Естествознание как наука о Природе. Базовые науки естествознания и их взаимосвязь

1. Естествознание  как наука о Природе. Базовые  науки естествознания и их  взаимосвязь

Естествознание  наука о природе. В современном мире естествознание представляет систему наук о природе, или так называемых естественных наук, взятых во взаимной связи и опирающихся, как правило, на математические способы описания объектов исследования.

Естествознание:

· одна из трех основных областей научного знания о природе, обществе и мышлении;

· является теоретической  основой промышленной и сельскохозяйственной техники и медицины

· является естественнонаучным фундаментом картины мира.

Являясь фундаментом формирования научной картины мира, естествознание представляет собой определенную систему взглядов на то или иное понимание естественных явлений или процессов. И если такая система взглядов принимает единый, определяющий характер, то она, как правило, называется концепцией. С течением времени появляются новые эмпирические факты и обобщения и система взглядов на понимание процессов изменяется, появляются новые концепции.

Если рассматривать предметную область естествознания предельно широко, то она включает:

· различные формы движения материи в природе;

· их материальные носители, которые образуют «лестницу» уровней  структурной организации материи;

· их взаимосвязь, внутреннюю структуру и генезис.

Но так было не всегда. Проблемы устройства, происхождения  организации всего, что есть во Вселенной (Космосе), в 4-6 веках относились к  «физике». А Аристотель называл тех, кто занимался этими проблемами, просто «физиками» или «физиологами», т.к. древнегреческое слово «физика» равно слову «природа».

В современном естествознании природа рассматривается не абстрактно, вне деятельности человека, а конкретно, как находящаяся под воздействием человека, т.к. ее познание достигается  не только умозрительной, теоретической, но и практической производственной деятельностью людей.

Таким образом, естествознание как отражение природы в человеческом сознании совершенствуется в процессе ее активного преобразования в интересах  общества.

Из этого вытекают и  цели естествознания:

· выявление сущности явлений  природы, их законов и на этой основе предвидение или создание новых  явлений;

· умение использовать на практике познанные законы, силы и вещества природы.

Отсюда следует, что если общество заинтересовано в подготовке высококвалифицированных специалистов, способных продуктивно использовать свои знания, то цель изучения концепций современного естествознания - это не изучение физики, химии, биологии и т.п., а выявление тех скрытых связей, которые создают органическое единство физических, химических, биологических явлений.

К естественным наукам относятся:

· Науки о космосе, его  строении и эволюции (астрономия, космология, астрофизика, космохимия и т.д.);

· Физические науки (физика) - науки о наиболее глубоких законах  природных объектов и в то же время - о наиболее простых формах их изменений;

· Химические науки (химия) - науки о веществах и их превращениях

· Биологические науки (биология) - науки о жизни;

· Науки о Земле (геономия) - сюда относится: геология (наука о строении земной коры), география (наука о размерах и формах участков земной поверхности) и др.

Перечисленные науки не исчерпывают  всего естествознания, т.к. человек  и человеческое общество от природы  неотделимы, являются его частью.

Стремление человека к  познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и  направлениях его исследовательской  деятельности. Каждая из основных частей объективного мира -- природа, общество и человек -- изучается своими отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием, т. е. знанием о природе («естество» -- природа -- и «знание»).

Естествознание-- совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные явления и процессы природы, закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является отдельной самостоятельной наукой о природе, как едином целом. Оно позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать какая-либо одна из естественных наук. Поэтому естествознание, наряду с науками об обществе и мышлении, -- важнейшая часть человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т. е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.

Спецификой предмета естествознания является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции, рассматривая Природу как бы сверху. Только так можно представить Природу как единую целостную систему, выявить те основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становится формулировка основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной. Главная задача настоящего курса -- осознание Природы как единой целостности, поиск более глубоких взаимоотношений между физическими, химическими и биологическими явлениями, а также выявление скрытых связей, создающих органическое единство этих явлений.

Структура естествознания представляет собой сложную разветвленную систему знаний, все части которой находятся в отношении иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является фундаментом для следующей за ней науки, и в свою очередь основывается на данных предшествующей науки.

Так, основа, фундамент всех естественных наук -- физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях.

Следующая ступень иерархии -- химия, изучающая химические элементы, их свойства, превращения и соединения.

