Основные принципы современного естествознания

Инвариантность
(от лат. invarians) – неизменность
какой-либо величины при изменении условий окружающей среды или преобразованиях
системы координат.

Интенсивные
фазы развития научной мысли – фазы существенного углубления знания, выводящего
его на новые рубежи.

Критерий
(греч. criterion) – признак, мерило которые используются для оценки,
определения или классификации чего-либо.

Метод –
совокупность правил и приемов, способных обеспечить познание исследуемого
объекта и возможности его практического использования. Природа исследуемого
объекта и метод его исследования тесно связаны между собой.

Мировоззрение
– система обобщенных взглядов на природу (объективный мир) и место человека в
нем.

Научная
картина мира – целостная система представлений о наиболее общих свойствах и
закономерностях природы и общества.

Научный
закон – это знание, формируемое людьми в понятиях, содержание которых, однако,
имеет свое основание в природе (в объективном бытии).

Постулат
– положение, не обладающее самоочевидностью, но принимаемое в отдельной
специальной науке за исходное без доказательств.

Принцип
(от лат. principium – основа, начало) – в
объективном смысле исходный пункт, первооснова, самое первое (реальный принцип,
принцип бытия).

Унификация
– приведение каких-либо представлений к единообразию: единой форме, системе и
т.п.

Способы
научного познания обычно называют методами познания, которые могут быть поняты
как особые типы деятельности, осуществляющие определенные цели, адекватные
своему предмету. Способов научного познания много, но особое значение имеют
механизмы их зарождения, наиболее ярко проявившиеся в XVII в. Если тот или иной тип деятельности уже сложился и
появилась возможность закрепить его в виде особых предписаний, то могут быть
сформулированы «правила для руководства ума», как это сделал, например, Р.
Декарт в 1637 г.,
или «правила философских умозаключений», сформулированные И. Ньютоном в 1686 г.

Вместо
множества правил дедуктивной логики предшествующей эпохи Декарт счел
необходимым и достаточным выделить в научном познании несколько основных
правил. В «Правилах для руководства ума» он перечислил 21 такое правило, но в
«Рассуждении о методе» свел их число к четырем. Кратко эти правила сводятся к
следующему.

1.
Необходимо считать истинным только то, что представляется уму столь ясным и
отчетливым, что не дает повода подвергать его сомнению.

Это
правило самое важное, делающее акцент на очевидности, которое сам Декарт
сформулировал следующим образом: «Никогда не принимай ничего на веру, в чем с
очевидностью не уверен; иными словами, необходимо старательно избегать
поспешности и предубеждения и включать в свои суждения только то, что
представляется моему уму столь ясно и отчетливо, что никоим образом не сможет
дать повод к сомнению»

2. Встречающиеся
затруднения необходимо делить на части с целью их преодоления.

В
«Правилах» Декарт уточняет: «Мы называем простым только то, значение о чем
столь ясно и отчетливо, что никоим образом не сможет дать повод к сомнению».

3.
Следует начинать с наиболее простых предметов и постепенно восходить к познанию
сложного, предполагая порядок даже там, где объекты мышления не даны в их
естественной связи.

В
«Рассуждениях о методе» Декарт определяет это правило так: «Третье правило
заключается в том, чтобы располагать свои мысли в определенном порядке, начиная
с предметов простейших и легко познаваемых, и восходить мало-помалу, как по
ступеням, до познания наиболее сложных, допуская существование порядка даже
среди тех, которые в естественном ходе вещей не предшествуют друг другу».

4.
Следует составлять возможно полные перечни и обзоры исследуемых предметов.

Декарт
формулирует данное правило так: «Последнее правило – делать всюду перечни
настолько полные и обзоры столь высокоохватывающие, чтобы быть уверенным, что
ничего не пропущено».

Таким
образом, можно сказать, что всеобщее и абстракция – два основных момента
аристотелевско-схоластической философии – вытесняются простыми элементами и
интуицией.

