволяет понять связь энтропии и информации.

В открытой, т. е. незамкнутой ТС, находящейся вдали от положения равновесия, происходит обмен потоками энергии и информации с окружающими системами и уменьшение энтропии, но одновременно, этот процесс приводит к ее увеличению в окружающем мире: "отработанная" часть энергии "диссипирует", т. е. рассеивается в пространстве. Величина энтропии S процесса диссипации может быть оценена экспериментально, в частности, количеством "тепловых" фотонов, излученных этой термодинамической системой.

Показательна в этом смысле величина энтропии, рассчитанная на момент образования "нашей" Вселенной (правильнее сказать Метагалактики) по результатам измерения относительного фона реликтового излучения, существующего в космическом пространстве:

.

Образование Метагалактики

Второй закон термодинамики можно применить к любым замкнутым системам, в том числе, и к Вселенной, процессы в которой будут протекать до тех пор, пока не наступит тепловое равновесие: температуры звезд и космического пространства станут одинаковыми, после чего все направленные процессы прекратятся. Такой вывод впервые предложил сделать Клаузиус, что в истории физики получило название гипотезы о "тепловой смерти вселенной". Однако, в соответствии с современными физическими теориями образования нашей Метагалактики, она не является замкнутой и к ней не применим второй закон термодинамики.

Энтропийные процессы разрушения порядка, накопление отходов, не участвующих в циклических процессах с "безотходными" технологиями, порождают экологические проблемы. Разрушения, связанные с техногенными катастрофами и войнами также увеличивают энтропию в ноосфере, представляющей единство социального и природного факторов существования жизни на Земле.

Можно переформулировать второй закон термодинамики следующим образом: все процессы в замкнутой системе протекают в направлении возрастания времени, т. е. ось времени имеет направление. Такой заведомо упрощенный подход хотя бы немного приоткрывает нам завесу "тайны времени".

§5. Симметрия и группа

Несмотря на то, что с реальными объектами всегда происходят какие-либо изменения (преобразования), существуют такие характеристики объекта, которые в результате этих преобразований остаются неизменными, т. е. сохраняются. Очевидно, что это соразмерность сторон фигуры. Соответствующий греческий термин звучал бы как "симметрия".

Будем понимать под симметрией свойство объектов сохранять определенные характеристики при преобразованиях. В свою очередь, преобразования, сохраняющие определенные свойства или характеристики пространства, объектов, структур, систем и т. п., будем считать симметрическими преобразованиями. Так как при некоторых преобразованиях пространственных координат сохраняются расстояния и углы геометрических объектов, можно говорить о том, что однородность и изотропность есть симметрические свойства пространства.

Геометрическим Образом подгруппы вращения треугольника является ось третьего порядка, которая в кристаллографии обозначается L3 или просто 3, где название оси определяется углом поворота по отношению к полному углу вращения в 2 (или 360о), т. е. можно записать, что порядок оси .

Монокристалл-бриллиант Ограничение в симметрии связано с внутренним строением кристалла, с его кристаллической решеткой.