Физика как фундамент естествознания

Обновлено: 25.04.2024

3.1. Физика – фундаментальная отрасль естествознания

Физика – основа естественно-научного познания. Огромное ветвистое дерево естествознания медленно произрастало из натурфилософии – философии природы, представляющей собой умозрительное истолкование природных явлений и процессов. Натурфилософия зарождалась в VI–V вв. до н. э. в Древней Греции в ионийской школе и была, по существу, первой исторической формой философии, которая носила стихийно-материалистический характер. Ее основоположники – крупные мыслители древности: Фалес, Анаксимандр, Анаксимен, Гераклит Эфесский и др. – руководствовались идеями о единстве сущего, происхождении всех вещей из некоторого первоначала (земли, воды, воздуха, огня) и о всеобщей одушевленности материи. Интерес к природе как объекту познания вызвал новый расцвет натурфилософии в эпоху Возрождения, который связан с именами известных мыслителей – Дж. Бруно, Б. Телезио, Т. Кампанеллы и др. Позднее натурфилософские взгляды на окружающий мир, основанные на объективно-идеалистической диалектике природы как живого организма, развивались немецким философом Ф. Шеллингом (1775–1854) и его последователями.

Наряду с умозрительными и в определенной степени фантастическими представлениями натурфилософия содержала глубокие идеи диалектической трактовки природных явлений. Поступательное развитие экспериментального естествознания привело к постепенному перерастанию натурфилософии в естественно-научные знания. Таким образом, в недрах натурфилософии зарождалась физика – наука о природе, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира.

Физика составляет основу естествознания. В соответствии с многообразием исследуемых форм материи и ее движения она подразделяется на механику, термодинамику, электродинамику, физику элементарных частиц, ядерную физику, физику плазмы и т. д. На ее стыке с другими естественными науками возникли биофизика, астрофизика, геофизика, физическая химия и др.

Слово «физика» появилось еще в древние времена и в переводе с греческого означает «природа». Натурфилософское сочинение древнегреческого философа Аристотеля (384–322 гг. до н. э.), ученика Платона, так и называется «Физика». Аристотель писал: «Наука о природе изучает преимущественно тела и величины, их свойства и виды движений, а кроме того, начала такого рода бытия».

«Высшая задача физики состоит в открытии наиболее общих элементарных законов, из которых можно было бы логически вывести картину мира», – так считал Эйнштейн. Одна из главных задач физики – выявление самого простого и самого общего в природе. Под самым простым обычно принято понимать первичные объекты: молекулы, атомы, элементарные частицы, поля, а под самым общим – движение, пространство и время, энергию и т. д. Физика изучает разнообразные явления и объекты природы, и при этом сложное сводится к простому, конкретное – к общему. Так устанавливаются универсальные законы, справедливость которых подтверждается не только в земных условиях и в околоземном пространстве, но и во всей Вселенной. В этом заключается один из существенных признаков физики как фундаментальной науки. Физика занимает особое место среди естественных наук, и ее принято считать лидером естествознания.

К настоящему времени известно множество естественных наук, отражающих различные свойства объектов природы. Их классификация и иерархия всегда интересовали ученых. Одну из первых классификаций провел в начале XIX в. французский физик А. Ампер (1775–1836). Уже тогда общее число естественных наук составляло более 200. Естественно-научные знания он представил в виде единой системы, состоящей из различных по характеру идей и экспериментальных сведений. В такой системе физика располагалась на первом уровне как наука наиболее фундаментальная, химия – на втором, как бы основывающаяся на физике, и т. д.

Позднее – в середине XIX в., – изучая историю развития естествознания, немецкий химик Ф. Кекуле (1829–1896) предложил свою иерархию естественных наук в форме четырех последовательных ступеней: механика, физика, химия, биология. В ней рассматривались молекулярная физика и термодинамика как механика молекул, химия – как физика атомов, а биология – как химия белков или белковых систем.

Вопросы иерархии, классификации и взаимосвязи естественных наук обсуждаются и по сей день. При этом рассматриваются разные точки зрения. Например, одна из них – все химические явления, строение вещества и его превращение можно объяснить на основании физических знаний – ничего специфического в химии нет. Другая точка зрения – каждый вид материи и каждая форма материальной организации (физическая, химическая, биологическая) настолько специфичны и обособлены, что между ними нет прямых связей. Конечно, такие полярные точки зрения далеки от истины. Вполне очевидно: несмотря на то, что физика – фундаментальная отрасль естествознания, каждая из естественных наук при одной и той же общей задаче изучения природы имеет свой объект исследования и базируется на своих законах, не сводимых к законам других отраслей науки. Сочетание всесторонних знаний, накопленных в течение длительного времени в отдельных отраслях естествознания, способствует дальнейшему его развитию.

