11800 (Концепция современного естествознания)

1. Эволюция научного метода и естественнонаучной картины мира

Тема 2-01-01. Научный метод познания

Методология

Свойства научного знания:

- объективность

- достоверность

- точность

- системность

Эмпирическое познание (происходит накопление эмпирического материала (научные факты, эмпирические обобщения), преобладает чувственное познание) и теоретическое познание (на этом уровне происходит выявление законов, преобладает рациональное познание. Формы теоретического знания: проблема, гипотеза, теория)

Методы научного познания:

- наблюдение (чувственное отражение явлений)

- измерение (определение количественных значений свойств объектов с помощью приборов)

- индукция (получение общего вывода на основе частных посылок)

- дедукция (получение частных выводов на основе общих положений)

- анализ (разделение объекта на части)

- синтез (соединение частей объекта, познание его в единстве и взаимосвязи частей)

- абстрагирование (мысленное отвлечение от несущественных свойств объекта)

- моделирование (изучение с помощью модели)

- эксперимент (активное, строго контролируемое воздействие исследователя на объект)

Гипотеза

Требования к научным гипотезам:

- соответствие эмпирическим фактам

- проверяемость (принципы верификации (эмпирическая подтверждаемость) и фальсификации (эмпирическая опровергаемость))

Научная теория (система законов, объясняющая явления в определенной области действительности)

Область применимости теории

Принцип соответствия (новая научная теория содержит в себе в качестве частного случая старую теорию, справедливость которой установлена экспериментально)

Тема 2-01-02. Естественнонаучная и гуманитарная культуры

Естествознание как комплекс наук о природе (естественных наук (физика, химия, биология, астрономия, география, геология, экология)

Дифференциация наук (разделение наук на отдельные дисциплины)

Интеграция наук (объединение наук)

Гуманитарные науки (науки об обществе и человеке)

Гуманитарно-художественная культура, её основные отличия от научно-технической:

- субъективность знания

- нестрогий образный язык

- интерес к индивидуальным свойствам изучаемых предметов

- сложность (или невозможность) верификации и фальсификации

Математика как язык естествознания

Псевдонаука как имитация научной деятельности (астрология, уфология, парапсихология, биоэнергетика)

Отличительные признаки псевдонауки:

- фрагментарность

- некритический подход к исходным данным

- невосприимчивость к критике

- отсутствие общих законов

- неверифицируемость и/или нефальсифицируемость псевдонаучных данных

Тема 2-01-03. Развитие научных исследовательских программ и картин мира (история естествознания, тенденции развития)

Научная (исследовательская) программа (серия сменяющих друг друга теорий, объединенных основополагающими принципами)

Древняя Греция: появление программы рационального объяснения мира

Принцип причинности в первоначальной форме (каждое событие имеет естественную причину) и его позднейшее уточнение (причина должна предшествовать следствию)

Атомистическая исследовательская программа Левкиппа и Демокрита: всё состоит из дискретных атомов; всё сводится к перемещению атомов в пустоте

Континуальная исследовательская программа Аристотеля: всё формируется из непрерывной бесконечно делимой материи, не оставляющей места пустоте

Взаимодополнительность атомистической и континуальной исследовательских программ

Научная (или натурфилософская) картина мира как образно-философское обобщение достижений естественных наук

Фундаментальные вопросы, на которые отвечает научная (или натурфилософская) картина мира:

- о материи

- о движении

- о взаимодействии

- о пространстве и времени

- о причинности, закономерности и случайности

- о космологии (общем устройстве и происхождении мира)

Натурфилософская картина мира Аристотеля (геоцентризм)

Научные картины мира: механическая (17 в.), электромагнитная (19 в.), неклассическая (1-я половина XX в.), современная эволюционная

Тема 2-01-04. Развитие представлений о материи

Фалес: проблема поиска первоначала (Фалес: первоначалом всего сущего является вода)

Абстракция материи (материя – объективная реальность)

Механическая картина мира: единственная форма материи – вещество, состоящее из дискретных корпускул

Материальная точка — основная абстракция классической механики (тело, обладающее массой, размерами которого в данной задаче можно пренебречь)

Атомно-молекулярное учение

Учение о составе — первый уровень научного химического знания

Учение о строении — второй уровень научного химического знания

Электромагнитная картина мира: две формы материи — вещество и непрерывное электромагнитное поле

Волна как распространяющееся возмущение физического поля

Длина волны

Спектр электромагнитных волн (по мере уменьшения длины волны: радиоволны, инфракрасное излучение, видимый свет, ультрафиолетовое излучение, рентгеновское излучение, гамма-излучение)

Эффект Доплера: зависимость измеряемой длины волны от взаимного движения наблюдателя и источника волн (если источник отдаляется от наблюдателя, то измеряемая длина волны увеличивается)

Современная научная картина мира: три формы материи — вещество, физическое поле, физический вакуум

Тема 2-01-05. Развитие представлений о движении

Гераклит: идея безостановочной изменчивости вещей

Учение Аристотеля о движении как атрибуте материи и разнообразии форм движения

Механическая картина мира: единственная форма движения — механическое перемещение

Описание механического движения материальной точки: координаты, скорость, траектория

Система отсчёта, её основные элементы: тело отсчета, система координат («линейка»), часы

Первый закон Ньютона (закон инерции): сохранение скорости тела в отсутствие воздействий на него

Второй закон Ньютона: воздействие на тело вызывает изменение его скорости (ускорение) F=ma

