Природничо-наукова картина миру

Уявлення про властивості й особливості навколишньої нас природи виникають на основі тих знань, які в кожний історичний період дають нам різні науки, що вивчають різні процеси і явища природи. Оскільки природа являє собою щось єдине й ціле, остільки й знання про неї повинні мати цілісний характер, тобто являти собою певну систему. Таку систему наукових знань про природу здавна називають Природознавством. Раніше в Природознавство входили всі порівняно нечисленні знання, які були відомі про Природу, але вже з епохи Відродження виникають і відокремлюються окремі його галузі й дисципліни, починається процес диференціації наукового знання. Ясно, що не всі ці знання є однаково важливими для розуміння навколишньої нас природи.

Щоб підкреслити фундаментальний характер основних і найважливіших знань про природу, учені ввели поняття природничо-наукової картини миру, під якою розуміють систему найважливіших принципів і законів, що лежать в основі навколишні нас миру. Сам термін "картина миру" указує, що мова йде тут не про частину або фрагмент знання, а про цілісну систему. Як правило, у формуванні такої картини найбільш важливого значення набувають концепції й теорії найбільш розвинених у певний історичний період галузей природознавства, які висуваються в якості його лідерів. Не підлягає сумніву, що лідируючі науки накладають свою печатку на подання й науковий світогляд учених відповідної епохи. Але це аж ніяк не означає, що інші науки не беруть участь у формуванні картини природи. У дійсності вона виникає як результат синтезу фундаментальних відкриттів і результатів дослідження всіх галузей і дисциплін природознавства.

Існуюча картина природи, що малюється природознавством, у свою чергу впливає на інші галузі науки, у тому числі й соціально-гуманітарні. Такий вплив виражається в поширенні концепцій, стандартів і критеріїв науковості природознавства на інші галузі наукового пізнання. Звичайно саме концепції й методи наук про природу й картина миру в цілому в значній мірі визначають науковий клімат епохи. У найтіснішій взаємодії з розвитком наук про природу починаючи з XVI в. розвивалася математика, що створила для природознавства такі потужні математичні методи, як диференціальне й інтегральне вирахування.

Однак без обліку результатів дослідження економічних, соціальних і гуманітарних наук наші знання про світ у цілому будуть свідомо неповними й обмеженими. Тому варто розрізняти природничо-наукову картину миру, що формується з досягнень і результатів пізнання наук про природу, і картину миру в цілому, у якій як необхідне доповнення входять найважливіші концепції й принципи суспільних наук.

Однак ще до появи наукових уявлень про природу люди замислювалися про навколишній їхній світ, його будові й походженні. Такі подання спочатку виступали у формі міфів і передавалися від одного покоління до іншого. Відповідно до найдавніших міфів, весь видимий упорядкований і організований мир, що в античності називався космосом, відбувся з дезорганізованого миру, або неупорядкованого хаосу.

В античній натурфілософії, зокрема в Аристотеля (384-322 до н.е.), подібні погляди знайшли своє відбиття в розподілі миру на зроблений небесний космос і недосконалий земний мир. Сам термін "космос" позначав у стародавніх греків усяку впорядкованість, організацію, досконалість, погодженість і навіть військового лад. Саме така досконалість і організованість приписувалися небесному миру.

З появою експериментального природознавства й наукової астрономії в епоху Відродження була показана явна неспроможність подібних уявлень. Нові погляди на навколишній світ стали ґрунтуватися на результатах і висновках природознавства відповідної епохи й стали тому називатися природничо-науковою картиною миру. Однієї з перших виникла механістична картина миру, оскільки вивчення природи почалося з аналізу найпростішої форми руху матерії - механічного переміщення тел.

Механістична картина миру

Становлення механістичної картини миру справедливо зв'язують із ім'ям Галілео Галілея, що встановив закони руху вільно падаючих тіл і сформулював механічний принцип відносності. Але головна заслуга Галілея в тім, що він уперше застосував для дослідження природи експериментальний метод разом з вимірами досліджуваних величин і математичною обробкою результатів вимірів. Якщо експерименти ставилися й раніше, те математичний їхній аналіз уперше систематично став застосовувати саме він.

Підхід Галілея до вивчення природи принципово відрізнявся від раніше існуючого натурфілософського способу, при якому для пояснення явищ природи придумувалися апріорні, не пов'язані з досвідом і спостереженнями, чисто умоглядні схеми.