Возвращаясь к мысли, изложенной в начале этого параграфа, можно сказать: натурфилософия породила физику. Однако также определенно можно утверждать и другое: физика выросла из потребностей техники (например, развитие механики у древних греков было вызвано запросами строительной и военной техники того времени). Техника, в свою очередь, определяет направление физических исследований (так, задача создания наиболее экономичных тепловых двигателей стимулировала бурное развитие термодинамики). С другой стороны, от развития физики зависит технический уровень производства. Физические достижения – фундаментальная база для наукоемких технологий и новых технических средств производства.

Физика тесно связана и с философией. Такие крупные открытия, как закон сохранения и превращения энергии, второе начало термодинамики, соотношение неопределенностей и др., являлись и являются ареной острой борьбы между сторонниками разных философских течений. Научные открытия служат питательной средой для многих философских идей. Изучение открытий и их философское, концептуальное обобщение играют большую роль в формировании естественно-научного мировоззрения.

Основные этапы развития физики. Всю историю развития физики, как и естествознания, можно условно разделить на три основных этапа:

1) доклассической физики;

2) классической физики;

3) современной физики.

Первый этап развития физики – этап доклассической физики – иногда называют донаучным. Однако такое название нельзя считать обоснованным: фундаментальные зерна физики и естествознания в целом были посеяны еще в глубокой древности.

Этот этап – самый длительный: он охватывает период от времени Аристотеля (IV в. до н. э.) до конца XVI в.

Начало второго этапа – этапа классической физики – связывают с работами итальянского ученого Г. Галилея, одного из основателей точного естествознания, и трудами английского математика, механика, астронома и физика И. Ньютона, основоположника классической физики. Второй этап длился около трех веков до конца XIX в.

К началу XX в. были получены экспериментальные результаты, трудно объяснимые в рамках классических знаний. Поэтому был предложен совершенно новый подход – квантовый, основанный на дискретной концепции. Квантовую гипотезу впервые ввел в 1900 г. немецкий физик М. Планк, вошедший в историю развития физики как один из основоположников квантовой теории. С введением квантовой концепции начинается третий этап развития физики – этап современной физики, включающий не только квантовые, но и классические представления.

Этап доклассической физики открывает геоцентрическая система мировых сфер Аристотеля, которая родилась на подготовленной его предшественниками идейной почве. Переход от эгоцентризма – отношения к миру, характеризующегося сосредоточенностью на своем индивидуальном «я», к геоцентризму – первый и, пожалуй, самый трудный шаг на пути зарождения ростков естествознания. Непосредственно видимая полусфера неба, ограниченная местным горизонтом, дополнялась аналогичной невидимой полусферой до полной небесной сферы. Мир стал более завершенным, но оставался ограниченным небесной сферой. Соответственно и сама Земля, противопоставленная остальной (небесной) сферической Вселенной как постоянно занимающая в ней особое, центральное положение и абсолютно неподвижная, стала считаться сферической. Пришлось признать не только возможность существования антиподов – обитателей диаметрально противоположных частей земного шара, но и принципиальную равноправность всех земных обитателей мира. Такие представления, носившие в основном умозрительный характер, подтвердились гораздо позднее – в эпоху первых кругосветных путешествий и великих географических открытий, т. е. на рубеже XV и XVI вв., когда само геоцентрическое учение Аристотеля с канонической системой идеальных равномерно вращающихся небесных сфер, сочлененных друг с другом своими осями вращения, с принципиально различной физикой или механикой для земных и небесных тел, доживало свои последние годы.

Почти полторы тысячи лет отделяют завершенную геоцентрическую систему древнегреческого астронома К. Птолемея (ок. 90–160) от достаточно совершенной гелиоцентрической системы польского математика и астронома Н. Коперника. В центре гелиоцентрической системы находится не Земля, а Солнце. Вершина гелиоцентрической системы – законы движения планет, открытые немецким астрономом И. Кеплером, одним из творцов естествознания Нового времени.

Астрономические открытия Г. Галилея, его физические эксперименты и фундаментальные законы механики, сформулированные И. Ньютоном, положили начало этапу классической физики, который нельзя отделить четкой границей от первого этапа. Для физики и естествознания в целом характерно поступательное развитие: законы Кеплера – венец гелиоцентрической системы с весьма длительной, начавшейся еще в древние времена историей; законам Ньютона предшествовали законы Кеплера и труды Галилея; Кеплер открыл законы движения планет в итоге логически и исторически естественного перехода от геоцентризма к гелиоцентризму, но не без эвристических идей аристотелевской механики. Механика Аристотеля разделялась на земную и небесную, т. е. не обладала надлежащим принципиальным единством: аристотелевское взаимное противопоставление Земли и Неба сопровождалось принципиальной противоположностью относящихся к ним законов механики, которая тем самым оказалась в целом внутренне противоречивой, несовершенной. Галилей опроверг аристотелевское противопоставление Земли и Неба. Он предложил представление Аристотеля об инерции, характеризующее равномерное движение небесных тел вокруг Земли, применять для земных тел при их свободном движении в горизонтальном направлении.

