Естествознание в системе научного знания

18. Самоорганизация систем. Синергетика

Концепция самоорганизации систем все больше распространяется не только в естествознании, но и в социально-гуманитарных науках. Поэтому концепция самоорганизации становиться парадигмой исследования широкого класса систем. (Под парадигмой подразумевают фундаментальную теорию, которую применяют для объяснения широкого спектра явлений). Существуют междисциплинарные парадигмы, примерами которых являются кибернетика и синергетика, описывающая самоорганизацию систем.

Одним из первых подходов к изучению самоорганизации систем в 18 в. была экономическая теория Смита, который считал, что спонтанный порядок на рынке является результатом взаимодействия различных устремлений, целей и интересов многочисленных участников. Именно такое взаимодействии приводит к установлению на рынке равновесия между спросом и предложением.

Аналогичные идеи относительно самоорганизации норм нравственности в обществе высказывали в 18 в. шотландские моралисты, которые считали, что принципы нравственного поведения людей не создаются правителями и политиками, а формируются медленно и постепенно в ходе самоорганизации людей под влиянием изменяющихся условий жизни.

Если рассматривать системы термодинамические, то из второго начала вытекает, что система постепенно эволюционирует в сторону возрастания энтропии, т.е. в сторону беспорядка. Но это справедливо для закрытой системы. Процессы самоорганизации могут протекать в открытых системах, т.е. системах которая обменивается с окружающей средой веществом, энергией и информацией. При определенных условиях в открытых системах могут возникнуть процессы самоорганизации в результате получения новой энергии и вещества извне, или рассеяния использованной системой энергии. Таким образом ключ к пониманию процессов самоорганизации содержится в изучении взаимодействия системы с окружающей средой.

Автор самого термина “синергетика” немецкий физик Хакен, исследовавший механизмы процессов происходящих в твердотельных лазерах. Он выяснил, что частицы, составляющие активную среду резонатора, под воздействием внешнего светового поля начинают колебаться в одной фазе. В результате этого между ними устанавливается когерентное, ли согласованное взаимодействие, которое приводит в конце концов к коллективному поведению (т.е. самоорганизации).

В последние десятилетия получил широкое распространение системный метод изучения, заключающийся в изучении не отдельных предметов и процессов, а всей целостной системы в форме комплексных и междисциплинарных исследований. И кибернетика и синергетика развиваются в этом русле, изучая важнейшие аспекты динамической устойчивости, самоорганизации и возникновения новых системных качеств. С этой точки зрения кибернетика отличается от синергетики тем, что всякое нарушение в самоорганизующейся системе через отрицательную обратную связь корректируется управляющим устройством. В синергетике в противоположность кибернетики исследуются механизмы возникновения новых состояний, структур и форм в процессе самоорганизации, а не сохранения и поддержания старых форм. Именно поэтому она опирается на принцип положительной обратной связи, когда изменения возникшие в системе, не подавляются или корректируются, а накапливаются и постепенно приводят к разрушению старой и возникновению новой системы.

Таким образом самоорганизующиеся системы -- это сложные открытые системы, неравновесные (находящиеся вдали от точки термодинамического равновесия). Полная энергия E такой системы состоит из свободной энергии F и деградированной энергии, представляющей собой отработанную энергию (которую нельзя использовать для совершения какой-либо работы) и которая характеризуется энтропией S и температурой по Кельвину

Е=F+ST.

Согласно второму закону термодинамики, энтропия в замкнутой системе все время возрастает и стремиться к максимальному значению. Следовательно по степени возрастания энтропии можно судить об эволюции системы и о времени ее изменения. И второй закон термодинамики можно сформулировать так, замкнутая система стремиться к достижению наиболее вероятного состояния, заключающегося в ее максимальной дезорганизации (или самоорганизации с отрицательным знаком).

Очевидно, что для объяснения процессов самоорганизации необходимо рассматривать открытые системы. Поскольку между веществом и энергией существует взаимосвязь, поскольку система в ходе эволюции система производит энтропию, которая однако не накапливается, а рассеивается в окружающей среде. Вместо нее из среды поступает свежая энергия и вследствие такого обмена энтропия система может не возрастать, а оставаться постоянной или уменьшаться. Отсюда ясно, что открытая система не является равновесной, т.к. протекают непрерывные процессы обмена энергией. В конечном итоге прежняя взаимосвязь между элементами (т.е. структура системы) разрушается, а между элементами возникают новые когерентные (согласованные) отношения, приводящие к коллективному поведению ее элементов. Так схематически можно описать процессы самоорганизации в открытых системах Самоорганизация выступает как источник эволюции системы, так как она служит началом процесса возникновения качественно новых и более сложных структур в развитии системы.

