История системного подхода в науке и технике скачать бесплатно на Диплом IQ

Уральская Академия Государственной службы
Кафедра философии
Дипломная работа
По курсу «История и философия науки»
ТЕМА «История системного подходав науке и технике»
Зав.кафедрой Ю.Г. Ершов
ПреподавательЮ.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 внауке
3.1 Ранние попытки систематизации физических знаний
3.2 Леонардо да Винчи, его открытие строения человеческогоорганизма
3.3 Становление гелиоцентрического мировоззрения
3.4 Классическая механика и механистическая картина мира
3.5 Универсальный закон сохраненияколичества вещества, открытий М.В. Ломоносовым
3.6 Феномен электричества и его истолкование в классическоместествознании
3.7 Основные достижения постклассической физики
3.8 Корпускулярно-волновой дуализм (волны де Бройля)
3.9 Специальная теория относительности Эйнштейна (теорияэлектромагнитного поля)
3.10 Теория гравитационного поля (общая теорияотносительности) 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 ходевеликих 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 вданном объеме
3.20 Периодический закон ипериодическая 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 иприроды
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 проблемывозникающие 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 длятого, чтобы возникла потребность в придании знаниям о природе связанного и дифференцированногопо отраслям характера; в том, чтобы систематизировать эти знания, а также применить к ним математические и экспериментальныеметоды. Вся история человечества говорит о том, что для человека всегдабыло свойственно стремление понять мир и законы, им управляющие, причем, не толькоисходя из обеспечения потребностей обеспечения безопасности и обеспечения продовольствием.
Известно, что системность- одна из важнейших характеристик научного знания. Ее идеи были высказаны еще вработах античных авторов (греков и римлян) на основе анализа огромного эмпирическогоматериала. И с тех пор продолжалось стихийное, неосознанное использование элементов системности, и толишь в отдельных отраслях познания. Это составило первый этап исторического развитиясистемного подхода.
Однако с середины ХХв. при появлении сложных и больших технических систем (ТС) потребовалось специальное теоретическоеобоснование методологического характера. Резко возросли комплексность и сложностьпроблем, некоторые из них стали глобальными (например, связь с помощью спутников).Усилилась зависимость между отдельными вопросами, которые раньше казались не связанными между собой. Актуальность решенияпроблем значительно возросла. Затраты на реализацию того или иного решения сталидостигать многих десятков, сотен миллионов и даже миллиардов долларов, а риск неудачистановился все ощутимее.Потребовался учет все большего числа взаимосвязанных обстоятельств, а времени нарешение становилось все меньше. Особенно это касалось разработки новой военной техники.Если раньше относительные затраты на вооружение были невелики, возможностей длявыбора было мало, то фактически использовался принцип «ничего, кроме самого лучшего». Нос началом «атомного века» расходы на создание оружия возросли во многораз, и этот подход стал неприемлемым. Его постепенно заменял другой: «толькото, что необходимо и за минимальнуюстоимость». Однако дляреализации нового принципа нужно было уметь находить, оценивать и сравнивать альтернативыоружия. Потребовались методы, которые позволили бы анализировать сложные проблемыкак 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. Получившаясяв результате развития и обобщения широкая и универсальная методология решения проблембыла названа ее авторами «системный анализ». Новая методология, созданнаядля решения военных проблем, была прежде всего использована в этой области. Однакоочень скоро выяснилось, что не только проблемы необоронной промышленности, но и проблемы организационногоразвития и управления фирмами, проблемы маркетинга, аудита и пр. не только допускают,но и требуют обязательного применения этой методологии. Системный подход довольнобыстро превратился в важныйметод познания, в отличие от специальных приемов, характерных для разработки техникиXVI-XIX в. Это составило второй этап исторического развития системного подхода втехнике.
Если при стихийном использованиисистемного подхода главной целью было изучение конечных результатов, то для второго этапа характерно переключение вниманияна начальные стадии, связанные с выбором и обоснованием целей, их полезности, условийосуществления, связей с предыдущими процессами. Это потребовало знаний о структуре и функциях ТС, что обусловиловозрастание роли теоретических знаний. Если теоретическая деятельность первого этапабыла направлена на описание и классификацию изучаемых объектов, то главным моментомвторого этапа стало выявление механизмов функционирования ТС, а также знание условий,нарушающих их нормальную деятельность. Механизм функционирования включает исследованияфункций системы, определение связей функции со множеством взаимодействующих элементов,рассмотрение структуры ТС не как отношения (взаимосвязь, взаимодействие), а какопределенным образом упорядоченного расположения одних элементов ТС относительнодругих (отношения между отношениями). Но хотя знание структуры и функций ТС является важным, но в дальнейшеми оно стало недостаточным условием для эффективного решения современных проблем.Надо обязательно соотнести цели субъекта с целями системы и выяснить, как скажетсяих реализация на функционировании ТС.
Сначала системный анализбазировался главным образом на применении сложных математических приемов. Спустянекоторое время ученые пришли к выводу, что математика неэффективна при анализешироких проблем со множеством неопределенностей, которые характерны для исследованияи разработки техники как единого целого. Поэтому стала вырабатываться концепция такого системногоанализа, в котором упор делается преимущественно на разработку новых диалектическихпринципов научного мышления, логического анализа ТС с учетом их взаимосвязей и противоречивыхтенденций.
Пристальный анализ показывает, что множество рассматриваемых в системном движении вопросов принадлежитне только науке, типа общей теории систем, но охватывают обширную область научногопознания как такового. Системное движение затронуло все аспекты научной деятельности,а в его защиту выдвигается все большее число аргументов [1].
В основе системногоподхода, как методологии научного познания, лежит исследование объектов как систем.Системный подход способствует адекватному и эффективному раскрытию сущности проблеми успешному их решению вразличных областях науки и техники.
Системный подход направленна выявление многообразных типов связи сложного объекта и сведения их в единую теоретическуюкартину.
В различных областяхнауки центральное место начинают занимать проблемы организации и функционирования сложных объектов,изучение которых без учета всех аспектов их функционирования и взаимодействия состальными объектами и системами просто немыслимо. Более того, многие из таких объектовпредставляют сложное объединение различных подсистем, каждая из которых в свою очередьтоже является сложным объектом.
Системный подход несуществует в виде строгих методологических концепций. Он выполняет свои эвристическиефункции, оставаясь совокупностью познавательных принципов, основной смысл которых состоит в соответственном ориентировании конкретных исследований.
Несколько лет назадИлья Пригожин, лауреат Нобелевской премии и глава так называемой «брюссельскойшколы», объединяющей представителей различных естественнонаучных направлений,был одним из самых почетных иностранных гостей намеждународном симпозиуме в Центре биологических исследований в Пущине под Москвой.Темой встречи были достижения нового междисциплинарного направления, получившегоназвание «синергетика», или теория самоорганизации. В интервью, которое дал тогда бельгийский ученый [2], он говорил, что, с еготочки зрения, создание теории самоорганизации, описывающей новые, недавно открытыесвойства материи, — самая актуальная проблема современной науки.
Самый простой и наглядныйпример радикального изменениянаучных 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 жесткийдетерминизм — это частные случаи. Напротив, необратимость и случайность не отдельныеисключения, а общее правило.«Бог играет вкости», если использовать крылатое выражение Эйнштейна, который сам-то какраз и отказывался в это верить, полемизируя с создателями квантовой механики.
Предыстория инженернойдеятельности разворачивается в недрах технической деятельности длительного периода ремесленного творчества (первобытного, античногорабовладельческого, средневекового феодального обществ). Но только в условиях раннегокапиталистического общества создаются условия для того, чтобы она постепенно сталаособой профессией, имеющуюориентацию на научную картинумира 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 всовременной науке занимает системный метод исследования или (как часто говорят)системный подход.
Этот метод и стар инов. Он достаточно стар, поскольку такие его формы и составляющие, как подход кобъектам под углом зрения взаимодействия части и целого, становления единства ицелостности, рассмотрения системы как закона структуры данной совокупности компонентовсуществовали, что называется от века, но они были разрозненны. Специальная разработкасистемного подхода, инициированная Л. Фон Берталанфи, началась с середины ХХ векас переходом к изучению и использованию на практике сложных многокомпонентных систем.
Системный подход — это способ теоретического представленияи воспроизведения объектов как систем. В центре внимания при системном подходе находитсяизучение не элементов как таковых, а прежде всего структуры объекта и места элементовв ней.
Так вот, в «Трактатео системах» Кондильяк обсуждал проблему системности знания. Он показал, чтознание 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 каждомтаком 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 говорилитолько о знаниях.
наука техника системный подход
Позже, скажем, когдаБернулли рассматривал определенное количество газа под поршнем как множество частичек,он никогда не рассматривал такую совокупность как систему, потому что не было понятиясвязи. Множество не есть система. И механика того времени была механикой точки- кинематикой точки, динамикой точки. Правда, позднее, где-то на рубеже XVIII-XIXвеков, 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 мирразличными способами, Прежде всего он осваивает его чувственно, т.е. непосредственновоспринимая его через органы чувств. Характер такого познания, заключающийся в памятии определяемый эмоциональным состоянием субъекта, является нам как целостным таки дробным — представляющим картину целиком или дробно, выделяя какие либо моменты.На основе эмоциональных состояний в человеке складывается представление об окружающеммире. Но чувственное восприятие есть свойство так же всех животных, а не толькочеловека. Спецификой человека является более высокая ступень познания — рациональноепознание, позволяющее обнаруживать и закреплять в памяти законы движения материи.
Рациональное познаниесистемно. Оно состоит из последовательных мыслительных операций и формирует мыслительнуюсистему, более или менее адекватную системе объективной реальности. Системна и практическаядеятельность человека, причем уровень системности практики повышается с ростом знанияи накопления опыта. Системность различных видов отражения и преобразования действительностичеловеком есть в конечном счете проявление всеобщей системности материи и ее свойств[3].
Системное познание ипреобразование мира предполагает:
Рассмотрение объектадеятельности (теоретической и практической) как системы, т.е. как ограниченногомножества взаимодействующих элементов.
Определение состава,структуры и организации элементов и частей системы, обнаружения главных связей междуними.
Выявление внешних связейсистемы, выделения из них главных.
Определение функциисистемы и ее роли среди других систем.
Анализ диалектики структурыи функции системы.
Обнаружение на этойоснове закономерностей и тенденций развития системы.
Познание мира, а “научноепознание” в частности, не может осуществляться хаотически, беспорядочно; оно имеетопределенную систему и подчиняется определенным закономерностям [4]. Эти закономерностипознания определяются закономерностями развития и функционирования объективногомира.
С современной точкизрения системы классифицируются на целостные, в которых связи между составляющимиэлементами прочнее, чем связи элементов со средой, и суммативные, у которых связимежду элементами одного и того же порядка, что и связи элементов со средой; органическиеи механические; динамические и статические; “открытые” и “закрытые”; “самоорганизующиеся”и “неорганизованные” и т.д. Отсюда может возникнуть вопрос о неорганизованныхсистемах, например — куча камней, правильнее сказать — совокупностях — являютсяли они системами? Да, и этому можно привести доказательства исходя из следующихпосылок:
1) неорганизованныесовокупности состоят из элементов;
2) эти элементы определеннымобразом между собой связаны;
3) эта связь объединяетэлементы в совокупность определенной формы (куча, толпа и т.п.);
4) поскольку в такойсовокупности существует связь между элементами, значит неизбежно проявление определенныхзакономерностей и, следовательно, наличие временного или пространственного порядка.Таким образом все совокупности являются системами, более того материя вообще проявляетсяв форме “систем”. Т.е. система есть форма существования материи [5].2.2 Возникновение систем
С материалистическойточки зрения существующий мир в целом не возникает и не исчезает, он существуетвечно, представляя собой взаимосвязь, взаимодействие конкретных материальных систем.Возникновение — есть одна из форм движения материи. Это понятие отражает процессыприсущие всем конкретным явлениям органической и неорганической природы, обществаи мышления [4]. Эта универсальность дает полное право считать “возникновение” философскойкатегорией.
Возникновение невозможнобез разрушения. Эти два процесса органически связаны друг с другом и не имеют преимуществаперед друг другом.
Причины возникновениякак и причины разрушения кроются в вечном взаимодействии взаимосвязанных противоречивыхсторон, явлений, процессов. Существует представление [3] о возникновении как актеслияния, соединения двух и более качеств в одно, или разделения одного качествана два (или более) новых. Кроме того образование системы может происходить путемобмена элементов, но это не третий путь, а сочетание соединения и разъединения взаимодействующихобъектов.
Возникновение системыесть одновременно и возникновение новой формы движения или нового вида определеннойформы движения и связано с тем, что прежняя форма движения исчерпала себя. Это выражаетсяв том, что любая дальнейшая организационная перестройка элементов системы в рамкахданной формы движения ведет не к укреплению и совершенствованию этой системы, ак 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 находитсяна грани перехода из возможности в действительность. Иначе говоря, новое качестводолжно еще утвердиться, проявиться, обрести устойчивость, т.е. новая система, возникнув,должна стать.
Из природных примеровможно сделать вывод о непрерывном возникновении нового, но не каждое возникшее оказываетсясоответствующим внешним условиям [6].2.3 Системное представление о мире
Сегодня специальныенауки убедительно доказывают системность познаваемых ими частей мира. Вселеннаяпредстает перед нами как система систем. Конечно понятие “система” как бы подчеркиваетограниченность, конечность и можно прийти к выводу, что поскольку Вселенная это“система”, то она имеет границу, т.е. конечна. Но с диалектической точки зрениякак бы ни представлять себе самую большую из систем, она всегда будет элементомдругой, более обширной системы. Это справедливо и в обратном направлении, т.е. Вселеннаябесконечна не только “вширь”, но и “вглубь”.
До сих пор все имеющиесяв распоряжении науки факты свидетельствуют о системной организации материи.
Системность неорганическойприроды
Согласно современнымфизическим представлениям, неорганическая природа в общем виде делится на две системы- поле и вещество. Материальная сущность физического поля в настоящее время ещечетко не определена, но что бы из себя не представляло поле, общепризнанно, чтооно проявляется в различных сосуществующих, взаимодействующих и взаимопроникающихвидах. Физическое поле, как обобщающее понятие, включает в себя физический “вакуум”,электронно-позитронное, мезонное, ядерное, электромагнитное, гравитационное и другиеполя. Иначе говоря, представляет собой систему конкретных материальных полей.
Каждое конкретное полев свою очередь тоже системно. Но сейчас нельзя с уверенностью сказать о том, чтоявляется элементом конкретного поля. Очевидно, каждое конкретное поле имеет своиопределенные уровни, иначе говоря, оно как система развивается, например, от “вакуума”до четко выраженного квантового состояния. Сам же квант поля представляет собойэлементарную 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 структурыи масса различных способов ее изучения [7]. Но что представляет собой структураэлементарной частицы, а тем более ее узловые “точки”, остается пока неясным.
Если допустить мысльо частице как высшей форме развития материи поля, то естественно предположить существованиеопределенных “кирпичиков” которые образуют такую частицу, и являются тем, изчего состоит физическое поле вообще, т.е. элементами системы физического поля. Ихвзаимодействие (полевая форма движения) и приводит к образованию элементарной частицытого или иного типа.
Такая идея о сложностиэлементарных частиц, о том, что каждая из них это система, состоящая из различногоколичества разнообразно взаимодействующих и по разному пространственно расположенныхэлементарных частиц, но тождественных по своей сущности “кирпичиков” материи,позволяет объяснить взаимопревращаемость частиц и открывает путь к проникновениювглубь материи. Элементарная частица — это не только квант поля, но и то, что можетлежать в основе качественно иной системы — вещества.
Вещество — чрезвычайносложная, глубоко дифференцированная многоуровневая система. Если элементарная частицавыступает и как элемент качественно иной, вещественной системы, то две и более взаимодействующиеэлементарные частицы представляют собой систему, которая может быть названа частичкойвещества [3].
Так, взаимодействиепротона и электрона образует простейший атом легкого водорода, внутренне динамическуюсистему, элементы которой подчинены целому ряду параметров, и вследствие этого отличающиесяот свободных частиц. Атом как система развивается усложняясь по составу и структуревплоть до такого состояния, когда начинается самопроизвольный распад атомного ядра.
Взаимодействующие атомыобразуют различные системы: молекулы, макромолекулы, ионы радикалы, кристаллы.
Молекула представляетсобой материальную систему, состоящую из определенным образом расположенных в пространствеи взаимосвязанных атомов одного или нескольких химических элементов. Связь атомовв молекуле прочнее связи атомов со средой, что обеспечивает целостность системы.Молекула является качественно новым материальным образованием по отношению к составляющимее атомам. Молекулы могут быть простыми и сложными, содержащими один, два и тысячиатомов. Гигантские группы атомов образуют макромолекулы, качественно отличающиесяот других молекул. [5]
Однако не все веществасостоят из систем типа молекул. Ряд химических соединений, например хлорид натрия(поваренная соль), не имеют молекул в обычном понимании этого слова, и являютсяоткрытыми системами в которых ионы относительно независимы друг от друга. Такойтип вещественной системы называют кристаллом. Ионами называют как отдельные заряженныеатомы, 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 атомоводного 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, слагающаяЗемлю, в свою очередь сложена по своей структуре. Так, например, атмосфера представляетсобой 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 Метагалактикуи т.д. При этом на каждом уровне развития неживой природы, наряду с общими, имеютсяи свои системообразующие факторы, свои особые связи и взаимодействия. Вместе с тем,принцип организации множества в единство остается одним и тем же. Не меняется они 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 факторыи неживое переходит в разряд живого. Так, например, молекула состоящая из 5000000атомов представляет собой вирус табачной мозаики — самое малое известное живое образование,способное к самостоятельному существованию [3].
В целом вопрос о системностиживой природы не вызывает сомнений. Более того, именно изучение живых материальныхобразований в значительной мере способствовало формированию системных представленийо мире.
Основными системамиживого, образующими различные уровни организации, в настоящее время признаются:
1) вирусы — системы,состоящие в основном из двух взаимодействующих компонентов: молекул нуклеиновойкислоты 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 — системаживой материи на Земле.
