Концепции современного естествознания

Степан Карпенков

Концепции современного естествознания

ПРЕДИСЛОВИЕ К ДВЕНАДЦАТОМУ ИЗДАНИЮ

Посвящается молодым людям, одержимым жаждой знаний – источником гармонии и совершенства

Предлагаемый учебник вместе с другими книгами автора удостоен высокой государственной награды – премии Правительства Российской Федерации в области образования.

Прошедшие более пятнадцати лет со времени первого издания (1997 г.) показали, что этот учебник оказался полезным и интересным для широкого круга читателей и прежде всего для студентов высших учебных заведений, в том числе и дипломированных специалистов, решивших получить второе высшее образование. Об этом свидетельствуют его многократные переиздания.

Учебник по своему содержанию носит междисциплинарный характер: охватывает широкий комплекс знаний о природе, нужных каждому образованному человеку. Такие знания – базовый ресурс развития общества, созидательная сила человечества и действенное средство сохранения естественного состояния природы.

В результате изучения концепций современного естествознания студент должен знать:

– современные естественно-научные проблемы;

– основные положения познания окружающего мира;

– фундаментальные законы природы;

– естественно-научные концепции развития;

– естественно-научные основы современных технологий, энергетики и экологии;

– пути решения естественно-научных проблем;

уметь:

– опираясь на естественно-научные знания, ориентировать свою практическую деятельность на сохранение природы и ее бога тейших ресурсов;

– оказывать всемерное содействие в решении естественно-научных проблем;

владеть навыками:

– практического применения знаний о природе как базового ресурса развития экономики;

– организации трудовой деятельности при гармоничном сочетании природы и человека;

быть компетентным:

– в решении практических задач сохранения биосферы и спасения жизни на Земле.

Многократные издания предлагаемого учебника перерабатывались, дополнялись и изменялись. В сравнении с первым последнее издание – по существу новая книга с дидактическими элементами, соответствующими государственным образовательным стандартам. Во все ее главы включены новые сведения и последние естественно-научные достижения.

Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям и специальностям менеджмента, экономики, юриспруденции, туризма, предпринимательства, бизнеса, экологии, социологии и др., дневных, вечерних и заочных форм обучения.

Москва, 2014 г. Автор

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К СЕДЬМОМУ ИЗДАНИЮ

По мере накопления новых материалов и сведений последующие издания существенно дорабатывались, дополнялись и в них вносились исправления и уточнения. При доработке учитывался многолетний опыт чтения лекций и проведения практических занятий студентам различных специальностей. В результате учебник совершенствовался и видоизменялся: сократилось число глав с девятнадцати (в первом издании) до одиннадцати (в более поздних изданиях), устаревшие сведения заменены новыми, некоторые разделы написаны заново и т. п. Седьмое издание переработано и исправлено.

На страницах книги рассеяны драгоценные зерна, собранные в течение тысячелетий многими поколениями естествоиспытателей и содержащие самое необходимое, путеводное, без чего нельзя начинать любую созидательную работу.

Концепции современного естествознания – важнейшее звено, связывающее естественно-научные и гуманитарные знания и укрепляющее фундаментальную базу всех форм образования.

В современном мире стремительно приближаются экономический, экологический и духовно-нравственный кризисы. Выход из них вполне возможен, если в каждом человеке, живущем на нашей планете, пробудится воля к естественно-научной и духовно-нравственной истине и если каждый человек внесет свой, пусть и небольшой, но посильный вклад в решение этой сложной, глобальной проблемы. Эта книга поможет найти собственный путь познания истины.

При изучении концепций современного естествознания полезно помнить наставление русского публициста Д.И. Писарева (1840–1868): «Надо учиться в школе, но еще гораздо более надо учиться по выходе из школы».

Москва, 2005 г. Автор

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЯТОМУ ИЗДАНИЮ

Предлагаемое пятое издание настоящего учебника переработано и по сравнению с предыдущим содержит новые сведения о последних важнейших достижениях в области естествознания.

Учебник состоит из четырех частей. В части I обоснована практическая значимость естествознания в современном обществе и рассмотрены основные положения естественно-научного познания окружающего мира. В части II изложены фундаментальные законы и концепции естествознания. Часть III посвящена естественно-научным концепциям развития процессов в природе. В части IV рассмотрены естественно-научные основы современных технологий, энергетики и экологии.

Материал учебника изложен в рамках концепций – основополагающих идей и системного подхода – и представлен в наглядной и доступной форме.