Натурфілософія, що виходить з її назви, являє собою спробу використовувати загальні філософські принципи для пояснення природи. Такі спроби вживали ще з античної епохи, коли недолік конкретних даних філософи прагнули компенсувати загальними філософськими міркуваннями. Іноді при цьому висловлювалися геніальні здогади, які на багато сторіч випереджали результати конкретних досліджень. Досить нагадати хоча б про атомістичну гіпотезу будови речовини, що була висунута давньогрецьким філософом Левкипом (V до н.е.) і більш детально обґрунтована його учнем Демокритом (ок. 460 до н.е. - г. смерті неизв.), а також про ідею еволюції, висловленої Емпедоклом (ок. 490 - ок. 430 до н.е.) і його послідовниками. Однак після того як поступово виникали конкретні науки й вони відділялися від філософського знання, натурфілософські пояснення стали гальмом для розвитку науки.

У цьому можна переконатися, зрівнявши погляди на рух Аристотеля й Галілея. Виходячи з апріорної натурфілософської ідеї, Аристотель уважав "зробленим" рух по колу, а Галілей, опираючись на спостереження й експеримент, увів поняття інерціального руху. На його думку, тіло, не піддане впливу яких-небудь зовнішніх сил, буде рухатися не по колу, а рівномірно по прямої траєкторії або залишатися в спокої. Таке уявлення, звичайно, - абстракція й ідеалізація, оскільки в дійсності не можна спостерігати таку ситуацію, щоб на тіло не діяли які-небудь сили. Однак ця абстракція є плідної, тому що вона подумки продовжує той експеримент, що приблизно можна здійснити в дійсності, коли, ізолюючись від дії цілого ряду зовнішніх сил, можна встановити, що тіло буде продовжувати свій рух у міру зменшення впливу на нього сторонніх сил.

Перехід до експериментального вивчення природи й математична обробка результатів експериментів дозволили Галілею відкрити закони руху вільно падаючих тел. Принципова відмінність нового методу дослідження природи від натурфілософського складалося, отже, у тім, що в ньому гіпотези систематично перевірялися досвідом. Експеримент можна розглядати як питання, звернений до природи. Щоб одержати на нього певна відповідь, необхідно так сформулювати питання, щоб одержати на нього цілком однозначна й певна відповідь. Для цього варто так побудувати експеримент, щоб по можливості максимально ізолюватися від впливу сторонніх факторів, які заважають спостереженню досліджуваного явища в "чистому виді" . У свою чергу гіпотеза, що представляє собою питання до природи, повинна допускати емпіричну перевірку виведених з її деяких наслідків. У цих цілях, починаючи з Галілея, стали широко використовувати математику для кількісної оцінки результатів експериментів.

Таким чином, нове експериментальне природознавство на відміну від натурфілософських здогадів і умоглядів минулого стало розвиватися в тісній взаємодії теорії й досвіду, коли кожна гіпотеза або теоретичне припущення систематично перевіряються досвідом і вимірами.

Саме завдяки цьому Галілею вдалося спростувати колишнє припущення, висловлене ще Аристотелем, що шлях падаючого тіла пропорційний його швидкості. Почавши експерименти з падінням важких тіл (гарматних ядер), Галілей переконався, що цей шлях пропорційний їхньому прискоренню, рівному 9,81 м/с. З астрономічних досягнень Галілея слід зазначити відкриття супутників Юпітера, а також виявлення плям на Сонце й гір на Місяці, що підривало колишню віру в досконалість небесного космосу.

Новий великий крок у розвитку природознавства ознаменувався відкриттям законів руху планет. Якщо Галілей мав справу з вивченням руху земних тіл, то німецький астроном Іоганн Кеплер (1571-1630) насмілився досліджувати руху небесних тіл, вторгся в область, що раніше вважалася заборонної для науки. Крім того, для свого дослідження він не міг звернутися до експерименту й тому змушений був скористатися багаторічними систематичним спостереженнями руху планети Марс, зробленими датським астрономом Тихо Бразі (1546-1601). Перепробувавши безліч варіантів, Кеплер зупинився на гіпотезі, що траєкторією Марса, як і інших планет, є не окружність, а еліпс. Результати спостережень Бразі відповідали цій гіпотезі й тим самим підтверджували її.

