Семинар 1. МЕТОД НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ.

Е.В. Иванова

КОНЦЕПЦИИ

СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)

Е.В. Иванова

 

 

Концепции современного естествознания

 

Учебно-методическое пособие

Омск

Издательство СибАДИ

2005

 

УДК 5

ББК 2

И 20

 

 

Рецензенты

д-р техн. наук, проф. В.И. Суриков,

канд. хим. наук, доц. Э.Ф. Зорина

 

 

       Работа одобрена редакционно-издательским советом академии в качестве учебно-методического пособия для студентов специальностей 010502 – Прикладная информатика в экономике и 220501 – Управление качеством.

 

 

       Иванова Е.В. Концепции современного естествознания: Учебно-методическое пособие.-Омск: Изд-во СибАДИ, 2005.-79с.

 

 

       Учебное пособие включает в себя 10 семинарских занятий по курсу «Концепции современного естествознания». Для каждого занятия разработан план, содержащий основные вопросы излагаемой темы, приводятся список рекомендуемой литературы, темы рефератов, словарь терминов. Для контроля знаний предлагаются варианты самостоятельных работ, которые охватывают тематику наиболее значимых семинарских занятий.

        

 

       Табл. 1. Ил. 3. Библиогр.: 86 назв.

 

ISBN 5-93204-228-1                                                                  © Е.В. Иванова, 2005

                                                                                         © Издательство СибАДИ, 2005

Оглавление

Введение......................................................................................................…. 3

Семинар 1. Метод научного познания. Физика и картина мира............…..4

Семинар 2. Философские проблемы пространства и времени. Исходные

                модели материальных объектов……………………………..11

Семинар 3. Классическая физика и законы Ньютона в общей

              системе знаний. Механическая картина мира.........................15

Семинар 4. Законы сохранения в современной физике..............................18

Семинар 5. Порядок и беспорядок в природе. Динамические и     статистические закономерности. Энтропия.............................22

Семинар 6. Вещество и поле......................................................…........…....26

Семинар 7. Элементы квантовой механики. Квантово-полевая картина

              мира..............................................................................................29

Семинар 8. Строение и эволюция звезд и планет. Солнечная система.

              Строение и эволюция Земли…………………………………..33

Семинар 9. Специфика живого. Концепции эволюции в биологии.

              Человек…………………………………………………………39

Семинар 10. Современные методы исследования структуры

              вещества и физические основы высоких технологий…....….43

Тесты к семинарским занятиям…………………………………………….48

          Самостоятельная работа № 1…………………………………..48

          Самостоятельная работа № 2…………………………………..49

          Самостоятельная работа № 3…………………………………..50

          Самостоятельная работа № 4…………………………………..52

          Самостоятельная работа № 5…………………………………..54

          Самостоятельная работа № 6…………………………………..55

Темы рефератов.....................................................................…............…......57

Великие открытия в физике, отмеченные нобелевскими премиями…….59

Словарь терминов……………………………………………………...……61

Библиографический список…………..............................................….........75

 

Введение

    «Концепции современного естествознания» - новая дисциплина в программе высшего образования. В наши дни ни один человек не может считаться образованным, если он не проявляет интереса к естественным наукам. Итак, для чего же нужно изучать современное естествознание? Во-первых, для того, чтобы стать культурным человеком, надо знать, что такое теория относительности, генетика, синергетика, экология и другие науки. Во-вторых, это важно и потому, что многое в нашей жизни строится в соответствии с научной методологией. В-третьих, потому, что знания, необходимые любому специалисту, так или иначе связаны и в какой-то степени основаны на научных данных.

    Результатами научных исследований являются теории, законы, гипотезы, эмпирические обобщения. Все эти понятия, каждое из которых имеет свое определенное значение, можно объединить одним словом - «концепции». Естествознание в современном понимании – это совокупность наук о природе как системе тел, находящихся во взаимной связи, взаимодействии, движении. Развитие естествознания шло от непосредственного созерцания природы, через расчленение знаний и анализ внутри отдельных научных дисциплин к синтезу наук, к воссозданию картины мира. С ХVIII в. роль науки в обществе стала резко изменяться. Научные открытия ускорили развитие техники и технологий, требовавших, в свою очередь, новых открытий. Таким образом, наука превратилась в производительную силу, в корне изменила жизнь человеческого общества.

    Человечество, стремясь как можно быстрее получить максимальную выгоду от результатов научных исследований, явно недооценивает роль глобальных проблем, но решение даже такого вопроса, как прогнозирование развития Вселенной поможет лучше обозначить место человека в этом мире.

    Для более четкой организации работы по подготовке к каждому семинару разработаны рекомендации, в которых указаны основные вопросы, а также приведен библиографический список.