Москва, 2002 г. Автор

ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ

В современном обществе большое внимание уделяется не только различным отраслям естествознания, но и бурно развивающимся наукоемким технологиям, энергетике и экологии. Фундаментальным концепциям естествознания и естественно-научным основам современных технологий, энергетики и экологии посвящен настоящий учебник.

Он состоит из пяти частей, в которых последовательно излагаются основные вопросы, предусмотренные государственными образовательными стандартами для изучения дисциплины «Концепции современного естествознания» в высших учебных заведениях.

Учебник написан на уровне концепций естественно-научных проблем, т. е. с учетом основополагающих идей, систем взглядов на изучаемые вопросы. При изложении материала использованы широко известные термины и простые математические формулы, отражающие фундаментальные законы природы. Естественно-научная сущность освещаемых вопросов представлена в доступной форме для широкого круга читателей.

Книга предназначена для студентов высших учебных заведений дневной, вечерней и заочной форм обучения экономических, юридических, философских и других гуманитарных специальностей.

Москва, 1997 г. Автор

ВВЕДЕНИЕ

Наконец-то подаю руку по-настоящему полезной науке.

Гораций

Каждого человека, начиная с самого раннего возраста, отличает любопытство – естественное стремление познать окружающий мир. «Любопытство сродно человеку и просвещенному, и дикому», – утверждал выдающийся русский историк и писатель Н.М. Карамзин (1766– 1826). С возрастом неосознанное любопытство постепенно перерастает в любознательность – осознанное желание познавать законы, которые управляют природой, научиться применять их в своей трудовой деятельности, предвидя возможные ее последствия. Законы природы и способы их применения отражают концентрированный опыт человечества. Опираясь на него, человек способен защитить себя от ошибок, и ему легче достичь желаемых целей. Концентрированный опыт человечества лежит в основе любого образовательного процесса.

Естествознание – единая система наук о законах, явлениях и свойствах объектов природы, включающая множество отраслей – естественных наук.

Важнейшие достижения естествознания составляют фундаментальную базу современных наукоемких технологий производства разнообразной продукции, в том числе и товаров повседневного спроса. Для того чтобы знать, какой ценой дается такая продукция – важнейшая составляющая экономики, каковы перспективы развития современных технологий, тесно связанных с экономическими, социальными и политическим проблемами, нужны фундаментальные знания о природе – естественно-научные знания. В наше время естественно-научные знания превратились в сферу активных действий и представляют собой базовый ресурс экономики, по своей значимости превосходящий материальные ресурсы: капитал, землю, рабочую силу и т. п. Естественно-научные знания и основанные на них современные технологии формируют новый образ жизни, и высокообразованный человек не может дистанцироваться от фундаментальных знаний об окружающем мире, не рискуя оказаться беспомощным в профессиональной деятельности. «Без естественных наук нет спасения современному человеку; без этой здоровой пищи, без этого строгого воспитания мысли фактами, без этой близости к окружающей нас жизни», – такую высокую оценку естественно-научным знаниям дал русский писатель и философ А.И. Герцен (1812–1879).

Если излагать подробно естественно-научные знания, накопленные во всех отраслях естествознания, то получится огромный фолиант, может быть, и нужный, но мало полезный даже для специалистов естественно-научного профиля, не говоря уже о специалистах гуманитарных и социально-экономических направлений. Задача изложения усложняется еще и тем, что его форма должна быть доступной для студентов, чья будущая профессиональная деятельность не имеет прямого отношения к естествознанию. Для решения этой задачи нужен обобщающий философский принцип. Сущность его заключается в изложении естественно-научных знаний в рамках концепций – основополагающих идей и системного подхода. Концептуальный принцип позволяет студентам получить фундаментальные, комплексные знания о природе, а на их основе более глубоко изучить узкоспециализированные дисциплины.

Современные средства естествознания дают возможность исследовать многие сложнейшие процессы на уровне атомных ядер, атомов, молекул, клеток, а затем и синтезировать ранее не существовавшие в природе вещества с необычными свойствами, а из них производить новые материалы для различных машин, устройств, изделий и т. п. Кроме того, благодаря таким исследованиям выращиваются высокоурожайные культурные растения, разрабатываются высокоэффективные средства лечения болезней и т. д.