Відкриття законів руху планет Кеплером мало неоціненне значення для розвитку природознавства. Воно свідчило, по-перше, про те, що між рухами земних і небесних тіл не існує непереборної прірви, оскільки всі вони підкоряються певним природним законам, по-друге, сам шлях відкриття законів руху небесних тіл у принципі не відрізняється від відкриття законів земних тел. Правда, із-за неможливості здійснення експериментів з небесними тілами для дослідження законів їхнього руху довівся звернутися до спостережень. Проте й тут дослідження здійснювалося в тісній взаємодії теорії й спостереження, ретельній перевірці висунутих гіпотез вимірами рухів небесних тел.

Формування класичної механіки й заснованої на ній механістичної картини миру відбувалося по двох напрямках:

1) узагальнення отриманих раніше результатів і насамперед законів руху вільно падаючих тіл, відкритих Галілеєм, а також законів руху планет, сформульованих Кеплером;

2) створення методів для кількісного аналізу механічного руху в цілому.

Відомо, що Ньютон створив свій варіант диференціального й інтегрального вирахування безпосередньо для рішення основних проблем механіки: визначення миттєвої швидкості як похідній від шляху за часом руху й прискорення як похідній від швидкості за часом або другою похідною від шляху за часом. Завдяки цьому йому вдалося точно сформулювати основні закони динаміки й закон всесвітнього тяжіння. Тепер кількісний підхід до опису руху здається чимсь саме собою що розуміє, але в XVIII в. це було найбільшим завоюванням наукової думки. Для порівняння досить відзначити, що китайська наука, незважаючи на її безсумнівні досягнення в емпіричних областях (винахід пороху, паперу, компаса й інші відкриття), так і не змогла піднятися до встановлення кількісних закономірностей руху. Вирішальна ж роль у становленні механіки зіграв, як ми вже відзначали, експериментальний метод, що забезпечив можливість перевіряти всі здогади, припущення й гіпотези за допомогою ретельно продуманих досвідів.

Ньютон, як і його попередники, надавав великого значення спостереженням і експерименту, бачачи в них найважливіший критерій для відділення помилкових гіпотез від щирих. Тому він різко виступав проти допущення так званих схованих якостей, за допомогою яких послідовники Аристотеля намагалися пояснити багато явищ і процеси природи.

Сказати, що кожний рід речей наділений особливою схованою якістю, за допомогою якого він діє й робить ефекти, - указував Ньютон, - значить нічого не сказати.

У зв'язку із цим він висуває зовсім новий принцип дослідження природи, відповідно до якого вивести два або три загальні початки руху з явищ і після цього викласти, яким, образом властивості й дії всіх тілесних речей випливають із цих явних початків, - було б дуже важливим кроком у філософії, хоча причини цих початків і не були ще відкриті.

Ці початки руху і являють собою основні закони механіки, які Ньютон точно формулює у своїй головній праці "Математичні початки натуральної філософії", опублікованому в 1687 р.

Перший закон, що часто називають законом інерції, затверджує:

Усяке тіло продовжує втримуватися у своєму стані спокою або рівномірного прямолінійного руху, поки й оскільки воно не примушується прикладеними силами змінити цей стан.

Цей закон, як відзначалося вище, був відкритий ще Галілеєм, що відмовився від колишніх наївних уявлень, що рух існує лише тоді, коли на тіло діють сили. Шляхом уявних експериментів він зумів показати, що в міру зменшення впливу зовнішніх сил тіло буде продовжувати свій рух, так що при відсутності всіх зовнішніх сил воно повинне залишатися або в спокої, або в рівномірному й прямолінійному русі. Звичайно, у реальних рухах ніколи не можна повністю звільнитися від впливу сил тертя, опору повітря й інших зовнішніх сил, і тому закон інерції являє собою ідеалізацію, у якій відволікаються від дійсно складної картини руху й уявляють собі картину ідеальну, котру можна одержати шляхом граничного переходу, тобто за допомогою безперервного зменшення дії на тіло зовнішніх сил і переходу до такого стану, коли цей вплив стане рівним нулю.

Другий основний закон займає в механіці центральне місце:

Зміна кількості руху пропорційно прикладеній діючій силі й відбувається по напрямку тієї прямої, по якій ця сила діє.

Третій закон Ньютона:

Дія завжди є рівної й протилежно спрямованою протидії, інакше взаємодії двох тіл один на одного між собою рівні й спрямовані в протилежні сторони.