Система каждого уровняотличается от других уровней и по структуре, и по степени организации (биологическаяклассификация). Но взаимодействие элементов системы не обязательно предполагаетжесткую, 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 удивительныепримеры разнообразия систем, которые нередко оказываются объединением элементовразличных уровней. Например, ландшафт как система включает в себя:
1) абиотические геосистемы(земная кора с рельефами, атмосфера, гидросфера и криосфера);
2) геосистемы почвеннойсферы;
3) биотические геосистемы,образующие биосферу;
4) социально-экономическиегеосистемы, возникшие в результате общественно-исторической деятельности человека.Все эти системы связаны между собой и воздействуют друг на друга, образуя единуюсаморегулирующуюся систему. Изменение любой составной части ландшафта ведет, в конечномсчете, к изменению его в целом. Вместе с тем, каждая система живой природы, являясьее элементом и определяясь ею, в то же время имеет достаточную самостоятельностьсаморазвития, чтобы выйти на другой уровень организации материи [3].2.5 Ограничения при системном подходе
Конечно, при этом нестоит забывать о том, что все это не более, чем наши научные представления об окружающеммире. Но человек при осуществлении деятельности по формированию системы этих представленийв процессе своей научной деятельности — в науке, а также системы приемов и средств,используемых им в преобразовании окружающего мира — в технике, а к таковым можноотнести и создание нового образца техники, вынужден от несвязанных действий в познаниии преобразовании окружающего мира перейти к использованию системности. Точнее, ксистематизации информации о том, что есть, учету системности изучаемого, преобразуемогоили создаваемого объекта, в т. ч. объекта и как некоторой совокупности знаний, информации,системности его взаимодействия с окружающей средой и системности учета последствийрезультатов научной и технической деятельности.
При этом, как можновидеть из истории и характера достижений науки и техники, наиболее показательныеиз которых приведены в двух последующих главах, и системный подход не приводит коднозначному для всех исследователей и инженеров подходу к решению одной и той женаучной или технической проблемы. Очень многое зависит от «весомости»одних и тех же факторов для разных ученых или инженеров, а она часто в основномопределяется соображениями, далеко выходящими за границы чисто научного или инженерногоподхода, и даже общепринятой человеческой этики, Примером может служить ситуацияс соглашением по ограничению выбросов в атмосферу, ведущих к увеличению озоновыхдыр, что может привести к серьезным проблемам для всего человечества. Страна, объявляющаясебя оплотом гуманного отношения к человеку США, до сих пор не желает присоединитьсяк этому соглашению, так называемому Киотскому протоколу.
Основная цель даннойработы — показать, что ученому и инженеру в своей деятельности необходимо не толькоуметь проводить системный анализ объекта деятельности, но и уметь выделить и«принять во расчет» минимум только тех факторов, которые обеспечат успешноерешение задачи, и отбросить те, которые хоть и влияют на результат, но степеньюих влияния можно пренебречь. И в случае успеха не торопиться объявлять свое решениеуниверсальным или оптимальным, т.к. завтра все это может оказаться теорией, справедливойдля весьма ограниченного числа явлений: механика Ньютона, или далеко не оптимальнымили совершенным творением техники: лайнер «Титаник», самолеты Ту-144,«Конкорд», Чернобыльская АЭС, космические корабли серии ” Шаттл”и многое-многое другое.
3. Развитие системного подхода в науке3.1 Ранние попытки систематизации физических знаний
Первой действительноуспешной попыткой систематизации знаний о природе были труды Аристотеля (384-322до н.э.), ставшие благодаря своей натурфилософской продуманности и всеобъемлющемухарактеру основой физики, биологии и других естественнонаучных областей знания вЕвропе и на Ближнем Востоке в течение более чем двух тысячелетий. В качестве наиболееобщих принципов бытия Аристотель выдвигал форму и материю, которые образуют соответственноактивное 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”). Целевыепричины особенно важны в аристотелевской системе и ее средневековых вариантах: всев живой и неживой природе целесообразно, тела стремятся к своим “естественным местам”(так Аристотель объяснял падение тел на землю и развитие организмов от зародышевогосостояния к взрослому).
Согласно системе АристотеляЗемля — центр Вселенной, а так как все тяжелые частицы стремятся к центру, то именноздесь и образовалось твердое тело нашей планеты. Легкие элементы — воздух и огонь- поднимаются в высокие слои, там они загораются, и тогда люди видят кометы и падающиезвезды. Вечно движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю, а Вселеннаясферична и конечна.
Стоит заметить, чтоза несколько столетий до Аристотеля знаменитый математик Пифагор Самосский высказалмысль о том, что Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг собственнойоси. Более того, он считал, что и Солнце, и Земля, и Луна вращаются вокруг некоторогообщего гипотетического центра, который он назвал центральным огнем. Это движениепланет и Солнца создает гармонию небесных сфер. Ученики Пифагора утверждали, чтотолько их великий учитель был способен ощущать эту гармонию.
Нетрудно заметить, чтов мироощущении Пифагора просматриваются основные принципы гелиоцентрической системымира. И все же созданная легендарным Пифагором картина мира просуществовала недолго.На смену ей пришла геоцентрическая система Аристотеля.
Параллельно с систематизациейэмпирических знаний о природе наметилась тенденция к математизации естествознания,прежде всего в древнеиталийской школе пифагорейцев (VI-IV вв. до н.э.), открывших ряд важных факторовматематической акустики и движения небесных тел. С IV в. до н.э. почти на тысячелетие центром естественнонаучных исследованийстановится 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 двигательныеи чувствительные, обратил внимание на извилины головного мозга и на различие междубольшим головным мозгом и мозжечком.
Большое влияние на естествознаниеоказала в эту же эпоху математики в особенности построенные по четко аксиоматическомуметоду “Начала” Евклида. До сих пор этот труд лежит в основе всех курсов элементарнойгеометрии в средней и высшей шкале, Евклид подробно изучил свойства прямой линиии окружности, фигур на плоскости и тел в пространстве. Труд Евклида более чем надва тысячелетия предопределил философов и естествоиспытателей, в особенности физикови астрономов, о пространстве и о роли аксиоматического метода в науке.
Не следует думать, чтоу древних идея Аристотеля не вызывала никаких возражений. Она, к примеру, не моглаобъяснить очевидных изменений яркости планет при движении их по небесному своду.А ведь как легко это можно было сделать, предположив, что планеты то приближаютсяк Земле, то удаляются от нее.
Самый смелый шаг былсделан греческим математиком Аристархом Самосским вскоре после смерти Аристотеля.Он первым из греческих мыслителей расположил Солнце в центре мира, а Землю заставилвращаться вокруг Солнца. Этот факт доподлинно установлен, поскольку Архимед упоминаето нем в своем труде “Исчисление песчинок”. Гипотеза Аристарха Самосского не нашлаединомышленников, поскольку астрономия в то время обладала небольшим количествомнаблюдательных фактов. Потребовалось более полутора тысяч лет, чтобы она возродиласьв знаменитой книге Коперника “О вращениях небесных сфер”.3.2 Леонардо да Винчи, его открытие строения человеческогоорганизма
Однако в целом для ранних(античных и почти не ушедших вперед по сравнению с ними средневековых) попыток разработкиестественнонаучных знаний связь с практикой была исключением. Развитию естествознанияв позднеантичный и средневековой период препятствовало также догматизация физикиАристотеля с ее учением о “естественных местах”, целевых причинах и т.д. и господствогеоцентризма, законная форма которому была придана александрийским ученым Птолемеем.
Ситуация стала менятьсяв сторону нового (если первым считать античный) витка прогресса науки только в эпохуВозрождения, раньше всего (XIV-XV вв.) наступившую в Италии. Леонардо да Винчи (1452-1519) воплощаетв своей деятельности единство искусства и науки, опыта и математики. Ему принадлежитпервое в новое время связное описание анатомии человеческого тела, притом в сопоставлениис 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, начинаяс 1515 года Коперник систематически разрабатывал новую систему мира и одновременнонаблюдал движение небесных светил. Очень кратко основные положения, тезисы новойтеории он изложил на двенадцати страницах рукописи, которую сейчас принято называть“Малым комментарием”. Сам Коперник называл эти тезисы аксиомами. Первые аксиомыгласили, что “не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер,. центрЗемли не является центром мира. Все сферы движутся вокруг Солнца. Так что околоСолнца находится центр мира”. В “Малом комментарии” нет каких-либо математическихвыкладок. Это была философская квинтэссенция последующего гениального произведения“О вращении небесных сфер”.
Продолжатели дела Коперникауделяли больше внимания, чем он, методологии исследований и установили важнейшийдля классического естествознания принцип: наука абсолютно объективна и ее идеаломявляется описание мира так, как если бы человека-наблюдателя или какого-либо ещесубъекта во Вселенной (например, Бога) не было вовсе. На первых порах последователиКоперника вели свою работу в трудных условиях, поскольку инквизиция преследовалаих за взгляды, казавшиеся ей несовместимыми с Библией и в особенности с Аристотелем.В 1600 г. был сожжен Дж. Бруно за поддержку гелиоцентризма.
Джордано Бруно своивзгляды изложил в трех книгах, написанных в форме диалогов: “Пир на пепле”, “О причиненачала и едином” и “О бесконечности вселенной и мирах”. Именно здесь он и сформулировалновое научное миропонимание. Нельзя считать, что Бруно лишь развил учение Коперникаили обосновал его философски. Бруно — творец нового научного мировоззрения. Гениальноепредвидение о бесконечности миров, “которые носятся в эфирном океане, подобно нашемумиру”, возрождение атомистической теории, создание новой картины космоса выдвигаютДжордано Бруно в первые ряды величайших мыслителей. Казнь Бруно была пирровой победойцеркви. Учение Аристотеля агонизировало, и эта агония была необратимой. Но триумфидей Коперника бесспорно не состоялся бы еще многие годы, если бы вскоре после гибелиБруно 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 законыдвижения планет по эллиптическим орбитам. Только благодаря работам Галилея и Кеплерасистема мира Коперника стала одним из краеугольных камней фундамента науки.
Одним из первых Галилейвыдвинул как императив для ученого не следствие авторитетам, но “изучение великойкниги природы”. В этом отношении с ним солидаризовался его английский современникФ. Бэкон (1561-1626), разработавший методологические основы эмпирического (индуктивного)естествознания.
Одновременно с Галилеемисследования, обосновавшие гелиоцентрическую систему, проводил немецкий астрономИ. Кеплер (1571-1630). Благодаря законам Кеплера гелиоцентрическая система впервыеполучила значительное количественное выражение. Законы Кеплера послужили исходнымпунктом для построения механической картины мира, лежавшей в основе естественнонаучногомировоззрения в период XVII-XIX вв., когда основанная на них классическаямеханика оставалась наиболее развитой и “образцовой” для всех отраслей наукио природе.
3.4 Классическая механика и механистическая картинамира
Вскоре после открытияКеплером его законов ряд физиков высказали предположение, что в основе этих законовлежит действие силы, притягивающей планеты к Солнцу и убывающей пропорциональноквадрату 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 сформулированныеим общие законы механики (см.2.2.4) и на открытое им (и одновременно Г.В. Лейбницемв Германии) дифференциальное и интегральное исчисление. Сущность Ньютонова законавсемирного тяготения заключается в том, что любые два тела с массами m1 и m2 притягиваются друг к другу с силой, прямопропорциональной этим массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между этими телами:
/>
где Y — коэффициент пропорциональности (“гравитационнаяпостоянная”).
С помощью закона тяготенияНьютону и его преемникам удалось с большой точностью объяснить все наблюдаемые движениянебесных тел, а также такие явления, как приливы и отливы, сплюснутость Земли уполюсов и т.д. Впоследствии предположения о всеобщем и абсолютном характере ньютоновскойформулировки данного закона столкнулось с трудностями, прежде всего в плане объяснениядвижения небесных тел вблизи огромных тяготеющих масс (например, движение Меркуриявблизи Солнца), и эти трудности были преодолены лишь в XX в. благодаря созданию А. Эйнштейном общей теории относительности.
Сила, согласно механикеНьютона, есть количественная характеристика взаимодействия тел. Это взаимодействиемыслилось как осуществляемое непосредственно и мгновенно (через пустое пространство,заполненное какой-либо средой пространство могло замедлить взаимодействие). Такоепредставление основывалось на “концепции дальнодействия”. После открытия электромагнитногополя и изучения его свойств это представление было заменено идеей взаимодействиятел через посредство полей, со скоростью распространения света в пустоте, т.е. около300 тыс. км/сек
Долгое время (приблизительнос конца XVII в. по конец XIX в.) в естествознании господствовало механистическое воззрениена природу, основанное на вере в правомерность экстраполяции на все явления картинымира, впервые в целостном виде сформулированной Ньютоном в 1687 г. в его труде “Математические начала натуральной философии”. Такая экстраполяция основывалась надвух допущениях: на абсолютной верности ньютоновской механики и на возможности сведенияк ней закономерностей всех форм движения материи. Оба допущения были в конечномсчете неверны, однако с определенной степенью приближения эффективно работали долгоевремя и подтверждались важными открытиями. Так, на основании расхождений между реальнонаблюдаемыми 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 особенносильное впечатление в связи с тем, что за год до визуального обнаружения планетыее наличия было предвычислено (впервые примененными для такой цели математическимиприемами) на основании неправильностей в движении Урана. Это был яркий пример предсказательнойсилы науки, руководствовавшейся классическими принципами “Математических начал”.
Естествознание XVIII-XIX вв. в целом вслед за механикой Ньютона исходило из принципа тождествазаконов явлений на Земле и в космосе. XVIII столетиеознаменовалось быстрым, но в основном экстенсивным прогрессом физических и химическихнаук на основе ньютоновской механики и других достижений XVIII столетия. Объяснение той или иной формыдвижения приравнивалось к ее редукции к механическому перемещению. Ньютон интерпретировалтаким образом свет, создав корпускулярную теорию света (в XIX в. она уступила место волновой теории).В XIX в. классическое естествознание обогатилосьновой областью, связанной с изучением электромагнитных явлений, что однако не разрушиломеханистической картины мира, а лишь внесло в нее некоторые дополнения.
Неотъемлемой чертоймеханистической картины мира было также признание абсолютной детерминированностимеханистического типа для всех явлений. Такие крупные мыслители, как Г.В. Лейбницили П.С. Лаплас столетием спустя, отстаивали возможность полного описания и дажепредсказания всех явлений, включая биологические и социальные, если бы в достаточноймере были известны начальные условия — координаты и скорости всех материальных частицдля определенного момента времени. Мир, таким образом, мыслился как гигантский механизм,полное описание которого в терминах ньютоновской механики не сталкивается ни с какимисложностями, кроме чисто технических (наличие большого числа переменных).
С современной точки зрения недостаткомклассического естествознания было отсутствие посредствующих звеньев для объяснениявзаимодействий, в силу чего воздействие одного тела на другое могло пониматься каквлияние, минующее пространство: тело могло действовать там, где его нет. Ярким примеромможет служить ньютоновская трактовка действия одного тела на другое на любом расстояниипри явлениях тяготения.
Ньютон дедуцировал закон всемирноготяготения, рассматривая последнее в плане концепции дальнодействия, т.е.передачи силы или влияния без какой-либо посредствующей среды мгновенно на скольугодно большие расстояния. Эта концепция в течение XVIII-XIX вв. не раз подвергаласькритике, в отличие от трех основных законов, сформированных Ньютоном в “Математическихначалах натуральной философии” (законы инерции, связи силы с ускорением F=ma и равенства действия противодействию)и получивших всеобщее признание как основа классической физики, а в значительноймере и как образец для естествознания в целом. Современное естествознание отказалосьот концепции дальнодействия, заменив ее представлением о действии полей, в своюочередь опосредованном воздействием частиц (квантов поля). Однако как раз применительнок гравитационным воздействиям механизм “близкодействия” остается еще не вполнепроясненными экспериментально.
Опять можно отметить, что выбираютсяосновные (для ученого) элементы окружающей действительности. Остальное, как опятьже, первопричина всего сущего и причины возникновения силы притяжения, не принимаютсяв рассмотрение.3.5 Универсальный закон сохранения количества вещества,открытий М.В. Ломоносовым
Законы механики Ньютонакасались тяготения, движения и равновесия тел и оставляли в здании классическогоестествознания важный пробел, связанный с закономерностями сохранения в природев 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 представленийо всеобщей взаимосвязи в природе, Ломоносов сделал вывод о том, что изменения массывещества в одном месте обязательно влекут за собой изменения в другом, причем ничтоне возникает из ничего. Этот вывод он подтвердил экспериментально, прокалывая металлв сосуде без доступа воздуха и измеряя вес сосуда до и после нагревания (вес оказалсянеизменным).
3.6 Феномен электричества и его истолкование в классическоместествознании
Одной из заслуг Ломоносова является,помимо всего перечисленного, разработка теории образования атмосферного электричествапод действием восходящих и нисходящих токов воздуха. Исследования русского ученогопо этой проблематике лежали в русле одной из важнейших тенденций науки эпохи Просвещения,стремившейся вписать обширный круг уже известных тогда феноменов статического электричествав механистическую картину мира. Отдельные сведения об электричестве накоплялисьуже в древнем мире; у римского ученого Плиния Старшего (I в. н.э.) имеется даже сближение посвойствам янтаря и магнита, т.е. зачаток представления об общности электрическихи магнитных явлений. К XVIII в. накопилосьуже немало сведений об электростатических явлениях: о наличии положительных и отрицательныхзарядов, о конденсаторах (“лейденская банка”), о возникновении электричества притрении и о его участии в физиологических процессах. Ломоносов совместно с Г.В. Рихманомколичественно исследовали электричество, используя изобретенный Рихманом первыйэлектрический измерительный прибор (“электрический указатель”). Рихман открыл явленияэлектростатической индукции, затем проводил опыты по усовершенствованию молнеотвода,изобретенного незадолго перед тем в США Б. Франклином. Во время этих опытов Рихмантрагически погиб от удара молнии (6 августа 1753 г.). В конце XVIII в.Ш. Кулон заложилосновы электро- и магнитостатики.
