Основные черты современного естествознания

Выделим несколько характерных черт современного естествознания.

1. Развитие естествознания в XVII-XVIII вв. и вплоть до конца XIX в. происходило под подавляющим превосходством механики, так что основными критериями естествознания были законы механики.

В этот период развитие естествознания направлялось классической механикой и только в течение 2÷3 последних десятилетий ее влияние существенно ослабло. В настоящее время согласно высказывания  В. И. Вернадского: «для научной работы нашего века удобным учитывать, что научная картина мира не может быть сведена всецело к движению, даже в своем материальном выражении. Еще недавно такое сведение являлось идеалом научной работы». Таким образом, основным термином XX столетия становится «организованность» вместо основного термина столетия XIX, которым можно считать термин «движение».

2. Современное естествознание исследуя оценку сложного осознало, что простота не присуща ни бесконечно малому, ни бесконечно большому. В первом нет «кирпичиков мироздания», у второго нет абсолютного предела.

От открытия электрона и других элементарных частиц ученые надеялись построить периодическую систему, аналогичную системе Менделеева. Однако после 1965 г., когда число открытых частиц превысило 200, стало ясно, что это невозможно. Частицы оказались слишком разными, и до сих пор ученые не знают такого параметра, по которому их можно классифицировать.

«Простоту» и соответствующие ей понятия следует искать в реальном мире, непосредственно окружающем человека (с учетом всех его взаимодействий с окружающей средой). Впервые данное положение было осознано выдающимся современным ученым И. Р. Пригожиным. Это привело к тому, что в естествознании сейчас особенно остро осознается необходимость нового диалога человека с природой и поднимается вопрос о разработке конкретных методов для такого диалога.

Одним из проявлений стремления к подобному диалогу является возникновение в XX в. наук биосферного класса. Эти науки отличаются тем, что они признают наличие наблюдателя, творческого субъекта, который вносит в процесс исследования свое отношение к протекающим процессам. Пожалуй, наиболее отчетливо основные идеи наук биосферного класса проявились на стыке биологических, географических и геологических наук.

3. Возникновение наук биосферного класса, в которых все процессы рассматриваются во взаимосвязи, а также в единстве взаимообусловленности их проявлений. Возникновение наук биосферного класса связывается с именем В. В. Докучаева который определил понятие «почва», в которой сходятся все основные земные оболочки: литосфера, гидросфера, атмосфера, биосфера, ноосфера.

Литосфера проявляет себя как совокупность минеральных частиц, обломков различных горных пород и минералов, образующих матрицу почвы; гидросфера – как совокупность различных типов влаги и форм ее существования. Почва тесно связана с атмосферой, воздух является важнейшим компонентом почвы. Не случайно такое  внимание уделяется аэрации почвы, различным способам ее рыхления: от механических до биологических (например, рыхление дождевыми червями). Почва тесно связана и с биосферой: в ней живут микробы, происходят процессы, обусловленные деятельностью живого. Без этих «вкладов» почва была бы мертва. Скажем, если почва не дышит или если в ней нет влаги, то она уже не может быть тем чудом природы, которое обеспечивает произрастание из маленьких семян овощей, злаков, деревьев. Это чудо рождения живого есть результат гармоничного сочетания всех перечисленных выше факторов. Почва связана с ноосферой (духовностью). Когда говорят «человек любит почву», то это не просто метафора. Любящий почву человек рассматривает себя как продолжение происходящих в ней процессов. Между этим человеком и почвой нет отчуждения, поскольку он знает, когда почву нужно поливать, когда подкармливать, когда делать посадки и снимать урожай.

4. Всеобщность циклов, их тесная связь с организованностью и самоорганизацией. Оказалось возможным свести многие устойчивые равновесия к соответствующим циклам. Можно сказать, что все в природе сводится к циклам. Циклы, связанные с движением звезд, планет, были замечены еще в глубокой древности. Но именно в современном естествознании было отчетливо осознано, что устойчивые равновесия обеспечиваются циклическими процессами, круговоротами энергии, вещества (информации) в природе. Методы циклов активно используются в термодинамике, различные типы круговоротов исследуются в биологии, географии, почвоведении и т.п. Современные ученые-естествоиспытатели обнаружили циклы во всех природных, земных сферах – в литосфере, гидросфере, атмосфере, биосфере. Выявлены циклы и в осадконакоплении, сейсмичности, составе газов, изменении уровней самых различных водоемов, уровней подземных вод и т.д. Ученые выяснили, что в жизни Земли существуют ритмы от часа и менее до сотен миллионов лет и эти ритмы имеют определенную иерархическую подчиненность.

Через исследование природных циклов и соответствующих им равновесий естествознание вплотную подходит к исследованию ритмов природы, космоса, бытия. Дальнейшее развитие человечества возможно только при ориентации на эти ритмы. Подобные мысли неоднократно высказывались в религиях, прежде всего в даосизме, а также в астрономии, биологии, физике, химии, медицине, экологии, и, наконец, в искусстве и литературе. Но только сейчас из них начинает формироваться единое мировоззрение на основе планетарного, синергетического мышления.

5. Тесная взаимосвязанность специальных естественно-научных дисциплин между собой. Появление значительного числа пограничных наук.

В настоящее время углубляются связи между астрономией и географией, биологией и медициной, совершенствуются методы математики, обеспечивающие взаимосвязи между естественными науками. В XX в. упор в исследованиях вследствие усложнения задач переносится на новые проблемы, так что возникли целые науки такой «проблемной ориентации», например, мерзлотоведение (геокриология), океанология, где на первый план выдвигается исследование конкретной части земной оболочки вместе с соответствующими ей проблемами. Важность перехода в современных исследованиях от узкоспециальных задач к проблемам подчеркивал В. И. Вернадский.

6. Тесная взаимосвязь современного естествознания с процессами формирования ноосферы. Под ноосферой понимается сфера разума, но разработано это понятие еще совершенно недостаточно. Однако точка зрения, что ноосфера есть одно из природных равновесий, являющихся естественным продолжением равновесий, возникших в биосфере, позволяет рассматривать это понятие в тесной связи, как с естественными науками, так и с духовностью.

С 70-х годов в разных разделах естествознания накопились открытия, требующие пересмотра основных мировоззренческих установок. Все большую роль играет информация. Компьютеры не только позволили проводить вычисления с огромной точностью, скоростью, исследовать сложнейшие процессы, они помогли иначе взглянуть на многие физические и математические теории, привели к появлению новых идей и методов, междисциплинарных подходов, изменив тем самым облик естествознания.

Оказалось, что интенсивные взаимодействия описываются нелинейными уравнениями, для которых нет общих рецептов решения. Нелинейность приводит к ряду новых эффектов, которыми не обладали линейные системы. В сложных открытых системах, например, вдали от равновесия появлялись упорядоченные состояния. Возникновение их не связано с конкретной природой рассматриваемых систем, и исследование процессов самоорганизации, а также и обратного процесса – детерминированного хаоса − стало возможным с применением ЭВМ при решении нелинейных уравнений. Настоящий бум, охвативший науку в последние 15÷20 лет в связи с изучением самоорганизации и хаоса, привел к созданию нового «нелинейного» (синергетического) мышления в различных областях естествознания, а также в экологии и экономике.

В современном естествознании логические методы – приемы и методы исследования, присущи как научному, так и обыденному познанию в целом. Объективная предпосылка познавательных операций – структурность и целостность материальных объектов. Наиболее универсальные элементарные приемы познания: анализ и синтез, причем анализ ради синтеза, а не наоборот. Широко используются в современном естествознании частные логические методы познания: абстрагирование и обобщение, индукция и дедукция, аналогия, гомология и моделирование.

3.1. Принципы синергетики, эволюционная триада и синергетическая среда в постижении природы

Синергетический подход к познанию, точнее к постижению Природы, расставляет точки над и в том смысле, что становится более понятным, что знания не приобретают как вещь, ими овладевают с тем, чтобы в дальнейшем обладать, не терять самообладания и действовать, и жить правильно. Поэтому, знания, полученные в синергетической образовательной среде способствуют постижению действительности на фундаментальном уровне без отторжения.

Проектирование – это деятельность в областях, где недостаточно только линейного мышления как указывал Б.Ф. Ломов. Поэтому интересен подход Дж. Джонса  к видению структуры постижения природы, состоящего из трех ступеней: дивергенции, трансформации и конвергенции.

Дивергенция характеризуется крайней неустойчивостью и условностью целей, сознательной установкой на критическое восприятие действительности, разрушение стереотипов, использование предельно широких метафор и крайне далеких ассоциаций.

Трансформация направлена на упорядочение поля поиска, его концептуальную структуризацию, на поиск языка данной задачи, пригодного для ее целостного и точного выражения. Это ступень выделения альтернатив и параллелей в решении исходной задачи.

Наконец, конвергенция – это настойчивая и жесткая направленность на усечение проектного поля, сокращение числа альтернатив, детализацию отобранных моделей и так далее. Исследователи говорят о двух диаметрально противоположных стратегиях проектирования: от внешнего – к внутреннему  (из соображений целостного облика к его конструктивным деталям) и от внутреннего к внешнему (стратегия увязки, сведения отдельных элементов в целостный облик). Эти подходы к проектированию созвучны принципам синергетики.

На создание технологий нацелено проектирование. В самом проектировании как деятельности можно обнаружить свою совокупность инструментальных средств, свой подход к информационным ресурсам и, особенно подчеркнем, свой нелинейный (синергетический) стиль мышления, свой ценностный мир. Выделение этих взаимосвязанных компонентов позволяет представить проектирование синергетической среды образовательного процесса современного естествознания как нелинейную динамическую систему, генерирующую в заданных пределах деятельную структуру общества и способ жизни, определяющую современное состояние образования и перспективы развития человечества.

Под синергетической средой в системе мы понимаем совокупность материальных, духовных факторов и средств  в открытой системе,  в которой при взаимодействии ее частей на основе динамической иерархичности и наблюдаемости возникает усиление управляющих воздействий, согласование темпов и уровней развития управляемых, становление творческой личности, сочетающей рациональные и иррациональные компоненты мышления, имеющей целостное мировоззрение и познающей природу без отторжения на фундаментальном уровне.

Успехи в области современных высоких технологий, внедрение курсов «Концепции современного естествознания» с использованием его гуманитарного потенциала, делают проблему проектирования синергетической среды в системе образования и формирования синергетического стиля мышления актуальной. Эффективность социальных технологий 21 века, видимо, будет зависеть от решения задач, связанных с этой проблемой. Проектирование синергетической среды в социальной сфере обеспечит сочетание рационального и иррационального в процессе социального взаимодействия, формирование метаязыка аналогий, понятного естественнику и гуманитарию. Гуманитарный потенциал современного естествознания  связан, прежде всего, с развитием мышления, формированием целостного мировоззрения, воспитанием чувств.

Известны семь принципов синергетики, из них: два принципа Бытия:

1)     иерархичность; 

2)     гомеостатичность;

и пять принципов Становления:

3)     незамкнутость;

4)     неравновесность;

5)     нелинейность;

6)     динамическая иерархичность, циклическая коммуникативность, принцип дополнительности (обобщение принципа подчинения – рождение параметров порядка);

7)     наблюдаемость.

Именно последние два включают принципы дополнительности и соответствия, кольцевой (циклической) коммуникативности и относительности к средствам наблюдения, позволяя начать диалог между внутренним наблюдателем (природа индивида) и внешним наблюдателем (жизнедеятельность в процессе познания природы) в синергетической среде.

Под  проектированием синергетической среды в системе будем понимать процесс создания в системе такой совокупности информационно-методических, эргономических, экономических, правовых условий и средств управления на базе принципов синергетики, которая обеспечит становление в социуме творческой личности, имеющей опыт безопасной жизнедеятельности на стадии обучения, воспитания и развития.

Под формированием синергетического стиля мышления будем понимать деятельность в синергетической среде, направленную на практическое использование алгоритма реальности обучающими и обучаемыми, сочетающими рациональные и иррациональные компоненты мышления, основываясь на целостном мировоззрении и познании мира на фундаментальном уровне без отторжения.

Синергетический стиль мышления – это многостороннее, нелинейное, открытое мышление, совокупность и гармоничное сочетание понятийного и образного мышления, связующим (синхронизирующим) фактором которого  является алгоритм реальности.

Под алгоритмом реальности будем понимать конечную последовательность предписаний, достаточную для оценивания состояния системы в развитии  через связь прошлого и будущего в настоящем.

Именно проектирование синергетической среды, прежде всего в социальной сфере способствует формированию синергетического стиля мышления и отображению реальности в её процессуальном единстве.

Культура личности в сочетании с  её нелинейным синергетическим стилем мышления, «…владеющей методологией циклично-волнового освоения будущего, становится главными целями  современного неклассического опережающего образования. Это образование формирует нового человека, опираясь на новую синергетическую парадигму фундаментальности образования, в которой каждый образовательный цикл завершается синтетически-целостной картиной мира, причем роль синтезаторов выполняют проблемно-организованные, концептуальные дисциплины, выполняющие функцию содержательного метапроектирования образовательного процесса». К таким синтезаторам как раз и относится изучаемая дисциплина «Концепции современного естествознания».

 Познание (постижение) природы на фундаментальном уровне без отторжения следуя синергетической парадигме фундаментальности может быть пояснен в следующих рассуждениях.

Два принципа бытия: иерархичность и гомеостатичность описывают изолированную систему, где вся активность заключена во власти, в «праве первой ночи для господина» в «праве силы» и др. в целом иллюстрирует «наследственность» дарвинской триады, (так было так есть и так будет всегда?!.) Если система изолирована, в ней, как известно все сохраняется: энергия, вещество, импульс, прелесть, информация и.т.д. Это стадия бытия, которое определяет со-знание (совместное знание), (состояние, когда «против лома нет приема, кроме самого лома…»)

Ситуация меняется, если система приоткрывается, проходя три запрета:

 – незамкнутость («нет замка и нет кнута», «бери больше – кидай дальше», «куй железо, пока горячо», «что не запрещено – то можно» и др.);

 – неравновесность (система имеет в себе части одной весовой категории и все может вскоре измениться);

– нелинейность (многовариантность, несколько путей развития, необратимость вследствие диссипации эмерджентности случайных событий) в сочетании с принципом;

– дополнительности составляет «изменчивость» дарвинской триады.

И, наконец, циклическая коммуникативность и наблюдаемость составляют «отбор» дарвинской триады. Такие рассуждения сближают современные принципы синергетики в соответствии с принципом соответствия с дарвинской эволюционной триадой: «наследственность», «изменчивость», «отбор».

Если посмотреть на график рис. 3,4, то принципы бытия находятся в стадии пороговой нечувствительности системы, третий, четвертый принципы синергетики находятся в первом предельном цикле (мягкого возбуждения) или «детской системы»; пятый принцип вершит «золотую середину» и качественный переход системы во второй предельный цикл (жесткого возбуждения) «взрослости системы», когда ее притягивает ко второму аттрактору, в котором активность ослабевает, система достигает «насыщения». Если взять производную от кривой активности, то получиться колоколообразный график с вершиной в точке равенства активности и пассивности (принцип нелинейности). Это граница перехода из прошлого в будущее, своего рода «потенциальный барьер необратимости, или как в народе говорят «куда ни кинь – везде клин», т.е. равенства активности и пассивности, после чего следуют качественные изменения. В физике это называется резонансом, в биологии – генетический механизм самоорганизации, в экономике равенство дебета и кредита (баланс) и др. В конечном  состоянии рассмотренного цикла пассивность в системе превышает активность и система на более высоком уровне становится похожей на «детскую» систему, и все повторяется вновь.  

3.2. Нелинейная Вселенная: новый дом для человечества

Первая  научная картина мира была построена И. Ньютоном, несмотря на внутреннюю парадоксальность, она оказалась удивительно плодотворной, на долгие годы, предопределив самодвижение научного познания мира. В этой удивительной Вселенной не было места случайностям, все события были строго предопределены жестким законом причинности. А у времени было еще одно странное свойство: из уравнений классической механики следовало, что во Вселенной не изменится ничего, если оно вдруг начнет течь в противоположном направлении.

Все было бы хорошо, если бы не одна особенность реального мира – его склонность к хаотическим состояниям. С точки зрения классики – это нонсенс, то, чего быть не может. Открытия термодинамики заставили посмотреть на проблему по-иному: был сделан вывод, что хаос, состояние «тепловой смерти» – это неизбежное конечное состояние мира.

Стало ясно, что, не найдя научного подхода к изучению явлений хаоса, мы заведем научное познание мира в тупик. Существовал простой способ преодоления этих трудностей: следовало превратить проблему в принцип. Хаос – это свободная игра факторов, каждый из которых, взятый сам по себе, может показаться второстепенным, незначительным. В уравнениях математической физики такие факторы учитываются в форме нелинейных членов, т.е. таких, которые имеют степень, отличную от первой. А потому теорией хаоса должна была стать нелинейная наука.

Классическая картина мира основана на принципе детерминизма, на отрицании роли случайностей. Законы природы, сформулированные в рамках классики, выражают определенность. Реальная Вселенная мало похожа на этот образ. Для нее характерны: стохастичность, нелинейность, неопределенность, необратимость. Понятие «стрелы времени» утрачивает для нее прежний, ясный смысл.

В нелинейной Вселенной законы природы выражают не определенность, а возможность и вероятность. Случайности в этой Вселенной играют фундаментальную роль, а ее наиболее характерным свойством являются процессы самоорганизации, в которых и сам хаос играет конструктивную роль. Формирование научного аппарата нелинейной картины мира происходило по нескольким направлениям. В математике это теория особенностей (А. Пуанкаре, А.А. Андронов, X. Уитни) и теория катастроф (Р. Том, К. Зиман, В.И. Арнольд). Ключевые термины, введенные в этих теориях, это бифуркация – процесс качественной перестройки и ветвления эволюционных паттернов системы, катастрофы – скачкообразные изменения свойств системы, возникающие на фоне плавного изменения параметров, аттрактор – «притягивающее» состояние, в котором за счет отрицательных обратных связей автоматически подавляются малые возмущения.

Рассмотрим базовые принципы нелинейного образа мира. Во-первых, это принцип открытости. Система является открытой, если она обладает источниками и стоками по веществу, энергии и/или информации. Во-вторых, это принципы нелинейности. В-третьих, это когерентность, т.е. самосогласованность сложных процессов используется, например, в лазерах.

Опираясь на эти принципы, перечислим основные отличительные свойства мира, подчиняющегося нелинейным закономерностям.

1. Необратимость эволюционных процессов. Барьер, который препятствует стреле времени обратить свой вектор в противоположную сторону, образует нелинейные процессы.

2.   Бифуркационный характер эволюции. Принципиальная отличительная особенность развития нелинейных систем – чередование периодов относительно монотонного самодвижения в режиме аттракции и зон бифуркации, где система утрачивает устойчивость по отношению к малым возмущениям. В результате за зоной бифуркации открывается целый диапазон альтернативных эволюционных сценариев. Это означает переход от жесткого лапласовского принципа детерминизма к бифуркационному вероятностному принципу причинно-следственных связей.

3. Динамизм структуры саморазвивающихся систем. Существуют два типа кризисов эволюционирующей системы – структурный и системный. В случае первого после зоны бифуркации такая система может сохранить устойчивость за счет перестройки своей структуры, во втором – переходит на качественно новый уровень.

4. Новое понимание будущего. К зоне бифуркации примыкает спектр альтернативных виртуальных сценариев эволюции. И, следовательно, паттерны грядущего существуют уже сегодня, будущее оказывает влияние на текущий процесс – этот вывод полностью противоречит классике.

Нелинейная наука ведет к эволюционной синергетической парадигме. Принятие этой парадигмы означает, во-первых, отказ от базовых постулатов традиционной науки:  принципов существования абсолютно достоверной истины и абсолютно достоверного знания;  принципа классической причинности;  редукционизма; концепции линейности; гипотезы апостериорности, т.е. приобретения знаний исключительно на основе прошлого опыта.

Во-вторых, это принятие синергетических принципов конструирования картины мира.

1.    Принцип становления: главная форма бытия – не покой, а движение, становление. Эволюционный процесс имеет два полюса: хаос и порядок, деконструкция.

2.    Принцип сложности: возможность обобщения, усложнения структуры системы в процессе эволюции.

3. Принцип виртуальности будущего: наличие диапазона альтернативных паттернов в постбифуркационном пространстве-времени.

4.    Принцип подчинения: минимальное количество ключевых параметров, регулирующих процесс происхождения бифукации.

5.    Фундаментальная роль случайностей в зоне бифуркации.

6.    Принцип фрактальности: главное в становлении не элементы, а целостная структура.

7.    Принцип темпоральности: суперпозиция различных темпоритмов элементов системы.

8.    Принцип дополнительности: возможность моделирования эволюции системы с помощью нескольких параллельных теоретических подходов.

В свое время классическая картина мира показалась удобной для развития гуманитарных научных дисциплин. Адам Смит и Давид Риккардо, создавая политическую экономию, ввели понятие «невидимой руки рынка», принцип которой им подсказали идеи Ньютона о гравитации. Томас Гоббс, разрабатывая теорию государства, вдохновлялся теорией атомного строения материи.

Методы нелинейной науки, зародившиеся в сфере естественнонаучного знания, оказались перспективными при исследовании проблем социально-культурной динамики. 

Самоорганизующихся биологические и социальные систем моделируются методами синергетики их структурных и эволюционных характеристик и получены неплохие результаты, интересные в научном и практическом отношениях.

Современный глобальный кризис в значительной мере обусловлен отставанием научной методологии прогнозирования от практических потребностей. Во многом это объясняется тем, что до сих пор не преодолено наследие классической методологии, а принципы нелинейности мышления еще не получили адекватного применения в области гуманитарного научного знания.