Структура естественно-научного знания: многообразие единства (стр. 4 )

Все естественно-научные законы – это модели, применимые для описания широкого класса явлений и процессов, происходящих в природе.

Каждый естествнно-научный закон имеет границы своего применения.

Существует определенная иерархия законов: одни законы являются частными случаями других, т. е. могут быть выведены из них при определенных приближениях и допущениях.

Что такое математическое моделирование? Под математической моделью понимают систему уравнений, описывающих исследуемые процессы или явления. Фактически любая модель в физике является математической, поэтому понятие «математическая модель» в физике, как правило, не употребляют.

В других науках существуют качественные теоретические модели, не содержащие математических уравнений. Примером служит теория Ч. Дарвина в биологии, которая является качественной теоретической моделью сложного процесса эволюции живой природы.

С развитием компьютерной техники появился термин «компьютерное моделирование». Фактически это то же математическое моделирование, дополненное мощными вычислительными средствами, а также возможностью визуализации и интерактивного управления процессами. Примерами такого моделирования являются динамические компьютерные игры, различные эффекты в фантастических фильмах. Подобное моделирование применяют и для исследования различных природных процессов.

Искусство моделирования. Не следует думать, что процесс теоретического построения моделей это всегда движение от более общих законов к описанию конкретного явления или процесса. Во-первых, при движении от общего к частному (дедукции) никогда не будут получены новые более общие законы. Во-вторых, прямое использование принципиальных общих законов, применимых для описания явления, ничего не дает в силу непреодолимых вычислительных трудностей. Приведем некоторые примеры.

В настоящее время хорошо известны фундаментальные законы, описывающие процессы на атомно-молекулярном уровне – законы квантовой теории. Из этих законов в принципе может быть выведено все, что касается химических свойств различных веществ, химических реакций и других объектов изучения химии. Однако это не заменяет науку химию. Дело в том, что вычислительные трудности, возникающие на пути применения законов квантовой теории для исследования сложных химических реакций таковы, что даже самые современные вычислительные методы и средства не позволяют сделать предсказания о возможности и условиях протекания реакций.

Фундаментальные законы гидродинамики и аэродинамики, описывающие процессы течения жидкости и газа, а так же движение тел в жидкости и газе, были сформулированы задолго до построения квантовой теории. Однако их применение к конкретным системам с целью получения предсказаний чрезвычайно затруднено. Вот что пишет лауреат нобелевской премии по физике Р. Фейнман: «В простейшей форме задача такова: пропустим через очень длинную трубку на большой скорости воду. Спрашивается: какое нужно давление, чтобы прогнать сквозь трубку данное количество воды? И никто, основываясь только на первичных законах и на свойствах самой воды, не умеет ответить на этот вопрос. Если вода течет неторопливо или когда сочится вязкая жижа вроде меда, то мы прекрасно все умеем. Ответ вы можете найти, например, в любом вашем учебнике. А вот с настоящей, мокрой водой, брызжущей из шланга, справиться мы не в силах». И по сей день конструирование корпусов летательных и плавающих аппаратов является непростой задачей, решаемой не только на основе уравнений гидродинамики и аэродинамики, но и на использовании опытных данных. И к совершенству, которым обладают тела рыб и птиц пока не удается приблизиться.

Процесс теоретического моделирования является сложной творческой задачей. Для ее решения необходимо обладать знаниями опытных фактов, касающихся явления, для которого строится модель, владеть математическим аппаратом, иметь представление о достижениях смежных наук и методах, которые используют в этих науках.

Методы моделирования, развитые и отработанные в естественных науках оказываются полезными и в гуманитарных науках. Например, процессы самоорганизации в природе, с которыми вы познакомитесь в главе V, позволяют продвинуться в понимании процессов, происходящих в обществе. Возникла даже новая наука – клиометрика, что можно расшифровать как количественная история.

Но одних лишь знаний и умений не достаточно для успешного построения моделей еще не исследованных явлений. Фактически при таком моделировании происходит создание новой теории рассматриваемого явления, что является творческим процессом. Как и в любом творческом процессе при этом необходимо нечто выходящее за рамки науки – интуиция, вдохновение, чувство красоты теории. В этом смысле процесс моделирования в науке схож с другими творческими процессами, например с деятельностью художника, композитора, писателя.

Моделирование теоретически не исследованных явлений является творческим процессом, требующим как научной подготовки, так и присущих любому творческому процессу качеств, таких как интуиция, вдохновение, чувство красоты.

1.○ Пользуясь справочной литературой, выпишите разные варианты трактовки понятий модель и моделирование.

2.○ Чем отличается материальная модель от теоретической модели?

3. ○ Какие примеры теоретических моделей вы можете привести?

4. ○ Приведите пример задачи, которую вы решали на уроках физики, с применением моделирования (делали приближения в процессе решения задачи).

5. · Приведите примеры теоретических моделей, применяемых в физике, химии, биологии.

§ 12. Естествознание и религиозная традиция

Урок-лекция

Наука без религии неполноценна,

а религия без науки слепа

А. Эйнштейн

Какова роль христианской традиции в формировании науки в Европе в начале Нового времени? Отношение к познанию природы в восточно - и западно-христианской традициях. Почему необходим диалог между наукой и религией?