Поскольку флуктуации представляют собой случайные отклонения системы (т.е. являются случайными факторами самоорганизации), то в критической точке развития систем может существовать несколько путей дальнейшей эволюции, что математически выражают термином “бифуркация”, означающем раздвоение или разветвление. Какой путь эволюции выберет система в значительной мере зависит от случайностей (например, от флуктуаций), но если путь определен, то дальнейшее подчиняется законам. Таким образом динамику развития систем следует рассматривать как единое целое двух взаимно дополняющих сторон единого процесса развития -- случайности и необходимости.

Фундаментальное единство естественных наук. Наблюдение, эксперимент, теория. Разделение естествознания на научные дисциплины

1. Естественные науки -- это науки, складывающиеся в определенную систему знаний о природе. Их объединяют по предмету и методу познания. Но что является основой их фундаментального единства, что объединяет все естественные науки в целостную систему естествознания?

Упрощенно рассмотрим ситуацию когда представителям двух естественных наук, физикам и химикам, предложено исследовать образец неизвестного вещества. Каждая из этих наук обладает своими методиками и методами исследований: физики будут определять физические параметры образца (вес, плотность, механические свойства), химики -- химические свойства и состав химическими методами. Но есть более современные методы исследования, такие как спектральный анализ, позволяющий определить химикам химический состав. Этот метод позаимствован у физиков. Т.е. в конкретном случае эти науки объединяет метод, но не это является фундаментальной основой их единства. В итоге исследований будет получено два представления об одном образце, каждый из которых не дает полной картины. Полное представление может дать только вся сумма знаний естественных наук. Получается, что эти науки объединяет конкретный образец. Можно на это возразить -- астрофизик исследует далекие и огромные звезды, а микробиолог микроскопическую клетку. Но оба эти объекты, и огромная раскаленная звезда и живая клетка являются предметами материального мира, их объединяет понятие материи.

Если окружающий нас мир един и образует единое и целостное образование, то и знание о нем имеет фундаментальное единство. И хотя наука разделена на дисциплины, но существуют фундаментальные законы отображающие единство и целостность природы, законы подтверждающие фундаментальное единство естественных наук. С помощью таких законов, которым подчиняются классы явлений и целые области природы, как раз и раскрывают единство природы, взаимосвязь и взаимодействие составляющих ее объектов и процессов. Например, закон сохранения материи справедлив и для химических, и для физических, и для биологических процессов. Ярким воплощением единства всех форм знаний о мире представляет собой научный метод, которым пользуются все естественные науки (да и гуманитарные). Тот факт, что познание в естественных науках в целом совершается по некоторым общим принципам, правилам и способам деятельности, свидетельствуют, с одной стороны об общем, едином источнике их познания, с другой стороны, -- о взаимосвязи и единстве этих наук.

Единство естественных наук подтверждает и междисциплинарные методы исследования, например системный метод. Хотя системы, встречающиеся в природе имеют разное строение и разные признаки, но все они самоорганизующиеся системы, и нельзя противопоставлять живые и неживые системы, новые результаты проливают свет на проблему возникновения живого из неживого.

Чтобы подчеркнуть фундаментальный характер единства всех важнейших знаний естественных наук о природе, ученые ввели понятие естественнонаучной картины мира, под которой понимают систему важнейших принципов и законов, лежащих в основе окружающего нас мира.

2. Наука как форма познания окружающего нас мира оперирует такими понятиями как наблюдение, эксперимент, теория. Познание -- это сложный процесс, состоящий из нескольких стадий. На эмпирической, или опытной, стадии используются методы, опирающиеся на систематические наблюдения, эксперимент и измерение. Наблюдение -- это первоначальный источник информации. Научное наблюдение отличается от обыденного. В процессе научного наблюдения, в отличие от обыденного, используются разнообразные материальные средства: приборы, инструменты, оборудование. Научное наблюдение предполагает и участие живого созерцания (если не самого объекта или процесса, то показаний приборов их регистрирующих), но так как цель научного познания -- обнаружение объективных законов, то по возможности оно должно исключить субъективные моменты. Т.е. в процессе научного наблюдение результаты не должны зависеть от наблюдателя (его пола, возраста или настроение). Систематичность, контролируемость и тщательность -- характерные требования к научному наблюдению. Следует добавить, что в науке редко бывают открытия, связанные с совершенно случайными, заранее не предусмотренными наблюдениями. Наблюдение дает эффект, если есть хотя бы идея или догадка что следует искать. Т.е. в основе наблюдений лежит теория, идея.