Виникає питання: яким способом були відкриті ці основні закони або принципи механіки? Нерідко говорять, що вони виходять шляхом узагальнення раніше встановлених приватних або навіть спеціальних законів, якими є, наприклад, закони Галілея й Кеплера. Якщо міркувати за законами логіки, такий погляд не можна визнати правильним, тому що не існує ніяких індуктивних правил одержання загальних тверджень із часток. Ньютон уважав, що принципи механіки встановлюються за допомогою двох протилежних, але в той же час взаємозалежних методів - аналізу й синтезу.

Як у математиці, так і в натуральній філософії, - писав він, - дослідження важких предметів методом аналізу завжди повинне передувати методу з'єднання. Такий аналіз складається у виробництві досвідів і спостережень, витягу загальних висновків з них за допомогою індукції й недопущенні інших заперечень проти висновків, крім отриманих з досвіду або інших достовірних істин. Тому що гіпотези не повинні розглядатися в експериментальній філософії. І хоча аргументація на підставі досвідів не є доказом загальних висновків, однак це кращий шлях аргументації, що допускається природою речей, і може вважатися тим більше сильним, чим загальне індукція... Шляхом такого аналізу ми можемо переходити від з'єднань до інгредієнтів, від рухів - до сил, їх виробляючої, і взагалі від дій - до їхніх причин, від приватних причин - до більше загальних, поки аргумент не закінчиться найбільш загальною причиною.

Такий метод аналізу, синтез же припускає причини відкриті й установленими як принципи; він складається в поясненні за допомогою принципів явищ, що відбуваються від них, і доказі пояснень.

Щоб ясно оцінити революційний переворот, здійснений Ньютоном у механіку й точному природознавстві в цілому, необхідно насамперед протиставити його метод принципів чисто умоглядним побудовам колишньої натурфілософії й широко розповсюдженим у його час гіпотезам про "сховані" якостях. Про натурфілософський підхід до вивчення природи ми вже говорили, відзначивши, що в переважній більшості таких поглядів були нічим не підкріпленими умоглядами й спекуляціями. І хоча в заголовку книги Ньютона теж зустрічається термін "натуральна філософія" , в XVII і XVIII ст. він позначав вивчення природи, тобто природознавство. Твердження Ньютона, що гіпотези не повинні розглядатися в експериментальній філософії, було спрямовано проти гіпотез про "сховані" якості, справжньої ж гіпотези, що допускають експериментальну перевірку, становлять основу й вихідний пункт всіх досліджень у природознавстві. Як неважко догадатися, самі принципи теж є гіпотезами глибокого й досить загального характеру.

При розробці свого методу принципів Ньютон орієнтувався на аксіоматичний метод, блискуче застосований Евклідом при побудові елементарної геометрії. Однак замість аксіом він опирався на принципи, а математичні докази відрізняв від експериментальних, оскільки останні мають не строго достовірний, а лише імовірнісний характер. Важливо також звернути увагу на те, що знання принципів або законів, що управляють явищами, не припускає розкриття їхніх причин. У цьому можна переконатися з оцінки Ньютоном закону всесвітнього тяжіння. Він завжди підкреслював, що цей закон установлює лише кількісну залежність сили тяжіння від мас, що тяжіють, і квадрата відстані між ними.

Що ж стосується причини тяжіння, то він уважав її розкриття справою подальших досліджень.

Досить того, що тяжіння насправді існує й діє відповідно до викладеним нами законам і цілком достатньо для пояснення всіх рухів небесних тіл і моря, - писав Ньютон.

Відкриття принципів механіки дійсно означає справді революційний переворот, що пов'язаний з переходом від натурфілософських здогадів і гіпотез про "сховані" якостях і т.п. спекулятивних вигадництв до точного експериментального природознавства, у якому всі припущення, гіпотези й теоретичні побудови перевірялися спостереженнями й досвідом. Оскільки в механіку відволікаються від якісних змін тіл, остільки для її аналізу можна було широко користуватися математичними абстракціями й створеним самим Ньютоном і одночасно Лейбницем (1646-1716) аналізом нескінченно малих. Завдяки цьому вивчення механічних процесів було зведено до точного математичного їхнього опису.