В свою очередь химия лежит  в основе биологии -- науки о живом, изучающей клетку и все от нее производное. В основе биологии -- знания о веществе, химических элементах.

Науки о Земле (геология, география, экология и др.) -- следующая степень структуры естествознания. Они рассматривают строение и развитие нашей планеты, представляющей собой сложнейшее сочетание физических, химических и биологических явлений и процессов.

Завершает эту грандиозную  пирамиду знаний о Природе космология, изучающая Вселенную как целое. Частью этих знаний являются астрономия и космогония, изучающие строение и происхождение планет, звезд, галактик и т. д. На этом уровне происходит новое возвращение к физике. Это позволяет говорить о циклическом, замкнутом характере естествознания, что, очевидно, отражает одно из важнейших свойств самой Природы.

В науке идут сложнейшие процессы дифференциации и интеграции научного знания. Дифференциация науки -- это выделение внутри какой-либо науки более узких, частных областей исследования, превращение их в самостоятельные науки. Так, внутри физики выделились физика твердого тела, физика плазмы.

Интеграция науки -- это появление новых наук на стыках старых, проявление процессов объединения научного знания. Примером такого рода наук являются: физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, геохимия, биогеохимия, астробиология и др.

Естествознание - совокупность наук о природе, имеющих предметом  своих исследований различные явления  и процессы природы, закономерности их эволюции.

Метафизика (греч. metataphysika -- после физики) - философское учение о сверхчувствительных (недоступных опыту) принципах бытия.

Натурфилософия - умозрительное  истолкование природы, восприятие ее как  единого целого.

Системный подход - представление  о мире как о совокупности разноуровневых систем, связанных отношениями иерархической соподчиненности.

2. Квантовая физика  и ее основные принципы. Мир  частиц и античастиц.

В 1900г. немецкий физик М.Планк своими исследованиями продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Теория М.Планка не нуждалась в концепции эфира и преодолевала противоречия и трудности электродинамики Дж.Максвелла. Эксперименты М.Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами. Понятно, что такой вывод был несовместим с представлениями классической физики. Теория М.Планка положила начало новой квантовой физики, которая описывает процессы, протекающие в микромире.

Опираясь на идеи М.Планка, А.Эйнштейн предложил фотонную теорию света, согласно которой свет есть поток  движущихся квантов. Квантовая теория света (фотонная теория) рассматривает  свет как волну с прерывистой  структурой. Свет есть поток неделимых  световых квантов — фотонов. Гипотеза А.Эйнштейна позволила объяснить  явление фотоэффекта — выбивания  электронов из вещества под действием  электромагнитных волн. Стало ясно, что электрон выбивается фотоном  лишь в том случае, если энергия  фотона достаточна для преодоления  силы взаимодействия электронов с атомным  ядром. В 1922 г. за создание квантовой  теории света А.Эйнштейн получил  Нобелевскую премию.

Объяснение процесса фотоэффекта  опиралось, помимо квантовой гипотезы М.Планка, также на новые представления  о строении атома. В 1911г. английский физик Э.Резерфорд предложил планетарную  модель атома. Модель представляла собой  атом как положительно заряженное ядро, вокруг которого вращаются отрицательно заряженные электроны. Возникающая  при движении электронов по орбитам  сила уравновешивается притяжением  между положительно заряженным ядром  и отрицательно заряженными электронами. Общий заряд атома равен нулю, поскольку заряды ядра и электронов равны друг другу. Почти вся масса  атома сосредоточена в его ядре, а масса электронов ничтожно мала. С помощью планетарной модели атома было объяснено явление отклонения альфа-частиц при прохождении через атом. Поскольку размеры атома велики по сравнению с размерами электронов и ядра, альфа-частица без препятствий проходит через него. Отклонение наблюдается только тогда, когда альфа-частица проходит близко от ядра, в этом случае электрическое отталкивание вызывает ее резкое отклонение от первоначального пути. В 1913г. датский физик Н.Бор предложил более совершенную модель атома, дополнив идеи Э.Резерфорда новыми гипотезами. Постулаты Н.Бора звучали следующим образом:

1. Постулат стационарных  состояний. Электрон совершает  в атоме устойчивые орбитальные  движения по стационарным орбитам,  не испуская и не поглощая  энергии.