Техногенная цивилизация и ее базовые ценности, культурные и религиозные традиции в познании природы. Место религии в культуре Нового времени. Естествознание Нового времени.

Мысль и образ

Неизвестный автор. Н. Коперник

Почему на этом портрете Коперника (который, по мнению некоторых историков науки, является копией с его несохранившегося автопортрета) изображено распятие?

Развитие естествознания и культурные традиции. Вспомним некоторые важнейшие события в истории науки начала Нового времени:

· 1492 г. – открытие Колумбом;

· 1521–1522 гг. – кругосветное плавание Ф. Магеллана;

· 1543 г. – выход книги Н. Коперника с изложением его гелиоцентрической теории;

· 1609 г. – И. Кеплер опубликовал трактат «Новая астрономия», в котором изложил законы движения планет;

– астрономические открытия Г. Галилея с помощью телескопа;

· 1628 г. – У. Гарвей изложил свое учение о кровообращении;

· 1633 г. – процесс над Г. Галилеем;

· 1660 г. – создание Лондонского королевского общества.

· 1666 г. – учреждение Парижской академии наук;

· 1668 г. – начало микроскопических исследований А. ван Левенгука;

· 1687 г. – выход «Математических начал натуральной философии»

И. Ньютона, где изложены основы классической механики.

Естествознание развивалось в различных культурах и цивилизациях. Непреходящий вклад в познание природы внесли философы и ученые Китая, Индии, исламского мира. Именно благодаря арабским (или арабоязычным) мыслителям европейцы познакомились с достижениями античной мысли, которые в самой Европе были утрачены в период раннего Средневековья. Труды аль-Хорезми, Ар-Рази, аль-Фараби, Ибн-Рушда (Аверроэса) и многих других способствовали не только сохранению и распространению античного наследия (Аристотеля, Платона, Эвклида и др.), но и обогатили науку многими новыми знаниями. Однако наибольшее значение для формирования современного естествознания имели все же достижения западноевропейских ученых – Коперника, Кеплера, Галилея, Гарвея, Везалия, Декарта, Гюйгенса, Ньютона и др. Именно в Западной Европе XVI-XVII в. произошла научная революция, в ходе которой были заложены основы классического естествознания.

Почему же наука не сыграла в исламском мире той роли, которую она сыграла в Западной Европе? Причин тому множество. Знание в мусульманском мире имело высокий статус. Коран и Предание сохранили слова пророка Мухаммада о том, что «чернила ученого так же драгоценны, как и кровь мученика, павшего за веру» и «один час размышления лучше семидесяти лет богослужения». Однако не менее сильным было и противодействие занятиям наукой. Если науки, утверждали противники просвещения, говорят о том, что уже есть в Коране и в Предании, то они излишни, а если они говорят о том, чего там нет – «они вредны». Разумеется, отдельный ученый мог иметь весьма высокий статус, но получал он его, как правило, за свои конкретные полезные достижения, скажем, в качестве астронома, врача или юриста. Кроме того, для исламского мира Средневековья характерно стремление к закрытости знания. Знание должно быть достоянием немногих. Отсюда, кстати, сильное противодействие распространению книгопечатания в исламских странах, продолжавшееся до начала XIX в.

Христианская культурная традиция. В эпоху научной революции в Западной Европе сложилась уникальная цивилизация, которую иногда называют техногенной. Действительно, в развитии этой цивилизации важную роль играл и играет прогресс в науке, технике и технологии. Этой цивилизации присуща определенная система ценностей. Напрмер:

– человек – не пассивный созерцатель происходящего вокруг него, он активно изучает и преобразует мир;

– природа – это множество объектов и явлений, подчиняющихся определенным законам и задача человека открыть эти законы, чтобы полнее использовать природу в своих целях;

– объекты природного мира (вода, минералы, растения, животные и т. д.) служат материалами и ресурсами преобразующей деятельности человека;

– особую ценность имеет новизна (новые теории, идеи, материалы приборы и т. д.), ибо это ведет к прогрессу.

Эта система основных идей и ценностей является своего рода «генетическим кодом» техногенной цивилизации, во многом определяющим пути ее развития. Насколько эта система ценностей связана с христианской традицией?

Некоторые историки считают, что идеал техногенной цивилизации («Человек – царь природы») имеет свои истоки в христианском понимании места человека в мире. Сотворенный по образу и подобию Бога, человек занимает особое, центральное место, а природа предназначена для его пользования. В Библии сказано: «не много ты умалил его (т. е. человека) перед ангелами; славою и честию увенчал его; поставил владыкою над делами рук твоих; все положил под ноги его» (Пс.8: 6-7). В итоге иерархия мира обрела в хриcтианской культуре следующий вид: Бог над человеком, Человек над природой.

Кроме того, многие христианские мыслители и естествоиспытатели, особенно в XVI-XVII вв., полагали возможным и даже необходимым познавать Творца мира путем познания Его Творения. Подобные толкования, принятые в западно-европейском христианстве (протестантизме и католичестве), могли способствовать появлению «генетического кода» техногенной цивилизации.

