<< Пред.           стр. 3 (из 15)           След. >>

Список литературы по разделу

  2. Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, не погружается целиком и некоторая его часть остается над поверхностью жидкости.
  3. Тело, более легкое, чем жидкость, будучи опущено в эту жидкость, погружается настолько, чтобы объем жидкости, соответствующий погруженной части тела, имел вес, равный весу всего тела.
  4. Тело, более легкое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость силою, будет выталкиваться вверх с силой, равной тому весу, на который жидкость, имеющая равный объем с телом, будет тяжелее этого тела.
  5. Тело, более тяжелое, чем жидкость, опущенное в эту жидкость, будет погружаться, пока не дойдет до самого низа, и в жидкости станет легче на величину веса жидкости в объеме, равном объему погруженного тела.
  В более кратком виде закон Архимеда формулируется следующим образом:
  * на всякое тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, направленная вверх и равная весу вытесненной им жидкости.
  Данный закон оказался справедливым и для газа. Одним из первых случаев практического применения данного закона была проверка состава короны, изготовленной для сиракузского царя Гиерона. На основе того, что короной вытеснялось большее количество воды, чем золотым слитком Архимед установил, что корона состоит не из чистого золота, а из сплава17.
  2.2.4. Становление астрономии
  Гиппарх из Никеи (190 - 125 гг. до н. э.) выдающийся древнегреческий астроном, которому также часто приписывают реформирование астрологии. Вёл первые систематические астрономические наблюдения. Наблюдение новой звезды (134 г. до н. э.) побудило его к созданию звёздного каталога, который был использован впоследствии Птолемеем. Этот каталог содержит положения 850 звёзд, разделённых по степени яркости на 6 звёздных величин. Путём сравнения найденных им точек расположения звёзд с теми, которые были обозначены в других каталогах, Гиппарх открыл явление прецессии равноденствий.
  Он исследовал видимое движение Солнца и Луны и составил таблицы этого движения. Рассчитал аномалии солнечного движения и объяснил их тем, что Солнце проходит эксцентрический путь вокруг Земли. Он также вычислил с большой точностью наклонение эклиптики; определил с ошибкой менее 5% расстояние от Земли до Луны и неточно - от Земли до Солнца; вычислил продолжительность тропического года как равную 365 суткам 5 ч 55 мин (истинная продолжительность - 365 суток 5 ч 48 мин 46 с) и продолжительность синодического месяца, получив значение 29 суток 12 ч 44 мин 2.5 с, которая лишь на 1 с меньше истинного; разработал теорию затмений; ввёл географические координаты - широту и долготу; заложил основы тригонометрии, в частности, разделив окружность на 360°, поделённых, в свою очередь, на минуты и секунды; изобрёл новые инструменты. Он повысил точность наблюдений, применив крест нитей для наведения на светило в угломерных инструментах - секстантах и квадрантах. Сочинения Гиппарха до нас не дошли, кроме комментариев к астрологической поэме Арата. Сведения о работах Гиппарха приведены в сочинении К. Птолемея "Альмагест".
  Гиппарха называют отцом научной астрономии. Большинство своих исследований он провел в Александрийской обсерватории, построенной на острове Самос. Гиппарх первым установил наклон плоскости лунной орбиты к плоскости эклиптики - примерно 5°. Он же открыл, что Узлы Луны непрерывно перемещаются с востока на запад, совершая полный оборот за 18.6 лет. Также он обнаружил, что линия апсид лунной орбиты подвижна и полный оборот совершает за 8.85 г. (цикл Лилит).
  Гиппарх и другие астрономы древности уделяли много внимания наблюдениям движений планет. Наблюдаемое с Земли движение планет довольно сложно: скорость планеты то увеличивается, то уменьшается, временами она и вовсе останавливается, после чего начинает двигаться в обратном направлении. При этом планета иногда описывает на небе петли. Эта сложность, как сейчас мы знаем, является результатом того, что наблюдения ведутся с Земли, которая сама обращается вокруг Солнца.
  Гиппарх же, считавший Землю неподвижной, полагал наблюдаемое движение планет реальными. В объяснении движения планет он следовал теории эпициклов. Теория эпициклов давала с известным приближением чисто формальное, геометрическое представление о движении планет18.
  Первая гелиоцентрическая система. Современникам Аристотеля уже было известно, что планета Марс в противостоянии, а также Венера во время попятного движения значительно ярче, чем в другие моменты. По теории сфер они должны были бы оставаться всегда на одинаковом расстоянии от Земли. Именно поэтому тогда возникали и другие представления о строении мира.
  Так, Гераклит Понтийский (388 - 315 гг. до н. э.) предполагал, что Земля движется "...вращательно, около своей оси, наподобие колеса, с запада на восток вокруг собственного центра". Он высказал также мысль, что орбиты Венеры и Меркурия являются окружностями, в центре которых находится Солнце. Вместе с Солнцем эти планеты будто бы и обращаются вокруг Земли.
  Еще более смелых взглядов придерживался Аристарх Самосский (ок. 320 до н. э., Самос, Греция - 250 до н. э., Александрия, Египет). Архимед в своем сочинении "Псаммит" ("Исчисление песчинок"), обращаясь к Гиерону Сиракузскому, писал о взглядах Аристарха так:
  "Ты знаешь, что по представлению некоторых астрономов мир имеет форму шара, центр которого совпадает с центром Земли, а радиус равен длине прямой, соединяющей центры Земли и Солнца. Но Аристарх Самосский в своих "Предложениях", написанных им против астрономов, отвергая это представление, приходит к заключению, что мир больших размеров, чем только что указано. Он полагает, что неподвижные звезды и Солнце не меняют своего места в пространстве, что Земля движется по окружности вокруг Солнца, находящегося в его центре, и что центр сферы неподвижных звезд совпадает с центром Солнца, а размер этой сферы таков, что окружность, описываемая по его предположению, Землей, находится к расстоянию неподвижных звезд в таком же отношении, в каком центр шара находится к его поверхности".
  Таким образом, примерно за полторы тысячи лет до Николая Коперника Аристарх Самосский развил идею гелиоцентризма на основе космологических вычислений. Он пытался установить основные параметры Солнечной системы. В частности вычислить, во сколько раз Солнце отстоит дальше от Земли, чем Луна, во сколько раз диаметр Солнца больше диаметра Луны, во сколько раз радиус лунной орбиты больше радиуса Луны, во сколько раз диаметр Земли больше диаметра Луны и т. д. При проведении наблюдений Аристарх допустил грубые ошибки. Но они носили количественный характер и не отменяли его гелиоцентрические выводы.
  В сохранившемся сочинении Аристарха "О величине и расстоянии Солнца и Луны" даётся остроумный способ определения расстояния от Солнца и Луны до Земли посредством угла, составленного линиями зрения от глаза к Солнцу и Луне в тот момент, когда она наполовину освещена. Исходя из полученных данных, Аристарх, без применения тригонометрических функций установил, что расстояние от Солнца до Земли в 19 раз больше (вместо 370), чем расстояние от Луны до Земли, и что диаметр Солнца в 6.75 раз (вместо 109) больше земного19.
  Евктемон - древнегреческий астроном V в. до н. э. Жил и работал в Афинах. Евктемон - первый астроном, введший тропическое деление Зодиака. Основываясь на наблюдениях летнего солнцестояния в 432 г. до н. э., он опубликовал парапегму, т.е. звёздный календарь, в котором были отмечены равноденствия и солнцестояния, годовые восходы и заходы неподвижных звезд, и соответствующие погодные указания. Он разделил солнечный год на 12 "месяцев", определяемых 12 знаками Зодиака.
  Солнечный год Евктемона начинался с летнего солнцестояния. Первые пять "месяцев" имели по 31 дню каждый, следующие семь - по 30 дней. Следовательно, он полагал, что Солнце проходит одну часть Зодиака с постоянной скоростью 30° за 31 день, а оставшуюся часть - со скоростью 30° за 30 дней.
  Птолемеева система мира - геоцентрическая система мира, в которой планеты располагаются по мере удаления от Земли в следующем порядке: Луна, Меркурий, Венера, Солнце, Марс, Юпитер, Сатурн. Для объяснения видимого движения планет Птолемей разработал теорию деферентов и эпициклов, подробно изложенную в работе "Альмагест". Схема Птолемея - один из первых образцов теоретической организации естественнонаучного знания. В основу его теории положена кинематическая модель, объяснявшая иррегулярности в движениях планет. Эта модель позволяла с применением тригонометрии предсказывать положение небесного тела в любой момент, в то время как астрономы Древнего Египта и Вавилона не строили математических моделей космоса и предсказывали положение небесных тел на основе арифметических операций. Модель Птолемея была свободна от произвольных теоретических конструкций, характерных для аристотелевской модели, которая включала "перводвигатель", более 50 вещественных сфер и т. п20.
  2.3. Значение арабской системы знаний
  в истории естествознания21
  Физические достижения арабского средневековья. ( Разум - орудие постижения истины. ( Механика и оптика: Ал-Бируни, Ибн Рушд, Авиценна, Ал-Фараби, Ал-Кинди ( Астрономия арабо-мусульманского средневековья: астрономия "народная" и математическая. (Ал-Бируни, Ал-Фараби.
 
  Внутренние (непроизводительный рабский труд, презрение свободных граждан к труду, восстание рабов) и внешние (нашествие варваров) причины привели к распаду Римское государство. Античная цивилизация погибла, многие культурные и научные достижения были утрачены. Как организованная сила сохранилось христианская церковь, сумевшая быстро приспособиться к происшедшим изменениям. Постепенно создавались школы, колледжи, университеты, попавшие под влияние церкви.
  В это время на Аравийском полуострове на основе ислама было создано сильное арабское государство, быстро завоевавшее Иран, Египет, страны Среднего Востока, юг Пиренейского полуострова. Поскольку основной задачей арабов было совершенствование военного дела, сбор даней и разнообразных податей, то производством, торговлей занимались представители коренных народов. И хотя арабский язык стал государственным языком, завоеватели сохраняли культуру завоеванных народов. На арабский язык были переведены труды античных авторов.
  Стали создаваться университеты в Кордове (755 г.), Багдаде (795 г.), Каире (972). Таким образом, арабы в VII- XI вв. были звеном, связывающим восточную и западную культуру. Многие труды античных авторов на латинский язык переводились с арабского языка. Тот факт, что в качестве языка культурного общения на Арабском Востоке использовался живой разговорный язык, а не мертвый латинский (как в Европе), был важным культурным фактором. На Арабском Востоке могли развиваться научные представления, в основе которых лежало научное наследие античности. Начавшись с комментариев трудов античных авторов (прежде всего в области механики и оптики), физические учения приобретали самостоятельный вид. Наиболее значительными фигурами среди арабских ученых были Ибн Сина, Ал-Бируни и Ибн Рушд.
  На протяжении 350 лет с 750 до 1100 г. - мусульманские учёные не имели себе равных в мире. В этот период учёные - мусульмане занимали ведущие позиции в области естественных, точных и общественных наук. В Европу научная культура мусульманского мира проникла через Испанию и Сицилию. В следующие 250 лет учёные Запада догнали своих исламских коллег. С возникновением могущественных мусульманских империй (Османы в Турции, Сефевиды в Иране, Великие Моголы в Индии) развитие науки в некогда блистательном мире ислама было заторможено. В 1485 г. султан Баязид II ввёл запрет на выпуск и распространение любой печатной продукции. В 1515 г. его преемник Селим I последовал тому же примеру. Первая типография, выпускавшая издания на турецком и арабском языке, была организована в Стамбуле турком Саидом Эфенди лишь в 1728 г.
  2.3.1. Физические достижения арабского средневековья22
  Перечень физических достижений арабского средневековья можно начать с того, что, например, Ал-Бируни изобрел "конический прибор", позволявший определять плотность металлов и других веществ, причем с весьма высокой точностью. Ибн Рушд, известный в Европе под именем Аверроэс, дал комментарий к "Физике" Аристотеля. В античной механике проблемы различия между кинематикой и динамикой не существовало. В античной механике математической формулировки скорости движения не было, ибо само представление о возможности количественной оценки качественной определенности отсутствовало (Аристотель эти категории считал принципиально различными). Одни интерпретаторы Аристотеля полагали, что движение надо рассматривать лишь как чистое перемещение. Ибн Рушд настаивал на необходимости описывать движение с учетом вызвавших его причин.
  В области физических учений Ибн Сины (980-1037), которого в Европе называли Авиценной, следует выделить проблему движения брошенного тела. По данной проблеме он разработал собственную концепцию, суть которой заключается в признании того, что движимое получает "склонность" от движителя. По Ибн Сине, существуют три вида склонностей: психическая (связанная с жизнью), естественная и противоестественная (насильственная).
  "Естественная склонность" присуща свободно падающим телам. "Противоестественная склонность" (или приложенная сила) присуща противоестественно движущимся телам, причем ее действие зависит о величины веса тела, которому она сообщена. Ибн-Сина утверждал, что "противоестественная склонность" ощущается, как сопротивление насильственной попытке остановить естественное движение или перевести один вид противоестественного движения в другой. Если насильственное движение снаряда вызвано действующей в пустоте силой, то оно должно сохраняться, не уничтожаясь и не прерываясь. Если же сила существует в теле, то она должна либо оставаться в нем, либо исчезнуть. Но если она остается, то движение будет продолжаться непрерывно. Признание действия зависимости "противоестественной склонности" от величины веса тела, которому она сообщена, было шагом к количественной оценке "склонности".