Эксперимент -- важнейший метод эмпирического (опытного) исследования, для наблюдения процессов в условиях, меньше всего подверженных воздействию посторонних факторов, т.к. их воздействие может изменить сам наблюдаемый процесс. Дополнением любого эксперимента являются измерения с помощью научного оборудования. Измерение не является эмпирическим особым методом, а составляют необходимое дополнение любого серьезного научного наблюдения и эксперимента. Результаты экспериментов обрабатывают математически с применением методов статистики. В начале века Резерфорд и его сотрудники регистрировали в своих экспериментах альфа-частицы с помощью экрана из сернистого цинка в микроскоп. При попадании частицы на экран наблюдалась слабая вспышка, которую можно было зафиксировать только через микроскоп. Максимальное число импульсов, которое удавалось сосчитать, -- было два, три в секунду. А сейчас специальные электронные приборы -- фотоумножители -- в состоянии различить и зафиксировать более слабые вспышки. Число их в секунду составляет десятки и сотни тысяч. Эта информация запоминается и обрабатывается быстродействующими ЭВМ.

Благодаря эксперименту многие естественные науки совершили в своем развитии гигантский скачек. Поэтому этот метод и получил наибольшее применение в естествознание, хотя существуют области исследования где эксперименты невозможны. Открытие законов движения планет Кеплером имело огромное значение для развития естествознания. Правда из-за невозможности осуществления экспериментов с небесными телами для исследования законов их движения пришлось обратиться к наблюдениям. Тем не менее и здесь исследование осуществлялось в тесном взаимодействии теории и наблюдения, тщательной проверке выдвигаемых гипотез измерениями движений небесных тел.

В естествознании до 19 в. (период классического естествознания) эксперимент считался главным методом познания, а целью его -- построение абсолютно истинной картины природы. Еще Ньютон придавал большое значение наблюдениям и эксперименту, видя в них важнейший критерий для отделения ложных гипотез от истинных. В 20 в. с развитием науки пришло осознание относительной истинности картины природы, выработанной на определенном этапе познания. Пришло понимание принципиальной невозможности устранения воздействия со стороны субъекта на познаваемый объект. Примером может служить исследование объектов микромира с помощью современного научного оборудования, которое уже само по себе является предметом макромира и не может не оказывать воздействие на объект исследования. Но при эксперименте необходимо свести это воздействие к минимуму.

Теория -- это система идей в той или иной отрасли знаний, единство знаний, в котором факты и гипотезы связаны в некоторую целостность. На теоретической стадии строят гипотезы и теории, открывают законы науки. Затем гипотезу проверяют экспериментом. Если результаты эксперимента не совпадают с гипотезой, то опровергается сама гипотеза. Но это возможно поспешный вывод, поэтому проводятся разнообразные эксперименты и их достоверность зависит от уровня развития науки и техники. Это упрощенное описание процесса исследования, на самом деле -- это длительный и сложный процесс, который начинается не с накопления фактов, а с выдвижения проблемы. Последняя свидетельствует о возникновении трудности в развитии науки, когда вновь обнаруженные факты не удается объяснить и понять с помощью старых теорий. Возникшая проблемная ситуация требует четко определить, какие факты и в чем не согласуются со старыми эмпирическими и теоретическими знаниями. В качестве пробного решения сформулированной проблемы выдвигается некоторая гипотеза, которая на последующих стадиях исследования подробно анализируется с точки зрения ее подтверждения имеющимися эмпирическими данными и теоретическими знаниями. Затем из гипотезы по правилам логики выводятся следствия, которые допускают эмпирическую проверку непосредственно с помощью наблюдений и экспериментов. Эмпирическая проверяемость служит важным условием научности гипотезы, поскольку именно она допускает возможность вывода следствий из гипотезы и тем самым позволяет фактически сравнить ее с данными опыта или наблюдений. Если следствия из гипотезы не согласуются с эмпирическими данными, то в соответствии с логическим принципом modus tollens (отрицающего модуса) опровергается сама гипотеза. Значительно труднее обстоит дело с подтверждением гипотезы. Иногда считают, что если следствие гипотезы было подтверждено на опыте, то это свидетельствует об истинности самой гипотезы. Такое заключение было бы поспешным, ибо согласно правилам логики из истинности следствия не вытекает истинность основания, в данном случае гипотезы. Можно говорить лишь о той или иной степени вероятности гипотезы, т.к. при дальнейшей проверке могут быть обнаружены факты, опровергающие гипотезу целиком или частично. Очевидно, чем больше по числу и разнообразию будет найдено фактов, подтверждающих гипотезу, тем выше станет ее вероятность. В принципе, однако, вполне допустим случай, который может опровергнуть гипотезу. Это обстоятельство часто упускают из виду люди, не знакомые с логикой. Между тем даже многократно проверенные и подтвержденные опытом законы естествознания представляют собой не что иное как практически достоверные гипотезы. Так, например, закон всемирного тяготения Ньютона до открытия теории относительности Альбертом Эйнштейном считался непреложной истиной. Дальнейшие эксперименты, проведенные в связи с проверкой общей теории относительности, выявили ее приближенный характер.