Любое перспективное направление деятельности человека прямо или косвенно связано с новой материальной базой и новыми технологиями, и знание их естественно-научной сущности – залог успеха. Без фундаментальных знаний о природе может сложиться ошибочное общественное мнение, приводящее к необъективному решению, как это случилось, например, при необоснованном объявлении временного (1975–1985) моратория на генную инженерию. Следовательно, естественно-научные знания нужны не только высококвалифицированным специалистам, но и любому образованному человеку вне зависимости от сферы его деятельности.

В погоне за материальными ценностями современное человечество уже вышло за пределы устойчивого состояния биосферы, включающей все живое вместе со средой обитания. Это означает, что в результате нашествия цивилизации в природе уже нарушено устойчивое равновесие, которое в течение длительного времени обеспечивает круговорот веществ. Об этом напоминают участившиеся за последнее десятилетие разрушительные природные явления: ураганы, смерчи, наводнения, землетрясение, засухи, – вызывающие громадный материальный ущерб и сопровождающийся все большим числом человеческих жертв.

Превращение современного потребительского общества в духовно-развитое просвещенное общество – задача чрезвычайно сложная. Ее можно решить, только развивая всю систему образования общими силами воспитанных людей, для которых путеводной звездой является не роскошь, не нажива и другие соблазнительные кумиры, а царство добра, свободы и правды. Благородный, но тернистый путь к такому царству начинается с воспитания любовью в самом раннем детстве, когда закладывается духовно-нравственная основа для усвоения знаний на всех ступенях обучения, и продолжается в течение всей жизни каждого человека.

Знания не приходят сами по себе. Нужно усердно работать, прилежно учиться. «Надо учиться не стыдясь, а учить не скупясь», так сказал в далекие времена известный мыслитель Василий Великий (ок. 330– 379), и только в этом случае можно надеяться на успех.

ЧАСТЬ I ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И СОВРЕМЕННЫЙ МИР

Учись, мой сын: наука сокращает нам опыты быстротекущей жизни…

А.С. Пушкин

Для нас наука естествознание – тот самый рычаг, который единственно способен повернуть весь мир лицом к солнцу.

М. Горький

В результате изучения части I студент должен знать:

– объект и предмет изучения дисциплины «Концепции современного естествознания»;

– современные естественно-научные проблемы;

– основные положения естественно-научного познания;

уметь:

– применить свои знания при решении проблем сохранения природы;

владеть навыками:

– бережного отношения к природе в любой практической де ятельности человека.

1. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ И ОКРУЖАЮЩИЙ МИР

1.1. Естественно-научные знания и образование

История развития знаний о природе. На протяжении всей истории развития общества основу образования составляли знания о природе, знания о человеке и знания об обществе. Очевидно, эти три составляющие образования взаимосвязаны: природа породила человека, а люди составляют общество. По мнению выдающегося российского историка В.О. Ключевского (1841–1911), «человеческая личность, людское общество и природа страны – вот те три основные силы, которые строят людское общежитие… Идеал исторического воспитания народа состоит в полном и стройном развитии всех элементов общежития и в таком их соотношении, при котором каждый элемент развивается и действует в меру своего нормального значения в общественном составе, не принижая себя и не угнетая других».

Длительная история развития цивилизации показывает, что далеко не всегда названные элементы разных по форме и содержанию образовательных систем находились в полном стройном соответствии и составляли гармоничное единство. Так, в древние времена знания о природе – естественно-научные знания – носили описательный, умозрительный, натурфилософский характер. Основное внимание уделялось знаниям о человеке.

Древнегреческий мыслитель Сократ (ок. 470–399 до н.э.) полагал, что главная функция знаний – это самопознание и интеллектуальный, нравственный, духовный рост человека. Его современник, древнегреческий философ Протагор (ок. 480–410 до н.э.), утверждал, что цель знаний – сделать деятельность человека более успешной и плодотворной. Однако оба философа не считали, что знания – прямой путь к умениям и навыкам. Освоить то или иное ремесло в те времена можно было у мастера или накопив собственный опыт. Вплоть до начала XVIII в. в английском языке понятие «ремесло» выражалось словом mystery, означающим таинство, и не только потому, что обладавший секретом того или иного ремесла давал клятву не раскрывать секретов, но и потому что ремесло было недоступно для человека, не прошедшего обучение у мастера и не перенявшего на практике его опыта.

На Руси уже в XIV в. возникла уникальная общность вольных мастеров, известная под название «артель». В отличие от подобных общностей на Западе артель на русской земле была не только и не столько коммерческим объединением мастеров узкого профиля в современном понимании, а скорее общностью единоверцев, исповедовавших православие и соблюдавших законы свободы и справедливости. Будучи своеобразной формой общественного труда, артель устанавливала правила жизни и влияла на характер и поведение каждого, воздавая по делам его и делам окружающего рода. Достоинства человека оценивались, прежде всего, принадлежностью к тому или иному роду мастеров.