И.
Ньютон в своих «Началах» сформулировал четыре правила умозаключения в физике
следующим образом:

1. Не
должно принимать иных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объяснения
явлений.

2.
Следует предписывать те же причины одним и тем же явлениям природы.

3.
Критерий общности свойств коренится в их постоянстве, или, как бы мы сказали
теперь, в их инвариантности.

4.
Индуктивные умозаключения, несмотря на их вероятностный характер, могут
рассматриваться в теоретической системе в качестве достоверных до тех пор, пока
они не будут опровергнуты новыми явлениями.

Сопоставление
«правил для руководства ума» Декарта с «правилами умозаключений в физике»
Ньютона показывает их удивительную общность даже несмотря на видимые различия.
Н. Ф. Овчинников отмечает, что критерий ясности и отчетливости мышления,
составляющий основной мотив всех четырех правил Декарта, имеет основание в
простоте самой природы. Ньютон в разъяснениях к своим правилам сам подчеркивает
их связь с особенностями природы. «Природа проста и не роскошествует излишними
причинами» – это знаменитое изречение Ньютона прямо указывает на объективное
основание его первого и второго правил.

ПРИНЦИПЫ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Следует отметить, что в настоящее время бурно
развивается философия науки, которая существенно отличается от естествознания и
по своим целям, и по методам исследования. Философия науки стремится к
некоторому синтетическому взгляду на окружающий нас мир. Она включает в себя
эпистемологию, методологию науки (в широком и узком смысле) и социологию научного
познания, синергетическую онтологию и т.п.

Принципы
естествознания коррелируют с принципами, положенными в основание
материалистической диалектики. Те и другие отличаются глубиной и всеохватностью
законов природы. Среди последних наибольшее значение имеют: принцип
взаимозависимости объекта и его атрибутов, принцип развития, принцип отражения.

Естественно-научное
мировоззрение опирается прежде всего на основные принципы физики. Физика несет
в себе единство мысли, метода и объединяет вокруг себя значительную часть
точного знания. Методы физики позволили многие частные вопросы специальных наук
(химии, астрономии, биологии, математики) сделать частью более общих подходов.

Принципов
физики можно выделить довольно много. Большинство из них «перекрываются»,
дополняют друг друга. По степени общности можно в первую очередь выделить
принципы инвариантности, относительности, дополнительности, вариационные
принципы. Затем следует выделить принципы сохранения энергии, необратимости,
симметрии, инерции, дальнодействия, близкодействия и некоторые другие. Подробно
рассматривать связи между этими принципами мы не будем, поскольку это глубокое
философская и научная проблема, которой посвящены многочисленные исследования и
решение которой еще далеко от своего завершения.

Отметим
наиболее важные идеи, связанные с формулировкой самых общих принципов природы,
а именно – идеи инвариантности, относительности и дополнительности.

Инвариантность. Категория инвариантности тесно связана с глубокой
философской проблемой соотношения между относительной и абсолютной истиной. Ее
конкретизация осуществляется на определенном физическом материале, а сам вопрос
ставится так: является ли некоторое утверждение справедливым лишь при
определенных условиях? Если
справедливость утверждения не зависит от системы отсчета, то такое утверждение
называется инвариантным. Только инвариантное утверждения и имеют физическое
значение.

В
современной физике, по мнению М. Э. Омельяновского, роль абсолютности играет
инвариантность. В связи с таким расширением понятия инвариантности можно
сделать один парадоксальный вывод: всякое абсолютное относительно, а
относительное абсолютно. Можно добавить, что аналогичное расширение понятия
инвариантности целесообразно исследовать в философии.

Один из
виднейших физиков-теоретиков XX столетия Е. Вигнер сформулировал концепцию
трех уровней познания в физике, которая может быть распространена и на другие
науки. Первый уровень познания – установление отдельных фактов (событий).
Второй уровень познания – в выведение общих физических законов посредством
обобщения фактов или событий. По формулировке Вигнера, «законы природы
позволяют нам предсказывать события на основании знания других событий», или,
короче говоря, устанавливать корреляции между событиями. Третий уровень
познания – получение принципов инвариантности («сверхпринципов») посредством
дальнейшего обобщения физических законов.