Все эти исследования вряд ли былибы возможны без радикального прорыва в области учения об электричестве и магнетизме,осуществленного на рубеже XVII и XVIII вв. английским физикомУ. Гилбертом (1544-1603 гг.).
Свое сочинение “О магните, магнитныхтелах и большом магните — Земле”, где описаны результаты более 600 опытов, Гилбертопубликовал в 1600 г. Здесь он впервые подробно описал поведение магнитной стрелки,установил нераздельность северного и южного полюсов магнита и невозможность получитьмагнит с одним лишь полюсом. Путем изучения с помощью магнитной стрелки свойствнамагниченного шара, Гилберт открыл их соответствие магнитным свойствам Земли, установивтаким образом, что последнюю можно рассматривать как “большой магнит”. Он открылтакже несоответствие магнитных полюсов Земли географическим северному и южному полюсов.
В течение XIX в. к первичным сведениямотносительно статического электричества, накопленным со времен Гилберта, Ломоносоваи Кулона, добавился ряд разделов научного и технического знания, выросших на основепонятия электрического тока. Английский физик М. Фарадей (1791-1867) показалвзаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, а также между светом имагнетизмом (на примере вращения скорости поляризации света в магнитном поле). Онввел в 1852 г. и самое понятие поля, в том числе электромагнитного, и усовершенствовалсуществовавшую и ранее, но не всеми признаваемую теорию волновой природы света,высказав идею об электромагнитной природе света. Эта идея хорошо согласоваласьс волновой концепцией света О.Ж. Френеля — Т. Юнга, но противоречила более традиционнойкорпускулярной концепции света как потока частиц (И. Ньютон). Волновая концепция,хорошо объяснявшая дифракцию и интерференцию, а также электромагнитная концепциясвета Фарадея послужили для другого английского физика, Дж.К. Максвелла (1831-1879),стимулом к созданию в 1860-1865 гг. теории электромагнитного поля, которая придалазавершенный характер классической физике: область электрических явлений благодаряэтой теории стала частью предмета физики и оказалось вписанной в механистическуюкартину мира в таком же смысле, как ранее это можно было сказать о собственно механическихявлениях. Свою теорию электромагнитного поля Максвелл сформулировал в виде системыдифференциальных уравнений; убедительно подтвердил то, что у Фарадея оставалосьдогадкой — что свет есть один из видов электромагнитного излучения; вычислил, чтотаковое должно распространяться в пустоте со скоростью света. Экспериментальноедоказательство существования электромагнитных волн было дано в 1888 г. немецким физиком Г.Р. Герцем (1857-1894), наблюдавшим их интерференцию, поляризацию, преломлениеи 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 электрическимии магнитными явлениями (“электродинамика Максвелла — Герца”).
Синтезу классического естествознанияспособствовала точка зрения Максвелла на электрическую и на любой вид энергии какна эквивалент механической. Объединению теории электрического поля с ньютоновскоймеханикой содействовало также признание Максвеллом существования эфира — абсолютнооднородной среды, заполняющей все мировое пространство и служащей субстратом дляраспространения электромагнитных волн всех диапазонов. Гипотеза эфира впоследствииоказалась ложной, но на данном этапе только с ее помощью можно было обойтись безконцепции дальнодействия. Теория электромагнитного поля, разработанная Максвелломи ставшая затем общепризнанной, в конечном счете не нуждалась в допущении эфира.
Управления Максвелла, позволившиеопределять основные параметры электромагнитного поля в зависимости от пространственногораспространения зарядов и токов, легли в основу классической электродинамики. Однакоони оказали неприложимыми к электромагнитным волнам малой длины и большой частоты:для этого случая оказалось необходимым разработать иные закономерности, относящиесяуже к области квантовой электродинамики.
3.7 Основные достижения постклассической физики
Квантовая электродинамика возниклав рамках квантовой теории поля и до настоящего времени остается наиболее разработаннойчастью этой теории, основе которой лежит тезис, что поле (в частности электромагнитное)обладает не только непрерывными свойствами, как это предполагалось классическоймаксвелловской электродинамикой, но и прерывными (дискретными) свойствами. Носителямипоследних являются кванты поля, точнее, соответствующих ему излучений. В случаесвета и других электромагнитных излучений эти кванты называются фотонами.
Начало XX столетия совпало с началом квантовоймеханики — теории, ставящей целью объяснить свойства и движение элементарныхмикрочастиц — 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 предвестникаминового подхода были открытие рентгеновских лучей и радиоактивности, а также первойиз ставших известными элементарных частиц — электрона. Все эти события произошлив 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 лишьопределенными порциями — квантами.
Гипотеза Планка на новом уровневозродила корпускулярную теорию светаПредпосылками квантовой концепции Планка-Эйнштейнабыло 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 Планкаи 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 атомасосредоточена в ядре, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны. Однакопо законам классической механики такая система не могла быть устойчивой: все электроныдавно должны были упасть на ядра. Согласно внесенному в 1913 г. Бором уточнению, электроны, вращаясь вокруг ядра атома по орбитам стационарным орбитам, не излучаютэнергии, но переходя с одной из своих “допустимых” орбит на другую, излучаютв каждом случае квант энергии. Позже Бором была разработана “копенгагенская интерпретация”квантовой механики, исходящая из того, что о самом существовании микрочастиц, темболее об их свойствах и движениях, можно судить только в контексте наблюдения.
Квантовая механика совершеннопо-новому осветила микромир и его закономерности, о которых ранее имелись лишь смутныедогадки. Эйнштейн в 1905 г., развивая идею Планка о квантованности электромагнитногоизлучения, предположил, что это излучение и в том числе видимый свет не только испускаетсяпорциями, но и вообще состоит из таковых, т.е. из квантов света (фотонов),энергия которых пропорциональна частоте световых волн. Фотон может превращатьсяв 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 элементарныхчастиц есть двойники-античастицы; каждая частица при становлении со своей античастицейаннигилирует. Помимо позитронов, были затем обнаружены антипротоны, антинейтроныи многие другие античастицы. Массы и спины частиц и соответствующих им античастицравны, что же касается электрических зарядов и магнитных моментов, то и те и другиеу частиц и их античастиц равны по величине и противоположны по знаку. Однако нетточных 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 многовидов элементарных частиц. Многое в классификации элементарных частиц остается покагипотетическим и условным; например, не дали еще общезначимых результатов поискагравитона — частицы, соответствующей гравитационному полю, как фотоны соответствуютэлектромагнитному.
3.8 Корпускулярно-волновой дуализм (волны де Бройля)
В основе квантовой механики лежитпарадоксальное 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 законченнуюкартину мира, но получило прежде всего экспериментальным путем. Показано, например,что пучок электронов, падающих на кристалл, дает дифракционную картину, объясняемуютолько при волновой трактовке электронов, в то время как в других случаях они ведутсебя явно как частицы.
Концепция Планка — Эйнштейна основываласьна том, что свет представляет собой поток частиц — фотонов. Но это противоречиловажной предпосылке самой этой концепции, идее Максвелла о свете как электромагнитныхволнах. Эйнштейн предположил, что противоречие это является реальным: свет являетсяв одно и то же время и волнами и потоком частиц. Например, при соударении с металламифотоны, действуя как частицы, выбирают (при определенной частоте света и следователь,энергии фотонов) из металла электроны; в других случаях, например, при интерференциии 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, однозначносоответствующими массе и энергии частиц. При всей непривычности для сознания физикитого времени идеи тождества на микроуровне таких разных объектов, как частица иволна, принятие корпускулярно-волнового дуализма в конечном счете оказалось единственнымразумным выходом из противоречия между в равной мере обоснованными волновой и корпускулярнойприродой света. Обобщение дуализма на всю материю явилось одним из первых и наиболеерезких признаков совершившегося перехода к неклассическому мышлению в естествознании.Уже в 20-е годы гипотеза де Бройля получила широкое признание, в том числе и тотее момент, что количественное соотношение между волновыми и корпускулярными свойствамидля всех частиц то же, что было ранее предположено Планком для фотонов.
Э. Шредингер, используя бройлевскоеобобщение, создал в 1926 г. волновую механику — теорию движения микрочастиц, в которойдля описания состояния микрочастиц введена волновая функция. Опыт подтвердил, чтовсе 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 междудвумя ранее признававшимися формами существования материи: веществом и полем.
Ярким примером проявления корпускулярно-волновогодуализма служат опыты с электронами, в которых у последних наблюдаются, с однойстороны, типичные корпускулярные свойства (электроны) обнаруживают при столкновенияхопределенную энергию и импульс, имеют траекторию движения и сместе с тем волновыесвойства (подтверждаются диффракции; дают интерференционную картину). В отличиеот движения классических (более крупных) частиц для движения, микрочастицы не могутбыть 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 дополнительнымипонятиями как раз и являются понятия импульса и координаты, или понятия волны ичастицы. Идея дополнительности далеко выходит за пределы физики: например, в концепцииестественного отбора дополнительны друг другу внутренние (изменчивость генома) ивнешние (влияние среды) факторы, в психологии — детерминизм и свобода.3.9 Специальная теория относительности Эйнштейна (теорияэлектромагнитного поля)
К концу XIX столетия классическоеестествознание, которое как раз к этому времени сложилось в целостную и относительнуюзаконченную систему знаний о природе и ее законах, давшую возможность описыватьи объяснять, казалось бы, любые феномены на основе принципов (1) детерминизма(учения о всеобщей детерминированности), (2) единства закономерностей поведенияобъектов микро — и макромира, а также (3) сведения высших уровней организации книзшим. Считалось, например, что биологические и даже психологические явления современем будут сведены к химическим и физическим, а поведение любой сколь угодносложной системы можно будет вычислить на будущее, если заданы начальные условия.
В основе сложившегося, таким образом,к концу XIX в. классическогоестествознания — и прежде всего, его наиболее законченной части, механики и физики,- лежала, как было сказано, механистическая жестко детерминистская картина мираи редукционизм (учение о всеобщем значении принципа редукции) как ее важнаяпредпосылка. Осталось несколько аномалий, т.е. фактов несомненных, но неподдававшихся объяснению при имевшемся концептуальном аппарате: прежде всего, несогласованностьэлектродинамики Максвелла с ньютоновской механикой, — несогласованность, которуюпытались устранить допущением единой мировой среды, эфира, но эта гипотеза велак еще большим трудностям и противоречила экспериментальным данным. Далее, не удавалосьобъяснить отклонение лучей света от прямой траектории при их прохождении около Солнцаи некоторые неправильности (по сравнению с тем, что должно было следовать из вычислений),наблюдаемые в годичных смещениях перигелия Меркурия.
Однако по сравнению с бесчисленныммножеством 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 устранениев ходе дальнейшего прогресса классического естествознания.
К тому же в течение всего временисвоего формирования (условно — до середины XIX в) и господства (вторая половина XIX в.) классическоеестествознание многократно подкреплялось данными практики. Вся техника и промышленностьдевятнадцатого, в значительной мере и двадцатого века была основана на полученномклассической физикой теоретическом и экспериментальном знании, в частности, о свойствахглавных для XVIII — первой половины XIX в. (пар) и для последующего периода (электричество) видахэнергии.
Наука превратилась к концу XIX в. в социальныйинститут и неотъемлемую часть культуры всех развитых стран, стала (особенно этокасается естествознания) одной из важнейших производительных сил. Отрицательныепоследствия науки (для экологии, в плане создания средств массового уничтоженияи т.п.) еще не выглядели чет-то опасным, и сциентизм (надежда на науку каксредство решения всех социальных проблем) был распространенной формой идеологии.По сравнению со всеми остальными социальными сферами и институтами, естествознаниевыступило как нечто наиболее прогрессивное и прогрессирующее. Казалось, что дальнейшаядостройка огромного здания естественных наук будет заключаться лишь в выяснениивторостепенных деталей и во все новых и новых прикладных приложениях классическогоестествознания, само же оно остается неоспоримым. Тем не менее на рубеже XIX и XX вв. ситуация изменилась, что привелок формированию современного естествознания, которое по отношению к классическому(или как иначе говорят, ньютоно-линнеевскому) часто называют неклассическим илипостклассическим.
Двадцатый век начался с появлениясовершенно новой трактовки физической реальности — с создания А. Эйнштейном (1879-1955)теории относительности. Прежде всего он разработал ее применительно к кардинальнымдля физики категориям пространства и времени (1905). Это была так называемая специальнаятеория относительности (СТО). В ней пространство и время потеряли свой абсолютныйхарактер, не подвергавшийся после Ньютона сомнению, и были заменены единым целым- “пространством-временем”, зависящим от системы отсчета, по отношению к которойоно определено. Все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны в отношении всехфизических явлений и процессов, причем свет распространяется относительно всех ИСОс одинаковой скоростью с, каковая представляет собой наивысшую возможнуюскорость (скорость света в вакууме). Относительны даже такие свойства событий, какодновременность и последовательность во времени: одновременные в одной ИСО событиямогут оказываться неодновременными в другой. Получила свое обоснование эквивалентностьинертной и гравитационной масс, принимавшаяся в классической механике просто какфакт. Понятие массы потеряло свою независимость от энергии и скорости, как былоу Ньютона. Формула E=mc2 определяет энергию, связанную с данной массой m и пропорциональнуюей; фиксируемые этим соотношениям количества энергии действительно освобождаютсяпри ядерных реакциях и взрывах атомных бомб.
Предметом СТО является описаниераспространения света и других электромагнитных излучений (и соответствующих имполей) в ИСО. Согласно СТО, теория электромагнитного поля не требует допущения эфираили иной среды и оказывается непротиворечивой при признании независимости скоростисвета от системы отсчета. Эта же скорость (с) является предельной для передачи любыхсигналов и взаимодействий. Электромагнитное поле в пустоте стало рассматриватьсякак 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, былавыявлена связь релятивистских (т.е. относящихся к теории относительности) постулатови квантовой электродинамики в рамках теории электромагнитного поля.
Согласно СТО, событие А в какой-либоИСО, являющееся причиной события В, для наблюдателя из некоторой другой ИСО вполнеможет выглядеть, наоборот, как следствие этого события В. Однако такого рода парадоксымогут приобрести практическое значение только при скоростях, близких к с,а в более привычных для экспериментаторов условиях сохраняют все свое значение классическиекинематика, динамика и статика.
Больше того, некоторые положенияклассической физики получили в СТО дополнительное и более общее обоснование. ОсновоположенияСТО подразумевают, как и классическая физика, что пространство является евклидовым;вместе с тем физика освобождается от постулатов об абсолютном характере пространстваи времени, а все измерения привязываются к чисто эмпирически данным ИСО.
3.10 Теория гравитационного поля (общая теория относительности)Эйнштейна
Значительно дальше (про сравнениюсо СТО) отошла от классической физики созданная Эйнштейном на более позднем этапеего деятельности общая теория относительности (ОТО). В ней пространство уже не являетсяевклидовым, т.е. пространством нулевой кривизны, но связывается с распределениеми движением масс показателем кривизны: структура пространства — времени определяются,согласно ОТО, перемещением масс материи, включает в себя поле тяготения и этим отличаетсяот однородной структуры пространства и времени в СТО. Тело, движущееся по инерции,искривляет свое движение под влиянием других (удаленных от него) тел: согласно классическойфизике, это влияние есть воздействие сил тяготения. Согласно ОТО, напротив, оноесть результат неоднородности, “неевклидовости” пространства — времени, гипотезаже дальнодействия оказывается излишней, а поле тяготения отождествляется с геометрическимисвойствами пространства. До создания ОТО закон тяготения никак не был связан с законамимеханики: например, у Ньютона он, как известно, формируется вне связи с тремя егоначалами (принципами, законами Ньютона — об инерционном движении, о силе F=ma и о противодействии) и как нечто взятоеиз опыта и не выводимое из этих начал. Астрономические наблюдения подтвердили большуюточность ОТО по сравнению с ньютоновским законом тяготения; в частности, подтвердилосьтребуемое ОТО влияние тяготения на частоту и распространение световых лучей (вспомним,что факт такого влияния, обнаруживаемого вблизи Солнца, был одной из аномалий, ослабившихв конце XIX в. позицииклассического естествознания). Сила тяготения, согласно ОТО, есть определенное состояниепространства — времени, а гравитационные волны — “волны пространства-времени” или“волны в пространстве-времени”. ОТО фиксирует отличие априорной, математическойгеометрии от геометрии физических тел, всегда нуждающейся в экспериментальной проверке.В контексте теории относительности по-новому поставлен и решен вопрос о соотношенииинертной и гравитационной массы.
3.11 Эквивалентность инертной и гравитационной массы
Как видно из сказанного, теорияотносительности поставила перед естествознанием новые задачи, в частности, проблемуреальности гравитационного излучения, несущего энергию, и соответственно гравитационныхволн (волн тяготения). Намечаются также задачи истолковать в геометризованном духене только гравитационное, но и другие виды полей; разработать ОТО применительнок миру элементарных частиц; и т.д. Экспериментально давно было установлено, чтообе массы эквивалентны друг другу с точностью до некоторого постоянного соотношениямежду измеряющими их единицами. В плане ОТО эта эквивалентность означает эквивалентностьинерционных и гравитационных полей.
Инертная масса mопределяетсяньютоновским соотношением F=mа и служит мерой инерции тела: чем больше инертная массатела, 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 источникполя тяготения и с этой точки зрения определяется уже рассмотренной нами в разделе2.2.1 формулой />где r — расстояниемежду двумя взаимно притягивающимися телами, m1 и m2 — их массы,G — гравитационная постоянная. В этом смысле, т.е. как источниктяготения массу называют гравитационной.
