Предмет и структура естествознания Понятие естествознания

Стремление человека к познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и направлениях исследовательской деятельности. Каждая из основных частей объективного мира — природа, общество и человек — изучается своими отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием. Этимологически слово «естествознание» происходит от соединения двух слов: «естество», что означает природа, и «знание», т.е. знание о природе.

В современном употреблении термин «естествознание» в самом общем виде обозначает совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные природные явления и процессы, а также закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является самостоятельной наукой о природе как едином целом и в этом качестве позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать одна какая-либо из естественных наук в отдельности. Поэтому естествознание наряду с науками об обществе и мышлении является важнейшей частью человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т.е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.

Роль естествознания в жизни человека трудно переоценить. Оно является основой всех видов жизнеобеспечения — физиологического, технического, энергетического. Кроме того, естествознание служит теоретической основой промышленности и сельского хозяйства, всех технологий, различных видов производства. Тем самым оно выступает важнейшим элементом культуры человечества, одним из существенных показателей уровня цивилизации.

Отмеченные характеристики естествознания позволяют сделать вывод, что оно является подсистемой науки и в этом качестве связано со всеми элементами культуры — религией, философией,

этикой и др. С другой стороны, естествознание — самостоятельная область знания, обладающая собственной структурой, предметом и методами.

Понятие «естествознание» появилось в Новое время в Западной Европе и стало обозначать всю совокупность наук о природе. Корни этого представления уходят в Древнюю Грецию, во времена Аристотеля, который первым систематизировал имевшиеся тогда знания о природе в своей «Физике». Однако эти представления были достаточно аморфными, и поэтому сегодня под естествознанием понимается так называемое точное естествознание — знание, соответствующее не только первым четырем, но и последнему, пятому критерию научности. Важнейшей характеристикой точного естествознания является экспериментальный метод, дающий возможность эмпирической проверки гипотез и теорий, а также оформление полученного знания в математических формулах.

Предмет естествознания

Существуют два широко распространенных представления о предмете естествознания:

1) естествознание — это наука о Природе как единой целостности;

2) естествознание — совокупность наук о Природе, рассматриваемой как целое.

На первый взгляд, эти определения отличны друг от друга. Одно говорит о единой науке о Природе, а другое — о совокупности отдельных наук. Тем не менее на самом деле отличия не столь велики, так как под совокупностью наук о Природе подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга.

Являясь самостоятельной наукой, естествознание имеет свой предмет исследования, отличный от предмета специальных (частных) естественных наук. Спецификой естествознания является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции. Только так можно представить Природу как единую целостную систему, выявить те основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становится формулировка основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной.

В школе изучаются отдельные естественные науки — физика, химия, биология, география, астрономия. Это служит первой ступенью познания Природы, без которой невозможно перейти к осознанию ее как единой целостности, к поиску более глубоких связей между физическими, химическими и биологическими явле-

ниями. Это и есть главная задача настоящего курса. С его помощью мы должны более глубоко и точно познать отдельные физические, химические и биологические явления, занимающие важное место в естественно-научной картине мира; а также выявить скрытые связи, создающие органическое единство этих явлений, что невозможно в рамках специальных естественных наук.

Структура естествознания

Мы уже говорили о структуре науки, представляющей собой сложную разветвленную систему знаний. Естествознание — не менее сложная система, все части которой находятся в отношениях иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является фундаментом для следующей за ней науки, и в свою очередь, основывается на данных предшествующей науки.

Основой, фундаментом всех естественных наук, бесспорно, является физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях. Сегодня невозможно заниматься ни одной естественной наукой, не зная физики. Внутри физики выделяется большое число подразделов, различающихся специфическим предметом и методами исследования. Важнейшим среди них является механика — учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем наиболее распространенную форму движения материи. Механика явилась исторически первой физической наукой и долгое время служила образцом для всех естественных наук. Разделами механики являются:

1) статика, изучающая условия равновесия тел;

2) кинематика, занимающаяся движением тел с геометрической точки зрения;

3) динамика, рассматривающая движение тел под действием
приложенных сил.