Кеплер и Галилей пришли к своим кинематическим законам, предопределившим принципиально единую для земных и небесных тел механику Ньютона. Законы Кеплера и закон всемирного тяготения Ньютона послужили основой для открытия новых планет. Так, по результатам наблюдений отклонений в движении планеты Уран, открытой в 1781 г. английским астрономом У. Гершелем (1738–1822), английский астроном и математик Д. Адамс (1819–1892) и французский астроном У. Леверье (1811–1877) независимо друг от друга и почти одновременно теоретически предсказали существование заурановой планеты, которую обнаружил в 1846 г. немецкий астроном И. Галле (1812–1910). Она называется Нептун. В 1915 г. американский астроном П. Ловелл (1855–1916) рассчитал и организовал поиск еще одной планеты. Ее обнаружил в 1930 г. молодой американский любитель астрономии К. Томбо. Эта планета получила название ПлуСтремительными темпами развивалась не только классическая механика Ньютона. Этап классической физики характеризуется крупными достижениями и в других отраслях: термодинамике, молекулярной физике, оптике, электричестве, магнетизме и т. п. Назовем важнейшие из них:

– установлены опытные газовые законы;

– предложено уравнение кинетической теории газов;

– сформулирован принцип равномерного распределения энергии по степеням свободы, первое и второе начала термодинамики;

– открыты законы Кулона, Ома и электромагнитной индукции;

– разработана электромагнитная теория;

– явления интерференции, дифракции и поляризации света получили волновое истолкование;

– сформулированы законы поглощения и рассеяния света.

Конечно, можно назвать и другие не менее важные достижения, среди которых особое место занимает электромагнитная теория, разработанная выдающимся английским физиком Дж. Максвеллом (1831–1879), создателем классической электродинамики, одним из основоположников статистической физики. Он установил, кроме того, статистическое распределение молекул по скоростям, названное его именем. Теория электромагнитного поля (уравнения Максвелла) объяснила многие известные к тому времени явления и предсказала электромагнитную природу света. С электромагнитной теорией Максвелла вряд ли можно поставить рядом другую более значительную в классической физике. Однако и эта теория оказалась не всесильной.

В конце XIX в. при изучении спектра излучения абсолютно черного тела была установлена закономерность распределения энергии. Полученные кривые распределения имели характерный максимум, который по мере повышения температуры смещался в сторону более коротких волн. Такие результаты эксперимента не удалось объяснить в рамках классической электродинамики Максвелла. Эта проблема была названа «ультрафиолетовой катастрофой».

Согласующееся с экспериментом объяснение предложил в 1900 г. М. Планк. Для чего ему пришлось отказаться от общепринятого положения классической физики о том, что энергия любой системы изменяется только непрерывно, т. е. принимает любые сколь угодно близкие значения. В соответствии с выдвинутой Планком квантовой гипотезой атомные осцилляторы излучают энергию не непрерывно, а определенными порциями – квантами, причем энергия кванта пропорциональна частоте.

Характерная особенность этапа современной физики заключается в том, что наряду с классическими развиваются квантовые представления, на основании квантовой механики объясняются многие микропроцессы, происходящие в пределах атома, ядра и элементарных частиц, – появились новые отрасли современной физики: квантовая электродинамика, квантовая теория твердого тела, квантовая оптика и многие другие.

В одной из своих статей М. Планк писал о том, как во времена его молодости (примерно в 1880 г.) один уважаемый профессор не советовал заниматься физикой, полагая, что в физике осталось только стирать пыль с существующих физических приборов, так как главное уже сделано. Сейчас очевидно: профессор в своих прогнозах ошибался – XX в. принес немало великих открытий в физике, определивших многие перспективные направления развития разных отраслей естествознания.

В формировании квантово-механических представлений важную роль сыграла квантовая теория фотоэффекта, предложенная А. Эйнштейном в 1905 г. Именно за эту работу и вклад в теоретическую физику, а не за теорию относительности, ему в 1921 г. была присуждена Нобелевская премия по физике.