Зарождение технологий. С развитием естественно-научных знаний, когда начиная с XVIII в. открывались первые фундаментальные законы природы с последующим их практическим применением, появилось понятие «технология». Оно происходит от слов techne – искусство, ремесло и logos – понятие, учение, что вместе означает организованное, систематизированное, целенаправленное знание.

Для изучения технологий создавались учебные заведения. Первое из них – Школа мостов и дорог – основано во Франции в 1747 г.; за ним последовали Школа сельского хозяйства в 1770 г. и Школа горного дела в 1776 г. (обе в Германии). В 1794 г. во Франции было открыто высшее учебное заведение – Политехнический университет. Это был первый университет технического профиля по подготовке инженеров. В основанных ранее высших учебных заведениях, например, в старейшем в Европе Болонском университете, открытом в 1088 г. в Италии, изучались нетехнические и неестественные науки: математика, логика, философия и др. В дальнейшем в систематизированную отрасль научных знаний была преобразована и медицинская практика.

Вхождение в науку и постижение технологий в России определялось особенностями ее природы и хозяйственного быта вместе со складом характера и ума великороссов, которые, по мнению В.О. Ключевского, «мыслят и действуют, как ходят; кажется, что можно придумать кривее и извилистее великорусского проселка? Точно змея проползла. А попробуйте пройти прямо: только проплутаете и выйдете на ту же извилистую тропу». И вместе с тем «ни один народ в Европе не способен к такому напряжению труда на короткое время, какое может развить великоросс».

В найденных немногочисленных летописях и сводах Древней Руси описывались явления природы: солнечные и лунные затмения, северное сияние, движение комет и падение метеоритов, грозы, бури, наводнения; приводились сведения технического характера о видах и устройстве оружия, возведении крепостей и церквей, о литье колоколов и пушек, о часовых механизмах, о строительстве мостов и др. Причем астрономические явления отмечены с «великой точностью». Время донесло до нас имя первого русского ученого, астронома и математика Кирика Новгородца, написавшего в 1136 г. научный трактат «Учение им же ведати человеку числа всех лет», аналога которому нет ни в древнерусской, ни в византийской, ни в южнославянской литературе. Феодальная раздробленность, татаро-монгольское нашествие и другие факторы сдерживали развитие культуры, науки и образования в России. Если в Европе после изобретения И. Гутенбергом (1399–1468) книгопечатания множились типографии и печатались книги на латинском языке, то на Руси в то время только что налаживалось свое книгопечатание, основанное Иваном Федоровым (ок. 1510–1583), выпустившим в 1564 г. первую русскую печатную книгу «Апостол». Коренной перелом в развитии науки, образования и культуры в России наступил при Петре I (1672–1725).

По мере развития естественно-научных знаний на Западе, и прежде всего в Великобритании, стали внедряться изобретения, и ремесло мастеров перестало быть таинством и секретом. Восхождению к технологиям от ремесел в значительной степени способствовало издание первой «Энциклопедии», составленной в 1751–1780 гг. Дени Дидро (1713–1784), Жаном Д’Аламбером (1717–1783) и др. В этом величайшем фундаментальном труде были представлены в организованном и систематизированном виде сведения о многих видах ремесел, что позволяло получить специализированные знания, не нанимаясь в ученики. Научные статьи для «Энциклопедии» писали выдающиеся ученые того времени – Вольтер (1694–1778), Руссо (1712–1778) и др.

Первые технические школы и «Энциклопедия» решили важнейшую задачу для развития науки и технологий – они свели воедино, систематизировали и сделали всеобщим достоянием знания, навыки и секреты различных ремесел, передаваемые ранее в устной форме от поколения к поколению на протяжении многих веков и даже тысячелетий. Практический опыт они преобразовали в профессиональные знания, практическое обучение – в учебники, секреты – в методологию, а конкретные действия – в прикладные науки. Все это способствовало развитию науки, технологий и промышленного производства.