Также в механику входят гидростатика, пневмо- и гидродинамика.

Механика — физика макромира. В Новое время зародилась физика микромира. В ее основе лежит статистическая механика, или молекулярно-кинетическая теория, изучающая движение молекул жидкости и газа. Позже появились атомная физика и физика элементарных частиц. Разделами физики являются термодинамика, изучающая тепловые процессы; физика колебаний (волн), тесно связанная с оптикой, электричеством, акустикой. Названными раз-

делами физика не исчерпывается, в ней постоянно появляются новые физические дисциплины.

Следующей ступенькой является химия, изучающая химические элементы, их свойства, превращения и соединения. То, что в ее основе лежит физика, доказывается очень легко. Для этого достаточно вспомнить школьные уроки по химии, на которых говорилось о строении химических элементов и их электронных оболочках. Это пример использования физического знания в химии. В химии вьщеляют неорганическую и органическую химию, химию материалов и другие разделы.

В свою очередь, химия лежит в основе биологии — науки о живом, изучающей клетку и все от нее производное. В основе биологических знаний — знания о веществе, химических элементах. Среди биологических наук следует выделить ботанику (предмет — растительное царство), зоологию (предмет — мир животных). Анатомия, физиология и эмбриология изучают строение, функции и развитие организма. Цитология исследует живую клетку, гистология — свойства тканей, палеонтология — ископаемые останки жизни, генетика — проблемы наследственности и изменчивости.

Науки о Земле являются следующим элементом структуры естествознания. В эту группу входят геология, география, экология и др. Все они рассматривают строение и развитие нашей планеты, представляющей собой сложнейшее сочетание физических, химических и биологических явлений и процессов.

Завершает эту грандиозную пирамиду знаний о Природе космология, изучающая Вселенную как целое. Частью этих знаний являются астрономия и космогония, которые исследуют строение и происхождение планет, звезд, галактик и т.д. На этом уровне происходит новое возвращение к физике. Это позволяет говорить о циклическом, замкнутом характере естествознания, что, очевидно, отражает одно из важнейших свойств самой Природы.

Структура естествознания не ограничивается названными выше науками. Дело в том, что в науке идут сложнейшие процессы дифференциации и интеграции научного знания. Дифференциация науки — это выделение внутри какой-либо науки более узких, частных областей исследования, превращение их в самостоятельные науки. Так, внутри физики выделились физика твердого тела, физика плазмы.

Интеграция науки — это появление новых наук на стыках старых, процесс объединения научного знания. Примерами такого рода наук являются: физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, геохимия, биогеохимия, астробиология и др.

Таким образом, построенная нами пирамида естественных наук значительно усложняется, включая в себя большое количество дополнительных и промежуточных элементов.

Необходимо также отметить, что система естествознания отнюдь не является незыблемой, в ней не только постоянно появляются новые науки, но и меняется их роль, периодически происходит смена лидера в естествознании. Так, с XVII в. до середины XX в. таким лидером, бесспорно, была физика. Но сейчас эта наука почти полностью освоила свою область действительности, и большая часть физиков занимается исследованиями, носящими прикладной характер (то же касается химии). Сегодня бум переживают биологические исследования (особенно в пограничных областях — биофизике, биохимии, молекулярной биологии). По некоторым данным, в середине 1980-х г. в биологических науках было занято до 50% ученых США, 34% — в нашей стране. США, Великобритания без возражений финансируют самые разные биологические исследования. Так что XXI в., очевидно, станет веком биологии.

История естествознания

Будучи составной частью науки и культуры, естествознание имеет такую же длительную и сложную историю. Естествознание нельзя понять, не проследив историю его развития в целом. Согласно мнению историков науки, развитие естествознания прошло три стадии и в конце XX в. вступило в четвертую. Этими стадиями являются древнегреческая натурфилософия, средневековое естествознание, классическое естествознание Нового и Новейшего времени и современное естествознание XX в.