В развитие современной физики существенный вклад внесли многие выдающиеся ученые, среди которых следует назвать датского физика Н. Бора (1885–1962), создавшего квантовую теорию атома, немецкого физика-теоретика В. Гейзенберга (1901–1976), сформулировавшего принцип неопределенности и предложившего матричный вариант квантовой механики, австрийского физика-теоретика Э. Шредингера (1887– 1961), разработавшего волновую механику и предложившего ее основное уравнение (уравне-ние Шредингера), английского физика П. Дирака (1902–1984), разработавшего релятивистскую теорию движения электрона и на ее основании предсказавшего существование позитрона, английского физика Э. Резерфорда (1871–1937), создавшего учение о радиоактивности и строении атома, и многих других.

В первые десятилетия XX в. исследовалась радиоактивность и выдвигались идеи о строении атомного ядра. В 1938 г. сделано важное открытие: немецкие радиохимики О. Ганн и Ф. Штрассман обнаружили деление ядер урана при облучении их нейтронами. Это открытие способствовало бурному развитию ядерной физики, созданию ядерного оружия и рождению атомной энергетики.

В исследовании ядерных процессов большую роль играют детекторы частиц, в том числе и черенковский счетчик, действие которого основано на Черенкова – Вавилова излучения света, которое возникает при движении в веществе заряженных частиц со скоростью, превосходящей фазовую скорость света в нем. Это излучение было обнаружено нашим соотечественником, физиком П.А. Черенковым (1904–1990), лауреатом Нобелевской премии 1958 г., под руководством академика С.И. Вавилова (1891–1951), основателя научной школы физической оптики.

Одно из крупнейших достижений физики XX в. – это, безусловно, создание в 1947 г. транзистора выдающимися американскими физиками Д. Бардиным, Д. Браттейном и У. Шокли, удостоенными в 1956 г. Нобелевской премии по физике. С развитием физики полупроводников и созданием транзистора зарождалась новая технология – полупроводниковая, а вместе с ней и перспективная, бурно развивающаяся отрасль естествознания – микроэлектроника. В 1958 г. собрана первая интегральная схема в виде пластины из монокристалла кремния площадью несколько квадратных сантиметров, на которой располагались два транзистора и RC-цепи. Современный микропроцессор размером 1,8 см содержит около 8 млн транзисторов. Если размеры элементов первых транзисторов составляли доли миллиметра, то сегодня они равны 0,35 мкм. Это современный технологический уровень. В последнее время разрабатывается технология формирования элементов нанометровых размеров.

Создание квантовых генераторов на основе вынужденного излучения атомов и молекул – еще одно важнейшее достижение физики XX в. Первый квантовый генератор на молекулах аммиака – источник электромагнитного излучения в СВЧ-диапазоне (мазер) – разработан в 1954 г. российскими физиками Н.Г. Басовым, А.М. Прохоровым и американским ученым Ч. Таунсом. В 1964 г. за эту работу им присуждена Нобелевская премия по физике. К настоящему времени разработано много модификаций квантовых генераторов, в том числе и оптических квантовых генераторов, называемых лазерами, получивших широкое практическое применение. Появились уникальные лазеры – химические, атомные и др., которые открывают перспективные направления лазерных технологий.

Физика как фундамент естествознания

Эта черта характеризует прежде всего физический эксперимент (причем в сколько-нибудь сложных случаях предполагается использование соответствующих приборов). Большинство наблюдений как в физике, так и в других науках, носит «приборный» характер, и поэтому не только осознание экспериментальных фактов и их связи друг с другом предполагает наличие соответствующей теории, но и простое описание того, что наблюдается, опирается на теоретические представления об используемых приборах и позволяет истолковать, например, трек в камере Вильсона как след определенной элементарной частицы.

Центральным в развиваемом взгляде является утверждение преимущественно физического характера любых используемых приборов.

Приборов биологических, физиологических, химических и т.д. не бывает. Любой используемый ученым прибор есть всегда в своей основе физический объект и для истолкования своих показаний требует соответствующих физических теорий. Это обстоятельство делает язык физики неотъемлемым элементом языка любой другой естественно-научной дисциплины и может быть названо лингвистической (языковой) фундаментальностью физики.

Эпистемологическая фундаментальность физики (доктрина моно- и полифундаментальности). Среди разнообразных значений слова «фундаментальность» можно выделить еще один аспект, связанный с отношением физики к эмпирическим данным. Как известно, слово «фундаментальность» применительно к науке означает различение наук теоретических, ориентированных на раскрытие законов, описывающих изучаемый объект безотносительно к его практическому использованию. В этом смысле справедливо говорить о фундаментальном характере самых различных научных концепций в физике, химии, биологии, геологии и т.д. На наш взгляд, целесообразно ввести понятие так называемой эпистемологической фундаментальности.

