Естествознание
10 класс

§ 2. Природа в зеркале науки

Главная цель естественных наук —
раскрыть единство сил природы.
Л. Больцман

Что изучает естествознание? Можно ли объяснить природу средствами одной науки? Какова роль математики в естественно-научном познании?

Урок-лекция

Что изучает естествознание? Естествознание изучает природу. Однако природный мир может быть предметом внимания не только ученого-естественника, но и писателя, художника, фотографа, да и вообще любого человека. Каждый может любоваться небом и закатом. Но профессиональный интерес ученого-естественника отличается от взгляда простого созерцателя. Его, ученого, интересует, почему небо голубое, а закат красный, а главное — какие законы природы определяют небесную голубизну и красоту заката.

Для естествоиспытателя природа — это первозданный мир, на который он смотрит под определенным углом зрения, считая этот мир естественно упорядоченным и закономерным

В разное время слово «природа» понималось по-разному. К примеру, английский ученый XVII в. Роберт Бойль писал: «Природу в целом я называю Космическим Механизмом, то есть совокупностью всех механических свойств материальных тел — формы, массы, движения и т. д.».

Совершенно иначе писал о природе русский поэт Ф. И. Тютчев:

      Не то, что мните вы, природа:
      Не слепок, не бездушный лик —
      В ней есть душа, в ней есть свобода,
      В ней есть любовь, в ней есть язык...

Какой из приведенных взглядов на природу (или, может быть, какой-то иной) более близок вам и почему?

Федор Васильев. Перед грозой

Существуют ли в естествознании науки-лидеры? Современное естествознание — система сложная, неоднородная и многоплановая. Традиционно выделяют некоторую совокупность наук, составляющих основу естествознания, их классификация находится в постоянной динамике. К таким наукам относят физику, астрономию, химию, биологию, географию, геологию. Каждая из этих наук объединяет множество дисциплин. Так, физика включает механику, оптику, электродинамику, квантовую механику. Кроме этого, существует множество наук, возникших на стыке разных дисциплин, например астрофизика, физическая химия, биохимия. В течение долгого времени лидером естествознания считалась физика. Именно в ходе развития физики вырабатывались и вырабатываются основные модели мира и способы его познания. Свое приоритетное положение в естествознании физика утвердила еще в XVIII в., во многом благодаря работам И. Ньютона. Вместе с тем универсальность методов физики приводила к попыткам свести теоретический и эмпирический материал всех естественных наук к физическим законам. Такой подход получил название «редукционизм» (от лат. reductio — возвращение).

Сама по себе идея редукционизма имеет древние корни. Например, Пифагор полагал, что в основе мироздания лежит гармония чисел. Аристотель считал, что мир подобен животному организму. В XVII в. Р. Декарт вдохновлялся идеей представления организма в виде механической машины. Идея сведения всех естественных наук к механике начиная с XVII в. получает широкое распространение. В XIX в. роль механики стала играть физика, именно ее начали воспринимать как идеал естественной науки, к которому должны стремиться и в итоге быть сведены все остальные естественно-научные дисциплины.

Однако уже в XIX в. некоторые исследователи природы усомнились в принципиальной возможности редуцировать химию к физике, а биологию сделать разделом физики и химии. Их позицию в поэтической форме выразил И. Гете:

      Во всем подслушать жизнь стремясь,
      Спешат явленья обездушить,
      Забыв, что если в них нарушить Одушевляющую связь,
      То больше нечего и слушать.

Сегодня большинство ученых принимают идею возникновения новых свойств у совокупности объектов, в результате чего целое приобретает свойства, отсутствующие у его частей. Эта идея является ведущей идеей целостного подхода

Развитие науки второй половины двадцатого столетия ознаменовалось крупными успехами биологии, которая стала претендовать на лидерство в естествознании. Стало очевидным, что познание живого невозможно на основе редукции к физико-химическим закономерностям.

Общая теория систем в 40-х годах XX в. была разработана австрийским биологом Л. Барталанфи. Однако многие принципы системного подхода были описаны в работах отечественных ученых А. А. Богданова, В И. Вернадского и др.

Успехи биологии были связаны не только с развитием методов исследования (например, рентгеноструктурный анализ привел к открытию структуры ДНК), но и с новым методом познания — системным подходом. Этот метод основан на рассмотрении любых объектов природы как иерархически (от низших к высшим) организованных систем. Например, природные системы (организм, экосистема, ландшафт), технические системы (часы, компьютер, ракета), социальные системы (система образования, здравоохранения). Понятие «система» широко используется и в конкретных науках (корневая система, система уравнений, дыхательная система).