Вообще говоря, теоретически (врамках классической физики) можно представить себе, что инертная и гравитационнаямассы 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. Собственноименно благодаря этой эквивалентности мы и можем определять массу тела взвешиванием.Если в рамках классической механики эквивалентность гравитационной и инертной массвыглядит чисто эмпирическим фактором, то в теории относительности этот факт получилтеоретическое объяснение. Оно заключается в “распространении принципа относительностина системы координат, движущиеся неравномерно друг относительно друга. Действительно,такая концепция приводит нас к признанию единства инерции и тяготения; в зависимостиот того, каким образом мы их рассматриваем, одни и те же силы могут представлятьсянаходящимися под действием только сил инерции или под совместным действием как силинерции, так и тяготения … Возможность объяснить численное равенство между инерциейи тяготением на основе единства их природы доставляет общей теории относительностистоль большое превосходство над представлениями классической механики, что все трудности,с которыми она сталкивается в своем развитии, следует по сравнению с этим считатьнезначительными” (А. Эйнштейн. Сущность теории относительности. М., 1955, с.54-55).
3.12 Открытие элементарных частиц
Одним из отличий постклассическихпредставлений от более ранней физики является изменившаяся картина материи. В основеэтой картины в XX в. лежитидея элементарной частицы как далее неделимой структуры. К концу столетия сталообщепризнанным, что самое свойство “неделимости” не так очевидно, как думали ранее.Если элементарные частицы и не делятся на части, то они в очень широких пределахдруг в друга превращаются. Но в течение большей части XX в. в сознании ученых элементарные частицы были носителямисвойства “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 илидля ученых XVII-XIX вв.,чем-то неделимым, но мыслилась как состоящая из частей: из электронов и ядра, котороев свою очередь включает в свой состав ряд элементарных частиц.
Открытие античастиц явилолсь однимиз примеров введения постклассическим естествознанием правил, не могущих быть понятымиили 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 экспериментечастиц, для которых не выполняются обычные соотношения между массой, импульсом иэнергией. С другой стороны, много непривычных свойств (например, дробность электрическогозаряда и т.д.) постулировано для таких ненаблюдаемых, но необходимых для обоснованиямногих процессов в микромире, как кварки и актикварки (см.2.4.1). В особую категориювыделены, начиная с 1950-х годов (работы Э. Ферми) короткоживущие возбужденные состоянияадронов — “резонансы”. В конечном счете нет уверенности, что известные сейчас элементарныечастицы являются подлинно элементарными в смысле неразложимости. Однако существенно,в частности в плане концепции корпускулярно-волнового дуализма (см.2.4.2), что каждойчастице ставится в соответствие определенный вид поля. Из всех элементарных частицвыделяется группа частиц, возможно, “элементарных” в полном смысле слова, которыеопределяют всю специфику процессов в микромире. Это кварки и лептоны (частицы соспином 1/2); бозоны, фотоны, глюоны — частицы, “склеивающие” кварки в нуклоне (спин1/2); а также гипотетические гравитоны.
В настоящее время решается задачаобъяснить на основе известных и предполагаемых свойств элементарных частиц важнейшеесвойство атома — его устойчивости в течение огромных промежутков времени. В первомприближении объяснение этого было достигнуто уже Планком с помощью его гипотезыоб элементарном кванте действия (синоним: постоянная Планка, см.2.4.1). Как писалН. Бор, “… только существование кванта действия препятствует слиянию электроновс ядром в нейтральную тяжелую частицу, практически бесконечно малого размера. Признаниетакого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электронаполем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводятатом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояниес испусканием освобождаемой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения… Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то жевремя 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 детерминированностиблагодаря квантовой механике и другим отраслям постклассической физики все большеуступает место принципу неопределенности, а также статистическому и другим болеегибким подходам. И в первую очередь этот сдвиг в подходе реализовался благодаряисследованиям мира элементарных частиц.
Интенсивное развитие физики микромирапривело к выделению в качестве особой дисциплины ядерной физики
Теория относительности, хотя впринципе и универсальная по своему применению, все же находит приложение и проверкучаще всего на мегауровне, в связи с явлениями масштаба Галактики и Метагалактики(см. ниже). Напротив, квантовая механика исследует прежде всего явления, развертывающиесяна уровне элементарных частиц и вообще индивидуальных микрочастиц. Более приближенныек человеческому уровню восприятия системы, системы мезоуровня продолжают изучатьсяс одной стороны, средствами классической ньютоновской механики, а с другой, статистически.Примером глубокого проникновения статистических методов в современное естествознаниеможет служить термодинамика. Третье из ее основных начал, принцип недостижимостиабсолютного нуля, было установлено В.Ф.Г. Нернстом в 1906 г., в то время как два остальных начала термодинамики — закон сохранения энергии и принцип неубыванияэнтропии, т.е. меры вероятности состояния системы (микросистема может безвнешних влияний переходить лишь от менее к более вероятным состояниям: от порядкак беспорядку, от определенной температуры к более низкой и т.д.), были известныранее. Из второго начала делался вывод, что мировой процесс должен привести к максимизацииэнтропии и “тепловой смерти” Вселенной. Однако ОТО показала, что энтропия космическихтерподинамических систем может сколь угодно долго возрастать без достижения имиравновесного состояния с максимальным значением энтропии. По крайней мере в этомотношении постклассическое естествознание внесло ноту оптимизма в научное миросозерцание,поскольку вопрос о тепловой смерти перестал быть актуальной темой мировоззренческихдискуссий.
3.13 Физика и космология
Современные астрономия и космологияперестали быть сочетанием чисто наблюдательного и умозрительного подхода, как этоимело место до конца XIX в., истали дисциплинами, опирающимися на точное физическое знание, в особенности на теориюотносительности и квантовую механику
Классическое естествознание рассматривалоВселенную как стационарную систему, которая всегда была более или менее такой, каксейчас. Это допущение отражало более общие постулаты об однородности и абсолютностипространства и времени, отвергнутые, как мы видели, теорией относительности. Набазе 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 илименьше некоторой критической величины, Вселенная неограниченно расширяется (видимо,эта возможность на данном этапе и соответствует реальности, что подтверждается методамиспектроскопии: в спектрах галактик красные линии смещены таким образом, что создаюткартину удаления галактик от нас во все стороны со скоростью, пропорциональной квадратурасстояния. Это “красное смещение”, поразительным образом подтвердившее гипотезуФридмана, было открыто через несколько лет после опубликования его работы). Еслиже 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 былатрудно представима, порядка миллиона миллионов градусов. После первичного так называемогоБольшого взрыва размер Вселенной стал увеличиваться, а температура — снижаться,пока тот и другая не достигли величин, о которых мы можем более или менее непосредственносудить, поскольку от них осталось нечто доступное измерению, а именно реликтовоерадиоизлучение — излучение сохранившихся в межзвездных пространствах скопленийводородно-гелиевой плазмы, которые остались неизменными со времени до образованиязвезд. Все величины, относящиеся к более раннему периоду, получены путем простойэкстраполяции более поздних процессов на самые ранние этапы образования Вселеннойи потому не столь достоверны и уже неоднократно пересматривались. В частности, удаленностьот нас Большого взрыва принималась равной 4-5 миллиардов лет, сейчас — 20-25 миллиардовлет, но и эти цифры не окончательны.
В период, от которого осталосьреликтовое радиоизлучение, т.е. приблизительно 3-4 миллиарда лет тому назад, Вселеннаясостояла из более или менее однородной смеси водорода с гелием, со сравнительно“низкой” температурой — 4-5 тысяч градусов. Позднейшая сверхвысокая температурав недрах звезд возникла вторично в результате, скорее всего, термоядерных реакций.Радиус Вселенной в эпоху формирования реликтового излучения составлял около 15 миллионовсветовых лет.3.14 Концепции современной химии и их формирование входе великих химических открытий
Вплоть до XVIII столетия в химииудерживались чисто умозрительные представления о том, что вещество состоит из “стихий”типа постулированных еще средневековыми алхимиками “ртути”, “серы” и др. илииз “начал” наподобие невесомого “теплорода” (“флогистона”), якобы служащего причинойтеплоты. Однако уже в 1660-х годах английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел научноеопределение химического элемента как простого тела, которое не может быть полученоиз других тел и веществ. Он ввел в химию экспериментальный метод и измерение, положилначало исследованию закономерностей связи между объемом и давлением газов. Однаколишь в XVIII в. химиястала приобретать характер науки, основанной на выявлении системы объективных закономерностей.Впрочем, этому продолжало мешать господство концепции флогистона и недостаточностьнадежных количественных данных.

3.15 Закон сохранения массы Ломоносова

Выступив против концепции флогистона,Ломоносов пришел к гораздо более правдоподобному предположению, что теплота обусловленавращательными движениями “корпускул”. Он выдвинул ставшую впоследствии известнойформулировку закона сохранения массы: “Все перемены, в натуре случающиеся, таковасуть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому”.Если Бойль еще доказывал существование флогистона тем, что металл после прокалыванияувеличивает свой вес, то Ломоносов в 1756 г. опроверг эти опыты (точнее, их ложную трактовку Бойлем) тем, что при прокалывании без доступа воздуха прибавкивеса не получается. Этот факт был подтвержден в 1774 г. французским химиком А.Л. Лавуазье (1743-1794), показавшего затем, что прибавка веса является результатомприсоединения особого элемента — кислорода.
3.16 Закон постоянства состава веществ Пруста
Для развития химии необходимабыла фиксация предмета этой науки как чего-то характеризуемого постоянными и устойчивымипризнаками. В этом отношении важнейшую роль сыграли работы французского химика Ж.Л.Пруста (1754-1826). Исследовав состав многочисленных хлоридов, сульфидов, а такжеокислив металлов, он на рубеже XVIII и XIX вв. открыл законпостоянства химических соединений, гласящий, что каждое химическое соединение, независимоот способа, каким оно было получено, состоит из одних и тех же элементов, притомстоящих друг к другу в одних и тех же весовых отношениях. Без этого закона не удалосьбы 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, элементывзаимодействуют в строго определенных пропорциях. Эти пропорции получили впоследствииназвание эквивалентов, а закон эквивалентов нашел выражение в виде таблиц, ставшихосновой количественного описания всех известных тогда реакций. Закон эквивалентовРихтера стал одной из предпосылок химической атомистики.
3.18 Закон кратных отношений Дальтона
Первые определения атомных весовэлементов были выполнены в первые годы XIX в. английским химиком и физиком Дж. Дальтоном (1766-1844).Обоснованием химической атомистики послужил также его закон кратных отношений дляслучая, когда два химических элемента образуют друг с другом несколько соединений:весовые количества одного из элементов, поделенные на таковые другого, относятсямежду собой, как простые целые числа.
На основании своего закона кратныхотношений, а также закона постоянства состава Пруста Дальтон в 1803-1804 гг. выдвинулсвою теорию атомного строения (химическую атомистику). Благодаря этой теории представленияоб атоме как носителе химических свойств впервые начали приобретать конкретный характер.
3.19 Закон Авогадро о постоянстве количества молекулв 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 сего помощью вычислил в течение 1810-х годов атомные массы кислорода, углерода имногих других элементов, а также открыл закон, согласно которому в одинаковых объемахгазов содержится одинаковое количество молекул (при одной и той же температуре идавлении). Он уже в определенном смысле явился предшественником Д.И. Менделеева:так, Авогадро первым установил серию элементов, которые впоследствии вошли в периодическуюсистему 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 химическихэлементов Менделеева
Перечисленные открытия заложилиоснову для атомно-молекулярной теории строения вещества, которая получила законченныйвид 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 представляласобой классификацию элементов по объективным критериям, но и дала новый пример предсказательнойсилы науки: на основании своей системы Менделеев получил возможность предсказыватьоткрытие новых элементов. Так, им заранее были установлены свойства скандия, германия,галия, эмпирически открытых лишь впоследствии.
Периодическая система Менделеевапредставляет собой развернутую форму его же периодического закона, первое четкоеизложение которого было дано Менделеевым в феврале 1869 г. Сущность этого закона в трактовке самого Менделеева заключается в том, что физические и химическиесвойства элементов стоят в периодической зависимости от их атомного веса. В современномпонимании эта трактовка должна быть уточнена: свойства элементов зависят не столькоот атомного веса, сколько от заряда ядра и определяемого этим зарядом числа электроновв атоме, которое равно порядковому номеру в системе Менделеева. Но в целом Менделеевбыл прав, называя свою таблицу естественной системой элементов. Она впервыеотразила объективное распространение всех известных тогда элементов соответственноих свойствам, причем среди этих свойств выделена одно первичное (атомный вес, мыбы сейчас сказали — заряд ядра) и многочисленные зависимые от него вторичные.
Уже из планетарной модели атомаРезерфорда и из факта нейтральности (нулевого заряда) атома в целом вытекло, чтоположительный заряд ядра является кратным отрицательного заряда электрона. На основеэтого 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 причинапериодичности в таблице Менделеева. Это также был один из примеров преемственностимежду классическим и постклассическим состоянием науки. Согласно модели Бора, электроныдвижутся вокруг ядра лишь по “разрешенным” стационарным орбитам. Элементы с одним,двум и т.д. электронами в наружном слое, наиболее определяющем физические и химическиесвойства элемента, в целом повторяют свойства элементов с одним, двумя и т.д. электронамив 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, проявляющихсяпри трансформации их структуры на атомно-молекулярном уровне, приобрела в то жевремя новые особенности по сравнению с классическим периодом. Прежде всего, каксказано, она опирается на квантовую механику и учение о строении атома. Под этимуглом зрения переосмысливаются все классические понятия. Например, валентностьпо-прежнему трактуется как количественная мера способности элемента к образованиюхимических связей, но в XX в. связиэти трактуются как электростатические силы, причем выяснилось, что упомянутая способностьобразовывать связи зависит от характера внешней (валентной) оболочки атомов (см.1.3.6).Конечно, для этого необходимы были по меньшей мере открытие электрона и боровскаяпланетарная модель атома.
Еще недавно не имели применения,да почти что и не были известны изотопы — разновидности одного и того жехимического элемента, имеющие один номер в периодической таблице, но отличающиесядруг от друга по атомной массе. Порядковый номер (число протонов в ядре) у изотоповодного и того ж элемента одинаков, но имеются добавочные или недостающие нейтроны,так что атомная масса получается неодинаковая. Первые изотопы были получены в процессерадиоактивного распада урана и тория в 1906-1907 гг., что явилось важным компонентовпроисходившей тогда тотальной перестройки естественнонаучных концепций. Оказалось,что порядковый номер элемента в менделеевской таблице является значительно болеесложным показателем, чем полагали ранее, и под ним могут скрываться разновидностиэтого 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 формепо сравнению с раннеквантовой моделью Бора, см.2.1.). Вскоре изотопы были открытыи 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 радиоактивныеизотопы азота 12N, кремния 28S; и фосфора 30Р- слева вверху стали писать массовое число изотопа). Затем путем ядерных реакцийсинтезировали еще много изотопов, в основном радиоактивных.
3.22 Эволюционная химия
Широко распространилась за последниегоды и представляет уже отчасти переход к биологии концепция эволюционной химии,основанная на введении в химию идеи саморазвития путем восхождения на более высокиеуровни 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 сравнениюс исходными материалами. Сюда же примыкает моделирование каталитических систем,к которому мы вернемся в связи с проблемами биологии. Для химического же уровняорганизации несомненно, что раннему этапу возникновения жизни предшествовали сложныемолекулярные процессы, которые можно отнести к категории химической эволюции и безкоторых жизнь не возникла бы.
На этом этапе в атмосфере Земливзаимодействовали сначала очень простые углеродосодержащие и безуглеродные вещества(вода, углекислый газ, аммиак, сероводород, цианистый водород, фосфорная кислотаи т.д.), затем получившиеся из них малые биомолекулы (мономеры: сахара, аминокислоты,пурины, пиримидины, моносахариды и т.п.), затем сложные органические вещества ибиополимеры (липиды, полисахариды, белки, нуклеотиды и др.) — и это уже была преджизнь,переход к живому веществу. Механизмы этого процесса перехода во многом неясны ипредставляют собой одну из тех наиболее увлекательных областей исследования, которыеобещают обогатить естествознание новыми и углубленными концепциями. Для них отчастиуже готовы наименования: теория самоорганизации, биогенез, синергетика и т.д. Однакомы еще далеки от редукции реальных эволюционных и биологических процессов к химическойоснове, если такая редукция вообще возможна.
Редукцию химических концепцийи в целом химического уровня организации к физическому можно считать практическисостоявшейся, как можно видеть, в частности, на примере валентности, периодическогозакона Менделеева (см. выше) и многих других концепций и категорий. Редукция биологическогоуровня к химическому, видимо, представляет собой гораздо более трудную задачу, нежелиредукция химического уровня к физическому. Многие применяемые в биологии понятияне имеют аналогии на низших уровнях организации. Таковы понятия органа, стимула,пола, инстинкта и др. Тем не менее во все возрастающей степени в биологии используетсяконцептуальный аппарат физики и химии, а потому концепции современной биологии необходиморассматривать как в их специфике, так и в контексте физических и химических данныхи категорий.
3.23 Биологические явления. Формы и уровни жизни
Многообразие имеющихся на Землеживых систем поразительноЧасти организмов (клетки, ткани, органы), далее сами организмы,популяции, нередко рассматриваются в виде особых, всевозрастающих в отношении сложностиобъектов — уровней организации. “Лестница” этих уровней представляет собойчасть более общей шкалы повышения организации в природе, начиная от атомов и молекули кончая человеком, человеческим обществом и ноосферой (см. ниже).
В плане построения четкой картинымногоуровневости живой природы в настоящее время наиболее адекватным представляетсявыделение следующих уровней: (1) молекулярного, составляющего предмет молекулярнойбиологии; (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 высокихсистематических единиц: рода, семейства, класса и т.д.); (9) биогеоценотическогои (10) биосферного. Два последних уровня включают в себя не только организмы, нои участки земной поверхности и вообще местообитания организмов и будут рассмотреныниже.