Как уже отмечалось, естественные науки опираются на эмпирические данные. На первых этапах развития естествознания в методологии естест- венных наук доминировал так называемый индуктивистский подход, согласно которому наиболее общие положения естественных наук непосредственно выводятся из опытных данных путем прямых индуктивных обобщений. Этот упрощенный взгляд отвергнут в современной философии науки. Данное обстоятельство нашло отражение в четко сформулированном и ставшем, по существу, афоризмом тезисе А. Эйнштейна: «Нет логического пути, ведущего от опытных данных к теории». По выражению Эйнштейна, наиболее важные фундаментальные законы науки не выводятся из опытных данных, а в лучшем случае лишь «навеваются» ими.

Рассматривая систему естественно-научных дисциплин, правомерно поставить вопрос: выводятся ли наиболее важные положения данной дисциплины из каких-либо других научных концепций или их единственным оправданием является ссылка на опытные данные? (Как сказали бы в XVII! в.: выводятся ли положения данной дисциплины из другой дисциплины или выводятся непосредственно из опыта?)

Теперь в связи со сказанным можно ввести понятия «монофундаментальность» и «полифундаментальность».

Тезис монофундаментальности утверждает, что есть лишь одна фундаментальная дисциплина, положения которой ни из каких других дисциплин вывести нельзя — они обречены на фундаментальный (в смысле ниоткуда не выводимый) характер. Концепция полифундаментальности предполагает наличие многих фундаментальных (в указанном смысле) наук.

В реальной истории естественных наук на фундаментальный статут претендовали (точнее сказать, не претендовали, а им реально обладали) физика, химия, биология. Это означает, что основные положения этих наук оправдывались ссылкой на опыт и ниоткуда не могли быть выведены. Явно упрощая реальную историю науки, можно сказать, что первой лишилась фундаментального статута химия. На сегодня основные особенности химии объясняются на базе квантовой физики. То, что в XIX в. рассматривалось как сугубо специфическая особенность химии (особая сила «химического сродства», валентность, периодический закон Менделеева), сегодня получает точное квантово-механическое обоснование, если угодно, выводится из квантовой физики.

Резюмировать изложенное можно так: химия лишилась фундаментального статута (разумеется, только в указанном здесь смысле), но приобрела глубокое теоретическое обоснование. В этом смысле можно сказать, что физика обречена на фундаментальный статут. Даже если допустить, что в будущем появится некая наука, из которой можно будет теоретически вывести современную физику, то эта гипотетическая наука и будет называться новой физикой.

Следует заметить, что изложенное здесь решение вопроса о статуте химии является дискуссионным, хотя возражения, на наш взгляд, и не носят достаточно убедительный характер.

Сложнее обстоит дело со статусом биологии. На сегодня судьба биологии становится похожей на судьбу химии. В XX в. произошли радикальные сдвиги в биологии: открытие двойной спирали ДНК, создание молекулярной генетики, развитие неравновесной термодинамики и синергетики — все это позволяет не просто говорить о важнейших жизненных феноменах на языке простого описания, а раскрывать их глубокую физико-химическую основу.

Тем не менее вопрос о фундаментальности биологии на сегодня не может считаться решенным на уровне, сопоставимом с химией. Грубо говоря, признание фундаментальности биологии означает признание особого класса биологических законов, в принципе пе могущем быть объясненным на базе физико-химических законов. На наш взгляд, признание таких (их иногда называют биотоническими) законов представляется не очень вероятным.

Подытоживая все изложенное, правомерно сказать, что физика обладает особой фундаментальностью, которую можно назвать эпистемологической. Следует, правда, отметить экзотическую возможность — признать тезис монофундаментальности и наделить такой фундаментальностью не физику, а некую другую дисциплину. Скажем, можно настаивать на тех или иных вариантах аргони т и нес к их концепций и приписывать монофундаментальный статус биологии. Можно утверждать, что основные особенности любых наук выводятся из неких философских установок. Подобные построения, конечно, возможны, но они явно находятся за пределами науки.

Онтологическая фундаментальность физики (оппозиция редукционизма и антиредукционизма). Концепция монофундаментальности, о которой речь шла выше, может быть названа и концепцией редукционизма — различие здесь в ракурсе, в котором рассматривается проблема. В предыдущем разделе она изучалась под эпистемологическим углом зрения, а здесь будет рассматриваться как проблема онтологическая, т.е. как проблема, касающаяся строения реальности, устройства окружающего нас мира.