Почему понятие «система» можно использовать при изучении столь различных объектов или явлений? Рассмотрим свойства систем.

Основной признак, присущий любой системе, — ее целостность. Это означает, что система обладает определенным свойством, которого не имеет какая-либо отдельная часть этой системы (элемент, звено, деталь).

Система состоит из отдельных частей, однако груда деталей (например, часовой механизм) еще не является системой. Система должна иметь внутреннюю упорядоченность — структуру, которая подразумевает взаимодействие компонентов. В биологических системах возникает единство внутренней структуры и функционирования именно благодаря организованности этого взаимодействия, появляется качественно новый объект, т. е. система, способная выполнять новую функцию (саморегуляцию процессов жизнедеятельности).

Математизация естественных наук. Специфическая особенность научных исследований в области естествознания состоит в широком использовании математики. Математика служит и средством познания, и языком естественных наук (и не только естественных). Особенность математики заключается в том, что она анализирует определенные соотношения в какой-либо системе объектов, абстрагируясь от природы самой системы и объектов, т. е. выстраивает математическую модель.

В конце 30-х гг. XX в. было открыто деление ядра урана при столкновении его с нейтроном. При таком делении выделяется энергия в виде кинетической энергии новых образовавшихся ядер (рис. 1).

Рис. 1. Деление ядра урана

Как видно на рисунке, в результате процесса образуются три (иногда два) новых нейтрона, которые, сталкиваясь с другими ядрами урана, в свою очередь, могут вызвать деление их ядер. Допустим, что такое деление происходит через время Δt после образования этих нейтронов. Попробуем вычислить, как со временем будет возрастать число разделившихся ядер. Ваших математических знаний хватит для решения этой задачи. Если в момент времени t = 0 число разделившихся ядер N0, то через время Δt их число утроится, через время 2Δt произойдет еще одно утроение и т. д. Образуется известная вам геометрическая прогрессия: через время nΔt число разделившихся ядер будет 3nN0, т. е. спустя время t = nΔt с начала деления число ядер будет определяться выражением N(t)=3t/ΔtN0, Такой закон возрастания со временем носит взрывной характер, поэтому соответствующая ядерная реакция протекает как взрыв и реализуется в атомной бомбе.

Аналогичные процессы происходят и в живой природе. Представьте себе абстрактную популяцию животных. Предположим, что животное данного вида достигает половой зрелости спустя время Δt после рождения, после чего каждая пара животных дает потомство из шести детенышей. Допустим, что время жизни животного после рождения детеныша много меньше величины Δt и что у животных достаточно корма и нет врагов. Попробуйте вычислить, с какой скоростью возрастает число животных со временем. Вы получите абсолютно те же самые результаты, что и при делении ядер урана. (Естественно, что время Δt в данном случае во много раз больше, чем в предыдущей задаче.) Конечно, рост реальной популяции со временем определяется более сложными законами, однако в ряде случаев этот рост носит взрывной характер, подобный ядерному взрыву (см. § 34).

Таким образом, совершенно различные по природе объекты (к рассмотренным выше примерам можно добавить химическую систему, в которой реализуется химическая взрывная реакция) описываются одинаковыми математическими уравнениями. Отсюда создается впечатление, что математические уравнения, по выражению Г. Герца, мудрее, чем мы.

Математика дает естествознанию огромное разнообразие абстрактных структур и методов, которые сами по себе не связаны с реальностью. Естествознание же выбирает и использует только те из них, которые осмыслены с его позиций. Обращению к математическому аппарату должен предшествовать детальный анализ возможностей его использования в данной области.

Естествознание — это система экспериментальных наук, имеющих общие объекты изучения и методы их исследования. Естествознание использует математические методы исследования в качестве языка описания, моделирования и прогнозирования различных явлений. Роль математических методов в естествознании зависит от специфики конкретной научной области.

  1. Решите задачу о росте числа животных в популяции при условии, что после рождения детенышей животные живут столько же лет, сколько и до рождения, но уже не рождая новых детенышей.
  2. Согласны ли вы с утверждением, что наука началась, когда человек перешел от чтения и комментирования древних авторов, например Аристотеля, к изучению живой природы?

Рейтинг@Mail.ru