Именно к западно-христианской догматике восходят основные особенности психологии научной деятельности: непримиримость к противоречию, твердая вера в разрешимость любой проблемы с помощью разума и опыта, нетерпимость к плагиату, самоустранение из описания и объяснения природных явлений. Таким образом, свойственный западно-европейской культуре Нового времени идеал активного, деятельного отношения человека к природе и пониманию природы как источника ресурсов для деятельности человека, создал основу техногенной цивилизации. Этому способствовали традиции западно-европейского христианства.

Подходы к исследованию природы. Вместе с тем в традициях восточно-европейского (православного) христианства, формировался иной подход исследованию природы. В чем состоит это различие? Почему наука Нового времени не сформировалась в рамках православной традиции?

Православная христианская традиция приводит к принципиально иному подходу понимания роли человека в природе: только из личного опыта предстояния Богу, из опыта верности и веры, человек может получить подлинное знание о мире. «Потщись войти во внутреннюю свою клеть, – писал прп. Исаак Сирин, – и узришь клеть небесную; потому что та и другая – одно и то же, и входя в одну, видишь обе».

Такая позиция не совместима с самой идеей научного познания и потому тормозила формирование науки. Действительно, в России наука стала развиваться в результате Петровских преобразованй и ранняя российская наука была экспортирована в Россию из стран Западной Европы.

Взаимоотношения науки и религии. Сопоставляя науку и религию, отметим, что обе они, как и любая деятельность человека, представляют собой сложные социальные явления. Пути развития и науки и религии зависимы от исторических условий жизни общества, от традиций культуры (во всех ее проявлениях), от экономических и политических направлений в развитии как отдельных государств, так и цивилизации в целом и еще от множества других факторов.

Именно поэтому в ходе истории пути науки и религии многократно пересекались. Возникали и конфликты. Они всегда были связаны с конкретными факторами своего времени, в том числе с попытками религии присвоить себе монопольное право на объяснение мира. Со временем наука обрела самостоятельность, произошло размежевание науки и религии.

Наука следует принципу научного мышления, т. е. объясняет мир естественными причинами, исходит из него самого. Это означает, что наука отвечает на вопрос КАК устроен мир, не касаясь вопросов, связанных со смыслом существования мира, то есть, ЗАЧЕМ он существует. На этот вопрос, связанный с нравственными устремлениями человека отвечает религия.

В настоящее время обще принято, что наука и религия – это взаимно дополняющие способы постижения мира человеком. Исследуя разные аспекты, вместе они служат идее Добра и Блага для человека.

* 1. В 1880-х гг. в Англии эффективность молитвы проверялась специальными статистическими исследованиями, в которых сравнивались продолжительности жизни людей, за здоровье которых молились и не молились. О чем, по вашему мнению, свидетельствует этот факт, если рассматривать его в контексте отношений между наукой и религией?

· 2. Какие из известных вам ученых и филологов были одновременно теологами и священнослужителями?

· 3. Г. Галилей, разъясняя различие целей науки и религии, сказал, что «астрономия учит как устроено небо, а не как попасть на небо». Однако такая позиция ученого не устраивала теологов. Почему?

· 4. Прокомментируйте слова одного современного богослова – «игнорировать находки науки теологически безответственно, а игнорировать глубочайшие импульсы теологического духа – самоубийственно для науки».

§ 13. Традиции и революции в естествознании

Урок-лекция

… Наша свобода в выборе проблем, похоже, очень невелика.

В. Гейзенберг

Существуют ли традиции в науке и какова их роль? Что такое научная революция?

Научная традиция. Парадигма. Научная революция.

Роль физики в формировании научной картины мира (Физика, 7 – 9 кл.).

Мысль и образ

Портрет Галилея

Какие научные открытия Галилея вам известны? В чем, по вашему мнению, заключается революционность (или новизна) подхода Галилея к изучению природы?

Традиции и новации в науке. Наука, в том числе и естествознание, относится к тем видам человеческой деятельности, которые нацелены на получение нового: фактов, наблюдений, взаимосвязей и закономерностей, теорий. О каких же традициях в науке может тогда идти речь? Ведь традиция это нечто неизменное (обычай, норма поведения, способы действия, знания), что передается из поколения в поколение по крайней мере в течение какого-то исторического периода.

Однако, если внимательно присмотреться к работе ученого, то нетрудно заметить, что обычно он работает в русле определенных научных традиций. Действительно, после создания Ньютоном в конце XVII в. основ классической механики, ученые получили возможность изучать самые разнообразные явления, от движения живых организмов до движения новых планет. Менялись объекты исследования. Так, в одном случае требовалось рассчитать траекторию полета снаряда, а в другом – первую космическую скорость, но в основе всех этих расчетов и объяснений механических явлений лежала механика Ньютона, пусть даже ее основные уравнения стали со временем записываться в более общем виде и не так, как они даны в школьном учебнике.