2. Правило частот. Электрон  способен переходить с одной  стационарной орбиты на другую, при этом испуская или поглощая  энергию. Поскольку энергии орбит  дискретны и постоянны, то при  переходе с одной из них  на другую всегда испускается  или поглощается определенная  порция энергии.

Первый постулат позволил ответить на вопрос: почему электроны  при движении по круговым орбитам  вокруг ядра не падают на него, т.е. почему атом остается устойчивым образованием?

Второй постулат объяснил прерывность спектра излучения  электрона. Квантовые постулаты  Н.Бора означали отказ от классических физических представлений, которые  до этого времени считались абсолютно истинными.

Несмотря на быстрое признание теория Н.Бора все же не давала ответов на многие вопросы. В частности, ученым не удавалось точно описать многоэлектронные атомы. Выяснилось, что это связано с волновой природой электронов, представлять которые в виде твердых частиц, движущихся по определенным орбитам, ошибочно.

В действительности состояния  электрона могут меняться. Н.Бор  предположил, что микрочастицы не являются ни волной, ни корпускулой. При одном типе измерительных приборов они ведут себя как непрерывное поле, при другом — как дискретные материальные частицы. Выяснилось, что представление о точных орбитах движения электронов также ошибочно. Вследствие своей волновой природы электроны скорее «размазаны» по атому, причем весьма неравномерно. В определенных точках плотность их заряда достигает максимума. Кривая, связывающая точки максимальной плотности заряда электрона, и представляет собой его «орбиту».

В 20-30-е гг. В.Гейзенберг и  Л. де Бройль заложили основы новой  теории — квантовой механики. В 1924г. в работе «Свет и материя»

Л. де Бройль высказал предположение  об универсальности корпускулярно-волнового  дуализма, согласно которому все микрообъекты могут вести себя и как волны, и как частицы. На основе уже установленной  дуальной (корпускулярной и волновой) природы света он высказал идею о  волновых свойствах любых материальных частиц. Так, например, электрон ведет  себя как частица, когда движется в электромагнитном поле, и как  волна, когда проходит сквозь кристалл. Эта идея получила название корпускулярно-волнового  дуализма. Принцип корпускулярно-волнового  дуализма устанавливает единство дискретности и непрерывности материи.

В 1926г. Э.Шредингер на основе идей Л. де Бройля построил волновую механику. По его мнению, квантовые процессы — это волновые процессы, поэтому  классический образ материальной точки, занимающей определенное место в  пространстве, адекватен только макропроцессам и совершенно неверен для микромира. В микромире частица существует одновременно и как волна, и как  корпускула. В квантовой механике электрон можно представить как  волну, длина которой зависит  от ее скорости. Уравнение Э.Шредингера описывает движение микрочастиц  в силовых полях и учитывает  их волновые свойства.

На основе этих представлений  в 1927г. был сформулирован принцип  дополнительности, по которому волновые и корпускулярные описания процессов  в микромире не исключают, а взаимно  дополняют друг друга, и только в  единстве дают полное описание. При  точном измерении одной из дополнительных величин другая претерпевает неконтролируемое изменение. Понятия частицы и волны не только дополняют друг друга, но и в то же время противоречат друг другу. Они являются дополняющими картинами происходящего. Утверждение корпускулярно-волнового дуализма стало основой квантовой физики.

В 1927г. немецкий физик В.Гейзенберг пришел к выводу о невозможности  одновременного, точного измерения  координаты частицы и ее импульса, зависящего от скорости, эти величины мы можем определить только с определенной степенью вероятности. В классической физике предполагается, что координаты движущегося объекта можно определить с абсолютной точностью. Квантовая  механика существенно ограничивает эту возможность. В.Гейзенберг в  работе «Физика атомного ядра» изложил  свои идеи.

Вывод В. Гейзенберга получил  название принципа соотношения неопределенностей, который лежит в основе физической интерпретации квантовой механики. Его суть в следующем: невозможно одновременно иметь точные значения разных физических характеристик микрочастицы — координаты и импульса. Если мы получаем точное значение одной величины, то другая остается полностью неопределенной, существуют принципиальные ограничения  на измерение физических величин, характеризующих  поведение микрообъекте.

Таким образом, заключил В.Гейзенберг, реальность различается в зависимости  от того, наблюдаем мы ее или нет. «Квантовая теория уже не допускает  вполне объективного описания природы», — писал он. Измерительный прибор влияет на результаты измерения, т.е. в  научном эксперименте влияние человека оказывается неустранимым. В ситуации эксперимента мы сталкиваемся с субъект-объектным единством измерительного прибора и изучаемой реальности.