  Аристотелевские представления о роли воздуха в передаче движения Ибн Синой были отвергнуты. Таким образом, Ибн-Сина полагал, что в теле может быть только одна "склонность". Веком позже Ал-Баркат утверждал возможность одновременного существования в одном теле разных "склонностей" - при свободном падении тяжелого тела источник "естественной склонности" находится в самом теле и поэтому может непрерывно действовать, пока тело не достигает своего естественного места.
  В трудах Ал-Фараби нет резкого разделения философии и частных наук. В данном вопросе ему свойственно то отношение к системе знания, которое сложилось в его эпоху. Изучение вклада Ал-Фараби в естествознание и математику имеет принципиальное значение с точки зрения опровержения тех, кто говорит об отсутствии на "Востоке" самобытного мышления.
  Прежде всего необходимо отметить тождество методологических позиций Ал-Фараби и Галилея. Последний подчеркивает, что Аристотель предпочитает чувственный опыт всем рассуждениям. Сказанное относится и к Ал-Фараби. Научные труды Ал-Фараби изучены далеко не полностью, почти не изучены его физико-математические труды. Исходя из того, что в основе познания многообразия всего мира лежит познание чисел и величин, Ал-Фараби особое значение придает среди этих разделов арифметике и геометрии, а также искусству правильного логического мышления. По его утверждению, эти науки "проникают во все науки", так как они оперируют понятиями и отношениями, абстрагированными от реальных предметов и от реально существующих взаимосвязей и взаимоотношений между этими предметами.
  Так, геометрическое тело есть не что иное, как реальное тело, рассматриваемое только с точки зрения его пространственной формы и размеров в полном отвлечении от всех других свойств. Это отвлечение обусловливает умозрительно-дедуктивный метод геометрии, причем ее выводы являются развитием непосредственного отражения в сознании реальных пространственных форм, отношений и их взаимосвязей.
  Следует отметить, что до сих пор фундаментальная работа Ал-Фараби "Слово о классификации наук", рассматривалась односторонне как сугубо философское сочинение, затрагивающее отдельные аспекты методологических вопросов классификации наук. На самом же деле определение предмета каждой отрасли знания в этой работе органически переплетается с сопровождающим его сжатым, емким и лаконичным изложением самого содержания данной науки. Поэтому более правы те, кто считал этот труд своеобразной энциклопедией науки средневековья. Указанная классификация наук легла в дальнейшем в основу классификации наук Ибн-Сины, Роджера Бэкона и других. В классификации Р. Бэкона математика и естествознание занимают значительный удельный вес. В этом немалая заслуга его восточных учителей, в частности Ал-Фараби. Р. Бэкон был хорошо знаком с содержанием "Слова о классификации наук"; восхищаясь этим трактатом в своей "Средней книге", он ставит имя Ал-Фараби в один ряд с именами Евклида и Птолемея.
  Заслуживает особого упоминания то обстоятельство, что Ал-Фараби методологически правильно решает ряд вопросов, связанных с математизацией науки о природе. На примере теории музыки он демонстрирует плодотворность применения математических методов в исследовании объективных закономерностей природы и искусства. При всем уважении к наследию древних греков Ал-Фараби не преклоняется перед авторитетами, когда их учения противоречат новым достижениям естествознания. Примером может служить критика Ал-Фараби теории музыки и космологии пифагорейцев. У него совершенно отсутствует числовой мистицизм, присущий их музыкальному учению. Мнение пифагорейцев, что планеты и звезды при их движении порождают звуки, которые гармонически сочетаются, он считает ошибочным. Предположение о том, что движение небесных светил может порождать какой-либо звук, по его мнению, несостоятельно. Другой пример: по мнению Ал-Фараби, Евклид в построении своих "Начал" ограничился лишь синтезом. Сам же Ал-Фараби успешно применяет одновременно и анализ.
  Метод научного исследования, аналогичный методу Ал-Фараби, мы встречаем в Европе у Леонардо да Винчи и у Галилея. Велики заслуги Ал-Фараби в развитии математических наук. Он оставил много трудов по математике, которые до сих пор почти не изучались. Нам известны следующие его сочинения математического содержания: математический раздел "Слова о классификации наук" (рукописи хранятся в библиотеках Парижа, Стамбула, Мадрида), тригонометрические главы "Книги приложений к "Альмагесту" (единственная известная нам рукопись хранится в Британском музее в Лондоне. Она до сих пор не издавалась и не переводилась на другие языки), "Книга духовных искусных приемов и природных тайн о тонкостях геометрических фигур" (единственная известная нам рукопись хранится в библиотеке Упсальского университета в Швеции), "Комментарии к трудностям во введениях к первой и пятой книгам Евклида" (арабских рукописей этого сочинения не сохранилось, но имеются две рукописи древнееврейского перевода, хранящиеся в Мюнхене), "Трактат о том, что правильно и что неправильно в приговорах звезд" (сохранилось несколько рукописей, имеются издания и переводы на современные языки).
  В математической главе "Слова о классификации наук", как уже говорилось, определяется предмет каждой из математических наук: науки чисел (арифметика и теория чисел), науки геометрии, науки о звездах (астрономия и астрология), науки о музыке, науки о тяжестях и науки об искусных приемах. В последнем случае Ал-Фараби имеет в виду, прежде всего искусство конструирования "хитроумных" механизмов. Впервые применение термина "искусные приемы" в более широком смысле мы встречаем у Ал-Кинди. Ал-Фараби, развивая идею Ал-Кинди, рассматривает эту науку в общем смысле, как науку о приложении математики к решению практических задач, и распространяет этот термин, в частности, на алгебраические и другие методы решения числовых задач.
  Следует отметить, что во взглядах на применение математики к решению задач естествознания Аристотель и Ал-Фараби стояли на различных позициях. Ал-Фараби не исключает, как Аристотель, полной математизации науки, связанной с материей и движением. Наоборот, он утверждает, что применение математических методов не ограничено. Но только ощутимые тела и материальные вещи, пишет Ал-Фараби, имеют состояния, которые мешают применять доказанные математические положения на практике по желанию человека, поэтому необходимо подготовить естественные тела для применения в них этих математических положений, так же как необходимо создать приспособления для устранения препятствий23.
  Достижения в области оптики эпохи средневековья связаны, прежде всего, с именами Ал-Хайсама, известного в Европе как Альхазен. Он создал капитальный труд "Сокровище оптики", оказавший большое влияние на развитие этой области физики. Он впервые дал анатомическое описание глаза и разработал концепцию, в соответствии с которой зрение вызывается лучами, приходящими в глаз от объектов, а изображение формируется внутри хрусталика прежде, чем достигнет оптического нерва. Рассматривая свет как поток частиц, Альхазен отражение света трактует как механическое явление. Установив, что нормаль к поверхности зеркала, падающий и отраженный лучи находятся в одной плоскости, он усовершенствовал формулировку закона отражения.
  В Западной Европе оптические исследования начинаются в XIII веке. Р. Гроссетест разрабатывает геометрическую теорию происхождения радуги как эффекта преломления света в каплях воды и концепцию прямолинейного распространения света и звука, представляя их как волны. Отражение света рассматривалось по аналогии с эхом. Несомненным достижением было и изобретение в XIII веке очков, но оно не основывалось на каких-либо теоретических разработках. К достижениям следует отнести и исследования магнетизма П. де Марикуром (Перегрином), который высказал мысль, что стрелка компаса поворачивается не к Полярной звезде (как думали древние китайцы), а к полюсу. При оценке результатов развития физических представлений в эпоху средневековья большинство историков науки исходит из того, что за это время ни в одной из областей физики не было разработано ни одной последовательной физической теории, ни одного эффективного экспериментального метода. Теоретические построения отличались абстрактностью. Технические достижения не основывались на теоретических разработках, теория и практика были разобщены. Новая физика существовала лишь в потенции - в отдельных, не всегда отчетливых догадках, идеях. Но религиозные предрассудки (как христианства, так и ислама) не дали возможности им раскрыться.
  Умственная деятельность остается еще подчиненной религиозным догматам. В физике отсутствовали развитые количественные оценки. Однако развитие деловой жизни требовало качественных расчетов все больше и больше. Феодальная система хозяйства обнаруживала признаки разложения. Зарождавшиеся новые экономические отношения способствовали техническому прогрессу главным образом за счет рационализации труда. Медленное, но постепенно ускоряющееся развитие техники и научных запросов подготовило почву для возникновения новой эпохи.
  2.3.2. Астрономия арабо-мусульманского средневековья
  На мусульманском Востоке в этот период господствовали две астрономические традиции - народная астрономия и математическая астрономия. Ещё в доисламский период своей истории арабы Аравийского полуострова многое знали о Солнце, луне и звёздах, о чередовании времён года и движении ночных светил. С появлением Корана начинается развитие исламской космологии. Она нашла отражение в большом количестве комментариев к Корану, а также в отдельных трудах, прославляющих величие Аллаха, проявляющееся в его творениях. Народная астрономия, которая основывалась на наблюдениях невооруженным глазом и не использовала какие-либо специальные вычисления, стала с благословения Корана распространяться по мусульманскому Востоку и в средние века приобрела большую популярность.
  Первые таблицы для определения точного времени по высоте Солнца или по положению некоторых наиболее ярких звёзд появились в Багдаде в IX и Х веках. В XIII веке при мечетях и медресе появились "муакиты" - профессиональные астрономы. В их задачу входило регулирование времени молитв, создание астрономических приборов, написание трудов по сферической астрономии. В это время в Каире были составлены новые астрономические таблицы общим объёмом 200 страниц, которые положили начало астрономическому исчислению времени во всём арабском мире. Самыми распространёнными астрономическими приборами были астролябия и квадрант24.
  Астрономы-мусульмане, будучи наследниками развитой и сложной астрономии Древней Эллады, Ирана и Индии, провели новые наблюдения, разработали новые теории, составили новые таблицы и изобрели новые приборы. Они явились авторами огромной по объёму научной литературы, в которой рассматривались проблемы космологии и вычислительных методов. Некоторые астрономы ещё в IX веке начали составлять таблицы для точного определения времени начала ежедневных молитв. Самые древние таблицы такого рода были составлены Ал-Хорезми для широты Багдада.
  Заметим, что Галилей в своих астрономических исследованиях прямо ссылается на предшественника Ал-Фараби Ал-Фаргани и на его старшего современника Ал-Баттани. Если говорить об учёных более позднего периода, то следует отметить, что, например, Ал-Бируни приводит сведения, которые показывают, что идея эквивалентности геоцентрической и гелиоцентрической систем подспудно жила на Востоке. Ал-Бируни пишет: "Кроме того, вращение Земли ни в коей мере не уменьшает значения астрономии, поскольку все явления астрономического характера так же хорошо можно объяснить этой теорией, как и другой". Под влиянием учения Ал-Фараби, Насир ад-Дин ат-Туси выступал против сложных механизмов птолемеевой теории Луны и Меркурия. Коперник впоследствии использовал его конструкции.
  Комментарии Ал-Фараби к "Альмагесту" составлены на основе переработки текста Птолемея; в них авторский текст не выделен из слов толкователя и содержание сочинения вольно и порою сжато излагается комментатором. Комментарии к "Альмагесту" написаны Ал-Фараби как учебно-педагогическое сочинение, но в них имеются добавления и усовершенствования методического характера. Например, в отличие от Птолемея движение планет Ал-Фараби по возможности изучает совместно, так как, по его мнению, у светил много общего, как в астрономическом, так и в математическом отношении, и поэтому у него в девятой книге помещено содержание девятой, десятой и одиннадцатой книг "Альмагеста". Здесь мы встречаем ряд новых добавлений и примечаний, отражающих результаты исследований самого Ал-Фараби, а также достижения его предшественников и современников.
  Относительно положения о том, что Земля не совершает никакого поступательного движения, Ал-Фараби замечает, что он в своей "Физике" дал другое доказательство невозможности движения Земли. Он подробно останавливается на вопросах сферической астрономии. Ал-Фараби совершенствует тригонометрический аппарат Птолемея. Он везде заменяет хорды синусами, высказывает лемму, равносильную плоской теореме синусов, и доказывает ее для вписанного прямоугольного треугольника. Ал-Фараби даёт ряд разъяснений относительно составления отношений.
  Следует особо отметить, что, обобщая метод Птолемея по вычитанию одного числового отношения из другого, Ал-Фараби фактически рассматривает каждое отношение как число. В своих комментариях он пользуется терминами "число отношения" и "число линии АВ", которые явились важным шагом в расширении понятия числа. Эти идеи Ал-Фараби в дальнейшем были успешно развиты Ал-Бируни, Омаром Хайямом и другими мыслителями.
  Комментарии к "Альмагесту" сыграли важную роль в освоении и развитии учеными мусульманского средневековья астрономо-математического наследия Птолемея. Свидетельством тому служит включение в астрономический раздел энциклопедической "Книги исцеления" Ибн-Сины этих комментариев Ал-Фараби.
  Изложение Абу Насром Мухаммедом ибн Тарханом Ал-Фараби (полное имя Ал-Фараби) содержания птолемеевского сочинения, и, в особенности, его "Книга приложений к "Альмагесту"", содержащая оригинальные разработки, еще не подвергались в литературе детальному анализу.
  Выдающимся астрономом своего времени был Абу Рейхан Мухаммед ибн Ахмед Ал-Бируни - среднеазиатский ученый-энциклопедист. Родился в предместье города Кят, столицы древнего государства Хорезма (ныне часть Узбекистана). Живя в условиях диктата мусульманской религии, с подозрением относившейся к науке, он смело выступил против религиозного миропонимания. Бируни считал, что в природе все существует и изменяется по законам самой природы, а не по божественному велению. Постигнуть эти законы можно только с помощью науки. За свои взгляды Бируни подвергался преследованиям и трижды вынужден был покидать родину и жить в изгнании.