Иными словами, можно сказать, что в науке сложилась определенная традиция: понимать и изучать широкий класс объектов и явлений на основе классической механики. Были даже попытки распространять механические объяснения на все природные, а в отдельных случаях – и на социальные, явления. Но к концу XIX в. выяснилось, что далеко не все в окружающем нас мире можно объяснить, опираясь только на законы механики. Да и сама классическая механика применима лишь к случаям, когда скорость движения меньше скорости света. Не описывает она и явления микромира.

Таким образом, в течение определенного времени научные исследования в той или иной области опираются на одно или несколько прошлых достижений, которые в этот период времени признаются основой для развития данной области знания. Вот эти-то достижения (в нашем примере – законы классической механики) и составляют основу традиции в науке. Определенный комплекс знаний (понятий, законов, приемов объяснения и др.) передается из поколения в поколение, хотя сами решаемые задачи могут быть разными и со временем изменяться.

Научные знания, лежащие в основе такой традиции, часто называют парадигмой (от греч. paradeigma – пример, образец).

В естествознании под парадигмами обычно понимают такие широкие обобщения как гелиоцентрическая система Коперника, механика Ньютона, квантовая механика, классическая теория химического строения, эволюционная теория Дарвина и т. д. Парадигма включает в себя:

·  совокупность понятий (например, парадигма классической механики включает такие понятия как скорость, ускорение, сила, инерция, масса, абсолютное пространство, абсолютное время, траектория, гравитация и т. д.);

·  законы, часто (но не всегда) выраженные в виде уравнений (например, законы Ньютона);

·  образцы постановки эксперимента, и решения конкретных задач и проблем, с которыми сталкивается изучающий данную науку исследователь.

Более того, парадигма – это еще и философские позиции, принятые в данном научном сообществе и проявляющиеся при выборе направлений исследования, при оценке полученных результатов и состояния науки в целом. Как заметил выдающийся физик XX в. Ричард Фейнман, «встретившись с новым явлением, мы пытаемся вогнать его в уже имеющиеся рамки».

Таким образом, традиция играет очень важную роль в науке, она является необходимым условием быстрого накопления знаний и их использования.

Необходимым, но не достаточным. Да, ученый работает в рамках довольно жестких традиций, что не только не мешает, но, напротив, способствует росту знаний. Да, эти знания парадигмальны, т. е. они не содержат ничего принципиально нового, что не укладывалось бы в парадигму, но это нисколько не уменьшает их ценности для науки. Но…

Развитие науки как смена парадигм. Наука не стоит на месте, время от времени она сталкивается с явлениями, объяснить которые в рамках существующих парадигм не удается. Скажем, не удается на основе механики Ньютона объяснить электрические и магнитные явления, невозможно на основании кислородной теории кислот Лавуазье объяснить свойства веществ, состава HF, HCl, HBr, HCN. В этих случаях возникает потребность в создании новых теорий, которые бы составили основу новой парадигмы, новой научной традиции. Однако, появление новых теорий, дающих начало новой парадигме, не всегда связано с открытием новых явлений, объяснить которые существующие теории не в состоянии. К примеру, геоцентрическая теория Птолемея, усовершенствованная в XV-XVI вв., объясняла все известные тогда небесные явления и давала возможность их прогнозировать. Коперник не открыл на небе ничего, что противоречило бы геоцентрической теории. Его претензии к геоцентризму были иного рода. Теория Птолемея действительно могла объяснить все известные в то время закономерности движения планет, но для каждого такого объяснения принималась своя дополнительная гипотеза, и эти гипотезы не были связаны друг с другом. Несовершенство птолемеевой астрономии Коперник усматривал не в том, что она чего-то не объясняла, а в том, что при соответствующем подборе параметров она могла объяснить почти любые закономерности планетных движений. Коперник построил более стройную теорию, в которой из нескольких исходных положений (постулатов) можно вывести все следствия, касавшиеся характера движения планет и, кроме того, выразить расстояние каждой планеты от Солнца в единицах расстояния «Солнце – Земля».

Научные революции. Под научными революциями в широком смысле слова понимают такие новации, которые отличаются своей значимостью, своими последствиями для развития науки и наших представлений о самой науке.

Не каждое даже крупное научное открытие является революцией в науке. Так, например, введение в физику понятия «поле» и последующее создание электромагнитной теории – бесспорно, следует рассматривать как научную революцию в широком смысле слова, поскольку вместе с этой теорией возникла новая научная парадигма, глубоко изменившая наши взгляды на окружающий мир. А вот открытие Г. Герцем электромагнитных волн – при всей колоссальной важности этого открытия (особенно для развития новых технических направлений – беспроволочной телеграфии, радиосвязи и т. д.) – нельзя считать научной революцией, поскольку это открытие подтвердило выводы ранее созданной электромагнитной теории Дж. Максвелла, т. е. представляло собой важный шаг в развитии уже сформированной новой немеханической парадигмы. Кстати, сам Герц полагал, что вся физика может быть построена на основе принципов механики.

Иногда термин «революция» используют, характеризуя то или иное важное открытие в науке, выражение «революционное открытие» фактически означает важное (или очень важное) открытие в данной области знаний. Определить, что считать научной революцией, а что не считать таковой очень сложно. Поэтому возможны различные точки зрения. Скажем, подавляющее число историков науки не считает открытие Периодического закона научной революцией в широком смысле слова, отнюдь не отрицая важности этого открытия.

Научные революции связаны с перестройкой основных научных традиций. При этом предшествующие научные традиции либо уходят в прошлое (например, геоцентризм), либо продолжают существовать в пределах области своей применимости (например, классическая механика). Кроме того, научные революции затрагивают мироззренческие и философские основания науки. Поэтому, научные революции могут иметь большое влияние далеко за рамками той конкретной области, в которой они произошли.

Создание новых фундаментальных теорий – наиболее известный вид научных революций. Примером могут служить революции в науке, совершенные Н. Коперником, И. Ньютоном, А. Лавуазье, Ч. Дарвином, создателями квантовой физики (Н. Бором, М. Борном, В. Гейзенбергом, Э. Шредингером, П. Дираком и др.). Часто научные революции связаны с внедрением новых методов исследования. Характерный пример – создание телескопа, с помощью которого Г. Галилей сделал в 1609 – 1610 гг. замечательные открытия: он обнаружил, что поверхность Луны содержит кратеры и возвышенности, что Млечный путь состоит из мириад звезд, что около Юпитера вращаются спутники. Все это противоречило принятой в космологии парадигме, восходящей к Аристотелю. Наконец, в октябре 1610 г. Галилей открывает с помощью телескопа фазы Венеры, что послужило веским аргументом в пользу гелиоцентрической теории.

Иногда научные революции обусловлены открытием новых областей действительности, т. е. неизвестных ранее объектов и явлений. Например, открытие нового континента, названного Австралией, а там – новых, неизвестных ранее видов животных (сумчатых кенгуру) и растений (эвкалипт), существование которых во многих случаях даже не предполагалось. Другой пример – открытие радиоактивности, (см. гл. IV). Это явление изменило существующую физическую и химическую парадигму, в которой атом предполагался неделимой частицей вещества.

Чем крупнее научная революция, чем глубже она изменяет наши представления о мире, тем больше такая революция связана с социокультурными изменениями. Фактически научная революция XVI-XVII вв., начавшаяся с создания Коперником гелиоцентрической теории (по мнению некоторых историков – с открытий Колумба) и завершившаяся созданием Ньютоном основ классической механики и оптики (а по мнению некоторых историков – «химической революцией» Лавуазье, в конце XVIII в.; см. главу III) была частью глубоких политических, экономических, военных, интеллектуальных изменений в Европе.

Итак, мы приходим к следующему выводу: ученые могут успешно работать только в рамках определенных парадигм; однако, в силу самых разнообразных обстоятельств (открытие новых явлений, объектов, областей реальности, внедрение новых приборов и методов исследования, ведущих к новым открытиям) происходит смена парадигм. Если эта смена влечет за собой глубокие изменения в нашем понимании той или иной области действительности или к новой картине мира, то это явление характеризуют как научную революцию.

1. * Прокомментируйте следующий исторический курьез. Когда в 1856 г в долине Неандера (Германия) был найден череп, который был толще, длиннее и уже, чем у современного человека, с массивными надбровными дугами, находку начали изучать анатомы. Мнения разделились:

а) это череп пожилого голландца;

б) это череп русского казака, который в погоне за отступающей армией Наполеона отбился от своих, забрел в пещеру и там умер;

в) череп принадлежит кельту, с мощной физической, но низкой умственной организацией.

Окончательный приговор был таков: это череп человека, переболевшего в детстве рахитом, в юности получившего несколько ударов палкой по голове, а в старости страдавшего ревматизмом.

Оставался, правда, вопрос о древности находки. Ученые пришли к выводу, что человек, которого позже стали называть неандертальцем, скорее всего, современник Наполеона.

2. · сказал об «Истории государства Российского» : «Древняя Россия, казалось, найдена Карамзиным, как Америка Колумбом». Как вы понимаете эту аналогию?

3. · К каким крупным изменениям в естествознании привело создание микроскопа?

4. · Что общего и что различного у революций научных и социальных?

§ 14. Эксперимент. Теория. Практика

Урок-конференция

Наука – капитан, а практика – солдат.

Леонардо да Винчи

Что такое гипотетико-дедуктивный метод познания природы? Как построить научное исследование? Какова сегодня роль математики и теоретических моделей в науке?

Цель конференции: Рассмотреть различные подходы к построению современного научного исследования.

План конференции:

1. Гипотетико-дедуктивный метод в исследовательской деятельности.

2. Планирование и проведение опыта на основе гипотезы.

3. Особенности методологии Эйнштейна, Декарта.

4. Роль математики в естественных науках и теоретическое моделирование.

Мысль и образ

Больцмана

Австрийский физик Людвиг Больцман как-то сказал: «Нет ничего практичней хорошей теории». Как вы понимаете эти слова и согласны ли вы с Больцманом?

При изучении естественных наук мы применяем теоретические и эмпирические методы познания. Для эффективного их использования необходимы определенные исследовательские умения. Можем ли мы построить свои рассуждения и практические действия так, чтобы кратчайшим путем решить какую-либо проблему, возникающую при изучении природы? Какие методы мы должны при этом использовать? Какова будет их последовательность?

В нашей учебной практике будем использовать сложившуюся в результате исследований многих ученых-естествоиспытателей следующую последовательность действий:

1. Анализ фактов на основе проведенных наблюдений.

2. Постановка проблемы на основе анализа фактов.

3. Выдвижение гипотезы исследования, возможных следствий, которые можно проверить в случае верной гипотезы.

4. Эмпирическая проверка следствий гипотезы – постановка эксперимента.

5. Анализ результатов эксперимента, теоретические выводы о справедливости (или несправедливости) гипотезы, возможные практические применения результатов исследования.

Научившись применять эту цепочку действий в ходе любого исследования, мы приблизимся к освоению методологии естественных наук. Это знание поможет нам в любой деятельности, которая предполагает решение проблем, поиск ответов на сложные нестандартные вопросы.

Сообщение 1. Гипотетико-дедуктивный метод исследования: сущность, примеры применения в естествознании.

Источники информации

1. К а п и ц а . Теория. Практика. – М.: Наука, 1981.

2. Механика и цивилизация. /Под. ред. и . М:. Наука, 1979.

Сообщение 2. С помощью лабораторного оборудования выполните демонстрационный эксперимент – исследование по физике (оптика). Организуйте демонстрацию опыта как проблемное исследование учеников вашего класса. Используйте цепочку познавательной деятельности для исследования зависимости расстояния между двояковыпуклой линзой (Л) и четким изображением светящегося предмета (П) на экране (Э) от расстояния между линзой и предметом. Эту зависимость можно описать качественно.

*) Вы выполните исследовательское задание повышенной

сложности, если вам удастся вывести так называемую «формулу линзы», то есть получить количественную зависимость между

l1, l2 и...?

Подсказка: не забудьте определить фокусное расстояние (f) линзы (вы учились этому в 8 классе).

Рис. 8. Схема опыта по исследованию свойств линзы

Подберите оборудование с помощью учителя. Ход размышлений и исследований опишите, заполнив таблицу:

Источники информации.

1.П е р ы ш к и н : учеб. для 8 кл. – М.: Дрофа, 2005.

2. М я к и ш е в Г. Я., Б у х о в ц е в : учеб. для 10 кл. – М.: Просвещение, 2003.

Сообщение 3. Методология Эйнштейна и Декарта.

В лекции «О методе теоретической физики» (1933) Эйнштейн говорил: «Я убежден, что посредством чисто математических конструкций мы можем найти те понятия и закономерные связи между ними, которые дадут нам ключ к пониманию явлений природы. Опыт может подсказать нам соответствующие математические понятия, но они ни в коем случае не могут быть выведены из него. Конечно, опыт остается единственным критерием пригодности математических конструкций физики. Но настоящее творческое начало присуще именно математике. Поэтому я считаю в известной мере оправданной веру древних в то, что чистое мышление в состоянии постигнуть реальность».

«Под интуицией я понимаю не зыбкое свидетельство чувств и не обманчивое суждение неправильно слагающего воображения, а понимание ясного и внимательного ума. Настолько легкое и отчетливое, что не остается совершенно никакого сомнения относительно того, что мы разумеем, или, что то же самое, несомненное понимание ясного и внимательного ума, которое порождается одним лишь светом разума».

Опишите сущность методов, которые используют Эйнштейн, Декарт.

Источники информации

1. Э й н ш т е й н А. Собрание научных трудов: в 4-х т. – М.: Наука, 1967.

2. Д е к а р т Сочинения: В 2-х т. Мир или Трактат о свете. Т.1 – М.: Мысль, 1989.

3. Г е р н е к Ф. Пионеры атомного века. – М.: Прогресс, 1974.

4. Традиции и революции в истории науки. /Отв. Ред. – М.: Наука, 1991.

Сообщение 4. Роль математики в естественных науках.

«Философия написана в величественной книге (я имею в виду Вселенную), которая постоянно открыта нашему взору, но понять ее может лишь тот, кто сначала научится постигать ее язык и толковать знаки, которыми она написана. Написана же она на языке математики, и знаки ее – треугольники, круги и другие геометрические фигуры, без которых человек не смог бы понять в ней ни единого слова без них он был бы обречен блуждать в потемках по лабиринту» (Г а л и л е й Г. Пробирных дел мастер – М.: Наука, 1987. С. 41.).

Подберите другие высказывания ученых о роли математики в естественных науках. Сделайте обобщения.

Источники информации

С в а с ь я н европейской науки. – Ереван. Изд-во АН Армении, 1990.

Сообщение 5. Сущность мысленного эксперимента как метода.

Два описания мысленного эксперимента – Галилеем и Эйнштейном.

Источники информации

1. А х у т и н принципов физического эксперимента. – М.: Наука, 1979.

2. Эйнштейн о Галилее и его «Диалогах». / Собрание научных трудов: в 4-х т. – М.: Наука, 1967.

В истории науки развивались представления о методах исследования. В разные эпохи центральная роль отводилась то теоретическим, то практическим методам исследования. Современная методология естественных наук в большей степени основана на гипотетико-дедуктивном методе исследования. Большая роль отводится математическому моделированию. Основу научного естествознания составляет эксперимент.

§ 15. Естественно-научное знание в решении экологических проблем

Урок-практикум

Не следует умножать сущности сверх

необходимости.

У. Оккам

Можно ли любое негативное событие в природе считать результатом человеческой деятельности? Как выбрать правильную гипотезу?

Человек и окружающая среда. Социальная и природная среда, адаптация к ней человека.

Цель работы: Применить естественно-научный подход для решения конкретной практической задачи из области прикладной экологии.

План работы. Последовательно выполняя задания и делая вывод по каждому из них, сформулируйте общий вывод, касающейся приведенной ниже экологической проблемы.

Используем полученные вами знания о методологии естественных наук для анализа одного недавнего события с негативными экологическими последствиями. Будем руководствоваться и знаменитым афоризмом средневекового философа Уильяма Оккама, который очень точно подметил один из принципов научного познания, получивший название «бритвы Оккама». Согласно этому принципу не надо придумывать сложных трактовок тому, что может иметь гораздо более простое и логичное объяснение.

В мае 1990 г. средства массовой информации оповестили об экологической катастрофе, разразившейся на Белом море. На 20-ти километровом участке побережья Летнего берега Двинского залива (примерно в 60 км от устья Северной Двины, выше по течению которой располагается крупнейший на Белом море город – Архангельск), в огромном количестве были обнаружены выброшенные на берег морские звезды. Массовые выбросы погибших животных наблюдались 12, 27 мая и 3 июня, причем на некоторых участках побережья они даже образовали сплошной вал вдоль полосы прибоя. Общая численность погибших морских звезд была оценена в 6 млн. Интересно отметить, что, хотя среди выброшенных звезд попадались так же погибшие крабы, моллюски и даже тюлени, но их число было относительно небольшим и не превышало те значения, которые обычны для беломорского побережья. Для выяснения причин столь драматических событий были созданы специальные комиссии, в состав которых вошли ученые, чиновники разного ранга, военные, независимые эксперты. Были выдвинуты многочисленные предположения относительно природы массовой гибели морских животных.

Задание 1. Сформулируйте гипотезы, которые могли бы объяснить подобное природное явление.

Подсказка.

Морские звезды – хищные животные, принадлежащие типу Иглокожие. Они активно передвигаются по морскому дну при помощи многочисленных маленьких ножек-присосок, которыми они попеременно прикрепляются к подводным предметам. Звезды способны жить только в морской воде. Эксперименты показали, что уже при небольшом понижении солености прикрепление их ножек к поверхности подводных предметов ослабевает, и звезды легко отрываются от них под влиянием течений. Питаются морские звезды преимущественно моллюсками, а на Белом море их излюбленная добыча – двустворчатый моллюск мидия съедобная. В некоторых местах (в том числе и вдоль Летнего берега) мидии образуют в прибрежной зоне массовые поселения, которые называют мидиевыми банками. Для каждой мидиевой банки на Белом море характерны периоды роста, расцвета и угасания. После гибели основной массы составляющих банку мидий освободившиеся места может занимать молодь и постепенно банка восстанавливается. В период расцвета мидиевой банки морские звезды на ней практически не встречаются – им трудно добраться до моллюсков, плотно прижатых друг к другу. В период же угасания банки, когда поселение становится разреженным из-за гибели части особей, звезды подчас покрывают мидий сплошным ковром. Чаще всего подобное явление наблюдается на Белом море весной.

Задание 2. Если мы признаем, что массовая гибель морских звезд вызвана причинами антропогенного характера (а именно такая точка зрения была наиболее популярна), то каким критериям должно соответствовать отравляющее вещество, чтобы вызвать катастрофичные последствия? Запишите определенные вами критерии отравляющего вещества.

Задание 3. Используя определенные в задании 2 критерии отравляющего вещества, критически проанализируйте и оцените приемлемость приведенных в дополнительном тексте гипотез, объясняющих массовую гибель морских звезд причинами антропогенного характера.

Подсказка.

В ходе работы Комиссии по изучению причин гибели морских звезд выяснилось, что зимой, предшествующей рассматриваемым событиям, примерно в 150 км от будущего места выброса звезд потерпела аварию подводная лодка. В воду при этом попало около 16 т ракетного топлива. Однако этого количества на столь значительном удалении не достаточно, чтобы отравить двадцатикилометровый участок побережья. Кроме того, направление течений в районе аварии таково, что топливо должно было быть отнесено совершенно в ином направлении. Были высказаны и предположения о возможном промышленном (город Архангельск расположен относительно недалеко) или нефтяном (например, слив нефти с проходящего танкера) загрязнении воды. Пробы морской воды были подвергнуты специальному химическому анализу, который показал, что в районе гибели морских звезд вода, конечно, загрязнена, но уровень этого загрязнения невелик, гораздо меньше, чем, например, в Балтийском море. Концентрация загрязняющих веществ в целом не превышала зарегистрированную для других районов Белого моря, где никакой массовой гибели звезд не наблюдалось.