Факты
широко окружают человека в быту, переходят с ним в науку, становясь там его
опорой. Затем наступает этап формулирования законов, среди которых есть
выдающиеся, например закон Архимеда. Именно большое напряжение гениального ума
и определенное стечение обстоятельств позволили понять, что на всякое тело, погруженное в жидкость (или
газ), действует со стороны этой жидкости (или газа) сила, направленная вверх,
приложенная к центру тяжести вытесненного объема и равная по величине весу
вытесненной телом жидкости (или газа).

Инвариантные соотношения могут рассматриваться как с
точки зрения систем координат, так и исходя из протекающих в этих координатных
системах процессов. Например, нетрудно показать, что законы Ньютона (законы
инерциальной механики) инвариантны относительно преобразований Галилея. Вместе
с тем инерциальная система может быть определена как система, в которой
выполняются законы Ньютона. Это, конечно, упрощенный пример. Инвариантные
соотношения достаточно сложны для того, чтобы характеризовать их в качественном
виде. Принципы инвариантности служат пробным камнем для проверки истинности
возможных законов природы и позволяют находить новые физические законы.

Иногда
принципы инвариантности разделяют на геометрические и динамические. Геометрические принципы выражают общие
свойства пространства, его однородность и изотропность (равноправие всех точек
пространства и равноценность всех направлений в нем). Эти свойства отнюдь не
очевидны, их познание было долгим и мучительным. Направления «верх-низ»,
«вперед-назад», «право-лево» казались людям глубоко отличными друг от друга. Динамические принципы инвариантности
выражают свойства взаимодействий отдельных физических тел.

Методологическая
ценность понятия «инвариантность» заключается в том, что оно позволяет отделить
внутренние свойства исследуемого объекта от его внешних свойств. При этом
необходимо подчеркнуть реальность внутренних свойств, тогда как внешние
свойства зависят от способа их представления (связаны с выбранной системой
отсчета).

Рассмотрим,
каким образом инвариантность связана с симметрией и законами сохранения. Если
речь идет о зеркальном отражении, то слово «инвариантность» заменяют словом
«симметрия». Законы сохранения являются формой выражения принципов
инвариантности. Инвариантность к смещению системы отсчета выражает собой: закон
сохранения энергии – для смещения во времени, закон сохранения импульса – для
смещения в пространстве, закон сохранения количества движения – для поворота.

Симметрии
лучше всего изучены в физике, где под принципом симметрии понимается следующее утверждение:
законы природы не меняются, когда на них воздействует комбинация операций или
симметрий, известных как С, Р, Т, где С означает замену частицы на античастицу,
Р – зеркальное отражение, когда левое и правое меняются местами, Т – изменение
направления движения всех частиц на обратное.

Инвариантность
может быть проиллюстрирована на простых и наглядных примерах. Закон сохранения
импульса инвариантен относительно инерциальной системы координат. Равно как и
три механических закона Ньютона инвариантны относительно инерциальных систем. (
Эти утверждения доказываются очень просто и являются хорошей иллюстрацией для
семинарских занятий). Можно отметить, что все развитие механики, включая ее
генезис, связано с расширением представлений об инвариантности физического
объекта в связи с переходами от одной системы отсчета к другой.

У
Аристотеля инвариантном является естественное (абсолютно неподвижное) место
тела; у Декарта и Галилея неизменным состоянием стало уже не положение тела, а
его скорость. В современной физике основным инвариантом служит масса.