  Научные труды Бируни охватывают различные области знаний: астрономию и географию, математику и физику, геологию и минералогию, химию и ботанику, историю и этнографию, философию и филологию. Основные работы (их свыше 40) посвящены математике и астрономии, которая имела огромное практическое значение для хозяйственной жизни Хорезма - для поливного земледелия и торговых путешествий. Важнейшими задачами астрономии были совершенствование календаря и методов ориентирования на Земле по небесным светилам.
  Необходимо было уметь точно определять положения на небе Солнца, Луны, звезд, а также уметь измерять так называемые основные астрономические постоянные - наклон эклиптики к экватору, длину солнечного и звездного года и др. Это в свою очередь требовало развития математики, в частности, плоской и сферической тригонометрии и совершенствования инструментов для точных наблюдений. Достижения Бируни в перечисленных областях оставались непревзойденными в течение нескольких веков: самый крупный стенной квадрант - угломерный инструмент, позволявший измерять положение Солнца с точностью до 2'; самое точное определение наклона эклиптики к экватору и векового изменения этой величины; новый метод определения радиуса Земли - по степени понижения горизонта при наблюдении с горы. Бируни почти точно определил радиус Земли (более 6000 км), исходя из представления о ее шарообразной форме.
  Бируни воспринял и развил прогрессивные идеи древнегреческих и древнеиндийских философов по некоторым общим проблемам астрономии: утверждал одинаковую огненную природу Солнца и звезд, в отличие от темных тел - планет; подвижность звезд и огромные их размеры по сравнению с Землей; идею тяготения. Бируни высказал обоснованные сомнения в справедливости геоцентрической системы мира Птолемея уже в самом первом своём сочинении "Хронология древних народов" (1000 г.)
  Бируни собрал и описал все известные в его время системы календаря, применявшиеся у различных народов мира. Астрономические исследования изложены им в "Книге истолкования основных начал астрономии" и в других научных трудах25.
  2.4. Научные революции
  Первая научная революция: становление классического естествознания, создание общей системы механики, введение Ньютоном понятия "системы", замена статичной картины мира его динамическим представлением. ( Вторая научная революция: дисциплинарная организация классического естествознания, распространение идей эволюционизма. ( Третья научная революция: становление неклассического естествознания, радикальное изменение научной парадигмы. ( Четвёртая научная революция: мир как система исторически эволюционирующих, нелинейных, самоорганизующихся систем.
 
  Термин "научная революция" - классическое понятие для обозначения периода, охватывающего XVI и XVII века, со времени публикации "Об обращении небесных сфер" Коперника (1543) до выхода в свет "Математических начал натуральной философии" Ньютона (1687). Астрономия Коперника и физическое экспериментирование, с одной стороны, и аналитическая геометрия, дифференциальное и интегральное исчисление - с другой, привели к замене "библии" - мнений Аристотеля и донаучного анимизма - механистическим пониманием законов природы26. Но эпоха научных революций не ограничивается этим периодом. После XVII века происходит ещё несколько переворотов, существенно изменивших облик научного естествознания. Поэтому мы применим термин "научная революция" и к этим событиям.
  2.4.1. Первая научная революция (XVII век). Г. Галилей
  Основным достижением физических исследований XVII в., подводящим итог развитию опытного естествознания и окончательно сокрушившим аристотелевскую физическую парадигму, явилось завершение создания общей системы механики, которая была в состоянии дать объяснение движению небесных светил на основе явлений, наблюдаемых на Земле.
  И в эпоху античности, и в XVII веке признавалась важность изучения движения небесных светил. Но если для древних греков данная проблема имела больше философское значение, то для XVII века, преобладающим был аспект практический. Развитие мореплавания обусловливало необходимость выработки более точных астрономических таблиц для целей навигации по сравнению с теми, которые требовались для астрологических целей. Основной задачей было определение долготы, столь нужной астрономам и мореплавателям. Для решения этой важной практической проблемы и создавались первые государственные обсерватории (в 1672 г. Парижская, в 1675 г. Гринвичская).
  По сути своей это была задача определения абсолютного времени, дававшего при сравнении с местным временем интервал, который и можно было перевести в долготу. Определить это время можно было с помощью наблюдения движений Луны среди звезд, то есть часов, "закрепленных на небе", а также с помощью точных часов, поставленных по абсолютному времени и находящихся у наблюдателя. Для первого случая были необходимы очень точные таблицы для предсказания положения небесных светил, а для второго - абсолютно точные и надежные часовые механизмы
  На рубеже XVII в. и в его первой половине развертывается деятельность Г. Галилея - одного из основателей современного естествознания Ему принадлежат доказательство вращения Земли, открытие принципа относительности движения и закона инерции, законов падения тел и их движения по наклонной плоскости, законов сложения движений и поведения математического маятника. Он же изобрел телескоп и с его помощью исследовал ландшафт Луны, обнаружил спутники Юпитера, пятна на Солнце и фазы Венеры.
  В процессе развития галилеевской механики Ньютон вводит понятие "состояние системы". Первоначально оно было использовано для простейших механических систем. (В дальнейшем понятие состояния обнаружило свою фундаментальную роль и стало применяться в других физических концепциях в качестве одного из основных.) Состояние механической системы в классической механике полностью определяется импульсами и координатами всех тел, образующих данную систему. Если известны координаты и импульсы в данный момент времени, то можно однозначно установить значения координат и импульсов в любой последующий момент времени, а также вычислить значения других механических величин - энергии, момента количества движения и т. д.
  Для утверждения своей концепции Ньютону было необходимо разрушить старую, аристотелевскую картину мира. Вместо сфер, которые управлялись перводвигателем, он ввел механизм, действующий на основе естественного закона, не требовавшего постоянного использования силы и допускавшего божественное вмешательство лишь для своего создания и приведения в движение. Это был компромисс науки и религии. С представлением, в соответствии с которым для поддержания движения нужна сила, было покончено. Место статистического представления мира заняло динамическое его представление. Уступки религии в вопросе о первотолчке были, однако, связаны не только с социальными причинами, обусловливающими компромисс науки и религии, но и с характером его понимания природы, которую он считал неэволюционирующей, инертной, косной субстанцией.
  Поскольку вечные законы природы дают возможность объяснять только повторяемость неизменных, неэволюционирующих тел, то первый толчок был в такой картине мира просто необходим. Ньютон, как и Аристотель, понимали физику как общую теорию природы. Но если Ньютон теорию природы строил на математических и экспериментальных началах, то Аристотель исключал их из сферы познания. Экспериментально-математический метод познания открыл перед физикой и вообще перед естествознанием колоссальные перспективы. Ньютон, заложив основы теоретического фундамента классической физики, открыл путь к ее дальнейшему развитию.
  Научная революция XVII века привела к становлению классического естествознания, основные методологические установки которого были выражены следующим образом:
  1. Объективность и предметность научного знания объявлялась возможной только при исключении из описания и объяснения всего, что относилось к субъекту и процедурам познания. Это означало возможность проведения как абсолютно "чистого" эксперимента, так и получения абсолютного знания.
  2. Как следствие предполагалось возможным определить вытекающие из опыта онтологические принципы и построение истинной картины природы.
  3. Процедура объяснения сводилась к поиску механистических причин и субстанций - носителей сил.
  4. Механистическая картина природы рассматривалась как тождественная физической картине реальности, которая, в свою очередь, рассматривалась как общенаучная картина мира.
  5. Объекты рассматривались как простые механические системы, действующие в соответствии с детерминистическими принципами. Такой подход к изучаемому способствовал возникновению таких категорий как "вещь", "процесс", "часть", "целое", "причинность", "пространство", "время".
  2.4.2. Вторая научная революция
  (кон. XVIII в.- нач. XIX века). И. Ньютон
  С конца XVIII века до начала XIX в. можно констатировать второй революционный процесс в естествознании, который как бы логически завершает окончательное становление классического естествознания. Итогом этой революции становится дисциплинарная организация классической науки. Этот процесс сопровождается следующими фактами:
  1. Статичность объяснительных схем классического естествознания разрушается, благодаря эволюционным идеям, пришедшим из области биологии, геологии, палеонтологии.
  2. Механистическая картина природы перестаёт приравниваться к общенаучной картине мира.
  На основе соотношения разных методов, синтеза знаний, дальнейшей дифференциации научного знания формируются и развиваются разные направления классического естествознания и их стиль мышления.
  Результатом развития классической механики явилось создание единой механистической картины мира. В её рамках все качественное многообразие мира объяснялось различиями в движении тел, подчиняющимся законам ньютоновской механики. Согласно механистической картине мира, если физическое явление мира можно было объяснить на основе законов механики, то такое объяснение признавалось научным. Механика Ньютона, таким образом, стала основой механистической картины мира, господствовавшей вплоть до научной революции на рубеже XIX и XX столетий.
  Механика Ньютона, в отличие от прежних механических концепций, решала любую задачу, связанную с движением в любой точке пространства при известных фактах, обусловливающих это движение, а также обратную задачу определения величины и направления действия этих факторов в любой точке при известных элементах движения. Благодаря этому механика Ньютона могла использоваться в качестве метода количественного анализа механического движения. Любые физические явления могли изучаться как движение в чисто феноменологическом плане, независимо от вызывающих их факторов. Законы ньютоновской механики связывали силу не с движением, а с изменением движения. Это позволило отказаться от традиционных представлений о том, что для поддержания движения нужна сила, и отвести трению, которое делало силу необходимой в действующих механизмах для поддержания движения, второстепенную роль.
  Установив динамический взгляд на мир вместо традиционного статического взгляда, Ньютон свою динамику сделал основой теоретической физики. Хотя Ньютон проявлял осторожность в механических истолкованиях природных явлений, тем не менее, он считал желательным выведение из начал механики остальных явлений природы. Дальнейшее развитие физики стало осуществляться в направлении дальнейшей разработки аппарата механики применительно к решению конкретных задач, по мере решения которых механистическая картина мира укреплялась.
  2.4.3. Третья научная революция (кон. XIX в.- сер. XX века)
  Третья глобальная научная революция была связана со становлением нового, неклассического естествознания. Она охватывает период с конца XIX до середины XX столетия. В эту эпоху происходит своеобразная цепная реакция революционных перемен в различных областях знания:
  * В физике это выразилось в открытии делимости атома, становлении релятивистской и квантовой теорий.
  * В космологии были сформированы модели нестационарной эволюционирующей Вселенной.
  * В химии возникла квантовая химия, фактически стёршая грань между физикой и химией.
  * Одним из главных событий в биологии стало становление генетики.
  * Возникли новые научные направления, например, такие как кибернетика и теория систем.
  В процессе всех этих революционных преобразований формировались идеалы и нормы новой, неклассической науки. Они характеризовались пониманием относительной истинности теорий и картины природы, выработанной на том или ином этапе развития естествознания. В противовес идеалу единственно истинной теории, "фотографирующей" исследуемые объекты, допускается истинность нескольких отличающихся друг от друга конкретных теоретических описаний одной и той же реальности, поскольку в каждом из них может содержаться момент объективно-истинного знания.
  В связи с этим принимаются такие типы объяснения и описания, которые в явном виде содержат ссылки на средства и операции познавательной деятельности. Наиболее ярким образцом такого подхода были идеалы и нормы объяснения, описания и доказательности знаний, утвердившиеся в квантово-релятивистской физике. В классической физике идеал объяснения и описания предполагал характеристику объекта "самого по себе", без указания на средства его исследования. В квантово-релятивистской физике в качестве необходимого условия объективности объяснения и описания выдвигается требование четкой фиксации особенностей средств наблюдения, которые взаимодействуют с объектом.
  Новая система познавательных идеалов и норм обеспечивала значительное расширение поля исследуемых объектов, открывая пути к освоению сложных саморегулирующихся систем. В отличие от механических систем такие объекты характеризуются уровневой организацией, наличием относительно автономных и вариабельных подсистем, массовым стохастическим взаимодействием их элементов, существованием управляющего уровня и обратных связей, обеспечивающих целостность системы.
  Именно включение таких объектов в процесс научного исследования вызвало резкие перестройки в картинах реальности ведущих областей естествознания. Процессы интеграции этих картин и развитие общенаучной картины мира стали осуществляться на базе представлений о природе как сложной динамической системе. Этому способствовало открытие специфики законов микро-, макро- и мега-мира в физике и космологии, интенсивное исследование механизмов наследственности в тесной связи с изучением надорганизменных уровней организации жизни, обнаружение кибернетикой общих законов управления и обратной связи. Тем самым создавались предпосылки для построения целостной картины природы, в которой прослеживалась иерархическая организованность Вселенной как сложного динамического единства. Картины реальности, вырабатываемые в отдельных науках, на этом этапе еще сохраняли свою самостоятельность, но каждая из них участвовала в формировании представлений, которые затем включались в общенаучную картину мира. Последняя, в свою очередь, рассматривалась не как точный и окончательный портрет природы, а как постоянно уточняемая и развивающаяся система относительно истинного знания о мире.