Для систематического контроля знаний студентов предлагается несколько вариантов самостоятельных работ, которые составлены в виде тестов. Проверку знаний по тестам можно проводить как отдельное занятие – в виде промежуточной контрольной работы.

    Одним из видов самостоятельной работы является подготовка реферата по одной из тем, предлагаемых в конце пособия. В реферате должны быть представлены: 1) план; 2) излагаемый материал; 3) список используемой литературы. Реферат оформляется согласно правилам оформления письменных работ в СибАДИ.

 

Семинар 1. МЕТОД НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ.

ФИЗИКА И КАРТИНА МИРА

    Термин «естествознание» означает знание о природе, природоведение. Естествознание как совокупность наук о природе выросло из натурфилософии, рассматривающей природу как единое целое. Постепенно чисто умозрительное описание природы стало вытесняться экспериментальным изучением ее законов, и выделилась отдельная наука - физика, изучающая наиболее простые и общие свойства материального мира. Законы физики являются обобщением многих опытов, они универсальны не только на Земле, но и во всей Вселенной, отражая материальное единство мира. Поэтому законы физики лежат в основе всех других областей естествознания. Границы между физикой и другими науками, характеризующимися своим предметом и методами исследования, весьма условны. В настоящее время помимо физики, химии, биологии в естествознание входят астрономия, генетика, цитология, электроника и т.п. Часто в естествознание стали включать и психологию, опирающуюся на достижения физиологии и одновременно лежащую на границе с гуманитарными науками. Естествознание не является совокупностью отдельных дисциплин, в отличие от специальных наук оно исследует природу как единое целое с целью выявления ее законов в общей естественно-научной позиции.

    Целью естествознания в конечном счете является попытка решения так называемых «мировых загадок», сформулированных еще в конце XIX века Э. Геккелем и Э.Г. Дюбуа-Реймоном. Эти «загадки» приведены на рис. 1.

 

Сущность материи и силы		Происхождение жизни		Возникновение ощущения и сознания
Происхождение движения		Целесообразность природы		Возникновение мышления и речи
				Свобода воли
↓ ФИЗИКА		↓ БИОЛОГИЯ		↓ ПСИХОЛОГИЯ

 

Рис. 1. Мировые загадки естествознания

 

Метод научного познания. ХХ век – это век науки. Ее авторитет в обществе прочен и устойчив. Существует немало видов знаний, источником которых является практический жизненный опыт, эстетическое впечатление и т.д. Знание, добываемое наукой, намного превосходит остальные виды своей полнотой, убедительностью, чисто практическими силой и пользой. Как это происходит? Прежде всего за счет метода, которым оно добывается, а также при помощи особого способа его организации и построения.

    Сущность научного метода можно представить очень просто – это такая процедура получения научного знания, которая позволяет его воспроизвести, проверить и передать другим.

    Основными элементами научного знания являются:

    1) твердо установленные факты;

    2) закономерности, обобщающие группы фактов;

    3) теории, как правило, представляющие собой знания системы закономерностей, в совокупности описывающих некий фрагмент реальности; 4) научные картины мира, рисующие обобщенные образы реальности, в которых сведены в некое системное единство все теории, допускающие взаимное согласование.

    Наука тем и выделяется из других форм общественного сознания, что в ней методы получения нового знания стали предметом самостоятельного анализа и открытого обсуждения.

    Методы научного познания включают в себя так называемые всеобщие методы, т.е. методы общечеловеческого мышления, общенаучные методы, и методы конкретных наук. Методы могут быть классифицированы по соотношению эмпирического знания (т.е. знания, полученного в результате опыта, опытного знания) и знания теоретического, суть которого – познание сущности явлений, их внутренних связей.

    Всеобщих методов в истории познания два: диалектический и метафизический. Диалектический метод – это метод познания действительности в ее противоречивости, целостности и развитии. Метафизический метод – метод, противоположный диалектическому, рассматривающий явления вне их взаимной связи и развития.

    К общенаучным методам относятся: анализ, синтез, обобщение, абстрагирование, индукция, дедукция, аналогия, моделирование, классификация.

    К формам научного знания относят проблемы, научные факты, гипотезы, теории, идеи, принципы, категории и законы.

    В настоящее время стандартная модель строения научного знания выглядит примерно таким образом. Познание начинается с установления путем наблюдения или экспериментов различных фактов. Если среди этих фактов обнаруживается некая регулярность, повторяемость, то в принципе можно утверждать, что найден эмпирический закон, первичное эмпирическое обобщение. Далее, как правило, находятся такие факты, которые не встраиваются в обнаруженную регулярность. Тут на помощь призывается творческий интеллект ученого, его умение мысленно перестроить известную реальность так, чтобы выпадающие из общего ряда факты вписались, наконец, в некую единую схему и перестали противоречить найденной эмпирической закономерности.