Наибольшее внимание привлекла гипотеза о загрязнении морской воды серусодержащими органическими соединениями, поскольку повышенная их концентрация была обнаружена в рыбе, поступившей на Архангельский рыбокомбинат. Серусодержащие органические соединения могут служить косвенным указанием на наличие в воде иприта – страшного отравляющего вещества, производившегося в годы холодной войны. Известно, что значительные количества иприта были захоронены в контейнерах в море, причем сведения о местах некоторых захоронений не сохранились. Нельзя исключить, что одно из них расположено у Летнего берега Белого моря. Контейнеры со временем могли прохудиться, и иприт попал в воду. Еще одним косвенным подтверждением версии об отравлении серосодержащими соединениями послужило обнаружение в районе гибели звезд красноватого грунта, каковой также может свидетельствовать о наличии в среде серы.

Доводы выглядят достаточно убедительно. Однако примем во внимание, что место, где была поймана рыба с повышенным содержанием серусодержащих соединений, так и не было установлено. Что же касается красноватого песка, то он в изобилии встречается по всему Белому морю и не имеет никакого отношения к серусодержащим соединениям. Красноватый цвет ему придают мельчайшие кристаллики граната, которые на протяжении многих тысячелетий выветривались из коренных пород. Вспомним, что искомое нами ядовитое вещество должно обладать избирательным воздействием именно на морских звезд. Серусодержащие же органические соединения в повышенных концентрациях ядовиты для всего живого (иприт-то создавался далеко не для морских звезд!).

Задание 4. Пользуясь подсказкой, воспроизведите последовательность событий естественного характера, которые могли бы повлечь за собой массовый выброс на берег морских звезд.

Подсказка.

Учеными Зоологического института Российской Академии наук было установлено, что вдоль всего Летнего берега на глубинах 2-6 м тянется сплошное поселение мидий (банка), одно из крупнейших на Белом море. Разные участки этого поселения находятся на разных стадиях своего цикла – рост, расцвет, угасание. Весной 1990 г. в районе выброса морских звезд поселения мидий находились именно на стадии угасания. В этот год залив очистился ото льда на две недели раньше обычного, и обитатели прибрежья оказались под воздействием волн в период сильных весенних штормов. Весна 1990 г. выделялась в отношении штормов от предыдущих. В мае было зарегистрировано 7 сильных штормов, продолжительностью двое-трое суток каждый. Такой шторм отрывает от грунта и хорошо прикрепленные водоросли даже на глубинах в 4-5 м, не говоря уж о морских звездах и крабах. Остается упомянуть, что северные штормовые ветра способствуют нагону в интересующий нас район пресной воды Северной Двины, которая особенно полноводна в период весеннего паводка.

Итак, а была ли на самом деле экологическая катастрофа, как о том возвестили средства массовой информации? По отношению к мидиям – нет, мидиевая банка, как мы видели, просто переживала один из циклически повторяющихся периодов своего существования. По отношению к морским звездам – тоже нет, гибель, даже и значительного их числа, не привела к катастрофическим последствиям для беломорской популяции морских звезд в целом. Не пострадали и остальные животные и растения Белого моря. По оценкам ученых Зоологического института, никаких серьезных отличий в их видовом составе и численности в районе Летнего берега до и после описываемых событий нет. А значит, не было и катастрофы. Произошло одно из тех нередких в природе событий, когда сочетание тех или иных естественных факторов приводит к повышению смертности каких-либо видов, морских звезд в нашем случае. Популяции живых организмов обладают определенным запасом прочности, чтобы восстановиться после значительных утрат до своей оптимальной численности.

Поэтому не следует винить человека во всех природных бедах. Отрицательное воздействие разных форм человеческой деятельности на природу несомненно, и об этом у нас еще пойдет речь в последующих параграфах. Однако каждая конкретная экологическая ситуация требует тщательного научного исследования, в котором нет места для огульных обвинений и нагнетания обстановки, что, порой делают средства массовой информации. Возвращаясь к эпиграфу, мы можем заключить, что в рассмотренном нами примере «бритва Оккама» отсекла как «ненужные сущности» разнообразные гипотезы об антропогенном характере факторов, вызвавших гибель морских звезд, оставив самые очевидные, естественные, которые в первую очередь и следовало бы рассматривать в качестве рабочей гипотезы.

Для объяснения одного и того же природного явления могут быть высказаны самые различные, порой взаимоисключающие гипотезы. Из них следует выбрать наименее противоречивую, т. е. максимально соответствующую накопленным на данном этапе познания фактам и уже апробированным теориям. В этом и состоит суть естественно-научного подхода.

Литература для дополнительного чтения

Н а у м о в А. Д., Ф е д я к о в живое Белое море. – СПб.: Издательство Санкт-Петербургского городского дворца творчества юных натуралистов, 1993.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах: 1 2 3 4