  Все эти радикальные сдвиги в представлениях о мире и процедурах его исследования сопровождались формированием новых философских оснований науки. Идея исторической изменчивости научного знания, относительной истинности вырабатываемых в науке онтологических принципов соединялась с новыми представлениями об активности субъекта познания. Он рассматривался уже не как дистанцированный от изучаемого мира, а как находящийся внутри него, детерминированный им. Возникает понимание того обстоятельства, что ответы природы на наши вопросы определяются не только устройством самой природы, но и способом нашей постановки вопросов, способом, который зависит от исторического развития средств и методов познавательной деятельности. На этой основе вырастало новое понимание категорий истины, объективности, факта, теории, объяснения.
  Радикально изменялись и философские основания науки. Развитие квантово-релятивистской физики, биологии и кибернетики было связано с включением новых смыслов в категории части и целого, причинности, случайности и необходимости, вещи, процесса, состояния и т. д. В принципе можно сказать, что эта "категориальная сетка" вводила новый образ объекта, который представал как сложная система. Представления о соотношении части и целого применительно к таким системам включают идеи несводимости состояний целого к сумме состояний его частей. Важную роль при описании динамики системы начинают играть категории случайности, потенциально возможного и действительного.
  Причинность не может быть сведена только к ее лапласовской формулировке - возникает понятие "вероятностной причинности", которое расширяет смысл традиционного понимания данной категории. Новым содержанием наполняется категория объекта: он рассматривается уже не как себетождественная вещь (тело), а как процесс, воспроизводящий некоторые устойчивые состояния и изменчивый в ряде других характеристик.
  2.4.4. Четвёртая научная революция (кон. XX века)
  В современную эпоху мы являемся свидетелями новых радикальных изменений в основаниях науки. Эти изменения можно охарактеризовать как четвертую глобальную научную революцию.
  Для этого этапа развития естествознания характерно интенсивное применение научных знаний во всех сферах социальной жизни. Изменяется характер научной деятельности. Он определяется революцией в средствах хранения и получения знаний (компьютеризация науки, появление сложных и дорогостоящих приборных комплексов, которые обслуживают исследовательские коллективы и функционируют аналогично средствам промышленного производства). Наряду с дисциплинарными исследованиями на передний план все более выдвигаются междисциплинарные и проблемно-ориентированные формы исследовательской деятельности.
  В междисциплинарных исследованиях наука, как правило, сталкивается с такими сложными системными объектами, которые в отдельных дисциплинах зачастую изучаются лишь фрагментарно, поэтому эффекты их системности могут быть вообще не обнаружены при узкодисциплинарном подходе, а выявляются только при синтезе фундаментальных и прикладных задач в проблемно-ориентированном поиске.
  Объектами современных междисциплинарных исследований все чаще становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием. Такого типа объекты постепенно начинают определять и характер предметных областей фундаментальных наук, детерминируя облик современной, постнеклассической науки.
  Исторически развивающиеся системы представляют собой более сложный тип объекта даже по сравнению с саморегулирующимися системами. Последние выступают особым состоянием динамики исторического объекта, своеобразным срезом, устойчивой стадией его эволюции. Сама же историческая эволюция характеризуется переходом от одной относительно устойчивой системы к другой системе с новой уровневой организацией элементов и самоорганизацией. Исторически развивающаяся система формирует с течением времени все новые уровни своей организации, причем возникновение каждого нового уровня оказывает воздействие на ранее сформировавшиеся, меняя связи и композицию их элементов.
  Формирование каждого такого уровня сопровождается прохождением системы через состояния неустойчивости (точки бифуркации), и в эти моменты небольшие случайные воздействия могут привести к появлению новых структур. Деятельность с такими системами требует принципиально новых стратегий. Их преобразование уже не может осуществляться только за счет увеличения энергетического и силового воздействия на систему. Простое силовое давление часто приводит к тому, что система просто-напросто "сбивается" к прежним структурам, потенциально заложенным в определенных уровнях ее организации, но при этом может не возникнуть принципиально новых структур.
  В естествознании первыми фундаментальными науками, столкнувшимися с необходимостью учитывать особенности исторически развивающихся систем, были биология, астрономия и науки о Земле. В них сформировались картины реальности, включающие идею историзма и представления об уникальных развивающихся объектах (биосфера, Метагалактика, Земля как система взаимодействия геологических, биологических и техногенных процессов). В последние десятилетия на этот путь вступила физика. Представление об исторической эволюции физических объектов постепенно входит в картину физической реальности, с одной стороны, через развитие современной космологии (идея "Большого взрыва" и становления различных видов физических объектов в процессе исторического развития Метагалактики), а с другой - благодаря разработке идей термодинамики неравновесных процессов и синергетики.
  Именно идеи эволюции и историзма становятся основой того синтеза картин реальности, вырабатываемых в фундаментальных науках, которые сплавляют их в целостную картину исторического развития природы и человека и делают лишь относительно самостоятельными фрагментами общенаучной картины мира, пронизанной идеями глобального эволюционизма.
  Ориентация современной науки на исследование сложных исторически развивающихся систем существенно перестраивает идеалы и нормы исследовательской деятельности. Историчность системного комплексного объекта и вариабельность его поведения предполагают широкое применение особых способов описания и предсказания его состояний. С идеалом строения теории как аксиоматически-дедуктивной системы все больше конкурируют теоретические описания, основанные на применении метода аппроксимации, теоретические схемы, использующие компьютерные программы и т. д.
  В естествознание начинает шире внедряться идеал исторической реконструкции, которая выступает особым типом теоретического знания, ранее применявшимся преимущественно в гуманитарных науках (истории, археологии, историческом языкознании). Образцы такого подхода можно обнаружить не только в дисциплинах, традиционно изучающих эволюционные объекты (биология, геология), но и в современной космологии и астрофизике: современные модели, описывающие развитие Метагалактики, могут быть расценены как исторические реконструкции, посредством которых воспроизводятся основные этапы эволюции этого уникального исторически развивающегося объекта.
  Изменяются представления и о стратегиях эмпирического исследования. Идеал воспроизводимости эксперимента применительно к развивающимся системам должен пониматься в особом смысле. Если эти системы типологизируются, то есть если можно поэкспериментировать над многими образцами, каждый из которых может быть выделен в качестве одного и того же начального состояния, то эксперимент даст один и тот же результат с учетом вероятностных линий эволюции системы.
  Но кроме развивающихся систем, которые образуют определенные классы объектов, существуют еще и уникальные исторически развивающиеся системы. Эксперимент, основанный на энергетическом и силовом взаимодействии с такой системой, в принципе не позволит воспроизводить ее в одном и том же начальном состоянии. Сам акт первичного "приготовления" этого состояния меняет систему, направляя ее в новое русло развития, а необратимость процессов развития не позволяет вновь воссоздать начальное состояние. Поэтому для уникальных развивающихся систем требуется особая стратегия экспериментального исследования. Их эмпирический анализ осуществляется чаще всего методом вычислительного эксперимента на ЭВМ, что позволяет выявить разнообразие возможных структур, которые способна породить система.
  Среди исторически развивающихся систем современной науки особое место занимают природные комплексы, в которые включен в качестве компонента сам человек. Примерами таких "человекоразмерных" комплексов могут служить медико-биологические объекты, объекты экологии, включая биосферу в целом (глобальная экология), объекты биотехнологии (в первую очередь генетической инженерии), системы "человек - машина" (включая сложные информационные комплексы и системы искусственного интеллекта). При изучении "человекоразмерных" объектов поиск истины оказывается связанным с определением стратегии и возможных направлений преобразования такого объекта, что непосредственно затрагивает гуманистические ценности. С системами такого типа нельзя свободно экспериментировать. В процессе их исследования и практического освоения особую роль начинает играть знание запретов на некоторые стратегии, потенциально содержащие в себе катастрофические последствия.
  В этой связи трансформируется идеал ценностно-нейтрального исследования. Объективно истинное объяснение и описание применительно к "человекоразмерным" объектам не только допускает, но и предполагает включение аксиологических факторов в состав объясняющих положений. Возникает необходимость экспликации (выявления) связей фундаментальных внутринаучных ценностей (поиск истины, рост знаний) с вненаучными ценностями общесоциального характера. В современных программно-ориентированных исследованиях эта экспликация осуществляется при социальной экспертизе программ. Вместе с тем в ходе самой исследовательской деятельности с человекоразмерными объектами исследователю приходится решать ряд проблем этического характера, определяя границы возможного вмешательства в объект. Внутренняя этика науки, стимулирующая поиск истины и ориентацию на приращение нового знания, постоянно соотносится в этих условиях с общегуманистическими принципами и ценностями. Развитие всех этих новых методологических установок и представлений об исследуемых объектах приводит к существенной модернизации философских оснований науки.
  Научное познание начинает рассматриваться в контексте социальных условий его бытия и его социальных последствий, как особая часть жизни общества, детерминируемая на каждом этапе своего развития общим состоянием культуры данной исторической эпохи, ее ценностными ориентациями и мировоззренческими установками. Осмысливается историческая изменчивость не только онтологических постулатов, но и самих идеалов и норм познания. Соответственно развивается и обогащается содержание категорий "теория", "метод", "факт", "обоснование", "объяснение".
  В онтологической составляющей философских оснований науки начинает доминировать "категориальная матрица", обеспечивающая понимание и познание развивающихся объектов. Возникают новые понимания категорий пространства и времени (учет исторического времени системы, иерархии пространственно-временных форм), категорий возможности и действительности (идея множества потенциально возможных линий развития в точках бифуркации), категории детерминации (предшествующая история определяет избирательное реагирование системы на внешние воздействия).
  2.5. Организация современного естествознания
  Иерархия естественнонаучных законов: законы эмпирические, фундаментальные и предельно общие законы сохранения. ( Этические принципы науки: нормы исследования и получения научного результата, комплекс этических ценностей науки, проблема свободы исследований. ( Роль междисциплинарных исследований в естествознании: роль синергетики в интенсификации междисциплинарных исследований.
 
  Становление научного естествознания сопровождается рядом преобразований, происходящих в интеллектуальной, этической и организационной сферах. Целью этих, часто стихийных процессов, является создание нормативной базы научного естествознания. Это означает, что создаётся традиция, составленная из писанных и неписанных правил, которых должен придерживаться каждый исследователь. Научное естествознание инновационно по своей сути, но любая инновация, в конечном счете, только следствие существования традиции. Поскольку научное естествознание творится людьми, то её развитие невозможно без применения соответствующих этических принципов.
  2.5.1. Иерархия естественнонаучных законов
  Количество законов природы, сформулированных в естественных науках к настоящему времени, весьма велико. Они неравнозначны. Наиболее многочисленным является класс эмпирических законов, формулируемых в результате обобщения результатов экспериментальных наблюдений и измерений. Часто эти законы записываются в виде аналитических выражений, носящих достаточно простой, но приближенный характер. Область применимости этих законов оказывается достаточно узкой. При желании увеличить точность или расширить область применимости математические формулы, описывающие такие законы, существенно усложняются.
  Примерами эмпирических законов могут служить:
  * закон Гука (при небольших деформациях тел возникают силы, примерно пропорциональные величине деформации);
  * закон валентности (в большинстве случаев атомы объединяются в химические соединения согласно их валентности, определяемой положением в Периодической таблице элементов);
  * некоторые частные законы наследственности (например, сибирские коты с голубыми глазами обычно от рождения глухи).
  На ранних этапах развитие естественных наук, в основном, шло по пути накопления подобных законов. Со временем их количество возросло настолько, что возник вопрос о нахождении новых законов, позволяющих описать эмпирические в более сжатой форме.
  Ими, прежде всего, стали фундаментальные законы, представляющие собой абстрактные формулировки, непосредственно не являющиеся следствием экспериментов. Обычно фундаментальные законы "угадываются", а не выводятся из законов эмпирических. Количество таких законов ограничено (например, классическая механика содержит в себе лишь четыре фундаментальных закона: законы Ньютона и закон Всемирного тяготения). Многочисленные эмпирические законы являются следствиями (иногда вовсе не очевидными) фундаментальных законов. Критерием истинности последних является соответствие конкретных следствий экспериментальным наблюдениям.
  Все известные на сегодняшний день фундаментальные законы описываются достаточно простыми и изящными математическими выражениями, "не ухудшающимися" при уточнениях. Несмотря на кажущийся абсолютный характер, область применимости фундаментальных законов так же ограничена. Эта ограниченность не связана с математическими неточностями, а имеет более фундаментальный характер: при выходе из области применимости фундаментального закона начинают терять смысл сами понятия, используемые в формулировках (так для микрообъектов оказывается невозможным строгое определение понятий ускорения и силы, что ограничивает применимость законов Ньютона).
  Ограниченность применимости фундаментальных законов, естественно, ставит вопрос о существовании предельно общих законов. Таковыми являются законы сохранения. Имеющийся опыт развития естествознания показывает, что законы сохранения не теряют своего смысла при замене одной системы фундаментальных законов другой. Это свойство теперь используется как эвристический принцип, позволяющий априорно отбирать "жизнеспособные" фундаментальные законы при построении новых теорий. В большинстве случаев законы сохранения не способны дать столь полного описания явлений, какое дают фундаментальные законы, а лишь накладывают определенные запреты на реализацию тех или иных состояний при эволюции системы.
  Ответ на естественный вопрос почему справедливы законы сохранения в физике, был найден сравнительно недавно. Оказалось, что законы сохранения связаны с симметрией системы и возникают в системах при наличии у них определенных элементов симметрии. Элементом симметрии системы называется любое преобразование, переводящие систему в себя, то есть не изменяющее ее. Например, элементом симметрии квадрата является поворот на прямой угол вокруг оси, проходящей через его центр - "ось вращения четвертого порядка".
  Глобальные законы сохранения связаны с существованием таких преобразований, которые оставляют неизменными любую систему. К ним относятся:
  1. Закон сохранения энергии, являющийся следствием симметрии относительно сдвига во времени (однородности времени).
  2. Закон сохранения импульса, являющийся следствием симметрии относительно параллельного переноса в пространстве (однородности пространства).
  3. Закон сохранения момента импульса, являющийся следствием симметрии относительно поворотов в пространстве (изотропности пространства).
  4. Закон сохранения заряда, являющийся следствием симметрии относительно замены описывающих систему комплексных параметров на их комплексно сопряженные значения.
  5. Закон сохранения четности, являющийся следствием симметрии относительно операции инверсии ("отражения в зеркале", меняющего "право" на "лево").
  6. Закон сохранения энтропии, являющийся следствием симметрии относительно обращения времени.
  2.5.2. Этические принципы науки27
  Получаемое ученым знание о мире изначально, внутренне ориентировано на то, чтобы быть воспринятым другими. При этом уже не существенно, насколько осознается такая ориентированность самим ученым, - ему не надо специально ставить перед собой такую цель, по крайней мере, до тех пор, пока он занят собственно исследованием, а не изложением полученных результатов.
  Такие свойства научного знания порождаются тем, что сам процесс его получения регулируется методологическими нормами, которые каждый ученый не должен придумывать для себя заново, а может усваивать в ходе своей профессиональной подготовки. Если познание регулируется нормами, пусть даже нормами познавательными и методологическими, то следование им или пренебрежение ими выступает и как акт морального выбора, предполагающий ответственность ученого перед своими коллегами и перед научным сообществом, то есть его профессиональную ответственность.
  Широко известно, например, изречение Аристотеля: "Платон мне друг, но истина дороже". Смысл его в том, что в стремлении к истине ученый не должен считаться ни со своими симпатиями и антипатиями, ни с какими бы то ни было иными привходящими обстоятельствами. В повседневной научной деятельности, однако, чаще всего бывает невозможно сразу же оценить полученное знание как истину либо заблуждение. Поэтому и нормы научной этики не требуют, чтобы результат каждого исследования непременно был истинным знанием. Они требуют лишь, чтобы этот результат был новым знанием и, притом, так или иначе, логически либо экспериментально обоснованным. Ответственность за соотношение такого рода требований лежит на самом ученом, и он не может переадресовать её никому другому. Невозможность сразу же однозначно оценить результат исследования обусловливает характерную взаимозависимость между членами научного сообщества. С одной стороны, коллеги должны исходить из того, что сообщаемый результат получен в ходе добросовестно проведенного исследования, то есть с соблюдением надлежащих технических норм экспериментирования и методологических норм.
  Разумеется, в тех случаях, когда нарушение этих норм очевидно, результат попросту не будет заслуживать серьезного отношения. Нередко, однако, проверка требует как минимум повторения исследования, что немыслимо применительно к каждому результату. С этой точки зрения становится ясной контролирующая функция таких элементов научной статьи, как описание методики эксперимента или теоретико-методологическое обоснование исследования. Подготовленному специалисту этих сведений обычно бывает достаточно для того, чтобы судить о том, насколько серьезна статья. С другой стороны, и сам исследователь, адресуясь к коллегам, вправе претендовать на их беспристрастное и объективное мнение по поводу сообщаемого им результата.
  Таким образом, эта взаимозависимость важна с точки зрения устойчивого воспроизводства научной деятельности и социального института науки. Она выступает в качестве такого механизма саморегуляции и самоорганизации научной деятельности, которая в широких пределах основывается на взаимном доверии ее участников.
  Очевидно, что проблемы этики науки перекрещиваются с проблемами методологии науки. Одна из задач методологии - анализ и обоснование методов и процедур, применяемых в научной деятельности, а также выявление тех далеко не очевидных, предпосылок, которые лежат в основе той или иной теории, того или иного научного направления. В этой связи методологию интересуют и нормы научной деятельности, такие, как исторически изменяющиеся стандарты доказательности и обоснованности знания, образцы и идеалы, на которые ориентируются ученые.
  Нормы научной этики редко формулируются в виде специфических перечней и кодексов. Однако известны попытки выявления, описания и анализа этих норм.
  Наиболее популярна в этом отношении концепция Р. Мертона, представленная в работе "Нормативная структура науки" (1942 г.). В ней Р. Мертон дает описание этоса науки, который понимается им как комплекс ценностей и норм, воспроизводящихся от поколения к поколению ученых и являющихся обязательными для человека науки. С точки зрения Р. Мертона, нормы науки строятся вокруг четырех основополагающих ценностей.
  1. Первая из них - универсализм, убеждение в том, что изучаемые наукой природные явления повсюду протекают одинаково и что истинность научных утверждений должна оцениваться независимо от возраста, пола, расы, авторитета, титулов и званий тех, кто их формулирует. Наука, стало быть, внутренне демократична.
  2. Вторая ценность - общность, смысл которой в том, что научное знание должно свободно становится общим достоянием. Тот, кто его впервые получил, не вправе монопольно владеть им, хотя он и имеет право претендовать на достойную оценку коллегами собственного вклада.
  3. Третья ценность - незаинтересованность. Первичным стимулом деятельности ученого является бескорыстный поиск истины, свободный от соображений личной выгоды - завоевания славы, получения денежного вознаграждения.
  4. Четвертая ценность - конструктивный скептицизм. Каждый ученый несет ответственность за оценку доброкачественности того, что сделано его коллегами, и за то, чтобы эта оценка стала достоянием гласности. Равно необходимы как уважение к тому, что сделали предшественники, так и критическое - скептическое - отношение к их результатам. Более того, ученый должен не только настойчиво отстаивать свои научные убеждения, используя все доступные ему средства логической и эмпирической аргументации, но и иметь мужество отказаться от этих убеждений, коль скоро будет обнаружена их ошибочность.
  Предпринятый Р. Мертоном анализ ценностей и норм науки неоднократно подвергался критике, не всегда, впрочем, обоснованной. Отмечалась, в частности, абстрактность предложенных Р. Мертоном ценностей, и то, что в своей реальной деятельности ученые нередко нарушают их, не подвергаясь при этом осуждению со стороны коллег. И, тем не менее, наличие норм и ценностей (пусть не именно этих, но в чем-то сходных с ними по смыслу и по способу действия) очень важно для самоорганизации научного сообщества.
  Важнейшей проблемой этики и методологии в современной науке является вопрос о свободе исследования. Хорошо известно, что современные фундаментальные исследования требуют совместного труда больших научных коллективов и сопряжены со значительными материальными затратами. Уже одно это - хотим мы того или не хотим, - накладывает неизбежные ограничения на свободу исследования.
  Но не менее существенно и то, что нынешняя наука - вполне сформировавшийся и достаточно зрелый социальный институт, оказывающий серьезное воздействие на жизнь общества. Поэтому идея неограниченной свободы исследования, некогда бывшая прогрессивной, ныне уже не может приниматься безоговорочно, без учета той социальной ответственности, с которой должна быть неразрывно связана эта свобода.
  Например, вопрос о свободе исследований, о том, как она должна пониматься, был одним из центральных в ходе дискуссий вокруг экспериментов с рекомбинантной ДНК. Высказывались самые разные точки зрения. Наряду с защитой абсолютно ничем не ограничиваемой свободы исследований была представлена и диаметрально противоположная точка зрения - предлагалось регулировать науку так же, как регулируются железные дороги.
  Между этими крайними позициями находится широкий диапазон мнений о возможности и желательности регулирования исследований, о том, кому должно принадлежать здесь решающее слово - самому исследователю, научному сообществу или обществу в целом.
  Так, на взгляд американского биолога Р. Синшеймера, ныне существуют такие области исследований, которые обладают "сомнительными достоинствами", так что их вообще лучше было бы не развивать с точки зрения будущего человечества. К их числу Р. Синшеймер относит:
  1. работы по лазерному разделению изотопов, способные сделать ядерное оружие легкодоступным для террористов;
  2. попытки установить контакты с внеземными цивилизациями, поскольку контакт с более развитой цивилизацией, чем земная, может оказать разрушительное воздействие на наши системы ценностей;
  3. исследования в области геронтологии, результатом которых может стать значительное постарение населения и вообще перенаселенность нашей планеты.
  По мнению Р. Синшеймера, развитие науки до сих пор опиралось на скрытую предпосылку - веру в то, что природа достаточно эластична по отношению к нашим попыткам ее исследования и анатомирования, что мы не сможем разрушить некоторые ключевые элементы защищающей нас среды, нашу экологическую нишу. Ныне, считает он, эта предпосылка должна быть поставлена под сомнение и пересмотрена.
  Многими, однако, точка зрения Р. Синшеймера встречается критически. Отмечается, например, что запрет исследований в названных им трех областях заставил бы отказаться от проведения чрезвычайно большого количества исследований, так или иначе связанных с ними.
  Таким образом, вопрос о свободе исследований и о тех обязательствах, которые в этой связи налагаются на ученых - это вопрос, который далек от окончательного решения, и в настоящее время здесь едва ли уместны какие-либо категорические заключения.
  Сегодня следует признать, что в науке действует немало внутренних и внешних ограничений, многие из которых неизбежны и, более того, существенны для ее развития.
  Например, считается само собой разумеющимся, что
  * количественные результаты, там, где их можно получить, предпочтительнее качественных;
  * операциональные определения предпочтительнее определений метафизических;
  * важные эксперименты требуют повторения;
  * следует искать связи теории с практикой и т. д.
  Существует немало и внешних ограничений, которые принимаются учеными как нечто вполне естественное, - например, те ограничения, которые связаны с экспериментированием на людях. Все это показывает, что само существование и развитие науки сегодня попросту невозможно без тех или иных форм и норм регулирования исследований и вообще научной деятельности.
  2.5.3. Роль междисциплинарных исследований
  в естествознании
  Междисциплинарные научные исследования вызваны необходимостью интегрировать многообразные взгляды и перспективы, чтобы, связав их в единое целое, понять систему. Целесообразность такого подхода уже доказана на примере ряда научных дисциплин - биофизики, биотехнологии, биоинженерии, кибернетики, эргономики и т. д. Осуществление таких исследований в указанных областях становится сейчас жизненно важным делом для многих стран. Расширяется круг отраслей, предполагающих междисциплинарный подход. Их можно классифицировать следующим образом:
  1. Традиционные (давно установившиеся) научные отрасли, например, медицина, биофизика, эргономика.
  2. Дисциплины, находящиеся в состоянии развития и вызывающие в наши дни особое внимание и интерес (охрана среды, экология, социальная защита, проблемы мегаполисов, прогнозирование и т. д.).
  3. Совсем новые области науки, её "передний край": биотехнология, биоинженерия, бионика, синергетика, искусственный интеллект и т. д28.
  Необходимость и значимость междисциплинарных исследований, естественно, ставит вопрос о методологии или даже "технологии" организации этих исследований. Существуют достаточно веские основания полагать, что синергетика может служить основой для междисциплинарного синтеза знания. Синергетика междисциплинарна по своей собственной природе, поскольку она ориентирована на поиск универсальных паттернов* эволюции и самоорганизации открытых нелинейных систем любого рода, независимо от конкретной природы их элементов или подсистем. Понятия самоорганизации, хаоса и порядка, нелинейности начинают широко использоваться как в естественных, так и в гуманитарных науках. В настоящее время теория самоорганизации активно разрабатывается в различных странах в ряде научных школ (И. Пригожин, Г. Хакен, Ф. Варела, Э. Ласло, К. Майнцер, Б. Мандельброт, Э. Моран и др.).
  Синергетика является одной из современных исследовательских программ, программой междисциплинарных, или трансдисциплинарных*, исследований. Судя по всему, именно эта область знания инициирует глубокие изменения в методологических основаниях современной науки, в философском взгляде на мир, в самом стиле научного мышления. Сегодня формируется некий новый нетрадиционный взгляд на мир - синергетическое видение мира.
  В связи с интенсивным развитием синергетики происходит радикальная смена парадигмы*, "переключение гештальта*", изменения во всей концептуальной сетке мышления. Происходит переход от категорий бытия к со-бытию, от существования к сосуществованию в сложных эволюционирующих структурах; от представлений о стабильности и устойчивом развитии к представлениям о нестабильности и метастабильности, оберегаемом и самоподдерживаемом развитии. Происходит переход от образов порядка к образам хаоса, генерирующего новые упорядоченные структуры; от самоподдерживающихся систем к быстрой эволюции через нелинейную положительную обратную связь; от эволюции к коэволюции*, взаимосвязанной эволюции сложных систем; от независимости и обособленности к связности, когерентности* автономного; от размерности к соразмерности, фрактальному самоподобию образований и структур мира.
  Разумеется, речь идет не об исчезновении прежних категорий, а о смещении фокуса внимания. В новой - синергетической - картине мира акцент падает на становление, коэволюцию, когерентность, кооперативность элементов мира. Синергетика как новая парадигма, таким образом, вызывает изменения в профессиональных эпистемологических средствах (способах постановки проблем и научного исследования), в концептуальном арсенале, в используемых моделях, в целях и установках научного поиска. Синергетика может служить основанием для принятия эффективных решений в условиях нестабильности, нелинейности и открытости будущего.
  Благодаря своему междисциплинарному характеру, теория самоорганизации (синергетика) может рассматриваться также как исходное основание кросс*-дисциплинарной, кросс-профессиональной и кросс-культурной коммуникации. Обладание синергетическим знанием или, по крайней мере, синергетическим стилем мышления может быть некой платформой для открытого творческого диалога между учеными, мыслителями, деятелями искусства, имеющими различные творческие установки и взгляды на мир.
 
 ГЛАВА 3. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ Концепции ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
  3.1. Термодинамика
  Роль тепловых явлений в природе (движение, излучение, расширение). ( Вещественная теория теплоты: теплород. ( Корпускулярная теория теплоты: теплота - вид внутреннего движения частиц тела. ( Теплота есть форма и способ передачи энергии (Р. Клаузиус, Л. Больцман). ( Термодинамика - наука о тепловых явлениях в макросистемах. ( Законы термодинамики.
 
  Современные представления об универсальности термодинамических свойств макросистем* определяются фундаментальностью наших представлений об энергии. Хотя, говоря об энергии, мы в состоянии только констатировать её присутствие во всех процессах, как чего-то неизменного, составляющего конечное основание, тем не менее, нам доступно понимание многообразия форм существования и передачи энергии, связанной с разнообразием форм движения. Одним из наиболее универсальных форм передачи энергии является тепловая форма, которая, в конечном счете, связывает через законы термодинамики в единую сеть всё многообразие поведения самых различных макросистем, выводя их на один общий уровень, характеризуемый термодинамическими свойствами макросистем.
  3.1.1. Роль тепловых явлений в природе
  Теплота не вещество, а средство или способ. Сегодня мы знаем, что никакого материального объекта, называемого теплотой, вообще не существует. Мы не можем "перелить" теплоту в сосуд или "перелить" её из одного куска металла в другой. Термин "теплота" характеризует способ передачи энергии. Теплота есть количество энергии, получаемой или отдаваемой системой при теплообмене (при неизменных внешних параметрах системы). Наряду с работой количество теплоты является мерой изменения внутренней энергии системы. При теплообмене внутренняя энергия системы меняется в результате прямых взаимодействий молекул системы с молекулами окружающих тел. Сообщить какому-то телу количество теплоты, то есть нагреть его, означает передать ему энергию строго определённым образом (используя разность температур между более и менее нагретыми телами). Охладить объект - это значит произвести действие обратное нагреванию, то есть отвести от него энергию, используя разность температур между охлаждаемым и более холодными телами. Теплота не одна из форм энергии, а название одного из способов передачи энергии29.
  Тепловые процессы в природе универсальны и проявляют себя через движение, излучение, расширение.
  Тепловое движение представляет собой беспорядочное движение микрочастиц, из которых состоят все тела. Это особая форма движения, качественно отличная от обычного механического движения, при котором все части тела движутся упорядоченно. Наиболее убедительным экспериментальным доказательством теплового движения служит броуновское движение. Кинетическая* энергия теплового движения прямо пропорциональна абсолютной температуре30.
  Тепловое излучение является электромагнитным излучением, испускаемым веществом и возникающим за счёт его внутренней энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр*, положение максимума которого зависит от степени нагретости вещества, то есть от температуры. С её повышением - максимум спектра излучения перемещается в область коротких длин волн. Тепловое излучение возникает в условиях детального равновесия в веществе для всех безызлучательных процессов. Это означает, что любой микроскопический процесс в равновесной системе протекает с той же скоростью, что и обратный ему. В равновесной системе микрочастицы меняют своё состояние (столкновение частиц, химические реакции). Чтобы равновесие сохранялось, наряду с таким микропроцессом должен осуществляться и обратный ему (обратимый процесс).
  Обратимый процесс в термодинамике, - это процесс, который возможно осуществить в обратном направлении, последовательно повторяя в обратном порядке все промежуточные состояния прямого процесса. Обратимым процессом может быть только равновесный процесс. Реальные процессы, строго говоря, являются необратимыми. Принцип детального равновесия связывает характеристики прямого и обратного процессов. В общем случае системы тел различные точки которой имеют различные температуры тепловое излучение не находится в равновесии с веществом. Горячие тела испускают больше чем поглощают, а холодные - наоборот. Происходит перенос излучения от более горячих тел к более холодным.
  Для поддержания стационарного состояния, при котором сохраняется распределение температуры в системе, необходим подвод теплоты к более горячим телам и отвод от более холодных. При полном термодинамическом равновесии все части системы тел имеют одну температуру и энергия теплового излучения, испускаемого каждым телом, компенсируется энергией поглощаемого этим телом излучения других тел. В этом случае тепловое излучение находится в термодинамическом равновесии с веществом и называется равновесным излучением.
  Тепловое расширение связано с изменением размеров тела в процессе его нагревания. У газов оно обусловлено увеличением кинетической энергии частиц газа при его нагреве и совершением за счёт этой энергии работы против внешнего давления. У твёрдых тел и жидкостей тепловое расширение связано с несимметричностью тепловых колебаний атомов, благодаря чему межатомные расстояния с ростом температуры увеличиваются31.
  3.1.2. Вещественная теория теплоты.
  В XVIII веке Д. Блейк провёл четкую грань между количеством тепла и температурой. Он определил то, что мы теперь называем "удельной теплоёмкостью", и построил теорию теплоты как некой жидкости, которая без потерь может перетекать из горячих тел в холодные. Эта "жидкость" вскоре была названа флогистоном или "теплородом".
  Д. Блейк, изучая природу теплоты, установил, что различные виды вещества одним и тем же количеством теплоты нагреваются в разной степени. Это позволило ему выявить теплоемкость различных веществ, то есть определить количество теплоты, которое необходимо подвести к телу, чтобы повысить его температуру на один градус по Цельсию или Кельвину. Он установил, что при таянии льда и снега в течение определенного времени они поглощают тепло, не становясь при этом теплее. Это позволило ему обнаружить скрытое (латентное) состояние теплоты. Блейк понимал теплоту как некую материальную субстанцию ("субстанцию теплоты").
  А. Лавуазье назвал ее теплородом. Попытки взвесить ее оказались неудачными, поэтому теплоту стали рассматривать как особого рода невесомую неуничтожаемую жидкость, способную перетекать от нагретых тел к холодным. Лавуазье считал, что подобная концепция была в полном соответствии с его идеей получения теплоты с помощью химических соединений. Увлечение этой концепцией оказалось столь велико, что кинетическая теория теплоты, в рамках которой теплота представлялась как определенный вид движения частиц, отступила на второй план, несмотря на то, что ее разделяли Ньютон, Гук, Бойль, Бернулли, Ломоносов.
  Почему же концепция теплорода все-таки утвердилась? Для физического мышления XVIII века было характерно оперирование различными субстанциями - электрическими, магнитными, световыми, тепловыми. Свет, электричество, магнетизм, теплоту научились измерять. Это позволило уподобить невесомые феномены обычным массам и жидкостям, что способствовало развитию эксперимента и накоплению необходимых фактов. Иначе говоря, концепция невесомых жидкостей оказалась необходимым этапом в развитии физических концепций.
  Нагревание тел означало наполнение пространства между атомами теплородом и увеличение его давления. Например, считалось, что между атомами воды, обладающей большой теплоёмкостью имеется много свободного места, а в свинце с его малой теплоёмкостью места для теплорода мало. Чтобы нагреть свинец нужно мало теплорода. Считалось, что теплород невесом, обладает наибольшей по сравнению с другими веществами упругостью, способностью проникать в мельчайшие поры тел и расширять их.
  К 1800 г. теория теплорода казалась хорошо экспериментально обоснованной. Она позволяла легко разбираться в нагревании, охлаждении, плавлении, испарении. Но в XIX веке был открыт закон сохранения энергии. Была доказана эквивалентность количества теплоты и работы. Поэтому стало понятно, что теплота не вещество, именуемое теплородом, а форма энергии.
  3.1.3. Корпускулярная теория теплоты
  С 1840 г. теория теплорода подверглась ожесточённым нападкам. Появилось убеждение, что теплоту можно создавать за счёт механической энергии, хотя само понятие энергии было крайне неопределённым. В 40 годах Ю. Р. Майер, Д. Джоуль, Г. Гельмгольц независимо открыли закон сохранения и превращения энергии - основной закон теории тепловых явлений, известный как первое начало термодинамики. Исследования С. Карно, Р. Клаузиуса, У. Томсона привели к формированию представления о необратимости тепловых процессов в природе, так называемому второму началу термодинамики (закону энтропии).
  В итоге в 1-й пол. XIX в. в связи с развитием теории тепловых машин (С. Карно) и установлением закона сохранения энергии возникла термодинамика: раздел физики, изучающий наиболее общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия, и процессы перехода между этими состояниями. (Неравновесные процессы изучает термодинамика неравновесных процессов.). Основные этапы развития термодинамики связаны с именами Р. Клаузиуса и У. Томсона (формулировка второго начала термодинамики), Дж. Гиббса (метод термодинамических потенциалов), В. Нернста (третье начало термодинамики). Различают химическую термодинамику, техническую термодинамику и термодинамику различных физических явлений.
  Термодинамика рассматривает явления, обусловленные совокупным действием огромного числа непрерывно движущихся молекул* и других частиц, из которых состоят окружающие нас тела. Благодаря огромному количеству этих частиц беспорядочное их движение приводит к независимости макроскопических свойств от начального положения этих частиц. Термодинамика изучает тепловую форму движения материи, закономерности которого проявляются не только в атомно-молекулярных совокупностях, но и в таких системах, как электромагнитное излучение. Термодинамика изучает свойства равновесных физических систем, исходя из трех основных законов, называемых законами (началами) термодинамики, и не использует явно информации о молекулярном строении вещества.
  Необходимость иметь дело с очень большими совокупностями частиц ставит вопрос об их количественной оценке. Оценить число частиц в них можно с помощью числа Авогадро, равного 6·1023,именно такое число атомов содержится в 12 г. углерода. Кажется странным, что наука научилась описывать свойства столь огромных систем, прежде чем смогла объяснить поведение отдельных атомов. Причина этого кроется в самой основе термодинамики: термодинамические свойства системы - это средние значения, соответствующие очень большим совокупностям частиц. С такими усреднёнными свойствами больших совокупностей частиц проще иметь дело, чем с отдельными частицами.
  Энергия термодинамической системы равна сумме кинетических и потенциальных* энергий всех частиц. Отсюда ясно, что полная энергия сохраняется. Существует два вида движений частиц в сложных системах: движение может быть упорядоченным как, например, в летящем мяче, когда все частицы движутся "в ногу", или неупорядоченным, когда все частицы движутся хаотически. В термодинамике мы имеем дело с такими изменениями состояния, которые вызываются очень "мягкими" тепловыми воздействиями. Как правило, энергия, сообщаемая системе при нагревании, недостаточна для расщепления атома. Именно по этой причине термодинамика стала одной из первых областей научного исследования.
  3.1.4. Законы термодинамики
  Первое начало обычно кратко формулируется так: "Энергия сохраняется". Сохранение энергии, а не теплоты стало основным открытием 50 годов XIX века, совершённым во многом благодаря Кельвину (У Томсону) и Р. Клаузиусу. Оно пришло на смену понятию "силы". Можно принять, что энергия - это способность совершать работу.
  Второе начало термодинамики устанавливает наличие в природе фундаментальной асимметрии*, то есть однонаправленности всех происходящих в ней самопроизвольных процессов. Это означает, что, хотя полное количество энергии должно сохраняться в любом процессе, распределение имеющейся энергии изменяется необратимым образом.
  Раскроем смысл второго начала термодинамики, или так называемого закона энтропии. Любой пример, связанный с превращением энергии упорядоченного движения (электрических зарядов, кинетической энергии движения молота или автомобиля и т. д.) в тепло, то есть в энергию беспорядочного движения частиц вещества будет во всех случаях иметь дело с необратимыми процессами. Никто еще не видел, чтобы электрическая печь вдруг начала передавать в электросеть свою энергию, охлаждаясь при этом; охлаждая тормоза автомобиля, мы не приведем его в движение и т. д. Все это подтверждает, что очень легко создать беспорядок и очень трудно (или, во всяком случае, требует определенных затрат) создать порядок.
  Энтропия, по существу, представляет собой меру этого беспорядка, и, следовательно, при необратимых процессах она всегда растет. При перемешивании горячей воды и холодной ее температура усредняется. Вся энергия распределяется равномерно между молекулами воды. При этом энтропия увеличивается, и мы получаем энергию, более равномерно распределенную и в форме, менее удобной для использования. То есть недостаточно иметь энергию, нужно, чтобы она была в форме, удобной для использования, и, следовательно, не "беспорядочная". Вода в море обладает огромными запасами энергии, которая, однако, соответствует беспорядочному движению и которую поэтому очень трудно использовать.
  Существует способ обойти это непрерывное увеличение энтропии, и на нем основана почти вся наша современная техника. Второе начало термодинамики устанавливает общее возрастание энтропии, но вовсе не исключает ее локального уменьшения при еще большем увеличении в другом месте. В тепловой электростанции сжигается топливо и производится теплота, которая превращается затем в электрическую энергию, в высшей степени упорядоченную. На самом деле только третья или четвертая часть энергии горения превращается в электричество, в то время как остальная энергия по обыкновению идет на разогрев воды какой-нибудь реки.
  Таким же образом в автомобильном двигателе внутреннего сгорания часть энергии бензина превращается в энергию движения, но гораздо больше ее рассеивается в окружающую среду через радиатор. Итак, общий беспорядок всегда усиливается. Достаточно оглядеться, чтобы понять, насколько активно человек занимается увеличением энтропии. Почти вся наша деятельность приводит к превращению энергии в формы, все менее приспособленные для использования, и к распределению все более низкой температуры среди возрастающего количества атомов.