Прежде всего разберемся, что следует понимать под редукционизмом. В советской философии эта проблема часто обсуждалась в связи с развитой Ф. Энгельсом концепцией форм движения материи. В этой концепции Энгельса, на наш взгляд, были как верные моменты, так и неверные. Безусловно верным представляется тезис о движении как способе существования материи и выделении различных структурных уровней организации материи (названных Энгельсом формами движения материи). В диалектическом материализме советских времен основное внимание акцентировалось на подчеркивании качественной специфичности высших форм движения (биологической по сравнению с химической, химической по сравнению с физической).

Например, утверждалось, что в химической форме движения физическая форма играет побочную роль, а основное содержание поставляется химией. Стремление объяснить главные особенно- сти химических процессов на базе физических законов клеймилось как редукционизм, т.е. сведение высшего к низшему, сложного — к простому, целого — к элементам и т.д. Для большей убедительности редукционизм критиковался как механицизм, как сведение всего и вся к механике.

Разумеется, термин «редукционизм» имеет множество разнообразных оттенков. Редукционизмом, например, объявлялось объяснение феномена сознания материальными процессами головного мозга. Ряд авторов вообще ставил знак равенства между редукционизмом и материализмом. Мы не будем касаться всего многообразия оттенков, связываемых в разных контекстах со словом «редукционизм», а подчеркнем лишь следующее: под редукционизмом здесь не будет пониматься отрицание качественного своеобразия более высоких уровней материальной организации по сравнению с нижележащими (и в этом смысле более фундаментальными) уровнями. Вместе с тем редукционизм не довольствуется лишь описанием этого качественного своеобразия, а ставит задачу его объяснения на основе законов нижележащего уровня. Разумеется, объект химии (атом и молекула) сложнее элементарных частиц, но его функционирование объясняется на основе законов, описывающих поведение элементарных частиц. Поэтому редукционизм — это не отрицание качественного своеобразия, а требование его объяснения. В основе так понятого редукционизма лежит, конечно, определенная онтологическая предпосылка, а именно — иерархическая структура реальности. Предельно упрощенно формулируя основной тезис редукционизма, можно сказать словами Р. Фейнмана, что все в мире состоит из атомов, все может быть описано на языке движений, колебаний, этих атомов.

В заключение несколько слов об оппозиции редукционизма и антиредукционизма (в частности, так называемого холизма). На наш взгляд (безусловно, дискуссионный и спорный), антиредукционизм фиксирует некую целостность, некий качественно своеобразный феномен и дает его первоначальное описание. В этом его продуктивная роль. Редукционизм всегда требует идти глубже, попытаться понять целое на основе познания его элементов, т.е. объяснить целостность, а не просто констатировать ее наличие.

Место физики в системе наук. Физика – фундамент естествознания

Физика, как и все естествознание, играет важную роль в жизни общества, оказывает влияние на развитие техники; в то же время собственное развитие физики находится в прямой зависимости от потребности общественного производства, уровня развития техники и от мировоззрения ее созидателей. Человек всегда находился и находится во взаимодействии с окружающей природой. Она является объектом его познания.

Развитие науки о природе, открытие закономерностей природы было связано с обобщением материальной практики. Как известно, общественная практика есть исходный пункт, цель и критерий человеческого познания. Всякая наука сама по себе представляет определенную систему идей, понятий, категорий и законов, которые более или менее адекватно отражают действительность, дают достоверные знания о существующем вне и независимо от познающего субъекта объективном мире. Все естественные науки имеют между собой то общее, что они изучают различные стороны единого материального мира, и наряду со специфическими методами познания, пользуются самыми общими теоретическими и методологическими положениями.

Само естествознание представляет собой целостную науку о Природе, включая в себя такие последовательно вложенные друг в друга основные дисциплины, как физика, химия, биология, психология, а также возникшие на границах между ними физическую химию, химическую физику, биофизику, биохимию, космомикрофизику (астрофизику элементарных частиц) и другие науки (астрономия, геология, география и пр.). В приведенной последовательности основных дисциплин именно химия своим непосредст­венным основанием имеет физику, при этом сама выступает в качестве непосредственного фундамента для биологии и т.д.

Проблемы происхождения и устройства всего того, что существует во Вселенной, первоначально относились к «физике» или «физиологии». Еще Аристотель (384-322 гг. до н. э.) называл своих предшественников, занимавшихся этими проблемами, «физиками» или «физиологами». Как известно, древнегреческое слово «физис» или «фюсис», очень близкое к русскому слову «природа», первоначально означало «происхождение», «рождение», «создание». Поэтому неудивительно существование природной, изначальной взаимосвязи всего естествознания с физикой, которая является как бы исходной основой науки о Природе.