    Обнаружить новую схему наблюдения нельзя, ее нужно сотворить умозрительно, представив первоначально в виде теоретической гипотезы. Если гипотеза удачна и снимает найденное между фактами противоречие, а еще лучше позволяет предсказывать получение новых, нетривиальных фактов, это значит, что родилась новая теория, найден теоретический закон.

    Что такое наука? Характерные черты науки. Человек всегда находился и находится во взаимосвязи с окружающей средой. Она является объектом его познания. Развитие науки о природе, открытие закономерностей природы было связано с обобщением человеческой материальной практики. Хорошо известно, что общественная практика есть исходный пункт, цель и критерий человеческого познания.

    Всякая наука сама по себе представляет прежде всего определенную систему идей, понятий, категорий и законов, которые более или менее адекватно отражают действительность, дают достоверные знания о существующем вне и независимы от познающего субъекта в объективном мире.

    Наука – это многофункциональное явление, которое следует рассматривать в единстве следующих компонент:

    1) отрасль культуры;

    2) способ познания окружающей действительности;

    3) специальная система знаний.

    Наука обладает характерными (специфическими) чертами. Перечислим их.

    1. Универсальность – обобщение истинного знания при тех условиях, при которых оно получено человеком.

    2. Фрагментарность – изучение отдельных фрагментов реальности. Каждая наука как таковая есть определенная «проекция на мир», высвечивающая области, представляющие интерес для ученых в данный момент.

    3. Общая значимость – знания, получаемые в науке, пригодны для всех людей.

    4. Наука обезличена – индивидуальные особенности ученого, его национальные признаки никак не представлены в конечных итогах научного познания.

    5. Систематичность – наука обладает определенной структурой.

    6. Незавершенность – в том смысле, что хотя научное знание безгранично растет, оно все-таки не может достичь абсолютной истины.

    7. Преемственность – новые знания определенным образом и по определенным правилам соотносятся со старыми знаниями.

    8. Критичность – наука всегда готова поставить под сомнение и пересмотреть свои даже самые основополагающие результаты.

    9. Достоверность – выводы науки требуют, допускают и проходят проверку по отдельным, сформулированным в ней, правилам.

    10. Наука внеморальна – научные истины нейтральны в морально-этическом плане, а нравственные оценки могут относиться либо к деятельности по получению знания, либо к деятельности по его применению.

    11. Рациональность – знание получено на основе рациональных процедур и законов логики.

    12. Чувственность – результаты науки требуют эмпирической проверки с использованием восприятия, и только после этого признаются достоверными.

    Эти свойства науки образуют шесть диалектических пар, соотносящихся друг с другом: универсальность – фрагментарность, общезначимость – обезличенность, систематичность – незавершенность, преемственность – критичность, достоверность – внеморальность, рациональность – чувственность.

    Кроме того, для науки характерны свои особые методы и структура исследований, язык, аппаратура. Всем этим и определяется специфика научного исследования и знание науки.

    В процессе развития познания идет как дифференциация науки на отдельные, изучающие наиболее глубоко частные вопросы многогранной действительности, так и процесс объединения данных, получаемых этими науками, в единую научную картину мира, отражающую общие закономерности развития материальной действительности.

    Все естественные науки имеют между собой то общее, что они изучают различные стороны единого материального мира. Отсюда следует, что эти науки, наряду со специфическими методами познания, должны пользоваться самыми общими теоретическими и методологическими положениями, адекватно отражающими самые общие свойства материи, находятся в состоянии вечного изменения, движения. Философия как наука о наиболее общих законах развития природы, общества и мышления является единственно научной методологией всех естественных наук.

    Физика как наука. Физика, как и все естествознание, играет важную роль в жизни общества, оказывает влияние на развитие техники, и в то же время собственное развитие физики находится в прямой зависимости от потребностей общественного производства, условий развития техники и от мировоззрения ее создателей.

    Физика – это наука о природе, она изучает простейшие материальные структуры – элементарные частицы, атомы, молекулы, тела, поля, системы тел и полей, их строение, взаимодействие и движение. Физика как наука может быть теоретической и экспериментальной. Предметом теоретической физики являются математические модели, заменяющие реальные физические объекты. Метод теоретической физики представляет собой математический анализ этих моделей. Предметом экспериментальной физики является исследование объектов и явлений материального мира, для этого ставится специальный научный эксперимент, в ходе которого целенаправленно изучается явление природы, материальный объект, в строго учитываемых условиях. Практика выдвигает множество задач, решение которых не содержится в накопленных эмпирических фактах, хотя их весьма много и они разнообразны. Теория же (потенциально) содержит ответ на любую задачу, которая относится к области ее применения. На рис. 2 представлена общая структура физических теорий.