  Третье начало термодинамики характеризует свойства вещества при очень низких температурах. Оно утверждает невозможность охлаждения вещества до температуры абсолютного нуля. Это начало очевидным образом предполагает атомное строение вещества.
  3.2. Молекулярно-кинетическая теория
  (статистическая механика)
  Основные положения молекулярно-кинетических представлений: хаотичное движение молекул, эмпирически подтверждаемое диффузией, броуновским движением, явлениями упругости и агрегатных состояний вещества. (. Дискретность вещества. (. Роль химии в исследовании вещества. Периодический закон химических элементов Д. И. Менделеева ( Закон сохранения энергии: полная энергия тела, закон сохранения массы вещества, закон сохранения полной массы системы.
 
  Динамические законы (например, законы термодинамики) представляют собой первый, низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы обеспечивают более совершенное отображение объективных связей в природе: они выражают следующий, более высокий этап познания.
  Статистическая механика исходит из микроскопической заданности систем тел, заданности, которая складывается из двух моментов:
  1. Фиксация термодинамических параметров системы, определяющих её макросостояние.
  2. Задание свойств системы на атомистическом уровне.
  Считается, что на атомистическом уровне известны все микроскопические характеристики системы, то есть массы и строение молекул, заряды и спины частиц, потенциалы взаимодействия их с внешним миром и друг с другом.
  Статистическая механика при рассмотрении свойств термодинамических систем с самого начала опирается на молекулярное представление о строении физических систем, широко применяя методы теории вероятностей*.
  3.2.1. Основные положения молекулярно-кинетических представлений
  Первый этап развития молекулярно-кинетической теории связан с исследованием наиболее простой среды - газа. Д. Джоуль, Р. Клаузиус и др. вычислили средние значения скорости молекул, числа их столкновений в секунду, длины свободного пробега. Была получена зависимость давления газа от числа молекул в единице объёма. Температура стала рассматриваться как мера средней кинетической энергии молекул.
  Второй этап связан с работами Дж. К. Максвелла. В 1859 г. он впервые ввёл понятие вероятности и сформулировал закон распределения молекул по скоростям, что привело к созданию статистической механики. Чрезвычайно велика роль Максвелла в разработке и становлении молекулярно-кинетической теории (современное название - статистическая механика). Максвелл первым высказал утверждение о статистическом характере законов природы. В 1866 им был открыт первый статистический закон распределения молекул по скоростям (Максвелла распределение). Кроме того, он рассчитал значения вязкости газов в зависимости от скоростей и длины свободного пробега молекул, вывел ряд соотношений термодинамики.
  На основе этих исследований Людвиг Больцман построил кинетическую теорию газов и дал статистическое обоснование законов термодинамики. Ему удалось согласовать обратимое во времени движение отдельных молекул с необратимым характером макроскопических процессов. Термодинамическому равновесию системы соответствует максимум вероятности данного состояния. Необратимость процессов связана со стремлением систем к наиболее вероятному состоянию.
  Обобщим, основные положения молекулярно-кинетической теории:
  1. Все тела состоят из молекул.
  2. Молекулы находятся в непрерывном тепловом (хаотическом) движении.
  3. Между молекулами существуют силы притяжения и отталкивания.
  Опытными подтверждениями этих положений служат такие явления как:
  * Диффузия, которая представляет собой процесс проникновения молекул одного вещества в межмолекулярные промежутки другого вещества под действием теплового движения.
  * Броуновское движение, представляющее хаотическое движение макроскопических частиц, взвешенных в газе или жидкости под действием тепловых ударов молекул жидкости или газа.
  * Различные явления упругости и агрегатных состояний вещества.
  3.2.2. Дискретность вещества
  Вещество дискретно, то есть состоит из огромного количества мельчайших частиц. Таково общепринятое ныне следствие атомистического учения, возникшего ещё в античности, одним из современных аналогов которого является молекулярная теория. Она даёт ответ на вопрос о том, что происходит внутри тел, когда они плавятся, испаряются, меняется их температура и т. д. Молекула - общее название мельчайших частиц вещества, сохраняющих свои химические свойства. Молекулы отличаются друг от друга. Например, у паров металла и инертных газов они представляют собой отдельные атомы, у водорода, кислорода состоят из двух атомов и т. д. Молекулы сложных веществ состоят из различных атомов элементов, входящих в их состав.
  Можно ли увидеть молекулу? Мы реагируем на свет, который представляет собой волны с очень малой длиной: несколько тысяч ангстрем (1 ангстрем "1А" равен 10-8см). Они и создают видимое изображение. Например, с помощью сильного микроскопа можно увидеть бактерии размером от 10000 до 1000 ангстрем. Далее непосредственное зрительное восприятие обрывается - его ограничивает длина волны видимого света. Волны могут сделать видимыми препятствия, которые по своим размерам больше или порядка их длины. Длины световых волн, то есть воспринимаемого нашим глазом электромагнитного излучения, лежат в пределах от 7000А для красного до 4000А - для фиолетового. Попытки преодолеть это препятствие в области коротковолнового ультрафиолета с помощью фотоплёнки вместо глаза не привели к успеху, так как волны поглощались. Рентгеновские лучи тоже оказались недостаточно короткими, чтобы высветить структуру молекулы. Они проходят через вещество, но плохо фокусируются и дают размытую теневую картину. В лучшем случае они выявляют расположение атомов и расстояние между слоями в кристаллах.
  Но изобретение электронного микроскопа позволило получать на фотоплёнке сильно увеличенное изображение молекул. В нём вместо света через исследуемый тонкий образец проходит пучок электронов, который затем фокусируется электрическими и магнитными полями. Длины электронных волн настолько меньше световых, что позволяют различать даже форму молекул. Конечно, надо помнить, что, в конечном счете, мы можем видеть только их увеличенное изображение, но не сами молекулы. Молекулы оказались состоящими из ещё более мелких частиц - атомов. В свою очередь атомы оказались сложными системами, состоящими из электронов и ядер, а сами ядра - состоящими из различных частиц.
  3.2.3. Химия. Периодическая таблица химических
  элементов Д. И. Менделеева32
  Вещества и их взаимные превращения являются предметом изучения химии. Химия - это наука о веществах и законах, которым подчиняются их превращения. Слово "химия" получило широкое распространение с начала XVIII века. На многих языках оно имеет сходное звучание: chemistry ('кемистри) - на английском, сhemie (хе'ми) - на немецком. Корни "хем" или "хим" содержатся в соответствующих терминах и на многих других языках. Однако до сих пор не удалось установить, когда возникло слово "химия" и какой смысл в него первоначально вкладывался. Многие исследователи склоняются к тому, что это слово происходит от "Кеми" - "Черная страна". Так в древней Греции называли Египет, где зародилось "священное искусство химии". Это же слово относилось к цвету почвы в долине Нила. Смысл такого названия - "египетская наука". Однако в древнегреческом языке были другие близкие по звучанию слова. "Химос" или "хюмос" означало "сок"; это понятие встречается в рукописях, содержащих сведения по медицине и способам приготовления лекарств. "Хима" или "хюма" переводится как литье и относится к искусству выплавки металлов. "Хемевсис" означает "смешивание", являющееся важнейшей операцией большинства химических процессов. Термин "химия" в смысле "настаивание", "наливание" первым употребил греческий философ и естествоиспытатель Зосима Панополитанский на рубеже IV и V веков.
  Современная химия - это фундаментальная система знаний, основанная на богатом экспериментальном материале и теоретических положениях. Химия занимает особое место среди естественных наук. На сегодняшний день известно более 20 миллионов химических веществ. Часть из них встречается в природе. Однако большинство химических веществ ранее вообще не существовало. Они были получены человеком в химических лабораториях. В этом состоит уникальность химии: она не довольствуется тем, что дано природой, а постоянно создает для себя все новые и новые объекты исследований.
  Каждое из химических веществ имеет свое внутреннее строение и может претерпевать разнообразные превращения, то есть вступать в химические реакции. Эти два аспекта взаимосвязаны. Внутреннее строение определяет химические свойства, а по химическим свойствам можно судить о строении вещества. В то же время невозможно одновременно исследовать и строение и химические свойства вещества, поскольку в ходе химической реакции структура вещества неизбежно изменяется. Изучение строения и реакционной способности химических веществ, создание веществ и материалов с заранее заданными свойствами - основные задачи химической науки.
  Уже в XVIII веке начала формироваться так называемая минеральная химия. Сейчас этот раздел химии мы называем неорганической химией - в отличие от органической химии, которая первоначально исследовала вещества, образующиеся в живых организмах. Позднее были выделены в самостоятельные разделы еще две важнейшие области химии - аналитическая и физическая химия.
  Дать точное определение каждому из этих разделов очень сложно, хотя в целом разница между ними вполне очевидна. Так, невозможно кратко ответить на вопрос: что такое неорганическая химия. Одно из наиболее удачных, хотя и не совсем полных определений звучит так: неорганическая химия - это экспериментальное исследование и теоретическая интерпретация свойств и реакций всех элементов и всех их соединений, кроме большинства углеводородов и их соединений.
  Основные задачи современной неорганической химии - изучение строения, свойств и химических реакций простых веществ и соединений, взаимосвязи строения со свойствами и реакционной способностью веществ, разработка методов синтеза и глубокой очистки веществ, общих методов получения неорганических материалов.
  Теоретическую основу неорганической химии составляет учение о Периодическом законе, созданное русским ученым - энциклопедистом Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907). Несмотря на то, что этому закону уже более 100 лет, он по-прежнему является важнейшим инструментом для объяснения свойств и реакций химических элементов и их соединений. Периодическая система химических элементов, получившая в бытовой речи название - таблица Менделеева, - изображена во всех учебниках химии и знакома практически каждому. Предпринималось много попыток создать новую, более совершенную форму таблицы. В научной литературе описано около 700 ее вариантов. Были найдены круговые, треугольные и спиральные варианты, а также трехмерные модификации в виде этажерки, цилиндра, платформы с двумя башнями, объемной спирали, взаимопересекающихся плоскостей и т. д. Но самый распространенный на сегодня вариант близок к тому, который в свое время предложил Д. И. Менделеев.
  С точки зрения теории строения атома, элементы в периодической системе расположены в последовательности увеличения зарядов их ядер, Внутри каждого периода по мере возрастания зарядов ядер элементов последовательно изменяется структура внешних электронных уровней. С этим связан переход элементов от металлов к неметаллам. В периодах слева направо, с увеличением зарядов ядер элементов, усиливается притяжение электронов к ядру и происходит сжатие атома, т. е. уменьшение атомного радиуса элементов. Поэтому в начале каждого периода располагаются элементы, имеющие больший атомный радиус и меньшее число электронов на внешнем электронном слое. Чем больше атомный радиус, тем слабее притяжение электронов внешнего слоя и тем легче элементу отдавать электроны. Такая структура характерна для элементов - металлов, которые сравнительно легко отдают валентные электроны, но не могут принимать их дополнительно для достройки электронных оболочек внешнего уровня.
  С увеличением атомного номера элементов увеличивается заряд ядра и число электронов во внешнем слое и уменьшается легкость отдачи электронов с этого слоя. Таким образом, внутри каждого периода с увеличением атомных номеров элементов наблюдается уменьшение металлических свойств элементов и возрастание неметаллических свойств (способность притягивать к себе электроны). Каждый период заканчивается инертным элементом, имеющим завершенную структуру внешнего электронного слоя (полный октет).
 Устойчивость такого октета объясняет пассивность инертных элементов, что не позволяет причислить их к металлам или неметаллам. В группах расположены элементы, имеющие одинаковое строение внешнего электронного слоя, т. е. электронные аналоги. Номер группы указывает число электронов на внешней электронной оболочке атомов элементов данной группы. Элементы, находящиеся в одной группе проявляют близкие химические свойства. Однако и внутри группы свойства элементов изменяются. Это связано с тем, что внутри каждой группы сверху вниз у элементов увеличивается число электронных слоев, т. е. атомный радиус. Чем больше атомный радиус, тем дальше от ядра электроны внешнего слоя и тем слабее они удерживаются ядром.
  Таким образом, в группах сверху вниз усиливаются металлические и уменьшаются неметаллические свойства. В периодической таблице группы делятся на два типа: 8 групп IA- VIIIA и 8 групп IB- VIIIB. Группа VIIIB состоит из триад. В группах IА и IIA находятся s-элементы, у них последним заполняется электронами s-подуровень внешнего уровня. Далее, согласно правилам Клечковского, для элементов с главным квантовым числом n= 2 и n= 3 (второй и третий период) происходит заполнение р- подуровня. Это р- элементы, они располагаются в группах IIIA- VIIIA. Для элементов IV и V периода после заполнения электронами s- подуровня энергетически более выгодно заполнение соответственно 3d- и 4d- поуровней, что и происходит у элементов групп IB- VIIIB.
  Группы типа В расположены в порядке, указывающем число валентных электронов атомов элементов, так как у d- элементов валентными являются электроны не только внешнего уровня, но и заполняемого второго снаружи уровня. После полного заполнения d- электронами второго снаружи уровня, происходит заполнение р- подуровня последнего электронного уровня (группы IIIA- VIIIA).
  У актиноидов и лантаноидов происходит заполнение электронами f- подуровня третьего снаружи энергетического уровня, что и обуславливает схожесть их химических свойств.
  Как видно, с учетом заполнения электронами энергетических уровней, в периодической таблице с увеличением атомных номеров элементов наблюдается периодическое повторение строения внешних электронных слоев, что и обусловливает периодичность свойств химических элементов.