Относительность.
Принципы относительности связаны с принципами инвариантности самым тесным
образом. В классической механике было
установлено, что равномерное и прямолинейное движение системы отсчета не влияет
на механические процессы, происходящие в системе материальных точек. Это
утверждение носит название принципа относительности Галилея. В своей
наиболее простой и отточенной форме принцип относительности обычно
формулируется так: «Законы классической механики инвариантны относительно
перехода от одних инерциальных систем отсчета к другим» Или: «Все механические процессы протекают
совершенно одинаково во всех инерциальных системах отсчета». То есть все
инерциальные системы отсчета равноправны с позиций механики; нет ни одной
избранной, которую можно было бы предпочесть другой на том основании, что
какой-то механический опыт в ней протекает иначе, чем в других инерциальных
системах отсчета.

В 1905 г. А. Эйнштейн обобщил этот принцип, сформулировав
два постулата специальной теории относительности.

1. Все законы физики должны быть одинаковы во
всех инерциальных системах отсчета, движущихся относительно друг друга
поступательно и равномерно (с постоянной скоростью).

2. Скорость всех взаимодействий в природе ограничена скоростью света. Или скорость
света одинакова во всех инерциальных системах.

Но
принцип относительности оказался гораздо шире, чем это было осознано в
специальной теории относительности. Его сущность пытался понять и А. Эйнштейн в
общей теории относительности. Кроме того, подобная попытка осмысления
предпринималась также на стыке между философией, религией и естествознанием.
Например, А. Д. Александров, специалист в области геометрии и теории
относительности, писал: «Принцип относительности формулирует не как физический
закон, а как принцип независимости законов природы от произвольного выбора
системы отсчета… Но система отсчета есть нечто объективное. Она есть, по
существу, объективная координация явлений по отношению материальных тел и
процессов, служащих базой системы отсчета, координация, определенная в конечном
счете материальными взаимодействиями» (1958).

За стандарт конгруэнтности Александров брал
свет – физическое явление, которое, по его мнению, имеет универсальное и
объективное значение. Во многих философских исследованиях прошлого, в частности
в работах Св. Августина, Псевдо-Дионисия, Св. Василия, Авицеброна, свет
рассматривался в качестве формы, актуализирующей возможности материи как
универсального континуума. Он полагал, что стандарты конгруэнтности могут быть
получены эмпирически, но признавал, будто никто не будет утверждать, что «в
мире начерчены координатные сетки». Александров тем не менее верил, что
стандарты конгруэнтности могут быть установлены без простого «определения»
твердых масштабов и изохронных часов.

Можно
подчеркнуть еще один важный элемент, обеспечивающий взаимосвязь принципов
инвариантности и относительности. Многие ученые предлагали называть специальную
теорию относительности теорией инвариантности, поскольку в ней обосновывается
существование двух важнейших инвариантов природы. Первым является постоянная
скорость света, вторым – соотношение Е = mc². Таким
образом, в специальной теории относительности А. Эйнштейна произведено весьма
полное обобщение, как принципа относительности, так и принципа инвариантности.

Дополнительность.
К настоящему времени принцип дополнительности, несмотря на его исключительную
важность в науке, разработан совершенно недостаточно. Иногда этот принцип
трактуется либо как синоним соотношений неопределенности, либо как логически и
исторически вытекающий из него. Достаточно подробно ошибочность такого рода
воззрений разбирается М. Джеммером.

Н. Бор
ввел «дополнительность» как принцип, согласно которому некоторые понятия в
физике являются несовместимыми и должны восприниматься только как дополняющие
друг друга. Соотношение неопределенностей представляет собой количественное
выражение этого принципа. В 1946 г. Н. Бор сформулировал свою наиболее отточенную
формулировку принципа дополнительности: «Как бы далеко не выходили квантовые
эффекты за пределы возможностей классической физики, описание экспериментальной
установки и регистрации результатов наблюдения всегда должны производиться на
обычном языке, дополненном терминологией классической физики. Это есть простое
логическое требование, поскольку термин «эксперимент» в сущности может
применяться лишь для обозначения такой ситуации, когда мы можем рассказать
другим, что сделали и что узнали в итоге». Данная формулировка ввиду ее
принципиальной важности иногда называется «принципом Бора». Бор советовал
применять в квантовой механике и корпускулярную, и волновую картины излучения и
вещества. Их совместное использование дает наиболее правильное представление о
реальностях микромира.