Развитие естествознания подчиняется данной периодизации. На первой стадии происходило накопление прикладной информации о природе и способах использования ее сил и тел. Это так называемый натурфилософский этап развития науки, характеризующийся непосредственным созерцанием природы как нерасчлененного целого. При этом идет верный охват общей картины природы при пренебрежении частностями, что характерно для греческой натурфилософии.

Позднее к процессу накопления знаний добавляется теоретическое осмысление причин, способов и особенностей изменений в природе, появляются первые концепции рационального объяснения изменений природы. Наступает так называемый аналитический этап в развитии науки, когда идут анализ природы, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий. Такой подход характерен для начального этапа развития любой науки, а в плане исторического развития науки — для позднего Средневековья и Нового времени. В это время методики и теории объединяются в естествознание как целостную науку о природе,

происходит череда научных революций, каждый раз кардинально меняющих практику общественного развития.

Итогом развития науки становится синтетическая стадия, когда ученые воссоздают целостную картину мира на основе уже познанных частностей.

3.3. Начало науки Древнегреческая натурфилософия

Самые первые знания человека о природе сложились в глубокой древности. Уже первобытные люди в борьбе с природой, добывая себе пищу и защищаясь от диких зверей, постепенно накапливали знания о природе, ее явлениях и свойствах окружавших их материальных вещей. Однако знания первобытных людей не являлись научными, поскольку не были ни систематизированы, ни объединены какой-либо теорией. Порожденные материальной деятельностью человека и добыванием средств к существованию, эти знания имели форму практического опыта.

Наука — это сложное многогранное общественное явление, которое вне общества не могло возникнуть и развиваться. Поэтому наука появляется только тогда, когда для этого создаются особые объективные условия, отвечающие введенным нами критериям науки. Этим условиям соответствует древнегреческое знание VI—IV вв. до н.э. В то время древнегреческая культура обрела принципиально новые черты, которыми не обладала культура Древнего Востока, общепризнанного центра рождения человеческой цивилизации.

Появлению таких критериев науки, как системность и рациональность, в конечном счете способствовала единственная в своем роде революция, которая произошла в эпоху архаики, — появление частной собственности. Весь остальной мир, в частности цивилизации Востока, демонстрировали так называемый «азиатский способ производства» и соответствующий ему тип государства — восточную деспотию. В таком обществе властные отношения являются первичными, а отношения собственности — вторичными. Собственностью в таком обществе распоряжается тот, в чьих руках находится власть, — чиновники разных рангов и, конечно, верховный правитель государства. Они создают хорошо отлаженную систему учета и контроля, в которой любой человек занимает отведенное ему место и находится в полной воле правителя и чиновников, общение с которыми невозможно строить на чисто логических и рациональных принципах. Случай или каприз чиновника могут навсегда изменить жизнь человека. Это приводит к фатализму, характерному для восточных цивилизаций, а также к отсутствию приори-

тета личности, отказу от рационального способа познания мира и другим специфическим чертам этих цивилизаций.

Появление частной собственности и товарного производства в Древней Греции вызвало к жизни свойственные им политические, правовые и иные институты, в частности демократическое самоуправление и право, защищающее интересы граждан. Теперь каждый гражданин лично обсуждал и принимал законы. Таким образом, общественная жизнь освобождалась от власти религиозных и мистических представлений, закон переставал быть слепой силой, продиктованной свыше, а становился демократической нормой, принятой большинством голосов в процессе всенародного обсуждения. Обсуждение этих законов основывалось на риторике, искусстве убеждения и логической аргументации. Так постепенно сформировался аппарат логического, рационального обоснования, ставший универсальным алгоритмом производства знаний, появилась наука как доказательное и систематизированное познание.

Появление отработанных способов получения нового знания было связано с отсутствием у греков касты жрецов, которые на Востоке монополизировали интеллектуально-духовную деятельность. Там знания были доступны только посвященным, они бережно хранились и передавались, так как считались данными богами, но никакие изменения в них не допускались. В Древней Греции в силу специфики природных условий традиционные полисы (небольшие самостоятельные города-государства) были настолько бедны, что не могли себе позволить содержать неработающих людей. Поэтому не только жрецы, но и правители на ранних этапах развития полисов должны были трудиться¹. А многие должности были выборными. Поэтому ни о каких тайных знаниях не было и речи, они были доступны для любого гражданина и свободного человека.

Формирование теоретичности знания, отрыв его от повседневных практических интересов связаны с такой особенностью греческой цивилизации, как классическое рабство. Оно было экономической основой античной цивилизации. Так, в период расцвета Афин в V—IV вв. до н.э. там было до 400 тыс. рабов, работавших на полях, в мастерских, а также выполнявших почти все домашние работы. Постепенно развитие рабовладения обусловило формирование пренебрежительного отношения свободных греков к физическому труду, а затем и ко всей орудийно-практической деятельности. Занятиями, достойными свободного человека, считались политика, война, искусство, философия. Это и сформировало идеологию созерцательности, абстрактно-умозрительного отношения к

¹ Достаточно вспомнить описания жизни царя Одиссея в «Илиаде» Гомера.

действительности. Занятия свободного человека (в их числе была и наука) размежевывались с ремеслом — занятием рабов.

Это был очень важный шаг для становления науки, так как именно отказ от материально-практического отношения к действительности породил идеализацию — непременное условие науки (обобщение принципов орудийно-трудовой деятельности порождает лишь абстрагирование, на что способны и высшие животные). Умение мыслить в понятиях, образовывать их, двигаться в плоскости «чистой» мысли — великое завоевание древнегреческой философии, важнейшее основание и предпосылка всякой науки. Без четкого разграничения сферы «теоретического» и сферы «практического приложения» теории это было бы невозможно. Поэтому достижения античной науки и философии — планиметрия Гиппарха, геометрия Евклида, апории элеатов, диогеновский поиск сущности человека — все это не имеет каких-то очевидных связей с материальным производством. Практика, обусловливая абстрагирование, препятствует возникновению идеализации как его логического продолжения. Никакому практику никогда не придет в голову заниматься вопросами сущности мира, познания, истины, человека, прекрасного. Все эти сугубо «непрактические» вопросы весьма далеки как от сферы массового производства, так и от сознания производителей. Но без них подлинной науки возникнуть не может, именно об этом говорит пример Древнего Востока.

Но решительный отказ от практической деятельности имел и обратную сторону: в частности, неприятие эксперимента как метода познания закрывало дорогу становлению экспериментального естествознания, возникшего лишь в Новое время.

Античная наука появилась в форме научных программ (парадигм). В них была определена цель научного познания — изучение процесса превращения первоначального Хаоса в Космос — разумно организованный и устроенный мир через поиски космического (порядкообразующего) начала. Не случайно первые крупные представители натурфилософии — Фалес, Анаксимандр, Гераклит, Диоген в своих утверждениях руководствовались идеей о единстве сущего, происхождении вещей из какого-либо природного первоначала (воды, воздуха, огня), а также о всеобщей одушевленности материи.

Также научные программы использовали идею единства микро-и макрокосмоса, подобия мира и человека для обоснования возможности познания мира. Утверждая, что подобное познается подобным, древние греки считали, что единственным инструментом познания может быть человеческий разум, отвергая эксперимент как метод познания мира. Так была четко сформулирована рационалистическая позиция, позже ставшая господствующей в европейской культуре.

Древнегреческие философы, не прибегая к систематическому исследованию и эксперименту, на основе преимущественно собственных наблюдений пытались единым взглядом охватить и объяснить всю окружающую действительность. Возникавшие в это время естественно-научные идеи носили предельно широкий философский характер и существовали как натурфилософия (философия природы), которая отличалась непосредственным созерцанием окружающего мира как единого целого и умозрительными выводами из этого созерцания.

Первой научной программой античности стала математическая программа, представленная Пифагором и позднее развитая Платоном. В ее основе, как и в основе других античных программ, лежало представление, что мир (Космос) — это упорядоченное выражение целого ряда первоначальных сущностей. Пифагор эти сущности нашел в числах и представил их в качестве первоосновы мира. Таким образом, в математической программе в основе мира лежат количественные отношения действительности. Этот подход позволил увидеть за миром разнообразных качественно различных предметов их количественное единство. Самым ярким воплощением математической программы стала геометрия Евклида, знаменитая книга которого «Начала» появилась около 300 г. до н.э. Кроме того, пифагорейцами впервые была выдвинута идея о шарообразной форме Земли.

Дальнейшее развитие естествознание получило в античной атомистике Демокрита — учении о дискретном строении материи, согласно которому весь мир состоит из пустоты и различающихся между собой атомов, находящихся в вечном движении и взаимодействии. Эти идеи составили вторую научную программу античности — атомистическую программу Левкиппа—Демокрита. В рамках атомистической программы было сделано несколько очень важных предположений. Среди них — идея пустоты, лежащая в основе концепции бесконечного пространства. Именно так рождается представление Демокрита, хотя и не поддержанное другими мыслителями, что мир в целом — это беспредельная пустота со множеством самостоятельных замкнутых миров-сфер. Эти миры образовались в результате вихревого кругообразного столкновения атомов. В этих вихрях крупные и тяжелые атомы скапливались в центре, а маленькие и легкие вытеснялись на окраины. Из первых возникла земля, из вторых — небо. В каждом замкнутом мире в центре находится земля, на окраине — звезды. Число миров бесконечно, многие из них могут быть населены. Эти миры возникают и гибнут. Когда одни находятся в расцвете, другие только рождаются или уже гибнут.

Современник Демокрита Эмпедокл, первым высказавший идею о несотворимости и неуничтожимости материи, объяснил причину

затмений Солнца, догадался, что свет распространяется с большой скоростью, которую мы не в состоянии замечать. Он попытался объяснить происхождение животных. По его мнению, сначала появились отдельные органы животных, которые в процессе случайных сочетаний стали порождать разнообразные живые существа. Несоответствующие друг другу объединения органов неизбежно погибали, а выживали только те, в которых объединившиеся органы случайно оказались взаимно подходящими.

Свое высшее развитие древнегреческая натурфилософия получила в учении Аристотеля, объединившего и систематизировавшего все современные ему знания об окружающем мире. Оно стало основой третьей, континуальной программы античной науки. Основными трактатами, составляющими учение Аристотеля о природе, являются «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. В этих трактатах были поставлены и рассмотрены важнейшие научные проблемы, которые позднее стали основой для возникновения отдельных наук. Особое внимание Аристотель уделил вопросу движения физических тел, положив тем самым начало изучению механического движения и формированию понятий механики (скорость, сила и т.д.). Правда, представления Аристотеля о движении кардинально отличаются от современных. Он считал, что существуют совершенные круговые движения небесных тел и несовершенные движения земных предметов. Если небесные движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца, то земные движения их имеют и делятся на естественные и насильственные. Аристотель считал, что у каждого тела есть предназначенное ему в соответствии с его природой место, которое это тело и стремится занять. Движение тел к своему месту — это естественное движение, оно происходит само собой, без приложения силы. Примером может служить падение тяжелого тела вниз, стремление огня вверх. Все прочие движения на Земле требуют приложения силы, направлены против природы тел и являются насильственными. Аристотель доказывал вечность движения, но не признавал возможности самодвижения материи. Все движущееся приводится в движение другими телами. Первоисточником движения в мире является перводвигатель — Бог. Как и модель Космоса, эти представления благодаря непререкаемому авторитету Аристотеля настолько укоренились в умах европейских мыслителей, что были опровергнуты только в Новое время после открытия Г. Галилеем идеи инерции.

Представление о физическом взаимодействии Аристотеля тесно связано с его концепцией движения. Поэтому взаимодействие понимается им как действие движущего на движимое, т.е. одностороннее воздействие одного тела на другое. Это прямо противоречит хорошо известному сегодня третьему закону Ньютона, утверждающему, что действие всегда равно противодействию.

Учение Аристотеля о пространстве и времени исходит из понятия непрерывности. Поэтому пространство для него — это протяженность тел, а время — их длительность. Пространство и время Аристотеля существуют только вместе с материей, поэтому его концепция пространства и времени может быть названа относительной. Он отрицает существование пустоты, весь Космос заполнен материей, он не однороден, так как в нем есть центр и периферия, верх и низ. Именно по отношению к ним мы разделяем движения на естественные и насильственные.

Концепция причинно-следственных связей Аристотеля строится на понятиях целесообразности и конечной причины. Для него ход любого процесса определяется его результатом. Мыслитель воспринимает природу как единый живой организм, все части которого взаимосвязаны, и одно происходит ради другого. Так, дождь идет не потому, что сложились соответствующие метеорологические условия, а для того, что мог расти хлеб. Такой подход называется те-леологизмом. Он не отрицает существование случайностей, но они носят второстепенный характер, происходят по недосмотру природы.

Космология Аристотеля носила геоцентрический характер, поскольку основывалась на идее, что в центре мира находится наша планета Земля, имеющая сферическую форму и окруженная водой, воздухом и огнем, за которыми находятся сферы больших небесных светил, вращающихся вокруг Земли вместе с другими маленькими светилами.

Бесспорным достижением Аристотеля стало создание формальной логики, изложенной в его трактате «Органон» и поставившей науку на прочный фундамент логически обоснованного мышления с использованием понятийно-категориального аппарата. Ему же принадлежит утверждение порядка научного исследования, которое включает изучение истории вопроса, постановку проблемы, внесение аргументов «за» и «против», а также обоснование решения. После его работ научное знание окончательно отделилось от метафизики (философии), также произошла дифференциация самого научного знания. В нем выделились математика, физика, география, основы биологии и медицинской науки.

Завершая рассказ об античной науке, нельзя не сказать о работах других выдающихся ученых этого времени. Активно развивалась астрономия, которой нужно было привести в соответствие наблюдаемое движение планет (они движутся по очень сложным траекториям, совершая колебательные, петлеобразные движения) с предполагаемым их движением по круговым орбитам, как этого требовала геоцентрическая модель мира. Решением этой проблемы стала система эпициклов и деферентов александрийского астронома Клавдия Птолемея (I—II вв. н.э.). Чтобы спасти геоцентрическую модель мира, он предположил, что вокруг неподвижной Земли на-

ходится окружность с центром, смещенным относительно центра Земли. По этой окружности, которая называется деферентом, движется центр меньшей окружности, которая называется эпициклом.

Нельзя не сказать еще об одном античном ученом, заложившем основы математической физики. Это — Архимед, живший в III в. до н.э. Его труды по физике и механике были исключением из общих правил античной науки, так как он использовал свои знания для построения различных машин и механизмов. Тем не менее, главным для него, как и для других античных ученых, была сама наука. И механика для него становится важным средством решения математических задач. Хотя для Архимеда техника была лишь игрой научного ума, результатом выхода науки за свои рамки (то же отношение к технике и машинам как к игрушкам было характерно для всей эллинистической науки), его работы сыграли основополагающую роль в возникновении таких разделов физики, как статика и гидростатика. В статике Архимед ввел в науку понятие центра тяжести тел, сформулировал закон рычага. В гидростатике он открыл закон, носящий его имя: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом.

Как видно из приведенного и далеко не полного перечня идей и направлений натурфилософии, на этой стадии были заложены основы многих современных теорий и отраслей естествознания. В то же время не менее важным представляется формирование в этот период стиля научного мышления, включающего стремление к нововведениям, критику, стремление к упорядоченности и скептическое отношение к общепринятым истинам, поиск универсалий, дающих рациональное понимание окружающего мира.