3.24 Специфика феномена жизни
Отличительные особенности живыхсуществ заключаются, во-первых, в их составе, во-вторых, в строении и функциях.По составу они относятся к тому региону материального бытия, в основе которого лежаторганические соединения. Какие именно, есть разные мнения. Раньше считали, что воснове жизни лежат белки; однако сейчас представляется более вероятным (как мы увидимниже, при изучении генетических концепций), что еще важнее нуклеиновые кислоты- биополимеры построенные из нуклеотидов (азотистых оснований — пуриновых ипиримидиновых), углеводов и остатка фосфорной кислоты и лежащие в основе процессовхранения и передачи негенетической информации, т.е. информации, передающейся отодного поколения организмов к другому. Белки важны в осуществлении самых разнообразныхфункций в течение онтогенеза. Но при передаче признаков по наследству, а значит,и при филогенезе их роль сравнительно с нуклеиновыми кислотами пассивна, она лишьреализует программу, заложенную в последних. Теоретически возможны, например, надругих планетах, и формы жизни, основанные на каких-либо других соединениях, например,не углеродных, а кремниевых. Сейчас для описания феномена жизни в наиболее общемвиде берут за основу чаще всего не состав, а функции и структуру живых объектовкак систем.
Под этим углом зрения первостепеннымидля 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, классови других систематических групп организмов); обмен веществ и энергии с окружающейсредой; способность целесообразно реагировать на ее изменения; сложность (высокоупорядоченность)строения; размножение. Взятые порознь, все эти аспекты специфики живого не являютсяабсолютными. Так, в определенной мере целостность характерна уже для кристаллов;в процессе кристаллизации в растворах, когда около “зародышевых” центров в течениеопределенного времени образуются “взрослые” кристаллы, с основанием можно видетьнечто подобное онтогенезу, т.е. индивидуальному развитию. Видимо, этот процесс вкаких-то формах, возможно, напоминающих современные вирусы, также и историческипредшествовал появлению типичной жизни. Обмен веществ и энергии (иногда в том жесмысле, т.е. как осуществляющих этот обмен, говорят о живых системах как открытых)тоже не столь уникальный случай: открытых систем и вне жизни много (например, газовыеоболочки гигантских планет, где нет жизни, но идут потоки вещества и энергии к поверхностипланеты и в космос). Вообще неорганические (“косные”) системы весьма нередко обмениваются(хотя бы в элементарной форме) веществом и энергией со своей средой и реагируютна ее изменения, и если это реагирование трудно определить как “целесообразное”,то по крайней мере есть системы, определенным образом “направленные” на поддержаниесвоего равновесия: например, смесь уксусной кислоты с ее же натриевой солью иливообще буферные растворы, сохраняющие в известных рамках при добавлении воды, кислотили оснований на одном и том же уровне свою важнейшую характеристику — кислотность.
В то же время говорить о целесообразностиреагирования 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 внешнимвоздействиям) параметров внутренней седы организма, реализуемая на основе системыобратных связей — гомеостаз — является более отчетливой характеристикой живыхсистем. Примером гомеостаза может служить выравнивание артериального давления послетого, как изменение давления воспринимается барорецепторами сосудов, те передаютсигнал в мозговые центры, откуда другой сигнал направляется к гладкой мускулатуресосудов и снижает ее тонус, а это в свою очередь сигнализируется в мозг, которыйпрекращает посылать расслабляющие импульсы. Не только организмам, но и другим живымсистемам свойствен гомеостаз: генетический гомеостаз представляет собой условиесуществования популяций, он заключается в поддержании (при возникающем равновесиивнешнем воздействии) их генетической структуры. Однако как момент в определенииспецифики жизни гомеостаз немного дает, ибо присущ, как мы видели, и чисто химическимсистемам. Он встречается и в физических и технических системах: известен сконцентрированныйУ.Р. Эшби в 1948 г. “гомеостат” — система из четырех магнитов с перекрестными обратнымисвязями. При отклонении системы от равновесного состояния магниты перемещаются случайнымобразом, “отыскивая” новое равновесное положение. Гомеостат Эшби мог даже до известнойстепени обучаться, компенсируя частичную поломку и восстанавливая связи нарушенныепод влиянием изменений в среде, т.е. проявлял зачаточную целесообразность. Сложностьтоже понятие относительное: была ли Вселенная в целом до появления жизни проще,чем какой-нибудь бактериофаг?
Более специфично для жизни явлениеразмножения — воспроизведение себе подобных. Однако и ему есть аналогии в неживойприроде: размножение кристаллов в насыщенном растворе, а также деление атомногоядра. При поглощении нейтрона ядра атома урана меняет форму, образуется “шейка”,а после ее уточнения и разрыва — два разлетающихся осколка, которые в свою очередьиспускают нейтроны и т.д., причем все эти нейтроны подобны первому во всяком случаебольше, чем организмы своему прародителю. При бета-распаде (распаде атомного ядра,сопровождающемся вылетом из него бета-частицы — электрона или позитрона) увеличиваетчисло протонов или нейтронов, в зависимости от разновидности распада (b — или b+).
Это формальное возражение следуетиметь в виду, тем не менее, по существу размножение представляет собой достаточнооригинальное свойство именно живого: “достаточно” для того, чтобы быть положеннымв основу определения жизни. Вот один из вариантов такого определения: “жизнь естьформа существования высокоупорядоченных открытых систем, способных к целесообразнойреакции и к размножению”. С древнейших времен, как только люди стали пытаться определитьжизнь в отличие от всего остального, они опирались на этот признак. Что заповедуетв Библии Бог живым существам, творя их? Не реагировать ли, не обмениваться ли веществоми энергией со средой, не быть сверхсложными? Нет, но: “плодитесь и размножайтесь”.Отсюда можно видеть, что с самого начала этот признак как очевидно важный, в томчисле и практически, наиболее привлекал внимание. По истечении тысячелетий он нестал менее важен, но постигнул научно и стал предметом рассмотрения наиболее, пожалуй,специфической из биологических дисциплин: генетики, науки о наследственностивременного естествознания, появление первых организмов на Земле, стало возможнымкак заключительный этап химической эволюции.
Развитие современной генетикиначалось одновременно с развитием других отраслей постклассического естествознания- в первых годах XX в., спереоткрытия несправедливо забытых перед тем законов Менделя (1900 г.) и введения в 1909 г. понятия “ген” (элементарная единица наследственности; как позднеевыяснилось — отрезок молекулы нуклеиновой кислоты).Г. Мендель (1822-1884) в своейклассической работе 1865 г. “Опыты над растительными гибридами” не употреблял,конечно, этой современной терминологии, но открыл существеннейшие закономерностинаследственной передачи: независимость комбинирования генов (он писал: “наследственныхфакторов”), рецессивность и доминирование (см. ниже). По терминологии XX в., каждый ген лежит в основе какого-либопризнака (впрочем, есть случаи определения признака несколькими генами и влияниягена на несколько признаков — упомянем об этом для полноты картины, но абстрагируемсяот этих случаев). Гены и соответственно признаки при наследственной передаче дискретныи передаются независимо один от другого.
3.25 Теория эволюции Дарвина и ее синтез с генетикой
Генетика в тех ее формах, какиеона приобрела в первую половину XX столетия, удачно объясняла постоянство наследственной природыорганизма, но в меньшей степени эффективно давала интерпретацию изменений этойприроды. Между тем независимо от генетики (так сложилось первоначально) такую интерпретациюдавало эволюционное учение и в особенности возникший в середине XIX в. дарвинизм.
Предположения о том, что современныйрастительный и животный мир не существовал извечно, но представляет собой нечтоисторически возникшее и изменявшееся, бывали еще в древнем мире. Эти догадки принималиформу креационизма, т.е. учения о сотворенности жизни; иногда также форму ученияо самозарождении жизни в неживых субстратах (иле, морской воде и т.д.). Постепеннонакапливался 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, которыйбыл 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 числеинфекционными, и поставили на научную основу селекцию полезных организмов. Однакоразвитие наук о жизни тормозилось рядом ошибочных концепций: линнеевской догмойнеизменности видов, теорией катастроф Кювье (жизнь на Земле якобы периодически погиблаи затем создавалась вновь, в иной форме), учением Ламарка о наследовании приобретенныхпризнаков.
Генетика послужила удачным дополнениемдарвиновской теории эволюции. В частности, дискретность наследственных зачатковразъяснила одну из трудностей, с которой столкнулась концепция естественного отбора:при скрещивании вновь возникающие полезные признаки, казалось бы, должны были растворитьсяв массе старых бесполезных и исчезнуть. На самом деле они сохраняются даже при своейрецессивности и как сказано, в благоприятном случае вновь проявиться. К 60-м годамгенетика столь тесно сплелась с теорией эволюции, что это привело к созданию синтетическойтеории эволюции (СТЭ) — концепции, объединившей генетику и отчасти молекулярнуюбиологию (исследование биологических объектов на молекулярном уровне) с концепциейестественного отбора. Основные позитивные моменты теории Дарвина признаны СТЭ. Всамом деле, сторонники СТЭ признают, давая новые толкование, также постулаты — теперьможно 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 отверглакак противоречащие реальности некоторые иногда встречаемые у Дарвина, хотя в целомне характерные для него ошибочные тезисы, например, иногда (далеко не всегда) допускаемоеим наследование приобретенных признаков. Оно признавалось ранее многими, особенноЖ.Б. Ламарком, который создал на основе этого тезиса одну из наиболее ранних разновидностейэволюционного учения. У нас агрессивный вариант ламаркизма проповедовался в 1930-1960-хгг. “школой” Т.Д. Лысенко. Однако теперь идея наследования приобретенных признаковимеет лишь историческое значение.
3.26 Селекция, экология, клонирование, генетическийкод
Отбор действует преимущественнона уровне популяции. Поэтому в качестве неотъемлемого компонента в СТЭ вошла генетикапопуляций, 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. Генетикаприобретает в настоящее время огромное прикладное значение. Помимо уже давно применяемыхметодов улучшения пород домашних животных и сортов культурных растений с помощьюискусственного мутагенеза, теперь начинают распространяться и приемы генной инженерии- целенаправленного изменения генов, вплоть до операций на генах и в целом воздействияна наследственную природу. С 1997 г. развернулись опыты по клонированию — генетическомукопированию животных, в том числе из вегетативных клеток (ибо геном, т.е. наборгенов организма, во всех клетках тождествен). Потенциально этот метод применим ик людям, но этические аспекты допустимости выведения “двойников” вызывают ожесточенныеспоры.
3.27 Цитология, биохимия, физико-химическая биология
По разнообразию своих уровней,от молекулярного до биосферного, с живой материей не может сравниться ни одна издругих форм существования природы. Естественно, что мы не можем здесь подробно рассмотретьвсе эти уровни. Остановимся специально на одном из них, в известном смысле ключевомдля понимания жизни на клеточном. Еще в классический период естествознанияклетка была признана универсальной ячейкой всего живого. Сейчас так нельзя сказатьбезоговорочно, 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 полноймере проявляются все свойства жизни как таковой: целостность, обмен со средой (открытость),целесообразное реагирование, сложность строения, способность к размножению.
Чтобы лучше понять современныепредставления о биологической клетке, полезно остановиться на некоторых сведенияхиз прошлого экспериментальных и описательных в биологии. Реальная эффективностьэкспериментального подхода в этой области проявилась почти одновременно с успехамиэксперимента в физике (и раньше, чем в химии), а именно с 1628 г., когда У. Гарвей открыл кровообращение и определил его важные параметры (в частности, количествокрови, выбрасываемое сердцем при каждом сокращении). В целом же для биологии XVII- первой половины XIX вв. характернопреобладание описательных исследований, развитию которых способствовало открытиеогромного числа новых видов в эпоху великих географических открытий XVII в. и затем в ходеэкспедиций XVIII — XIX вв.,проникших в труднодоступные районы внутренней Африки, Сибири, Америки и других регионов.
Благодаря изобретению микроскопав середине XVII в., передучеными 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 какосновной ячейки строения организма, т.е. создал клеточную теорию — учениео 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 кристаллизироватьсянаподобие неживых объектов. Но им свойственны размножение делением и другие характерныесвойства живого, о которых см. раздел 4.1.
3.28 Возникновение жизни на Земле
Наибольшее распространение получилагипотеза происхождения жизни, разработанная А.И. Опариным. Согласно этой гипотезе,первым этапом предбиологического процесса было перемещение тяжелых элементов к центруЗемли, легких — на ее поверхность. Это происходило 5-4 млрд. лет назад, когда Землябыла очень горячей. Атмосфера состояла из водорода и его соединений (воды, точнее,водяного пара; метана, аммиака, цианистого водорода и т.д.). В ней под действиемизлучения Солнца возникли сравнительно несложные органические вещества: сахара,аминокислоты, уксусная, молочная, муравьиная кислота и др. Этот процесс удаетсявоспроизвести в лаборатории.
Затем абиогенным путем, в отсутствиисвободного кислорода (он появился в атмосфере позднее, под действием зеленых растений)были синтезированы более сложные соединения, включая аденозинтрифосфат (АТФ) — богатоеэнергией соединение, впоследствии играющее центральную роль в энергетическом балансеорганизмов. В процессе охлаждения земли водяной пар превращался в воду, образовался“первичный бульон” — водный раствор аммиака, двуокиси углерода, метана и упомянутыхболее сложных органических соединений. В результате их полимеризации возникли линейныеполимеры: полипептиды и полинуклеотиды. Последние способны к самокопированию почтитак называемого комплементарного связывания их нуклеотидов (мономеров): аденинас урацилом, гуанина и уитозином. Этот процесс сам по себе идет очень медленно, номог быть ускорен тем, что среди образовавшихся к тому времени полипептидов некоторыебыли катализаторами, т.е. могли, не расходясь сами, ускорять матричный синтез иурацила на аденине, цитозина на изанине. При этом путем отбора, т.е. отмирания нежизнеспособныхкомбинаций, 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 ещене было, и прокариоты или даже еще более примитивные).
Однако главная и далеко еще нерешенная проблема, связанная с появлением жизни и первых организмов, заключаетсяв выяснении процессов, приведших к формированию генетического кода. Оно относитсяк древнейшим временам, видимо, еще к стадии химической эволюции, поскольку дажедля прокариотной клетки, например, бактериальной, характерно наличие двойной спиралиДНК, правда, несколько более примитивного типа, чем у эукариотов. Бактерии, каки все клеточные организмы, содержат оба типа нуклеиновых кислот, ДНК и РНК, вирусы- только одну из них. Однако неизвестно, является ли простота вирусов первичнойили вторичной. Во всяком случае, современные вирусы не могли существовать раньшеклеточных организмов, ибо живут, только паразитируя на них.
Половой процесс возник на стадиипрокариот; он имеется, например, у бактерий, хотя и не обязателен (существует нарядус простым делением). Во всяком случае наследственность и изменчивость представленыуже на самих ранних этапах происхождения жизни, причем в самом общем плане на основетех же генетических механизмов, что и сейчас. Поэтому можно считать, что генетикаявляется столь же универсальной по применимости биологической дисциплиной, как биохимияили биофизика.
Клетки, действительно возникшие,скорее всего, симбиогенным путем, (продолжали захватывать более мелкие аэробныеклетки, которые, будучи богаты АТФ, эволюционировали, с одной стороны в митохондрии- энергетические центры клеток; с другой, в фотосинтезирующие хлоропласты) около3 млрд. лет назад образовали многообразные скопления — колонии. По видимому, этобыли уже не стадии эукариотной жизни. В результате “разделения труда” междуклетками колонии возникли многоклеточные организмы. Этот процесс знаменовал переходот древнейшей, архейской эры в истории Земли к протерозойской — “эре первичной жизни”(название достаточно условное, так как появлению многоклеточных предшествовала эволюциядоклеточных и одноклеточных организмов в течение по меньшей мере одного — двух млрд.лет). Вплоть до палеозойской эры, около 1 млрд. лет назад, на Земле господствовалисравнительно примитивные животные (губки, кишечнополостные) и водоросли. В течениепалеозойской 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 силурийскомпериоде — осуществляется выход на сушу беспозвоночных, несколько позднее, в каменноугольномпериоде — позвоночных. Первоначально это были земноводные (стегоцефалы), затем отних произошли уже более свободные от водной стихии, даже в своем размножении, пресмыкающиеся.
В течение мезозойской эры, приблизительно200-100 млн. лет назад, шло иссушение климата Земли в связи с бурными горообразовательнымипроцессами. Рептилии заняли господствующее положение и завоевали все среды обитания,вплоть до воздушной (летающие ящеры). Поздний мезой (меловой период) — время появленияи стремительного распространения по всей суше известковых растений. Это также времяпоявления млекопитающих, победивших рептилий в борьбе за существование благодаряряду крупных эволюционных преобразований, открывших пути к дальнейшей эволюции(такие преобразования часто называют ароморфозами, в отличие от менее значительных,чисто приспособительных изменений — идиоадаптаций): благодаря более совершеннойзаботе о потомстве (внутриутробное развитие, вскармливание детенышей молоком), четырехкамерному сердцу и полному разделению венозной и артериальной частей кровеноснойсистемы, образованию волосяного покрова, совершенствованию коры головного мозга,преобладанию условных рефлексов над безусловными, что обеспечило более гибкое приспособлениек среде.
Общей базой всех этих эволюционныхпроцессов был естественный отбор. За мезозойской эрой последовала кайнозойская,важнейшим событием в ходе которой была с точки зрения эволюции смена естественногоотбора, 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 входитсо времен Дарвина в круг проблем, изучаемых теорией эволюции. В настоящее времянаиболее вероятной признается концепция, согласно которой предки человека — рамапитекиотделились 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, жившие3,5-2 млн. лет назад. Их остатки найдены в 1960-1970-х гг. в Танзании и Кении. Ближек нам питекантропы и синантропы, жившие несколько сотен тысяч лет назад. Они ужеупотребляли огонь. Еще ближе к нам, появившиеся около 200 тысяч лет назад и создавшиеэлементы цивилизации (жилища, религия) неандертальцы. Наконец, человек современноговида — кроманьонец — появился на Земле около 80 тысяч лет назад. Движущими факторамиантропогенеза (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 современнойбиологии, во многом смыкающимся с такими областями гуманитарного знания, как психология,социология, социальная психология и др., является также исследование поведения животныхи человека. В биологическом плане это направление основывается на достижениях физиологии.Что касается изучения поведения человека и высших животных (млекопитающих), здесьосновополагающим 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, коммуникациии т.д. Любопытным открытием явилось явление импринтинга — процесса на раннихэтапах онтогенеза, в ходе которого животные научаются определенным действиям и связываютих с тем, кто осуществлял научение (или даже просто присутствовал при этом).К. Лоренцобнаружил, что если, учась передвигаться по суше, утята видели его, а не собственнуюмать-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 являетсяисследование группового поведения, иногда обозначаемое как социобиология.С ее помощью в группах приматов и других животных обнаружены такие явления, какиерархия, забота о слабых, сложные формы коммуникации.