Электромагнитная картина мира: движение — не только перемещение зарядов, но и изменение поля (распространение волн)

Волновые процессы: интерференция и дифракция (огибание волнами препятствий)

Понятие состояния системы как совокупности данных, позволяющих предсказать её дальнейшее поведение

Движение как изменение состояния

Химическая форма движения: химический процесс

Учение о закономерностях химических процессов — третий уровень научного химического знания

Биологическая форма движения: процессы жизнедеятельности, эволюция живой природы

Эволюционная химия — четвёртый уровень научного химического знания

Современная научная картина мира: эволюция как универсальная форма движения материи

Многообразие форм движения, их качественные различия и несводимость друг к другу

Тема 2-01-06. Развитие представлений о взаимодействии

Представления Аристотеля о взаимодействии: одностороннее воздействие движущего на движимое; первоначальная форма концепции близкодействия (передача воздействия только через посредников, при непосредственном контакте)

Механическая картина мира:

- возникновение концепции взаимодействия (третий закон Ньютона) (F=-F действие равно противодействию)

- открытие фундаментального взаимодействия (закон всемирного тяготения)

- принятие концепции дальнодействия (мгновенной передачи взаимодействия через пустоту на любые расстояния)

Электромагнитная картина мира:

- открытие второго фундаментального взаимодействия (электромагнитное)

- возврат к концепции близкодействия (взаимодействие передаётся только через материального посредника — физическое поле — с конечной скоростью)

- полевой механизм передачи взаимодействий (заряд создаёт соответствующее поле, которое действует на соответствующие заряды)

Современная научная картина мира:

- четыре фундаментальных взаимодействия (по мере увеличения интенсивности: гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное), (гравитационное (самое слабое, в нем участвуют все частицы, распространяется сколь угодно далеко), электромагнитное (участвуют только заряженные частицы, распространяется сколь угодно далеко), сильное (образование атомных ядер из протонов и нейтронов, а также протонов и нейтронов из кварков, действует на коротком расстоянии, участвуют только адроны) и слабое (распады ядер, взаимопревращение элементарных частиц, действует на коротком расстоянии, участвуют все частицы))

- квантово-полевой механизм передачи взаимодействий (заряд испускает виртуальные частицы-переносчики соответствующего взаимодействия, поглощаемые другими аналогичными зарядами)

- частицы-переносчики фундаментальных взаимодействий (фотоны (электромагнитное), гравитоны (гравитационное), глюоны (сильное), промежуточные векторные бозоны (слабое))

- характеристики фундаментальных взаимодействий определяются свойствами частиц-переносчиков: масштабы, в которых эффективно фундаментальное взаимодействие, определяются массой его частиц-переносчиков и способностью его зарядов взаимно компенсироваться

Фундаментальные взаимодействия, преобладающие между объектами:

- микромира (сильное, слабое и электромагнитное)

- макромира (электромагнитное)

- мегамира (гравитационное)

Примеры объектов, стабильность которых обеспечивается конкретным видом взаимодействия:

- атом, молекула, вещество – электромагнитное

- планетные системы, галактики - гравитационное

- ядра атомов - сильное

Между звездами и планетами – гравитационное, между атомами, молекулами, между атомным ядром и оболочкой – электромагнитное; химическое движение имеет электромагнитную природу

2. Пространство, время, симметрия

Тема 2-02-01. Принципы симметрии, законы сохранения

Понятие симметрии в естествознании: инвариантность относительно тех или иных преобразований

Нарушенные (неполные симметрии)

Эволюция как цепочка нарушений симметрии

Простейшие симметрии:

- однородность (одинаковые свойства во всех точках)

- изотропность (одинаковые свойства во всех направлениях)

Симметрии пространства и времени (геометрические симметрии):

- однородность пространства

- однородность времени

- изотропность пространства

Анизотропность времени (времени необратимо)

Теорема Нётер как общее утверждение о взаимосвязи симметрий с законами сохранения

Закон сохранения энергии как следствие однородности времени

Закон сохранения импульса (количества поступательного движения) как следствие однородности пространства

Закон сохранения момента импульса (количества вращательного движения) как следствие изотропности пространства

Связь второго закона термодинамики (закона несохранения энтропии) с анизотропностью времени (закон возрастания энтропии определяет направление («стрелу») времени. Время необратимо)

Тема 2-02-02. Эволюция представлений о пространстве и времени

Понимание пространства и времени как инвариантных самостоятельных сущностей (пустота у древнегреческих атомистов; Абсолютные пространство и время Ньютона)

Понимание пространства и времени как системы отношений между материальными телами (пространство как категория места, время как мера движения у Аристотеля; изменение пространственных и временных промежутков при смене системы отсчёта у Эйнштейна)

Классический закон сложения скоростей как следствие ньютоновских представлений об Абсолютном пространстве и Абсолютном времени

Концепция мирового эфира

Нарушение классического закона сложения скоростей в опыте Майкельсона-Морли (эфирного ветра не существует, скорость света постоянна)

Современная научная картина мира:

- отказ от идеи Абсолютных пространства и времени, мирового эфира и других выделенных систем отсчета

- признание тесной взаимосвязи между пространством, временем, материей и её движением

Тема 2-02-03. Специальная теория относительности

Принцип относительности Галилея (законы механики инвариантны относительно смены системы отсчета)

Принцип относительности (первый постулат Эйнштейна): законы природы инвариантны относительно смены системы отсчёта