Фундаментальный характер физики имеет свои онтологические, гносеологические и методологические основания, которые взаимосвязаны друг с другом. Особенности онтологических оснований фундаментальности физики связаны с соответствующими гносеологическими основаниями на основе методологического принципа, согласно которому мир постижим в формах деятельности, обусловленной спецификой культуры. Способы этой деятельности обусловливают и способы познания, и способы освоения объективного мира, каковой в данном случае выступает Природа.

В познании Природы существует несколько стадий, первая из которых характеризуется общими представлениями о мире как целом, что ярко проявляется в античной натуральной философии – философии Природы. Онтологическими основаниями фундаментальности физики здесь выступают представления о мире как из чего-то происшедшем, развивающемся из хаоса, о Вселенной как о конечном, неоднородном и анизотропном, иерархическом вещественно-телесном образовании, которое циклически разрушается и возрождается. На этой стадии исследования Природы доминируют наблю­дения, а не эксперимент, догадки, не точно воспроизводимые опыты. В качестве методологического основания здесь выступает установка на выявление естественных, а не сверхъестественных явлений.

На второй стадии (эпоха Ренессанса – конец XIX века) исследования Природы приобретают аналитический характер, когда происходит детализация объектов Природы и дифференциация научного знания. Гносеологическими основаниями здесь является экспериментальное исследование Природы и математизация физики. Математика выступает в качестве необходимого универсального языка точного естествознания.

Онтологическое основание физики (наряду с появившимися химией, биологией и психологией) - это представление о Природе как совокупности предметов, т.е. Природа понималась по преимуществу неизменной, застывшей, вне эволюции. Иными словами, Вселенная, на данном отрезке времени, понималась как нечто бесконечное, однородное и изотропное. Отсюда вытекает методологическое основание фундаментальности физики – Природа носит внеэволюционный характер. Физика, здесь, имеет дело не только со всевозможными материальными телами, но с материей вообще. Химия – с различными субстанциями или веществами. Биология – со всевозможными живыми организмами. Психология – со всевозможными разумными существами. Это связано с методологической установкой, согласно которой объяснение реального мира возможно лишь на основе особого, идеализированного мира.

Но по мере необходимой детализации конкретных знаний о Природе они оформлялись в как бы самостоятельные, прежде всего, основные разделы естествознания (физика, химия, биология и психология). Однако эту аналитическую стадию исследований Природы, связанную с расчленением естествознания на отдельные части, сменила стадия их синтеза и тесно связанная с этим интегрально-дифференциальная стадия развития естествознания. Такие тенденции обусловлены тем, что, например, для объяснения химических явлений существует необходимость использовать физику и т.п.

Согласно теории систем, важнейшей особенностью систем со сложной структурой является их иерархичность, наличие в них нескольких уровней строения, или организации. Поскольку естественные науки представляют собой систему, они обладают иерархичностью, что было подмечено известным французским физиком А. М. Ампером (1775-1836 гг.). Он попытался еще в конце XVIII – начале XIX столетий найти принципы «естественной классификации» всех известных к тому времени естественных наук, кото­рых тогда насчитывалось более двухсот. Созданную им картину наук о Природе он представил в форме «единой системы», состоящей из различных по глубине идей и разной точности экспериментального материала. В этой классификации физику он поместил на первом этаже как науку наиболее фундаментальную, а химию – на втором, как бы выводя ее из физики.

Идеи о такой субординации естественных наук широко обсуждаются и сегодня, фокусируясь главным образом на следующей важной проблеме: можно ли сводить все биологические явления к химическим, а химические – к физическим.

Сегодня химию можно в определенном смысле назвать физической, потому что у этих дисциплин один и тот же предмет и одни и те же методы исследования. Такого рода интеграция обусловлена невозможностью объяснить химические явления «чисто химическими» средствами и, следовательно, име­ется необходимость обращения за помощью к физике. Одновременно с этим данное объединение есть не что иное, как проявление принципиального единства Природы, которая «не знает» никакого абсолютно резкого деления на рубрики и разные науки.

Точно так же в свое время появилась необходимость синтеза биологических и химических (а позднее и физических) знаний. Ведь даже простейший живой организм представляет собой взаимодействие механических, тепловых, химических, электромагнитных и других процессов, поэтому для объяснения происходящих в живом организме сложнейших явлений, невозможно обойтись без знания химии и физики. В прошлом столетии появились физиологическая химия, затем биохимия, совсем недавно возникла физико-химическая биология.

В настоящее время нет ни одной области естественно-научных исследований, которые относились бы исключительно к физике, химии или биологии в чистом изолированном состоянии. Биология опирается на химию и вместе с ней или непосредственно, как сама химия, на физику. Они пронизаны общими для них законами Природы. Об этом свидетельствует системати­ческое возникновение междисциплинарных проблем и предметов – таких, как физическая химия или химическая физика, биофизика, биохимия, физико-химическая биология, психофизика и т. п.