Важно отметить, что это  обстоятельство не связано с несовершенством  измерительных приборов, а является следствием объективных, корпускулярно-волновых свойств микрообъектов. Как утверждал  физик М. Борн, волны и частицы — это только «проекции» физической реальности на экспериментальную ситуацию.

Два фундаментальных принципа квантовой физики — принцип соотношения  неопределенностей и принцип  дополнительности — указывают на то, что наука отказывается от описания только динамических закономерностей. Законы квантовой физики — статистические. Как пишет В.Гейзенберг, «в экспериментах  с атомными процессами мы имеем дело с вещами и фактами, которые столь  же реальны, сколь реальны любые  явления повседневной жизни. Но атомы  или элементарные частицы реальны  не в такой степени. Они образуют скорее мир тенденций или возможностей, чем мир вещей и фактов». В  дальнейшем квантовая теория стала  базой для ядерной физики, а  в 1928г. П.Дирак заложил основы релятивистской квантовой механики.

3. Механика. Основные законы классической механики.

Классическая механика - физическая теория, устанавливающая  законы движения макроскопических тел  со скоростями, значительно меньшими скорости света в вакууме.

Классическая механика подразделяется на:

- статику (которая рассматривает равновесие тел)

- кинематику (которая изучает геометрическое свойство движения без рассмотрения его причин)

- динамику (которая рассматривает движение тел).

Основу классической механики составляют три закона Ньютона:

Первый закон Ньютона  постулирует существование особых систем отсчета, называемых интерциальными, в которых любое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, пока на него не действуют силы со стороны других тел (закон инерции).

Второй закон Ньютона  утверждает, что в инерциальных системах отсчета ускорение любого тела пропорционально  сумме действующих на него сил  и обратно пропорционально массе тела (F = ma).

Третий закон Ньютона  гласит, что при взаимодействии любых  двух тел, они испытывают друг со стороны  друга силы, одинаковые по величине и противоположные по направлению (действие равно противодействию).

Чтобы на базе этих основных законов Ньтоновой механики рассчитывать движение физических тел, их необходимо дополнить описанием сил, возникающих между телами при различных способах взаимодействия. В современной физике рассматривается множество различных сил: гравитации, трения, давления, натяжения, Архимеда, подъемная сила, Кулона (электростатическая), Лоренца (магнитная) и др. Все эти силы зависят от взаимного расположения и скорости взаимодействующих тел.

Классическая механика — вид механики (раздела физики, изучающей законы изменения положений тел и причины, это вызывающие), основанный на 3 законах Ньютона и принципе относительности Галилея. Поэтому её часто называют «Ньютоновской механикой». Важное место в классической механике занимает существование инерциальных систем. Классическая механика подразделяется на статику (которая рассматривает равновесие тел) и динамику (которая рассматривает движение тел). Классическая механика дает очень точные результаты в рамках повседневного опыта. Но для систем, движущихся с большими скоростями, приближающимися к скорости света, более точные результаты дает релятивистская механика, для систем микроскопических размеров — квантовая механика, а для систем, обладающих обеими характеристиками — квантовая теория поля. Тем не менее, классическая механика сохраняет свое значение, поскольку она намного проще в понимании и использовании, чем остальные теории, и в обширном диапазоне она достаточно хорошо приближается к реальности. Классическую механику можно использовать для описания движения таких объектов, как волчок и бейсбольный мяч, многих астрономических объектов (таких, как планеты и галактики), и даже многих микроскопических объектов, таких как органические молекулы. Хотя классическая механика в общих чертах совместима с другими «классическими теориями», такими как классическая электродинамика и термодинамика, в конце 19 века были найдены несоответствия, которые удалось разрешить только в рамках более современных физических теорий. В частности, классическая электродинамика предсказывает, что скорость света постоянна для всех наблюдателей, что трудно совместить с классической механикой, и что привело к необходимости создания специальной теории относительности. При рассмотрении совместно с классической термодинамикой, классическая механика приводит к парадоксу Гиббса в котором невозможно точно определить величину энтропии и к ультрафиолетовой катастрофе, в которой абсолютно чёрное тело должно излучать бесконечное количество энергии. Попытки разрешить эти проблемы привели к развитию квантовой механики.