Так, на основании закона всемирного тяготения Ньютон дал математический вывод известных законов Кеплера о движении планет. Но Эйнштейн в своей теории относительности доказал, что геометрия пространства полностью определяется распределением и движением тяготеющих масс. А в искривленном пространстве законы движения изменяются.

Эти положения хорошо согласуются с философским принципом об относительном характере понятий, законов и теорий всех наук, изучающих природу и общество.

3. Поскольку природа представляет собой нечто единое и целое, постольку и знания о ней должны иметь целостный характер, т.е. представлять собой определенную систему. Такую систему знаний и называют издавна Естествознанием. Раньше в естествознание входили все сравнительно немногочисленные знания, которые были известны о природе.

Наука представляет собой продукт развития мысли древних греков. Зачатки мышления, идущие в плане частных наук, появились под влиянием Аристотеля и его школы, таких великих врачей, как Гиппократ, Гален. Но это не нарушало целостность науки и картины мира. В эпоху христианского средневековья наука так же разрабатывалась как гармоническое целое. Только в конце средних веков произошла подмена понятия “наука” понятием “естествознание” Эта новая наука начала свое триумфальное шествие с эпохи Возрождения, когда была признана возможность математического описания результатов, полученных экспериментальным путем. Эта новая форма приобрела столь большое значение, что Кант оценивал частные науки в зависимости от степени применения в них математики. Под влиянием экспериментально-математической науки коренным образом изменилось мировоззрение европейца и усилилось его влияние на духовную жизнь остального мира. В особенности оно возросло благодаря подведению строго научного фундамента под возникшую из медицины технику, которая базировалась до этого исключительно на ремесленном опыте.

Но уже с эпохи Возрождения возникают и обособляются отдельные его отрасли и дисциплины, начинается процесс дифференциации научного знания. С развитием науки возникла необходимость более глубокого разделения ее на специальные дисциплины. Дифференциация научного знания служит необходимым этапом в развитии науки и она направлена на более тщательное и глубокое изучение отдельных явлений и процессов определенной области действительности. В результате появляются отдельные дисциплины со своим предметом и специфическими методами познания.

Главные сферы естественных наук -- материя, жизнь, человек, Земля, Вселенная -- позволили сгруппировать их следующим образом:

физика, химия, физическая химия;

биология, ботаника, зоология;

анатомия, физиология, учение о происхождении и развитии, учение о наследственности;

геология, минералогия, палеонтология, метеорология, география;

астрономия вместе с астрофизикой и астрохимией.

Математика, по мнению ряда натурфилософов, не относится к естественным наукам, но является решающим инструментом их мышления.

Дифференциация научного знания была необходимым этапом в развитии науки. Частные науки можно классифицировать с точки зрения их предмета или метода. Они делятся на фундаментальные и прикладные (теоретические и практические), общие и специальные.

Итак. Если окружающий нас мир един и образует единое и целостное образование, то и знание о нем имеет фундаментальное единство. И хотя наука разделена на дисциплины, но существуют фундаментальные законы отображающие единство и целостность природы, законы подтверждающие фундаментальное единство естественных наук.

Размещено на Allbest.ru