Наряду с химией и биологией, физика имеет «родственные связи» с геологией и географией. Геологию называют наукой об истории развития Земли, потому что она изучает состав и строение нашей планеты в их эволю­ции на протяжении миллиардов лет. Она выявляет физические и химические закономерности образования осадочных и изверженных горных пород, а также устанавливает влияние физико-географических условий на зарождение и развитие органической жизни на планете. География также насквозь пропитана физическими, химическими и биологическими знаниями, которые в раз­ной степени проявляются в таких ее основных разделах, как физическая география, география почв (химическая география), зоогеография и т. д.

Таким образом, все исследование Природы сегодня можно наглядно представить в виде огромной сети, состоящей из ветвей и узлов, связывающих многочисленные ответвления физических, химических и биологических наук. В современных исследованиях, посвященных статусу физики в мировой культуре, очерчиваются некоторые аспекты взаимосвязи физики, гуманитарного знания и культуры. К ним относятся: проблема соотношения красоты и истины, искусства и науки, прежде всего физики и математики. Математика помогает физике создавать более точную картину мира. Вместе с развитием физики математические методы переросли рамки лишь подсобного инструмента для описания и стали средством прямого построения физических теорий. Проникновение в сущность процессов объективного мира приводит к открытию новых количественных соотношений между физическими величинами, что открывает новые области математического исследования и способствует все более адекватному отражению сущности количественных отношений математикой. В результате роль математики для изучения физических закономерностей возрастает, а границы применения математики в физике расширяются. Математическая форма выражения законов является наиболее плодотворной в современной физике. Математика не только дает физике более точный язык для выражения уже приобретенных знаний, для анализа абстрактно-всеобщих характеристик, вскрытых физикой за разнообразием явлений, но и позволяет получать новые выводы и следствия о ранее неизвестных сторонах материальных процессов.

В недрах физики зародилась синергетика. Она изучает механизмы самоорганизации определенного класса систем (открытых и нелинейных) самой различной природы, начиная с физики и кончая социологией и загадками человеческого Я, системой его сознания и подсознания. Она выступает в качестве междисциплинарной парадигмы, способствуя синтезу естественнонаучного и гуманитарного знания. Для гуманитарного знания немалое значение имеет использование компьютерных программ, которые визуализируют синергетические знания. Это дает возможность гуманитарному знанию включить в свой состав содержательные понятия и идеи, вырабатываемые математикой и физикой, вовлечь в свой оборот существенные мировоз­зренческие следствия и выводы, вытекающие из сложных аналитико-математических расчетов и математического моделирования эволюции сложных структур в нелинейных средах. В свою очередь, естественно-научные знания благодаря синергетической парадигме обогащаются достижениями в области общей культуры мышления и гуманитарных исследований. Через синергетику оказывается возможным соединение двух взаимодополняемых способов постижения мира – постижение через образ и число.

Развитие современной физики, появление таких физических теорий, как теория относительности и квантовая механика, вызвавших множество философских дискуссий, делает особенно актуальной проблему взаимного влияния физики и философии. Как отмечал А. Эйнштейн, современная физика еще в большей степени, чем физики прошлого, соприкасается с философскими проблемами. Влияние философии на физику осуществляется главным образом в теоретической физике, так как именно в ней в процессе теоретического мышления формируются наиболее общие физические по­нятия и закономерности, отражающие фундаментальные законы природы.

Развитие современной физики с особой силой ставит вопросы, требующие глубокого философского анализа: о пространстве и времени, о массе и энергии, о веществе и поле, о несотворимости и неуничтожимости материи и движения, о конечном и бесконечном и т.д. В системе естественных наук физика занимала и занимает сейчас особое место благодаря своей важной роли в развитии техники и философии. Она глубоко проникла в тайны природы, открыла внутреннее строение атома и поставила на службу человечеству огромные запасы внутриядерной энергии. Физика приступила к познанию таких областей природы (микромир и космос), с которыми человек непосредственно не взаимодействует. Для их познания необходимо абстрагироваться от наших обычных представлений уже хотя бы потому, что, например, даже временные масштабы в этих областях либо практически бесконечно малы (10" секунды), либо бесконечно большие (миллиарды световых лет) по сравнению с человеческой жизнью. Наука создает свои правила движения мысли к новым результатам, однако широкий синтез научных знаний требует от ученых глубокого осмысления уже существующих теорий и процесса становления новых. Подлинная наука всегда материалистична, нет и не может быть идеалистической физики или биологии, но это совсем не означает, что мировоззрение ученого не имеет никакого значения для развития самой науки и ее достижений.

Читайте также: