Природа у дзеркалі науки

Що вивчає природознавство? Чи можна пояснити природу засобами однієї науки? Яка роль математики в природничо-науковому пізнанні?

Урок-лекція

Що вивчає природознавство? Природознавство вивчає природу. Однак природний світ може бути предметом уваги не тільки вченого-природничників, а й письменника, художника, фотографа, та й взагалі будь-якої людини. Кожен може милуватися небом і заходом. Але професійний інтерес вченого-природничників відрізняється від погляду простого споглядача. Його, вченого, цікавить, чому небо блакитне, а захід червоний, а головне – які закони природи визначають небесну блакить і красу заходу.

Для натураліста природа – це первозданний світ, на який він дивиться під певним кутом зору, вважаючи цей світ природно впорядкованим і закономірним

У різний час слово «природа» розумілося по-різному. Приміром, англійський учений XVII в. Роберт Бойль писав: «Природу в цілому я називаю Космічним Механізмом, тобто сукупністю всіх механічних властивостей матеріальних тіл – форми, маси, руху і т. Д.».

Чи існують в природознавстві науки-лідери? Сучасне природознавство – система складна, неоднорідна і багатопланова. Традиційно виділяють деяку сукупність наук, що складають основу природознавства, їх класифікація знаходиться в постійній динаміці. До таких наук відносять фізику, астрономію, хімію, біологію, географію, геологію. Кожна з цих наук об’єднує безліч дисциплін. Так, фізика включає механіку, оптику, електродинаміку, квантову механіку. Крім цього, існує безліч наук, що виникли на стику різних дисциплін, наприклад астрофізика, фізична хімія, біохімія. Протягом довгого часу лідером природознавства вважалася фізика. Саме в ході розвитку фізики вироблялися і виробляються основні моделі світу і способи його пізнання. Своє пріоритетне становище в природознавстві фізика затвердила ще у XVIII ст., Багато в чому завдяки роботам І. Ньютона. Разом з тим універсальність методів фізики приводила до спроб звести теоретичний і емпіричний матеріал всіх природничих наук до фізичним законам. Такий підхід отримав назву «редукціонізм» (від лат. Reductio – повернення).

Сама по собі ідея редукціонізму має давнє коріння. Наприклад, Піфагор вважав, що в основі світобудови лежить гармонія чисел. Аристотель вважав, що світ подібний тварині організму. У XVII ст. Р. Декарт надихався ідеєю вистави організму у вигляді механічної машини. Ідея відома всіх природничих наук до механіки починаючи з XVII ст. отримує широке поширення. У XIX ст. роль механіки стала грати фізика, саме її почали сприймати як ідеал природної науки, до якого повинні прагнути і в підсумку бути зведені всі інші природно-наукові дисципліни.

Проте вже в XIX ст. деякі дослідники природи засумнівалися в принципової можливості редукувати хімію до фізики, а біологію зробити розділом фізики та хімії. Їх позицію в поетичній формі висловив І. Гете:

У всьому підслухати життя прагнучи,
Поспішають явленья обездушіть,
Забувши, що якщо в них порушити одушевляющее зв’язок,
Щось більше нічого і слухати.

Сьогодні більшість вчених приймають ідею виникнення нових властивостей у сукупності об’єктів, в результаті чого ціле набуває властивості, відсутні у його частин. Ця ідея є провідною ідеєю цілісного підходу

Розвиток науки другої половини двадцятого століття ознаменувався великими успіхами біології, яка стала претендувати на лідерство в природознавстві. Стало очевидним, що пізнання живого неможливо на основі редукції до фізико-хімічних закономірностям.

Загальна теорія систем в 40-х роках XX ст. була розроблена австрійським біологом Л. Барталанфі. Однак багато принципи системного підходу були описані в роботах вітчизняних вчених А. А. Богданова, В І. Вернадського та ін.

Успіхи біології були пов’язані не тільки з розвитком методів дослідження (наприклад, рентгеноструктурний аналіз привів до відкриття структури ДНК), але і з новим методом пізнання – системним підходом. Цей метод заснований на розгляді будь-яких об’єктів природи як ієрархічно (від нижчих до вищих) організованих систем. Наприклад, природні системи (організм, екосистема, ландшафт), технічні системи (години, комп’ютер, ракета), соціальні системи (система освіти, охорони здоров’я). Поняття «система» широко використовується і в конкретних науках (коренева система, система рівнянь, дихальна система).

Чому поняття «система» можна використовувати при вивченні настільки різних об’єктів або явищ? Розглянемо властивості систем.

Основна ознака, властивий будь-якій системі, – її цілісність. Це означає, що система володіє певним властивістю, якої не має будь-яка окрема частина цієї системи (елемент, ланка, деталь).

Система складається з окремих частин, проте купа деталей (наприклад, годинниковий механізм) ще не є системою. Система повинна мати внутрішню впорядкованість – структуру, яка має на увазі взаємодію компонентів. У біологічних системах виникає єдність внутрішньої структури та функціонування саме завдяки організованості цієї взаємодії, з’являється якісно новий об’єкт, т. Е. Система, здатна виконувати нову функцію (саморегуляцію процесів життєдіяльності).

Математизація природничих наук. Специфічна особливість наукових досліджень в області природознавства полягає в широкому використанні математики. Математика служить і засобом пізнання, і мовою природничих наук (і не тільки природних). Особливість математики полягає в тому, що вона аналізує певні співвідношення в якій-небудь системі об’єктів, абстрагуючись від природи самої системи та об’єктів, т. Е. Вибудовує математичну модель.

Як видно на малюнку, в результаті процесу утворюються трьох (іноді дві) нових нейтрона, які, стикаючись з іншими ядрами урану, в свою чергу, можуть викликати розподіл їх ядер. Припустимо, що такий поділ відбувається через час Δt після утворення цих нейтронів. Спробуємо обчислити, як з часом буде зростати число розділилися ядер. Ваших математичних знань вистачить для вирішення цього завдання. Якщо в момент часу t = 0 число розділилися ядер N0, то через час Δt їх число потроїться, через час 2Δt відбудеться ще одне потроєння і т. Д. Утворюється відома вам геометрична прогресія: через час nΔt число розділилися ядер буде 3nN0, т. Е . через час t = nΔt з початку розподілу число ядер буде визначатися виразом N (t) = 3t / ΔtN0, Такий закон зростання з часом носить вибуховий характер, тому відповідна ядерна реакція протікає як вибух і реалізується в атомній бомбі.

Аналогічні процеси відбуваються і в живій природі. Уявіть собі абстрактну популяцію тварин. Припустимо, що тварина даного виду досягає статевої зрілості через час Δt після народження, після чого кожна пара тварин дає потомство з шести дитинчат. Припустимо, що час життя тварини після народження дитинчати багато менше величини Δt і що у тварин достатньо корму і немає ворогів. Спробуйте обчислити, з якою швидкістю зростає число тварин з часом. Ви отримаєте абсолютно ті ж самі результати, що й при поділі ядер урану. (Природно, що час Δt в даному випадку у багато разів більше, ніж у попередній задачі.) Звичайно, зростання реальної популяції з часом визначається більш складними законами, однак у ряді випадків це зростання носить вибуховий характер, подібний ядерному вибуху (див. § 34 ).

Таким чином, абсолютно різні за природою об’єкти (до розглянутих вище прикладів можна додати хімічну систему, в якій реалізується хімічна вибухова реакція) описуються однаковими математичними рівняннями. Звідси створюється враження, що математичні рівняння, за висловом Г. Герца, мудрішими, ніж ми.

Математика дає природознавству величезна різноманітність абстрактних структур і методів, які самі по собі не пов’язані з реальністю. Природознавство ж вибирає і використовує тільки ті з них, які осмислені з його позицій. Зверненню до математичному апарату повинен передувати детальний аналіз можливостей його використання в даній області.

Природознавство – це система експериментальних наук, що мають спільні об’єкти вивчення і методи їх дослідження. Природознавство використовує математичні методи дослідження в якості мови опису, моделювання і прогнозування різних явищ. Роль математичних методів в природознавстві залежить від специфіки конкретної наукової області.

Вирішіть задачу про зростання числа тварин в популяції за умови, що після народження дитинчат тварини живуть стільки ж років, скільки й до народження, але вже не народжуючи нових дитинчат.
Чи згодні ви з твердженням, що наука почалася, коли людина перейшла від читання і коментування стародавніх авторів, наприклад Аристотеля, до вивчення живої природи?

Посилання на основну публікацію