3.31 Междисциплинарный характер современной биологии
В течение XIX столетия и особеннов XX в. (очевидно, этатенденция 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 преувеличенияможно сказать, что именно современная физико-химическая биология как бы в единыйкомплекс объединила биологические дисциплины, которые ранее по объективному признакусчитались самостоятельными. Сказанное относится не только к экспериментальным наукам,развитие которых всецело определяется характером и уровнем используемых ими физико-химическихметодов. 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 накапливающаясобственный багаж знаний. Какую же роль в судьбе этих наук сыграла физико-химическаябиология?
Электронно-микроскопическая цитологиявоедино слилась с биохимией. Она “заговорила” на языке биохимии, а биохимияобрела 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 реальнаявозможность совместить субмикроскопическую и молекулярную системы клетки с функциямисоставляющих эти системы компонентов. Осуществилась давняя мечта биологов об объединениизнаний о структуре и функциях организма в целом. Прямым следствием этого оказалосьто, что традиционное разделение биологии на науки о строении — цитологию, гистологию,анатомию, морфологию — и науки, исследующие физиолого-биохимические процессы — физиологиюи биохимию — в значительной мере утратило свой первоначальный смысл.
Таким образом, в биологии второйполовины XX в. явственнообозначилась двойственная тенденция в ее развитии. С одной стороны, объективнаяи дисциплинарная специализация вследствие вычленения и конкретизации все новых объектов,требующих и особых подходов к их изучению. С другой стороны, происходит объективно-методическаяинтеграция биологических наук: проявляется тенденция к формированию как бы единогофронта наук, выявить границы между которыми становится все труднее” [1].
3.32 Взаимосвязь человека и природы
В наше время человеческая деятельностьвсе более активно вторгается в природу, создавая на поверхности Земли практическисовременно новую экологическую среду. Соответственно в экологии и географии всебольшее место занимают исследования, так или иначе связанные с анализом последствийдеятельности человека. Можно отметить направления, ориентированные на изучение культурныхландшафтов, антропогенных черт окружающей среды, результатов хозяйственной деятельностичеловека. На грани между биологией и физической географией возникла междисциплинарнаяобласть исследований — экология, изучающая динамику популяций и их приспособленностик среде, эффекты от воздействия человека на природу, процессы взаимодействия человекаи природы. Важнейшими для экологии понятиями стали введенные в тридцатых годах понятияэкосистемы (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 нимилежит в том оттенке, что в понятие биогеоценоза делается ударение на единстве организмовс их средой, в то время как “экосистема”, напротив, констатирует совместное наличиеорганизмов и среды; и еще в том, что Сукачев подчеркивает такой компонент среды,как почву.
Это отнюдь не случайно, посколькупочвоведение как наука о почве — поверхностном слое земной коры, несущемрастительный 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. Гедройцв 1910-х гг. создал новое междисциплинарное направление — коллоидную химию почви обнаружил в почвах “поглощающий”, или коллоидный комплекс, определяющий динамикупочвенных процессов. Благодаря этому открытию Гедройцу удалось создать эффективнуютеорию мелиорации почв.
Учения об экосистеме и биогеоценозесыграли важнейшую роль в построении концепций биосферы и ноосферы (см. ниже). Здесьже необходимо подчеркнуть наряду с огромным значением деятельности человека дляокружающей среды еще и другую сторону вопроса — неотъемлемость человека от природныхкорней его существования. В основе всех сложнейших видов человеческой деятельностилежат достижения эволюции, хотя конечно, сами эти виды деятельности далеко не сводятсяк своей биологической основе и не исчерпываются ею. Например, интеллектуальная деятельностьбыла бы невозможна без накапливаемых в течение жизни условных рефлексов; управлениемеханизмами, 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 этойнеразрывности природного и интеллектуального, знание современных естественнонаучныхконцепций 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 работыЧ. Лайелля (1797-1875), доказавшие однородность физических факторов, формировавшихповерхность Земли, сейчас и в отдаленные геологические эпохи. Это помогло решитьпродолжавшийся в течение XVIII — первой половины XIX в. спор “вулканистов” и “нептунистов”, выдвигавших на первыйплан соответственно факторы, связанные с деятельностью вулканов и с работой воды.В налаживании связи между геологическими и биологическими дисциплинами особую рольсыграл опубликованный в 1875 г. в Вене труд Э.Ф. Зюсса “Возникновение Альп”, гдевведено важнейшее понятие биосферы — оболочки Земли, являющейся областьюраспространения жизни и ареной деятельностью организмов. Благодаря этому получилазаконченный вид модель Земли как шара (или близкого к шару слегка сплюснутого “геоида”),в центре которого находится массивное ядро, а по периферии от него — сферическиеоболочки, “геосферы”: мантия, литосфера (она же земная кора — твердая, каменистаяоболочка Земли) и гидросфера — прерывистая водная оболочка (моря, океаны, озера,реки и т.д.). Очевидно, что биосфера охватывает часть гидросферы (кроме некоторыхглубоководных участков или водоемов, перенасыщенных солями) и самые нижние слоиатмосферы, 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 эффективноспособствовала приданию завершенности всей системе классического естествознания.
Появившиеся в результате обновленияв течение XX в. естественно-научныхпредставлений практически во всем их объеме, новые концепции природы и материи немогли не коснуться и области исследований строения Земли. Открытие П. Кюри и М.Склодовской в 1899-1903 гг. явления радиоактивного распада позволило разработатьметодику определения абсолютного возраста горных пород. Возраст Земли оказался равнымне нескольким десяткам миллионов лет, как полагали ранее, а, по крайней мере, двум-треммиллиардам лет. Начальные этапы истории Земли стало возможным связать с космогоническойэволюцией.
Была выявлена общность химическогосостава Земли и метеоритов. Изучена история земной атмосферы. Древнейшая атмосферабыла весьма разреженной и состояла в основном из паров воды и из углекислого газа,современная же атмосфера образовалась как вторичная, причем весь свободный кислородв ней возник как продукт фотосинтеза, а азот — в результате вулканических извержений.
Выяснена структура такого грозногои опасного явления, как землетрясение. Его очаг представляет собой разрыв в земнойкоре, на глубине в большинстве случаев 20-30 км. На основании “стандартной” модели Земли, в основе которой лежат рассмотренные нами представления о земной коре, мантиии ядре, разработан метод определения очагов землетрясения — “сейсмический годограф
3.34 Учение Вернадского о биосфере и ноосфере
Важнейшим достижением в областинаук о Земле в XX в. — достижением, которое в значительной мере относится и к биологическим, гуманитарными техническим наукам, объединяя их в единое целое — было создание В.И. Вернадским(1863-1945) учения, глубоко укоренившегося в традициях русского естественнонаучногои философского мышления. Непосредственно же Вернадский исходил из концепций своегоучителя, В.В. Докучаева (1846-1903), которые на основе своих исследований строенияпочв значительно углубил существовавшее и ранее учение о зональной структуре биосферыи области человеческого обитания на Земле (ойкумены), стал разрабатывать новые глобальныеобобщения, получившие с двадцатых годов мировое признание. Прежде всего, Вернадскийуглубил учение Зюсса о биосфере, показав, что ее компоненты — атмосферный, гидросферныйи 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 планетарнуюфункцию живого вещества, о которой мы отчасти уже говорили, упомянув, что весь свободныйкислород земной атмосферы является результатом деятельности зеленых растений. Нотакже и горючие сланцы, нефти, угли, вообще каустобиолиты — горючие ископаемыеорганического происхождения — созданы живым веществом планеты. То же в значительноймере верно о известняках, глинах и таких продуктах их метаморфоза, как мраморы играниты. К современной биосфере они не относятся, но составляют реликтовую “областьбылых биосфер”.
Учение о биосфере связываетсяс конкретно-биологическими исследованиями через уже рассмотренные нами понятия экосистемыи биогеоценоза, которые можно рассматривать как “ячейки” или элементарные структурыбиосферы, как ее составляющие. Почва составляет неотъемлемую часть этих структур,источник их продуктивности, а следовательно и один из важнейших компонентов биосферыв целом. Огромное значение имеет вставшая перед человечеством в особенности именнов XX веке задача сохранитьбиологические ресурсы биосферы, нейтрализовать вредные последствия техногенных иантропогенных воздействий на нее. Биосфера устойчива благодаря многообразию своихживых компонентов (организмов, видов). Сознательно или несознательно снижая эторазнообразие, человек подрывает основы своего биологического существования. Вернадскийотчетливо видел это и считал, что одна из задач науки — предотвратить опасности,угрожающие биосфере.
3.35 Понятие ноосферы
При этом Вернадский пошел ещедальше и, опираясь на усовершенствованное им учение и биосфере, выдвинул концепциюеще одной оболочки Земли, ноосферы, сферы взаимодействия человека и биосферы(опосредованно также — природы в целом), для которой (для ноосферы как последнейпо времени формирования земной оболочки) определяющим факторов является человеческаядеятельность.
Особенно важным при этом являетсятехнизованный и общественный характер этой деятельности. При рациональном подходеноосфера, постепенно охватывая и пронизывая биосферу, не уничтожит ее богатств,поскольку человек как главный системообразующий фактор носсферы может и должен прилагатьвсе усилия к их сохранению и (в том, что касается возобновимых, т.е. биологическихресурсов) приумножению, а также проводить мероприятия по охране природы, включаясоздание биосферных заповедников.
3.36 Неизбежность перехода биосферы в ноосферу
Чтобы уяснить себе соотношениебиосферы и ноосферы, надо иметь в виду, что последняя по времени охватывает лишьничтожный отрезок времени сравнительно с миллиардами лет существования биосферы;и тем не менее за этот малый отрезок, в особенности (если иметь в виду наиболееинтенсивное развитие ноосферы) за XX век и даже меньше — за период существования того, что науковедыназывают “большой наукой”, т.е. за последние полвека — ноосфера по порядку величинысвоих планетарных воздействий практически сравнялась с биосферой. Из космоса можнотеперь наблюдать Землю как мощную радиоизлучающую звезду — благодаря радиостанциями другим источникам техногенных излучений. Ноосфера является, с одной стороны, принципиальноновым состоянием и завершающей стадией развития биосферы; но с другой стороны, онаособая оболочка, поскольку пока еще не вся биосфера переходит в ноосферу. Со временемположение измениться и в конечном счете вся биосфера неизбежно перейдет в ноосферу.
Далее, ноосфера (буквальное значениеэтого греческого слова — “сфера ума”) есть плод дискретных человеческих интеллектов.Она не является в полном смысле — как, например, атмосфера — сплошной, но, тем неменее она достаточно непрерывна, чтобы можно было с основанием считать ее еще одной,пятой (наряду с литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой) оболочкойЗемли или геосферой. Ведь в нее входят не только люди, но и все результаты их деятельностии влияния. Со всеми присущими другим оболочкам энергиями ноосфера сопоставима помощности своего воздействия на природу. Благодаря космическим полетам ноосфера ужесейчас не только идеальным образом, через познание (зрение, телескопы) выходит заземные пределы, но и вполне материально — через космические зонды и другие аппараты- соприкасается с космосом, продолжая и развивая космическую функцию, присущую ужебиосфере (зеленые растения как источник кислородного компонента атмосфера). Опытыпо созданию искусственной пищи могут, в конечном счете, превратить человечествов автотрофную систему, что будет представлять собой прорыв и новацию по отношениюко всем имевшимся в течение миллиардов лет существования Вселенной формам использованияэнергии.
Параллельно с вариантом Вернадского,другие трактовки концепции ноосферы предложили во Франции Э. Леруа (1870-1954) иП. Тейяр де Шарден (1881-1955). Из них более разработан в естественнонаучном планевариант Тейяра, рассматривавшего эволюцию Вселенной как цепь стадий усложнения единойсубстанции — “ткани Универизма”, в свою очередь являющейся модификацией особоговида энергии — “радиальной энергии”, которая служит воплощением вечного стремленияк процессу.
Завершение этого стремления — “феномен человека”, собственно и выражающийся в создании ноосферы, которую Тейярпонимает в общем так же, как Вернадский, но больше подчеркивает идеальный характерэтой оболочки и духовный фактор технического прогресса. В работах Тейяра много недоконченного,неясного, требующего доработки; вместе с тем его идеи предвосхитили некоторые важнейшиеконцепции и подходы современного и быть может, даже будущего естествознания: тенденциюк синтезу естественнонаучного и гуманитарного подхода, видение прогресса как неотъемлемогопринципа природы, понимание того, что в биологическом и геологическом познании также, как в физическом, наблюдатель не может быть “осмыслен”: ноосфера в одинаковоймере выступает и как субъект, и как объект исследования.3.37 Рациональное использование природных ресурсов иохрана биосферы
Как уже было сказано, охрана природыявляется одной из прикладных областей современной биологии; здесь можно добавить:также и физических, химических и технических наук, наук о Земле и (поскольку дляэффективной охраны природы нужно воспитание людей в соответствующем духе) гуманитарныхнаук.
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 совершеннонепривычную, часто губительную среду обитания является парниковый эффект, вызванныйувеличением содержания в атмосфере таких компонентов, как СО, СО2 и СН4.Приведем только одно возможное последствие парникового эффекта: подъем уровня морявсего 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 ультрафиолетовогоизлучения 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 орошаемыхтерриторий уже вызвало гибель многих водоемов, в том числе таких крупных, как Аральскоеморе. Истребление лесов ведет к размыванию почвы и к загрязнению внутренних водоемов,в конечном счете, и мирового океана.
Рациональное использование природныхресурсов и охрана биосферы представляют собой две стороны единой задачи, стоящейсейчас 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 вследствиепарникового эффекта. Сельскохозяйственное использование ресурсов по крайней мереоставляет открытый путь для их возобновления, в то время как добыча каустобиолитов,металлов и т.д. истощает их запасы. Только рациональная система природопользованияможет спасти человека от опасности загрязнения среды и истощения ее ресурсов. Вэту систему входит создание широкой сети охраняемых территорий всех рангов, внедрениедавно уже разработанных технологий переработки отходов и создание новых, правоваярегуляция охраны среды и природопользования. Природа Земли — наше невозместимоеничем достояние, и все страны, все человечество должны объединиться для решениятруднейшей задачи сохранения и оптимального использования этого достояния.
Задачами рационального использованияприродных ресурсов является овладение экологически чистыми источниками энергии(ветром, геотермальными водами, солнечной энергией и т.д.), ограничение вредныхвыбросов, 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 удаетсясохранить путем создания заповедников и заказников. Но пожалуй, наиболее общей иэффективной мерой в области охраны природы является воспитание у людей экологическогосознания, 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 классическоймеханики и математической логичными моделями расчетов, не обращая внимания на якобынезначительные вопросы, не подчиняющиеся расчетам. Но как ограниченные возможностиэкономики заставили экономить на значительных научно-технических проектах, вынудивс помощью системного подхода виртуально проигрывать большое число вариантов решенийбез их натурной реализации, так и возможности ограниченные прежних подходов к моделированиюхаотических процессов заставили искать новые средства для их описания. Активноеизучение подобных процессов, насчитывающее около двух десятилетий, осуществляетсяв рамках новой дисциплины, называемой нелинейной динамикой.
Достижения в этой средепозволяют говорить о возможности управления сложными системами. «Эффект бабочки»из рассказа Рея Брэдбери «И грянул гром» подводит к идее о возможностинаправления развития целого государства «по другой траектории» одним телефоннымзвонком. Эти же достижения помимо необычайных возможностей в компьютерной графике,в создании искусственного интеллекта, в более достоверном описании законов рынкав экономике, привели к созданию целой индустрии прогноза, Модели, созданные на основенелинейной 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 безопасностьСША.
Кроме того, при изучениихаотических процессов было выявлено явление их равновесия при определенных условия,т.е. при этих условиях происходит самоорганизация системы. Изучением таких системзанимается синергетика. Возможности синергетики помимо предсказания условий наступлениясостояний равновесия в хаотических системах открывает необычайные перспективы поэффективному сжатию и хранению огромных массивов информации.
4. Развитие системного подхода в технике
Инженернаядеятельность занимает одно из центральных мест в современной культуре. Ведь все, что нас сегодня окружает, — небоскребы и автомобили, вычислительныеустройства 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 иантичности
Что означает слово«техника»? Как и когда возникло слово «инженер» и сама инженернаядеятельность как профессия? Чем отличаются техническая и инженерная деятельности?
Слово «техника»(греч. и лат. tehne — искусство, мастерство) имеет несколькозначений. Оно может быть истолковано как мастерство, умение, сноровка, т.е. каксистема определенных навыков, выработанная для любого применения. В боле узком смыслетехникой называют орудия труда, с помощью которых человек оказывает воздействиена природу (изготовление разнообразных предметов, процессов и явлений). Техникарассматривается как специфическая человеческая деятельность — техническая деятельность, посредствомкоторой 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, технологическиеи другие подобные знания, выработанные в ходе технической практики (технологии).Современная техника тесно связана с наукой.
Родственным слову«техника» считается слово «инженер». Оно произошло от латинскогокорня 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 применялоськ умельцу, создателю машин, а «машина» — к ухищрению.
Крупнейшим естествоиспытателемдревнего мира был тесно связанный с александрийской наукой Архимед (287-212 до н.э.).Он заложил основы механики, открыл законы рычага и определив силу, действующую натело, погруженное в жидкость. Своим открытием Архимед положил начало статике жидкостей.В своих механических и математических работах Архимед примыкал к александрийскойшколе, в частности к работам Эрапосфена; ряд идей и методов Архимеда позволяют считатьего предшественником математического анализа; в частности, Архимед впервые исследовалбесконечные ряды. Из результатов своих работ он наиболее ценил свои геометрическиедостижения: открытие методов вычисления объема шара и цилиндра, площади поверхностиконуса и шара. Он же был первым, кто регулярно стал применять физические закономерностик построению машин и вообще в области техники в особенности военной. Архимед погибпри защите своего родного города Сиракуз от осадивших его римлян.