Универсальность образования. «Три пути ведут к знанию: путь размышления – это путь самый благородный, путь подражания – это самый легкий путь, путь опыта – это самый горький», – утверждал древнекитайский мыслитель Конфуций (ок. 551–479 до н.э.). Вне всяких сомнений, именно так всегда развивались все отрасли знаний. Однако если в древние времена преобладал путь размышления, то в последние столетия определяющими стали опыт, эксперимент и практика – самый трудный, но результативный путь познания окружающего мира, ведущий к развитию естественно-научных знаний, а вместе с ними и специализированных, отраслевых наук для достижения конкретных результатов, полезных не только самому человеку, но и обществу. То, что сейчас принято считать истинными знаниями, постоянно доказывает свою практическую значимость и проверяется опытом, на практике.

В современном обобщенном представлении знания – это информация, имеющая практическую ценность. В последнее время во многих странах наметился переход к экономике, основанной на движении не только традиционных материальных ресурсов и товаров, но и новых идей и отраслевых знаний, составляющих информационные ресурсы. При этом определяющую роль играют информационные технологии. Благодаря их внедрению, например, в США ежегодный прирост внутреннего валового продукта составляет более 30 %, или около 600 млрд долл., и по этому показателю информационная отрасль опережает авиационную и автомобильную промышленность.

Однако бессистемный подход к массовому потреблению информации и ее чрезмерность порождают информационный хаос, который зависит от многих факторов и, прежде всего, от системы образования. Диктуемое временем стремление к узкой специализации, многопредметность в средней и высшей школах, перенасыщенность учебных программ, компьютерная зависимость и другие «инновации» ведут к тому, что не только учителя и преподаватели, но и их ученики – будущие специалисты разных отраслей – подобно строителям Вавилонской башни перестают понимать друг друга. При этом постепенно утрачиваются универсальность и широта образования. Избыточность, излишнее структурирование информации и вместе с ними информационный хаос отвращают от знаний и, как следствие, вызывают панику и порождают невежество. «Общество, гонимое паникой, отвращается от знания и ищет спасения в невежестве», – справедливо заметил русский писатель М.Е. Салтыков-Щедрин (1826–1889). С потерей универсальности и широты образования теряется возможность усваивать практические знания, необходимые для разработки новых технологий.

В прошлом столетии ощутимо и явно стала проявляться обособленность естественно-научных и гуманитарных знаний, и между ними образовалась огромная пропасть, на которую еще в 50-х годах XX в. обратил внимание английский писатель Чарлз Сноу (1905–1980). По его мнению, общество не может выжить без знаний того дома, в котором живет, или без знаний об окружающем мире – без естественно-научных знаний. Однако таким практически значимым знаниям в отечественном образовании в последние десятилетия не уделяется должного внимания со стороны государства, отдающего по упущению предпочтение массовому гуманитарному образованию. Любое общество, отгораживаясь от естественно-научных знаний, не может согласовать свои действия с фундаментальными законами природы и особенно если оно теряет духовно-нравственные ориентиры. Эту мысль можно продолжить словами Святейшего Патриарха Московского и всея Руси Алексия II (1929–2008): «Я убежден: как бы ни возросло человечество за прошедший век в собственных глазах, ему надо вновь сесть за школьную парту. Нужно снова учиться тому, что люди растеряли за годы упоение собственной силой и гордыней, – учиться смирению, умению аскетически ограничивать свои желания, послушанию воле Божией, нравственному образу жизни. Иначе все достижения науки и техники обратят свою силу против нас, а Вавилонская башня человеческого могущества падет, погребая своих строителей под обломками. Труднейшей для каждого из нас будет работа не внешняя, а внутренняя. Евангелие советует нам обратить взор прежде внутрь самих себя».

К пониманию необходимости универсальности и фундаментальности современного образования, основанного на знаниях о природе, человеке и обществе, пришли многие исследователи как в России, так и в других странах. Пришли разными путями и из разных соображений. И предлагают решить эту проблему по-разному: одни видят выход в гуманитаризации естественно-научного и технического образования, а другие – в необходимости преподавания естественно-научных основ для студентов гуманитарных направлений и специальностей. При этом те и другие приходят к единому мнению: цель изучения всех дисциплин одна и та же – обеспечить будущность существования человека в биосфере. Однако четко обозначенная цель не определяет средства ее достижения. Действительно, объем информации, необходимой для изучения, чрезвычайно велик. Возникает вполне правомерный вопрос: можно ли ее изучить? А вслед за ним и другой вопрос: как ее изучать? Оказывается, можно, если воспользоваться концептуальным принципом, позволяющим изучать предмет в рамках основополагающих идей и системного подхода. Этот фундаментальный принцип образования является не только предметом обсуждений, но и руководством к действию при изложении изучаемого предмета.