Объективной основой взаимосвязи диалектического материализма и физики, как и всего естествознания, является материальное единство общего и отдельного в развитии материи, общих и частных законов.

                                                                                             

ВЫВОДЫ	Предсказания новых явлений	Объяснение известных фактов	Решение конкретных задач
		¯
ЯДРО	Принципы симметрии и инвариантности     Совокупность законов сохранения	Система законов (уравнений), определяющая связи и изменения фундаментальных физических величин	Законы связи новых и старых теорий   Мировые постоянные
		¯
ОСНОВАНИЕ	Правила действия над физическими величинами	Система фундаментальных понятий и физических величин. Идеализированный объект – модель материального объекта. Эмпирический базис. Эмпирические факты	Правила соотнесения физических величин с опытом

 

Рис. 2. Структура физических теорий

 

Концепции физической картины мира.  Множество теорий, в совокупности описывающих известный человеку природный мир, синтезируются в единую картину мира. Физическая картина мира – это стройная система физических теорий, дающая представление о сущности физических явлений.  Это целостная система представлений об общих принципах и законах устройства мироздания, но в процессе получения нового знания о природе возможно изменение отдельных принципов, методов или теорий, которые в конечном итоге приводят к смене научной картины мира. Такая ситуация в науке называется естественно-научной революцией.

Революции в естествознании – одна из самых актуальных философских проблем. Задача исследования этой области состоит в реконструкции истории науки, выявлении роли и механизмов революционных фаз в научном прогрессе. Понимание этих механизмов позволяет в какой-то мере прогнозировать возможные пути революционных научных преобразований и тем самым содействовать нахождению обоснованных стратегий научного поиска, выбору наиболее эффективных средств и методов исследования, более объективному подходу к оценке принципиально новых результатов, получаемых при революционных переворотах в естествознании или отдельных его областях. Обычно выделяют три основные черты естественно-научных революций:

1) крушение и отбрасывание неверных идей, ранее господствующих в науке;

2) быстрое расширение наших знаний о природе, исследование новых областей, ранее недоступных для познания;

3) открытие новых фактов и радикально новых теоретических следствий из них.

Другими словами, революция совершается в сфере теорий, понятий, принципов, законов науки, формулировки которых подвергаются коренной ломке.

Среди естественно-научных революций можно выделить следующие типы:

1) глобальные, охватывающие все естествознание и вызывающие появление не только принципиально новых представлений в мире, нового видения мира, но и нового логического строя науки, нового способа и стиля мышления;

2) локальные – в отдельных фундаментальных науках, при них наблюдаются коренные изменения в этих науках, они приводят к преобразованию их основ, но не вызывают перестройки всего естественно-научного знания, а связаны с распространением на данную науку способа мышления, созданного в ходе глобальной революции.

Четко и однозначно фиксируемых радикальных смен научных картин мира или научных революций в истории развития науки вообще и естествознания в частности можно выделить три. Если их персонифицировать по именам ученых, сыгравших заметную роль, то научные революции должны именоваться: аристотелевской, ньютоновской и эйнштейновской.

Античная научная картина мира (АНКМ), VI – VI вв. до н.э. В основе этой теории лежит учение Демокрита (автор анатомической теории), Эпикура, Аристотеля (создал формальную логику – учение о доказательстве). Важнейшим фрагментом АНКМ стало последовательное геоцентрическое учение о мировых сферах (сейчас мы знаем, что эта теория была неверна).

Вторая глобальная научная революция пришлась на XVI – XVIII вв. Ее исходным пунктом считается переход от геоцентрической модели мира к гелиоцентрической. В этот период происходит становление классического естествознания. Классиками-первопроходцами признаны: Н. Коперник, Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон. Основной итог этой научной революции – создана механистическая научная картина мира на базе экспериментально-математического естествознания.

Бурное развитие физики в начале ХХ века привело к необходимости создания новой картины мира - квантово-полевой, которая основывается на корпускулярно-волновой концепции строения материи. Но это не значит, что процесс познания закончен. Идеи и факты накапливаются ежедневно. Естествознание, развиваясь, приближается к решению этих загадок, но возникают новые вопросы, и процесс познания бесконечен.

 

Контрольные вопросы

    1.Методы научного познания: а) эмпирические; б) теоретические.

    2.Формы научного знания.

    3.Методология физики как науки. Теоретическая и экспериментальная физика. Предмет и метод теоретической физики.

    4.Критерии истинности научного знания.

    5.Дайте понятие картины мира и приведите примеры из истории науки. Является ли физика точной наукой?

    6.Перечислите и дайте краткую характеристику глобальным естественно-научным картинам мира.

7.Опишите процесс научного познания.