  С электронной конфигурацией атома связаны такие его свойства, как энергия ионизации, сродство к электрону, электроотрицательность, степень окисления.
  * Энергия ионизации- это энергия, необходимая для отрыва наиболее слабосвязанного электрона от атома. Она выражается в электронвольтах. При отрыве электрона от атома образуется заряженная частица- ион. В данном случае ион будет иметь положительный заряд. Такие ионы называются катионами. Для элементов одного периода энергия ионизации возрастает слева направо с увеличением неметаллических свойств у элементов. В группах энергия ионизации уменьшается сверху вниз с увеличением металлических свойств.
  * Сродство к электрону- это энергия, которая выделяется при присоединении к атому одного электрона Она также выражается в электронвольтах. При присоединении электрона к атому образуется отрицательно заряженный ион - анион. В периодах слева направо сродство к электрону увеличивается. Наибольшим сродством к электрону обладают галогены.
  * Электроотрицательность - это способность атома притягивать к себе электроны в соединении. Притягиваемые электроны являются валентными, т. е. это электроны, которые участвуют в химической связи. Инертные (благородные) элементы не обладают электроотрицательностью. Наиболее электроотрицательным из элементов является фтор.
  * Степень окисления- это формальный заряд атома в соединении, который возник бы, если бы все атомы в этом соединении были бы в виде ионов, а электроны смещены к наиболее электроотрицательному элементу. Номер группы в периодической системе численно равен положительной высшей степени окисления любого элемента данной группы в соединениях с кислородом.
  Предмет изучения органической химии некогда ограничивался соединениями углерода, имеющими растительное и животное происхождение. В наше время органическая химия - это наука, изучающая природные и синтетические соединения углерода с другими элементами.
  Ежегодно число синтезированных органических соединений возрастает на 250-300 тысяч. Оно превышает число известных неорганических соединений в десятки раз. Многообразие органических соединений определяется уникальной способностью атомов углерода соединяться друг с другом простыми и кратными связями, образовывать соединения с практически неограниченным числом атомов, связанных в цепи, циклы, каркасы, образовывать прочные связи почти со всеми химическими элементами.
  Основным методом органической химии является синтез. Теория химического строения органических веществ базируется на положениях, впервые сформулированных русским химиком Александром Михайловичем Бутлеровым (1828-1886). В органической химии можно выделить области исследований соединений, относящихся к различным классам и имеющих различное происхождение: химия ароматических соединений, химия природных соединений, нефтехимия.
  До сих пор ведутся споры, можно считать самостоятельным разделом химии аналитическую химию. Вряд ли они состоятельны. Анализ - важнейший метод химии. До первой половины XIX века именно аналитическая химия была основным разделом химии. Аналитическая химия - это наука об определении химического состава веществ и, в некоторой степени, химического строения соединений.
  Родоначальником научной аналитической химии считают английского физика и химика Роберта Бойля (1627-1691), который первым ввел понятие "химический анализ". Без тщательного, точного анализа развитие химии невозможно. Любой синтез обязательно сопровождается анализом. Для современных технологий необходимы особо чистые вещества, а содержание ничтожных долей примесей в них можно определить лишь аналитическими методами.
  Основная цель аналитической химии - обеспечить точность, высокую чувствительность, быстроту, избирательность анализа. Развитие аналитической химии привело к возникновению химической диагностики, позволяющей непрерывно определять различные характеристики протекающих процессов и образующихся веществ.
  В аналитической химии широко стали использоваться физико-химические и физические методы. Физические методы изучения веществ и воздействия на них получили применение и в других областях химии. Это привело к формированию новых важных направлений химии, например, радиационной химии, плазмохимии. Химия экстремальных воздействий играет большую роль в получении новых материалов, например для электроники, или давно известных ценных материалов, например алмазов, сравнительно дешевым синтетическим путем.
  На грани исследований физических и химических явлений возникла физическая химия. Изучение тепловых эффектов химических реакций породило термохимию. Химические процессы, протекающие под действием электрического тока, стали основой электрохимии. В основу современной физической химии легли также учения о растворах, о скоростях и механизмах химических реакций, о строении молекул и многие другие. Физическая химия - это наука об общих законах, определяющих строение и химические превращения веществ в различных условиях. Термин "физическая химия" принадлежит М. В. Ломоносову (1711-1765), который в 1752 году впервые прочитал студентам Петербургского университета курс этой науки.
  Она исследует химические явления с помощью теоретических и экспериментальных методов физики. Физическая химия является основным теоретическим фундаментом современной химии. В последние годы все большее внимание уделяется углубленному анализу общих закономерностей химических превращений на молекулярном уровне; широкому использованию математического моделирования; изучению воздействия на химические процессы сверхвысоких и сверхнизких температур и давлений, радиации и магнитного поля.
  Все больше стираются границы и между химией и другими естественными науками. Биохимия - биологическая химия - изучает химический состав и структуру веществ, содержащихся в живых организмах; пути и способы регуляции их превращений; энергетическое обеспечение процессов, происходящих в клетке и в организме.
  Становление биохимии как науки произошло на рубеже XIX и XX веков, хотя истоки биохимических знаний обнаружены еще в трудах ученых античного периода, а первые сведения о составе растительных и животных тканей начали появляться в средние века. В наши дни из биохимии уже выделились биоорганическая и бионеорганическая химия.
  В начале XX века химик, минералог и кристаллограф Владимир Иванович Вернадский (1863-1945) разработал основы геохимии - науки о распространенности и миграции химических элементов на Земле. С одной стороны, геохимия широко использует достижения физики и химии, новейшие методы анализа и представления о строении вещества, с другой - огромный материал, накопленный геологическими науками, в частности, минералогией.
  Наряду с физической химией возникла химическая физика, изучающая физические законы, которые управляют строением и превращениями химических веществ.
  Особенности развития химии в ХХ веке во многом обусловлены достижениями физики в конце XIX века. Открытие рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и развитие квантовой теории привели к открытию радиоактивных элементов, новым представлениям о строении атома и природе химической связи. В ХХ веке было синтезировано 23 новых химических элемента, не найденных в природе, в том числе находящихся в Периодической системе после урана.
  Дальнейшее развитие получил органический синтез. Во второй половине ХХ века искусственным путем были получены такие сложные природные вещества как хлорофилл и инсулин. Современная химия стала величайшей "производительной силой". Это выражается не только в многотоннажном производстве разнообразных химических продуктов. Стремительно растет число новых химических соединений, главным образом, органических.
  Еженедельно в мире синтезируется не менее 10 тысяч новых веществ. Естественно, лишь немногие из них вызывают интерес и находят практическое применение, но ведь никто не знает, какое именно вещество понадобится завтра. Так что классическое определение химии может быть расширено: химики не только изучают вещества и их превращения, но и постоянное получают новые, ранее неизвестные. Постоянно разрабатываются новые химические материалы, необходимые для современной промышленности, техники, медицины и других сфер человеческой деятельности.
  3.2.4. Закон сохранения энергии
  Любая частица обладает энергией, обусловленной как её движением, так и положением в пространстве. Соответственно мы говорим о кинетической и потенциальной энергии. Частица, находящаяся в гравитационном поле Земли, обладает потенциальной энергией, зависящей от её высоты. Аналогично деформированная пружина обладает потенциальной энергией, зависящей от степени её сжатия и т. д.
  Движущаяся частица обладает кинетической энергией, причем, чем быстрее она движется, тем больше энергия. Покоящаяся частица не имеет кинетической энергии.
  Наиболее важное свойство полной энергии тела или частицы (суммы её потенциальной и кинетической энергии) - её сохраняемость и неизменность в отсутствие действия внешних сил. В этом сущность закона сохранения энергии33.
  Закон сохранения энергии имеет всеобъемлющее значение. Он применим ко всем без исключения явлениям природы. Энергия тел зависит от их скоростей, положения, температуры, формы, химического состава и т. д. Изменение энергии тел происходит либо за счёт работы, совершаемой этими телами, либо за счёт передачи энергии другим телам. Если мы рассматриваем все тела, участвующие в процессе, то полная энергия их остаётся неизменной. Самым существенным в этом законе является необходимость учитывать все тела, участвующие в рассматриваемых процессах. Как правило, сделать это очень трудно. Кажущиеся отступления от этого закона объясняются недостаточно строгим учётом всех происшедших изменений34.
  Всякий процесс, происходящий в природе, можно рассматривать как превращение отдельных видов энергии друг в друга. Установление закона сохранения и превращения энергии означает выработку представления о различных видах энергии, об их материальной сущности. Закон сохранения энергии связан с несотворимостью и неуничтожимостью движения. Между качественно различными видами движения существует количественное отношение, общей мерой которого является энергия - свойство качественно различных форм движения материи переходить друг в друга в строго эквивалентных количествах.
  Энергия "вообще" не что иное, как абстракция, так как в действительности существуют различные виды движения и энергии, а не энергия сама по себе. Например, энергия потенциальная, кинетическая, тепловая, упругости, электрическая, химическая, излучения, ядерная и т. д. Сущность переноса энергии в переносе материального движения на основе закона сохранения и превращения. Перенос характеризуется импульсом mv. Французский философ и математик Анри Пуанкаре сказал об энергии следующее: "Так как мы не в силах дать общего определения энергии, принцип сохранения её попросту означает, что существует нечто, остающееся постоянным. Поэтому, к каким бы новым представлениям о мире не привели нас будущие эксперименты, мы заранее знаем: в них будет нечто остающееся постоянным, что можно назвать энергией".
  Разновидностью закона сохранения энергии является закон сохранения массы вещества. Сохранение веществ в биосферных процессах, в географической оболочке означает, что число атомов не меняется и масса каждого атома как мера его инертных и гравитационных свойств постоянна. В химических, биологических, тепловых, механических, электрических, магнитных явлениях - там, где не происходит взаимопревращения элементарных частиц, действует закон сохранения массы.
  В процессах ядерных превращений изменение в системе масса - поле действует вариант этого закона: закон сохранения полной массы системы. Закон всемирного тяготения привёл к понятию гравитационной массы. Механика Ньютона ввела понятие инертной массы. Кстати, одной из загадок природы является равенство гравитационной и инертной масс. В классической механике масса тела величина постоянная. В релятивистской механике любая масса зависит от скорости движения. В ней различают "массу покоя" и "массу движения". Все элементарные частицы по массе можно разбить на две группы: имеющие и не имеющие массу покоя. Частицы, не имеющие массы покоя, могут двигаться только со скоростью света. Определений понятия "масса" много, но общепризнанное отсутствует. В основе определения массы понятие веса: иметь массу означает быть тяжёлым и инертным.
  3.3. Электромагнитная теория
  История открытия электричества. ( М. Фарадей: исследования электромагнетизма, учение об электромагнитном поле, законы электролиза. ( Заряд и поле. Закон сохранения электрического заряда. ( Проводники, полупроводники и диэлектрики. Электрический ток. ( Электромагнитное взаимодействие. Электромагнитная теория поля (Дж. Максвелл).
 
  Трудно даже перечислить все проявления электрических (точнее, электромагнитных) сил. Они определяют устойчивость атомов, объединяют атомы в молекулы, обусловливают взаимодействие между атомами и молекулами, приводящее к образованию конденсированных (жидких и твердых) тел. Все виды сил упругости и трения также имеют электромагнитную природу. Велика роль электрических сил в ядре атома. В ядерном реакторе и при взрыве атомной бомбы именно эти силы разгоняют осколки ядер и приводят к выделению огромной энергии. Наконец, взаимодействие между телами осуществляется посредством электромагнитных волн света, радиоволн, теплового излучения и т. д.
  3.3.1. История открытия электричества
  Открытие электрических явлений легенда приписывает мудрейшему из мыслителей древней Греции Фалесу, жившему более двух тысячелетий назад. Еще в те времена в окрестностях древнегреческого города Магнезия люди находили на берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные предметы. По имени этого города их назвали магнитами (оттуда пришло к нам слово "магнит").
  Фалес же находил и другие, не менее таинственные камешки, к тому же красивые и легкие. Эти привлекательные дары моря не притягивали, как магниты, железных предметов, но обладали не менее любопытным свойством: если их натирали шерстяной тряпочкой, то к ним прилипали пушинки, легкие кусочки дерева, травы. Такие камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей, мы сейчас называем янтарем. Древние же греки янтарь называли "электроном". Отсюда и образовалось слово "электричество".
  Но ни древнегреческие, ни другие мыслители и философы на протяжении многих столетий не могли объяснить эти свойства. В XVII веке немецкому ученому Отто Герике удалось создать электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако разгадка тайн "электрической жидкости", как в то время называли это электрическое явление, не была тогда найдена. В середине XVII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые под руководством Питера ван Мушенбрука нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была лейденская банка (по названию университета) - стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри были оклеены свинцовой фольгой.
  Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества. Если ее обкладки соединяли отрезком толстой проволоки, то в месте замыкания проскакивала сильная искра, и накопленный электрический заряд мгновенно исчезал. Если же обкладки заряженного прибора соединяли тонкой проволокой, она быстро нагревалась, вспыхивала и плавилась, то есть перегорала, как мы часто говорим сейчас. Вывод мог быть один: по проволоке течет электрический ток, источником которого является электрически заряженная лейденская банка. Сейчас подобные приборы мы называем электрическими конденсаторами (слово конденсатор означает "сгуститель"), а их не соединяющиеся между собой полоски фольги - обкладками конденсаторов.

<< Пред.           стр. 3 (из 15)           След. >>

Список литературы по разделу