Для такого опису необхідно й досить було задати координати тіла і його швидкість (або імпульс mv), а також і рівняння його руху. Всі наступні стани тіла, що рухається, точно й однозначно визначалися його первісним станом. Таким чином, задавши цей стан, можна було визначити будь-який інший його стан як у майбутньому, так і в минулому. Виходить, що час не робить ніякого впливу на зміну тіл, що рухаються, так що в рівняннях руху знак часу можна був міняти на зворотний. Очевидно, що подібне подання було ідеалізацією реальних процесів, оскільки воно абстрагується від фактичних змін, що відбуваються із часом.

Отже, для класичної механіки й механістичної картини миру в цілому характерна симетрія процесів у часі, що виражається в оборотності часу. Звідси легко виникає враження, що ніяких реальних змін при механічному переміщенні тіл не відбувається. Задавши рівняння руху тіла, його координати й швидкість у деякий момент часу, що часто називають початковим його станом, ми можемо точно й однозначно визначити його стан у будь-який інший момент часу в майбутньому або минулому. Сформулюємо характерні риси механістичної картини миру.

1. Всі стани механічного руху тіл стосовно часу виявляються в принципі однаковими, оскільки час уважається оборотним.

2. Всі механічні процеси підкоряються принципу строгого або твердого детермінізму, суть якого складається у визнанні можливості точного й однозначного визначення стану механічної системи її попереднім станом.

3. Відповідно до цього принципу, випадковість цілком виключається із природи. Усе у світі строго детерміноване (або визначено) попередніми станами, подіями і явищами. При поширенні зазначеного принципу на дії й поводження людей неминуче приходять до фаталізму. Сам навколишній нас мир при механістичній картині перетворюється в грандіозну машину, всі наступні стани якої точно й однозначно визначаються її попередніми станами. Таку точку зору на природу найбільше ясно й образно виразив видатний французький учений XVIII в. П’єр Симон Лаплас (1749-1827):

Розум, якому були б відомі для якого-небудь даного моменту всі сили, що одушевляють природу, якби він виявився досить великим, щоб підкорити всі дані аналізу, обійняв би в одній формулі руху найбільших тіл Всесвіту нарівні з рухами найлегших атомів; не залишилося б нічого, що було б для нього недостовірно, і майбутнє, так само як і минуле стало б перед його поглядом.

Простір і час ніяк не пов'язані з рухами тіл, вони мають абсолютний характер.

У зв'язку із цим Ньютон і вводить поняття абсолютного, або математичного, простору й часу. Така картина нагадує подання про світ древніх атомистів, які вважали, що атоми рухаються в порожньому просторі. Подібно цьому в ньютонівської механіці простір виявляється простим вмістищем тіл, що рухаються в ньому, які не роблять на нього ніякого впливу. Як ми покажемо далі, такі подання були піддані різкій критиці в теорії відносності.

4. Тенденція звести закономірності більше високих форм руху матерії до законів найпростішої його форми - механічному руху.

Таке прагнення зустріло критикові з боку біологів, медиків і деяких хіміків уже в XVIII в. Проти нього виступили також видатні філософи-матеріалісти Дені Дідро (1713-1784) і Поль Гольбах (1723-1789), не говорячи вже про віталістів, які приписували живим організмам особливу "життєву силу", наявністю якої вони відрізняються нібито від неживих тел. З курсу філософії ви вже знаєте, що механіцизм, який питався підходити до всім без винятку процесам з погляду принципів і масштабів механіки, з'явився однієї з передумов виникнення метафізичного методу мислення.

5. Зв'язок механіцизму із принципом відповідно до якого дії й сигнали можуть передаватися в порожньому просторі з якою завгодно швидкістю.

Зокрема, передбачалося, що гравітаційні сили, або сили притягання, діють без якого-небудь проміжного середовища, але сила їх убуває із квадратом відстані між тілами. Сам Ньютон, як ми бачили, питання про природу цих сил залишив вирішувати майбутнім поколінням.

Всі перераховані й деякі інші особливості визначили обмеженість механістичної картини миру, які переборювалися в ході наступного розвитку природознавства.

Література

1. Бернал Дж. Наука в історії суспільства. - К., 1996.

2. Степин B.C. Философия науки. М., 2003.

3. Философия и методология науки / Под ред. В.И. Купцова. - М., 1996

4. Гайденко П.П., Смирнов Г. А. Західноєвропейська наука в Середні століття: Загальні принципи й вчення про рух. - К., 1989

5. Гайденко П.П. Еволюція поняття науки: Становлення й розвиток перших наукових програм. - К., 1998