Принцип
дополнительности наглядно и парадоксально увязывается с диалектическим методом.
Так, например, Бор разъяснял: «Каждое высказанное мною суждение надо понимать
не как утверждение, а как вопрос». Или: «Есть два вида истины – тривиальная,
отрицать которую нелепо, и глубокая, для которой обратное утверждение – тоже
глубокая истина». Можно сформулировать эту мысль иначе: содержательность
утверждения проверяется тем, что его можно опровергнуть. Приведем еще одно
высказывание Бора: «Никогда не выражайся яснее, чем ты думаешь». Понятие
«истина» Бор считал дополнительным понятию «ясность». Он также полагал, что
проблема «свободы воли» решается дополнительностью мыслей и чувств. Пытаясь
анализировать переживания, мы изменяем их и, наоборот, отдаваясь чувствам,
теряем возможность их анализа.

Принцип
дополнительности применяется также в биологии, лингвистике и ряде других наук,
но главную мысль, обобщающую этот принцип, можно выразить так: природная
(сущностная) картина явления и его строгое математическое описание
взаимодополнительны. Например, создание физической картины явления требует
качественного подхода, пренебрежения деталями и уводит от математической
точности. А точное математическое описание настолько усложняет картину, что
затрудняет физическое понимание.

Указанные
принципы имеют четкую естественно-научную формулировку, но есть возможности
использовать их и за пределами естествознания. Одна из таких возможностей
связана с относительными равновесиями природы. Так, если относительные
равновесия рассматривать с некоторых более общих позиций, например в рамках
концепции относительных равновесий, разработанной автором (гл. IV), то подходы, связанные с этими принципами, можно
использовать в философии и религии.

Рассматривая
принципы относительности и допонительности с позиций концепции относительных
равновесий, можно сказать следующее. Исследование природного процесса в
пределах одного структурного уровня может основываться на принципе
относительности. Если в природной системе установилось относительное равновесие
и выявлена фундаментальная ячейка, то все взаимодействия природной системы со
средой могут рассматриваться относительно данной ячейки. При этом могут быть
исследованы все стороны изучаемого природного процесса. Если этот процесс
исследуется с точки зрения соседних структурных уровней, то анализируется
какая-то одна из его граней или эти грани изучаются поочередно. То есть в таком
случае основным используемым принципом становится принцип дополнительности.

Представляется
важным отметить, что истоки рассматриваемых принципов лежат в философии и
религиях древности. Истоки принципа относительности имеются, например, у
античных философов, а принципа дополнительности – в древнекитайской
философско-религиозной мысли (понятия ян, инь и т.п.).

Очень
емкой формулировкой принципа дополнительности является формулировка И.
Пригожина, правда в вольной интерпретации: «Мир богаче, чем можно выразить на
любом одном языке… Нам приходится прибегать к многочисленным описаниям, не
сводимым одно к другому, но связанным между собой точными правилами перевода,
называемыми на техническом языке преобразованиями».

В связи
с этим можно отметить, что в современной науке, например, категория меры часто
выступает синонимом нормы. Однако в ряде случаев можно выявить и существенные
различия между мерой и нормой. Мера охватывает всякое единство количественных и
качественных характеристик объекта; норма же характеризует лишь их оптимальное
единство. Таким образом, мера может рассматриваться как относительное
равновесие природной системы, а через него может быть связана с принципом
относительности.

ВОПРОСЫ ДЛЯ СЕМИНАРОВ

1.
Какие основные правила научного познания предложил Р. Декарт?

2.
Сравните эти правила с «правилами умозаключений в физике» И. Ньютона.

3.
Перечислите основные принципы естествознания.

4. Чем
отличается методологический принцип от принципа естествознания (физики)?

5.
Приведите основные формулировки принципов относительности и дополнительности.

6. Чем
отличаются инвариантные соотношения от законов естествознания и эмпирических
фактов?