Галилей первым экспериментальнопоказал, что воздух — тело, имеющее тяжесть, и вычислил его удельный вес. Его опытыпо механике тел животных поставили на количественную основу гениальные догадки Леонардо.Экспериментами по определению прочности веществ Галилей заложил начало сопротивлениюматериалов как дисциплине.
Инженерная деятельностьвначале носила военный характер, т.к. инженер руководил созданием военных машини фортификационных сооружений. Таким инженером был, например, Леонардо да Винчи.До этого времени инженер и архитектор практически не различались — это тот, кто руководит созданием сложныхискусственных сооружений.
В XIX в. с развитием машинного производствапоявились многочисленные инженеры-механики. Данное событие можно назвать ключевымв формировании понятия «инженер» в современном смысле. В ХХ в. инженерияразделилась на множество групп и подгрупп: физическая (электрическая, оптическая,механическая и т.д.), химическая, биохимическая инженерия, информационная и вычислительнаятехника представляют собой лишь некоторые ее разделы. Но они имеют характерную черту:инженер — это не тот, кто действительно делаетискусственный объект, а тот, кто управляет процессом его создания, планирует илипроектирует сложную техническую систему.
Следует различать инженернуюи техническую деятельность. Современная техническая деятельность по отношению кинженерной несет на себе исполнительную функцию, направленную на непосредственнуюреализацию в производственной практике инженерных идей, проектов и планов. Инженернаядеятельность выделилась на определенном этапе развития общества из технической деятельности,которая присуща человеческому обществу на самых ранних его стадиях и связана с изготовлениеморудий труда. Она возникает тогда, когда изготовление орудий уже не может основыватьсятолько на традиции, ловкости рук, смекалке, а требует ориентации на науку, целенаправленноеиспользование для этого научных знаний и методов. Теперь именно инженерная деятельностьзанимает промежуточное место между исполнительской технической деятельностью и наукой.
Предыстория инженернойдеятельности разворачивается в недрах технической деятельности длительного периодаремесленного творчества (первобытного, античного рабовладельческого, средневековогофеодального обществ). Но только в условиях раннего капиталистического общества создаютсяусловия для того, чтобы она постепенно стала особой профессией, имеющую ориентациюна научную картину мира и целенаправленное применение в технической практике научныхзнаний.
В древности не былосознательной ориентации техников на науку вплоть до эпохи Возрождения. Современнаякультура, начиная с эпохи Возрождения, ориентирована на создание, изобретение нового,на научно-технический прогресс. Древние культуры были каноническими, ориентированнымина освещенную веками традицию, поэтому в те далекие времена не могло быть изобретателейв 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 вавилонянможно найти зачатки дифференциального исчисления, а в древнем Египте — инженеров. Знания вавилонян об окружающемих мире были созданы практической необходимостью. Многие из этих знаний так и осталисьв области чистой практики и передавались из поколения к поколению только устно(например, как большинство ремесленных приемов, навыков и рецептов). Нет данныхо том, что древние строители занимались техническими расчетами, если не считатьприходно-расходных расчетов, требовавших преимущественно знания арифметики и некоторыхэлементом геометрии. И хотя человечество до сих пор удивляется красоте и грандиозностиегипетских пирамид, вряд ли можно назвать создателя первой из них инженером в современномсмысле этого слова. Свидетельством этому может служить, например, диалог между двумяписцами Хори и Аменемоном, сохранившийся в древних египетских папирусах (XIII в. до н.э.). Хори упрекает Аменемона внедостаточной компетенции, и эти упреки служат яркой иллюстрацией того, что именнотребуется от “ученого” писца: Аменемон, оказывается, не умеет вычислить необходимоеколичество пайков для отряда войска, вычислить размеры и количество строительныхматериалов для возведения строительной насыпи, составить расчеты для установки каменногоколоса и т.д. * Все это такие сведения, которые необходимыв повседневной практической деятельности. Сама же практика была эмпирична, опираласьна традиции, умение, догадку.
Научное познание в этотпериод отождествлялось с созерцанием природы, всматриванием, вслушиванием в нее.Подлинная цель науки виделась в усмотрении истины в природе, а всякое практическоедействие 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 являетсяистина, а целью практического — дело»*. Именно в античной культуре были впервыесформулированы ценность и реальность чистой науки. Получение «знания ради знания»рассматривалось как высшая форма человеческой деятельности. «Из наук считаетсямудростью та, которая избирается ради нее самой и в целях познания, а не та, котораяпривлекает из-за ее последствий» (Аристотель) *. Так сложилось противоречие теории и практики.
Однако это вовсе незначит, что античная философия и наука никак не были связаны с практическими нуждамиобщества. Так, Сократ, будучи сыном скульптора, имел также некоторое количествообще признанных работ в этой области. Философ Анаксимандр создал солнечные часыс устройством указывающим равноденствие и солнцестояние. Платону приписывают изобретениеводяного будильника, который собирал ранним утром учеников академии на лекции изанятия. Даже в биографии первого древнегреческого философа Фалеса, одного из мудрецов,деятельность которого Платон и Аристотель ставили как образец «созерцательнойжизни», имеется интересный факт. По свидетельству Диогена Лаэртского, желаяпоказать силу знания, он однажды в предвидении большого урожая оливок снял в наемвсе маслодавильни и этим нажил много денег. А перевод войск Креза через реку Галис(при соответствии этого действительности) говорит о высокой квалификации Фалесав чисто инженерных вопросах.
Так были ли в античностиинженеры в том смысле слова, в котором оно понимается сегодня? Этот вопрос лучшевсего рассмотреть на примере всем известного древнегреческого механика и геометраАрхимеда.
Архимеда соотечественникисчитали отрешенным от земных проблем геометром-мудрецом. Решая математическую задачку,он даже не заметил, как римляне ворвались в его родной город Сиракузы, и был убитримским воином, несмотря на просьбу дать ему возможность дорешать геометрическуюзадачу. В своих трудах Плутарх писал о нем: «Архимед был человеком такого возвышенногообраза мыслей, такой глубины души и богатства познаний, что в вещах доставившихему славу ума не смертного, а божественного, не пожелал написать ни чего, но, считаясооружение машин и вообще всякое искусство, сопричастное повседневным нуждам, низменными грубым, все свое рвение обратил на такие занятия, в которых красота и совершенствопребывают не смешанными с потребностями жизни. … И нельзя не верить рассказам, будтоон был тайно очарован некой сиреной, не покидавшей его ни на миг, а потому забывало 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 собственномтеле проводил пальцем какие-то линии — поистине вдохновленный музами, весь во власти великого наслаждения».**
Такое представлениене совсем соответствует действительности. Архимед начал свою деятельность как механики закончил ее как механик, ведь даже в его математических произведениях механикаявляется важным средством решения математических задач. К ранним механическим работамАрхимеда относится создание механической модели «небесной сферы», в которойпри помощи вращательного движения водяного двигателя, получались различные вращениянебесных светил. На ней также демонстрировались солнечные и лунные затмения. Егозаслугой также является усовершенствование машины для поливки полей, более известнойсейчас под названием «винт Архимеда», при помощи которой можно было выкачиватьиз реки большие объемы воды с малой затратой сил.
Иногда удивительныедостижения Архимеда в практической области подвергаются сомнению. Например, сообщениядревних авторов о том, как он один с помощью механических приспособлений (системыблоков) сдвинул с места полностью груженый корабль, или легенда о сожжении им неприятельскогофлота с помощь зеркал.
Как и другие античныефилософы и механики он следовал в своей деятельности идеалу построения научногознания. Работа Архимеда «О плавающих телах» построена строго в соответствиис научными нормами: выдвигаются аксиомы, на основе которых доказываются теоремы,при доказательстве которых используется знание предыдущих теорем. В этой работене приведены описания практических моделей, наблюдений или опытов. Тем не менее,Архимед использовал практические знания о реальных жидкостях и телах, осуществляяв некотором смысле действия схожие с постановкой современного опыта. Так широкоизвестен ставший классикой случай с золотой короной царя Гиерона, когда великогогеометра попросили определить количество золота, ушедшего на ее изготовление.
Архимед строго различаетдоказательство определенного положения, проведенное математически (теоретическоеобоснование), и практическое усмотрение того же положения с помощью механическихсредств. По его собственному мнению, изучение при помощи механического метода«еще не является доказательством: однако получить при помощи этого метода некотороепредварительное представление об исследуемом, а затем и найти само доказательствогораздо удобнее, чем производить изыскания, ничего не зная». Таким образом,механический метод рассматривается Архимедом как вспомогательное средство для решениянекоторых математических задач, но строгих доказательств этот метод дать не можети поэтому выносится им за пределы всякой науки.
Фактически сформулированноеАрхимедом основное уравнение плавучести нашло практическое применение только в XVII в. Тогда (в 1666 г.) английский корабельный инженер А. Дин «предсказал» углубление корабля до спуска егона воду. Он был настолько уверен в своей правоте, что приказал еще на стапеле вырезатьво внешней обшивке корпуса отверстия пушечных портов, которые после спуска корабляна воду возвышались над ее поверхностью на расстоянии, которое было заранее вычисленостроителем.
Как видно на примереАрхимеда, в период античности можно говорить лишь об отдельных «образцах»инженерной деятельности. Архимеда нельзя назвать инженером в современном смыслеэтого слова.
Сегодня кажется обычнымтребовать от науки прикладных результатов. Да и сама современная наука без техническойпрактики просто не мыслима. Однако такое соотношение науки и практики существовалоне всегда. В период античности, даже если полученные в результате ремесленной практике,использовались в науке, то они подвергались переработке и систематизировались всоответствии с идеалами теоретического знания.
Прикладные исследования,направленные на специальное исследование техники, по существу, отсутствовали, каки многочисленные сегодня технические науки. В них тогда просто не было необходимости.Кроме того, рабский труд не способствовал развитию техники и целенаправленному приложениюк ней техники. Свободный же ремесленник более был заинтересован в высоком качествепроизводимой им продукции. В античности ремесленное производство — это прежде всего художественное производство.Оно не ориентировалось на науку, хотя и использовало научные знания. Различные механическиеизобретения служили лишь демонстрацией мощи научного знания. Но повсеместного примененияв ремесленном производстве они не находили. Поэтому и не возникла в тот период профессиональнаяинженерная деятельность, без которой немыслим современный инженер, а сами изобретениязачастую служили лишь украшением частных библиотек.
4.2 Техническая деятельность в Европе Х-XII в.
В это время в Европезарождаются одни из первых профессиональных ремесленных структур — цехи. В момент своего зарождения цехибыли прогрессивны. Они формировались как корпорации свободных ремесленников, занимающихсяодним и тем же ремеслом. Каждый цех имел свой статут, в котором строго регламентировалитип и качество используемого материала, вид приспособлений и орудий труда, количествои качество выпускаемых изделий, поведение его членов и многое другое. При этом велсястрогий надзор за выполнением предписаний этих статутов. Обычно статут начиналсяпримерно так: «Тот кто хочет и знает ремесло может стать мастером с условиемтого, чтобы он работал согласно обычаям цеха, которые таковы: …». Далее следовалряд 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 развитиитехнической деятельности и ремесленного производства. Жесткая регламентация ремесленнойтехнической деятельности, слабая специализация ремесел внутри цехов, ограниченностьрынков сбыта, отсутствие стимулов, заставляющих удешевлять и увеличивать выпускизделий, не заинтересованность в развитии технической базы определяли тогда отношениек технике. Боясь конкуренции, цехи были противниками всяких новшеств и изобретений,которые воспринимались ими как нечто «отвратительное» и нарушающее ихпривилегии. Выдвигались даже запреты на использование не только самих изобретений,но и изделий изготовленных с их помощью, а изобретателей преследовали. В конце среднихвеков цеховая организация промышленности приходит в противоречия с новыми потребностямипроизводства, рассчитанного на широкий рынок. Однако, не смотря на все это, у средневековыхремесленников были качества, которых часто не достает современному инженеру — озабоченность нуждами потребителя, ориентацияне на усредненного, а на конкретного потребителя, стремление держать высокую маркуцеха.
4.3 Становление инженерной деятельности
Становление инженернойдеятельности было связано с развитием высших технических школ, которые начинаютцеленаправленную научную подготовку инженеров. В них проводятся и первые научно-техническиеисследования. С необходимостью систематизации научного материала, нужного для подготовкиинженеров, связано и возникновение первых технических наук. К концу XIX в. научнаяподготовка инженеров, их специальное, именно высшее образование, становитсянастоятельной необходимостью. Поэтому к этому времени многие ремесленные, средниетехнические училища преобразуются в высшие учебные заведения, где наряду с практическимипредметами основное место начинают занимать самые различные науки, хотя на практикеэти науки и применяются первоначально весьма редко и инженеры работают пока часто,как и раньше, «на глазок». Но уже когда начинает ощущаться недостаточностьосновательной теоретической научной базы инженеров. В то же время образование инженеровдолжно было сочетаться с их практической подготовкой. К концу IХ началу XX в. наукавсе более проникает в инженерную практику и инженерное образование. Эти две тенденции- ориентация на практику и на науку — характерны и сегодня для высших техническихшкол. С точки зрения первой ориентации, инженерная деятельность рассматриваетсякак 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, техническаянаука как порождение науки, как результат приложения науки к технической практике.В соответствии с этими тенденциями реализуются и различные идеалы и нормы инженернойдеятельности и инженерного образования: поощрение преимущественно изобретательско-проектнойфункции инженера, восходящей к художникам-архитекторам и ремесленникам-механикамэпохи Возрождения, или познавательски-исследовательской, расчетной, научной, восходящейк ученым-экспериментаторам Нового времени. В течение всего периода становления классическойинженерной деятельности эти две тенденции конкурируют и поочередно возобладают какв сфере практической инженерной деятельности, так и в сфере инженерного образования.
Технический стиль мышленияблизок художественному, поскольку оба они связаны с очеловечиванием природы. В эпохуВозрождения эта связь получает новое выражение в деятельности великих мастеров тоговремени. И хотя у них уже намечается четкая ориентация на науку, все же преобладающимявляется художественный стиль мышления. Мифологическая картина мира средневековогоремесленника в эпоху Возрождения сменяется художественной картиной реальности, стремлениемк научному познанию окружающего человека мира [2, с.57]. В отличии от научного итехнического мышления основной функцией художественного является культурная — проблема ценностей и идеалов выражающихзамысел и пути развития мира по законам красоты. В свою очередь инженерное мышлениенесет в себе черты как практического технического мышления предшествующих эпох,переработанного художниками-архитекторами Возрождения в новый художественно-научно-техническийстиль, так и теоретического мышления архимедово-галилеевской времени.
С художественным мышлениемсближает широкое использование им графических средств для выражения своих идей.Язык черчения — язык богатый своимивозможностями и международный. Чертеж для инженера — это не только средство общения с исполнителямии коллегами, это идеализированная, но в тоже время поставленная в четкое соответствиес практикой, плоскость выражения его мысли. Именно по этому инженеры предпочитаютчертить схемы, а не писать формулы или текст. В отличие от художника это графическоепространство служит инженеру не для художественного отображения окружающего мирас целью вызвать эстетическое наслаждение, а для детализации и конкретизации инженернойидеи в развернутую схему, научного обоснования и математического расчета этой схемы,чтобы впоследствии можно было выполнить рабочие чертежи — предписания мастерам и рабочим к реализацииего замыслов [2, с.58]. В современных технических школах студенты в процессе обучениязначительную часть своего времени уделяют черчению, где усваивают этот графическийязык.
Средневековые ремесленникии архитекторы тоже могли пользоваться и действительно пользовались чертежами и математическимипропорциями, но они выполняли тогда иную функцию. Между языками ремесла и современногопроектирования, в структуру которого действительно входит наука, есть принципиальнаяразница. Пропорция для античного и средневекового мастера была не научным или дажене эстетическим средством, а живой методикой делания вещи, начиная с выбора материала,всей технологической последовательности выполнения работ и кончая определением строявещи в целом и каждой ее части. Когда современный архитектор, желая придать фасадуздания эстетичый вид, расчерчивает его по так называемому «золотому сечению»,то это совсем иной научно-рациональный подход, чем это было в прошлом. Не следуетзабывать, что сегодня техническое черчение — это воплощенная наука, применение начертательнойи проективной геометрии к решению практических задач машиностроения, строительстваи т.д. Одним из создателей этого графического языка инженеров был французский инженери ученый Гаспар Монж.
Монж был математикоми инженером одновременно. Он одним из первых понял и создал строго научную, математическиточную систему графических изображений для нужд техники. В этом смысле он был продолжателемучения о перспективе художников-инженеров эпохи Возрождения. Но Монж пошел дальшеих, сделав язык чертежа, с одной стороны, более строгим и научным, а с другой — пригодным для решения практических инженерныхзадач [3, с.103]. Очень скоро техническое черчение стало центральным пунктом инженерногообразования, графическим языком инженеров. В других отраслях техники и техническойнауки также сложились свои особые графические средства для выражения инженерныхидей, хотя и не всегда тесно связанные с геометрией, как, например, электрическиесхемы в электротехнике и радиотехнике.
Таким образом, на протяжениивеков сформировались три особенности инженерного мышления — художественная, техническая (практическая)и научная. И хотя инженеры более охотно рисуют чертежи и схемы, а ученые пишут формулыи 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 повседневныйобиход рядового инженера. В XVIII в. галилееваэкспериментальная 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 начинаетсялишь с развитием машинного производства.
4.4 Инженерная деятельность в эпоху машинного производства
Со становлением машинногопроизводства происходит дифференциация инженерной деятельности, которая на первыхэтапах включает в себя лишь изобретательство, конструирование и технологию производства.С возникновением технических наук к ним добавляются еще инженерные исследованияи проектирование.
Приемы работы конструкторав зависимости от каждого конкретного случая, но они не выходят за пределы конструктивныхвариантов и представляют собой применение известных, уже выработанных искусственныхприемов и простых стандартных расчетов. Поэтому его задача заключается в том, чтобыпроизвести такое видоизменение, чтобы получилась лишь новая конструкция, а не новоеизобретение. Прогресс в технике как раз и заключается в том, что нововведение усваиваетсяи переходит из разряда изобретений в разряд конструкций. Конструкторская деятельностьстановится особенно необходимой с развитием серийного и массового производства техническихизделий. Проектирование же занимает промежуточное положение между изобретением иконструированием и более тесно связано с научной деятельностью.
Полный цикл инженернойдеятельности включает изобретательство, конструирование, проектирование, инженерноеисследование, 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 наосновании научных знаний и технических достижений заново создаются новые принципыдействия, способы реализации этих принципов или конструкции инженерных устройстви систем или же их отдельных компонентов. Сложности в изготовлении, конструированиии техническом обслуживании существующих технических систем, а также необходимостьсоздавать принципиально новые инженерные устройства и системы стимулируют производствоособого продукта — изобретений, авторство на которые закрепляется в виде патентов.Они имеют широкую сферу применения, выходящую за пределы единичного акта инженернойдеятельности, и используются при конструировании и изготовлении новых техническихсистем или усовершенствовании старого оборудования.
Вот как, например, всвоих записках характеризует суть такой деятельности академик Борис Николаевич Юрьев,разработчик и исследователь вертолетной техники: «Основные этапы изобретательскойработы. Изобретения возникают лишь в результате долгой и систематической работы.Вдохновение, озарение и т.п. приходят лишь тогда, когда для них уже создан солидныйфундамент.
Обычно работа по изобретательствусостоит из следующих четырех этапов:
1. Четкая постановказадачи. Правильно поставить задачу — это часто означает решить ее наполовину.
2. Анализ задачи. Разложениеее на составляющие элементы. Теория. Часть элементов окажется известной. Неизвестноевстает 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 мнениюБ.Н. Юрьева, — это открытие новыхметодов использования явлений природы для удовлетворения нужд человека, его потребностейнаиболее 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 практическимцелям. Списки не использованных еще явлений природы.
2. От применения (задания)к явлению. Наметив практическую задачу, пытаться решить, подбирая подходящие физическиеявления. Списки неудовлетворенных технических потребностей или удовлетворенных,но плохо.
3. Подражание природе.
4. Дикие фантазии споследующим отбором. Неожиданные решения, делание наоборот. Рассуждения по аналогии.
5. Научные исследованиявопроса и нахождение оптимальных величин (максимума, минимума, экстремума, вариационныезадачи и т.д.). Сначала — переводзадания на математический язык. Анализ формул. Практические выводы.
6. Комбинирование известногодля получения нового эффекта»*
Весьма показательнымв плане систематики труда изобретателя является алгоритм решения изобретательскихзадач, предложенный Альтшуллером в 60-х годах прошлого века.
Конструирование.Инженерная деятельностьнаправлена на создание нового, а не на слепое копирование имеющихся образцов, какэто было свойственно ремесленной практике. Однако только сформулировать идею ещенедостаточно. Идея изобретателя, даже воплощенная в виде опытного образца, требуетработы целой армии конструкторов, меняющих детали и их расположение, упрощающихконструкцию и т.д. Результатом конструкторской деятельности является готовая конструкциятехнического устройства или системы, материализуемая затем в процессе изготовления.Эта конструкция, как правило, состоит из определенным образом связанных стандартныхэлементов, выпускаемых промышленностью. Если каких-либо элементов не достает илиих параметры не соответствуют требованиям конструктора, они изобретаются и проектируютсязаново. Для целей массового производства и варьирования технических характеристикпо требованию заказчиков на этой стадии проводятся дополнительные инженерные расчетыи учет ряда таких требований, как простота и экономичность изготовления, удобствоиспользования, соблюдение определенных габаритов и возможность применения стандартныхили уже имеющихся конструктивных элементов. Конструктор рассчитывает конкретныеконструктивно-технические характеристики создаваемого устройства, учитывающие специфическиеусловия его изготовления на данном производстве. Конструктор создает новые типымашин, имеющие общее устройство, но различающиеся характером отдельных деталей,их расположением, материалом и другими конструктивными особенностями.
Конструкторская деятельностьстановится необходимой именно с развитием серийного и массового машинного производстватехнических изделий и заключается в создании, испытании и отработке опытных образцовразличных вариантов будущего инженерного объекта, выборе из них наиболее оптимальногос точки зрения заказчика варианта и разработке технической документации — руководства для изготовления его на производстве[3, с.107]. За конструктором остается расчет конструктивно-технических и технологическихпараметров технического устройства, разработка же технологии изготовления — задача уже другого специалиста — инженера-технолога. Однако это не снимаетс конструктора ответственности за создание технологичной конструкции. Конструктордолжен быть хорошо знаком со всеми процессами изготовления и обработки проектируемыхмашин, сооружений или вообще всяких изделий. Без такого знакомства он может сконструироватьдетали, которые вообще невозможно изготовить или обработать либо которые окажутсянеудобными, дорогими и чрезмерно долгими в изготовлении.
Технология и организацияпроизводства. В результатеконструирования рождается чертеж готовой технической машины или системы, которыйявляется посредником для передачи идеи изобретателя и описания конструкции, разработаннойинженером-конструктором, не только исполнителю-рабочему, но и инженеру-технологу,который руководит изготовлением деталей и их сборкой. Исходным материалом этоговида инженерной деятельности являются материальные ресурсы, из которых создаетсяизделие, а продуктом — готовоетехнически устройство и руководство к его эксплуатации. Функция инженера в данномслучае заключается в организации производства конкретной типа изделия с требуемымкачеством и разработка технологии изготовления определений конструкции этого изделия,а также, если это необходимо, орудий машин для его изготовления или отдельных егочастей. Разработка и усовершенствование новой технологии в той или иной отраслипромышленности связана сегодня с научными исследованиями, например новых материалов,и созданием нового наукоемкого технологического оборудования.
Часто крупные инженерысочетают в одном лице и изобретателя и конструктора, и технолога, выполняя функцииорганизатора производства какого-либо типа изделий промышленности. Однако современноеразделение труда в сфере инженерной деятельности неизбежно ведет к специализацииинженеров, работающих в научной следовательских институтах, конструкторских бюро,на заводах и фабриках преимущественно либо в области инженерного исследований либоконструирования, либо организации производства и технологи изготовления определенноготипа технических систем. Такого рода разделение труда наметилось уже на первых заводах,хотя первые их создатели и руководители совмещали в своей деятельности почти всеэти позиции одновременно. Однако в конце XIX в. наних уже действовал болеечеткий принцип разделения инженерного труда, выделяются в самостоятельные подразделениятехническая дирекция, конструкторское бюро, мастерские и технический надзор за исполнениемзаказов. Инженер в мастерских уженичего не изготавливает сам, как нередкослучалось 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 безтщательного научно-технического исследования.
Эксплуатация, оценкафункционирования и ликвидация. В настоящее время в сферу инженерной деятельности попадает и эксплуатациятехнических 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 особенносложной инженерной задачей становится утилизация и ликвидация отработавших техническихустройств и их компонентов, которая может составлять предмет особого научного исследования.Уже на стадии разработки новой технической системы должны быть сформулированы требованияк материалам и компонентам, входящим в ее состав, с точки зрения возможности ихутилизации с минимальным ущербом для окружающей среды и здоровья людей. Это относитсяне только к атомным реакторам и к новейшим вычислительным комплексам, утилизациякоторых обходится весьма дорого и требует специальных инженерных и научных разработоки даже создания особых устройств для их утилизации, но и к таким, казалось бы, простымпобочным продуктам технической деятельности, как упаковка отдельных компонентовили устройства в целом. Для переработки всего этого также разрабатываются достаточносложные технические комплексы, такие, например, как печи для сжигания мусора илиочистные сооружения для очистки промышленных вод, бывших в употреблении. Научныеисследования и инженерные разработки в этой области финансируются в настоящее времяво все большем объеме в промышленно развитых странах. Утилизация отходов атомнойэнергетики требует создания не только специальных наукоемких и дорогостоящих производств,но и специальных транспортных средств, контейнеров и хранилищ для них, представляющихсобой вершину науки и инженерного искусства.
Таким образом, развитаяинженерная деятельность включает в себя целый набор различных специализаций и видовдеятельности, которые и сами составляют сложную систему, требующую исследованияи организации. Организация инженерной деятельности сама становится одним из важныхвидов инженерной деятельности.
Инженерные исследованияи проектирование. Развитиеинженерной деятельности привело к необходимости выделения в ней слоя собственныхисследований, которые получили название инженерных, или научно-технических, гдедоводится до практически применимого уровня полученные в науке результаты, происходитобобщение, систематизация выработанных в ходе инженерной деятельности знаний. Частоимеющихся научных разработок недостаточно и в ходе решения той или иной конкретнойинженерной задачи возникает потребность постановки и разработки чисто научной проблемы.В историческом плане это приводит к формированию сначала отдельных, а затем и целыхблоков технических наук.
Для классической инженернойдеятельности характерна ориентация каждого вида инженерной практики на соответствующуюбазовую науку, или на целый комплекс научно-технических дисциплин. В современныхвидах технической деятельности привлекаются любые методы, средства и знания из любыхнаучных предметов. Их объединяет общность решаемой сложной инженерной задачи и единствоподхода к ее решению. Система сложившихся на сегодня технических наук простираетсяот теоретических до практических исследований. Прямым посредником между инженернойдеятельностью и производством становятся инженерные исследования и проектирование.Да и само проектирование развилось из простой работы чертежников-рисовальщиков доквазинаучной деятельности инженера-«теоретика» со всеми, как в науке,аналогичными методами решения проблем, включая системный анализ.
4.5 Инженерная деятельность и проблемы возникающие передней на современном этапе ее развития
Современный этап инженернойдеятельности характеризуется системным подходом к решению сложных научно-техническихзадач, обращением ко всему комплексу общественных, естественнонаучных, математическихи научно-технических дисциплин Так, в 1969г. в СССР была начата разработка многоцелевогоорбитального комплекса, параллельно с работами над станцией «Салют». Ихотя в 1974г. эти работы были прекращены, при разработке технического предложениявпервые в истории советского космического ракетостроения для решения разноплановыхзадач с использованием ракетной техники был применен системный подход с широкимтехнико-экономическим анализом и оценкой реализуемости.
Обособление проектированияи экспансия его в смежные области, связанные с решением экологических, биотехнологическихи социотехнических проблем, привели к кризису традиционного инженерного мышленияи развитию новых форм проектной культуры, системных и методологических ориентацийсовременной инженерной деятельности, выходу ее на гуманитарные методы познания иосвоения действительности. Например, для создания автоматизированных систем управленияпредприятиями или отраслями промышленности уже недостаточно традиционно используемыхв инженерной деятельности знаний технических и естественных наук. Для их разработкитребуются особые социально-экономические, социологические, социально-психологическиеисследования. А пренебрежение ими приводит к снижению эффективности таких систем.Конкретные социальные условия функционирования автоматизированных систем управлениядолжны учитываться на стадии проектирования.
Есть и еще одна важнаясторона этой проблемы. Как известно, многие современные массовые технологии, напримерв пищевой, фармацевтической промышленности, сельском хозяйстве и т.д., часто приводятк губительным для человека и природы последствиям. Все это требует тщательного исследованиятехнологий производства пищевых продуктов, лекарств, сельскохозяйственных продуктов,вдумчивому научному анализу будущих разработок.
Сегодня особенно актуальнымистановятся проблемы социальной ответственности инженеров и проектировщиков, не толькоперед заказчиком, но и перед обществом в целом. В результате научно-техническогопрогресса перестраивается окружающий нас мир и не всегда наилучшим образом, а частои во вред человеку, обществу и даже всему человечеству.
5. Заключение
Последние годы XIX в. и начало XX в. были периодом переворота по всему фронту естественнонаучныхисследований. По-видимому, научные дисциплины, несмотря на все различия их предметов,развиваются в какой-то мере в одном ритме. С другой стороны, имела место как быцепная реакция на всем концептуальном пространстве естествознания: квантовая механикаи теория строения атома позволили переосмыслить периодическую систему элементови теоретическую химию в целом, что отразилось и на биологии, приведя к формированиюряда 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 всеявления имеют причину, в целом сохранился, но в модифицированном виде: на микроуровнеон перестал быть столь жестким, как того требовала классическая механика. Принципыдополнительности и неопределенности заставили заменить классические выражения типа“А следует из В” уравнениями, накладывающими определенные ограничения на последовательностьпревращений микрочастиц, и сделали реальность такого рода превращений вероятностнойфункцией. На мезоуровне термодинамические закономерности позволяют говорить о статистическойприроде детерминированности. Наконец, на мегауровне причинно-следственная структурамира оказывается теснейшим образом связанной со структурой релятивистского пространства- времени.
Метод редукции сохранили углубил свое значение по сравнению с классическим периодом: была осуществлена,например, редукция периодического и других законов химии к количественным закономерностямстроения электронных оболочек и ядра атома. Однако это не означало победы редукционизма:биологические явления не могут быть сведены к физическим и химическим, а в пределахсамой физики выделяется несколько областей исследования, которые, будучи взаимосвязанными,тем не менее не могут быть сведены друг к другу. Таковы, например, теория относительностии квантовая механика, или СТО и ОТО.
Мы видим, что мир представляетсобой единство систем, находящихся на разном уровне развития, причем каждый уровеньслужит средством и основой существования другого, более высокого уровня развитиясистем. Данное относится не только к природе, но и обществу, где мы наблюдаем рядорганизационных форм, наиболее грандиозные из которых получили название “общественно-экономическиеформации”.
Итак, мир, будучи системойсистем, сложнейшим материальным образованием, находится в процессе непрерывногодвижения, возникновения и уничтожения, взаимоперехода одних систем в другие, причемодни системы изменяются медленно и длительное время кажутся неизменными, другиеже изменяются настолько стремительно, что в рамках обыденных человеческих представленийфактически не существуют. Чем обширнее система, тем медленнее она изменяется, ачем меньше, тем быстрее она проходит этапы своего существования. В этом простомсоответствии скрыт глубокий смысл еще не до конца понятой связи пространства и времени.И здесь можно увидеть одну из закономерностей развития материи: от меньшего к большемуи от большего к меньшему, осознание которой привело к пониманию развития и качественногоизменения систем слагающих мир, и мира как системы.
Во второй половине XXв. воздействие научно-технического прогресса на общество и природу становится глобальным.Это вызывает целый ряд сложнейших экологических проблем, означающих, что ученыйи 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 социальнойответственности, интеллектуальной честности и профессиональной этики.
В результате научно-техническойдеятельности создано многое, без чего немыслима цивилизация наших дней. Инженерыи конструкторы сделали реальным то, что казалось сказочным и фантастическим, и чемутеперь мы перестали удивляться (полеты человека в космос, телевидение и т.п.). Ноони разработали и изощренные технические средства уничтожения людей. И хотя саминаука и техника этически нейтральны, творцы не могут оставаться равнодушным к еевредоносному использованию. Еще великий Леонардо да Винчи был всерьез обеспокоенвозможным нежелательным характером использования его изобретений. Развивая идеюаппарата подводного плавания, он писал: «Каким образом человек с помощью машиныможет оставаться некоторое время под водой. И почему я не решаюсь описывать мойметод 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 потоплениясудов вместе со всем экипажем». Это пример высокой морали, оставленный Леонардода Винчи будущим поколениями инженеров. В связи с этим мы сталкиваемся с необходимостьюпри системном подходе к решению проблем кроме обычного набора «технических»факторов принимать во внимание дополнительные, нравственно-этические факторы.
Но одними призывамик ученым и инженерам следовать в своей деятельности идеалам гуманизма делу не поможешь.Не они распоряжаются результатами своей деятельности. И не от них, фактически, зависитфинансирование тех или иных исследований и разработок. С другой стороны, кто посмеетосудить создателей образцов вооружения Красной Армии, использованных во время ВеликойОтечественной войны 1941-45г. г. или Курчатого за создание атомной бомбы во времявеликого противостояния. Без ее создания вероятность повторения Херосимы на территорииСССР была бы практически стопроцентной, что и показали действия США в отношенииКореи, Вьетнама, Кубы, Панамы, Ирака. Но стоит воздать хвалу разработчикам модели«ядерной зимы», которая в значительной степени способствовала переходуядерных держав в подходе к статусу ядерного оружия от оружия нападения к средствусдерживания и отказу от доктрин, допускающих глобальную ядерную войну. Думаю, чтоименно в этом направлении можно найти действительно эффективные средства предотвращениянегативного воздействия научно-технического прогресса на человечество и окружающиймир.
Но есть и еще один существенныймомент. Как видно из истории системного подхода в свете сведений, приведенных вданной работе, системность подхода развивается в направлении расширения количестваи продолжительности проявления связей изучаемого явления или создаваемого объектас окружающим его пространством или увеличения количества рассматриваемых явлений,объектов. Наукой, несмотря на весь ее консерватизм, практически признано существованиебиополя человека, не за горами научное подтверждение и признание телепатии. Очереднымскачком, аналогичным переходу от классической механики к нелинейной динамике и еечастному случаю — синергетике, скорее всего будет признание влияния космоса на жизньи развитие человечества, к чему подводят труды Чижевского, Гумилева, Вернадского.Но эта перспектива тоже не ведет к очевидным эффективным средствам воздействия насознание политиков, а именно они определяют направление использования научно-техническихразработок. И убедить их скорее всего можно, по-видимому, только с помощью разработок,подобных модели «ядерной зимы» и т.п. Вполне очевидно, что включение приразработке элементов системного подхода в число рассматриваемых и этих факторов- это наиболее эффективный путь к предотвращению негативного использования результатовнаучно-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. — Философскиепроблемы физики элементарных частиц. М., 1963.
8. Кулындышев В.А., Кучай В.К. Унаследованность: качественная и количественнаяоценки. — 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. Учебникдля 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 экологическогообразования. 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.

Похожие работы