Дипломная работа: История системного подхода в науке и технике

Взаимодействие атомов одного типа образует химический элемент. Из химических элементов слагаются минералы, из минералов - породы, из пород - геологические формации, из геологических формаций - ряды формаций - геосферы, из геосфер - планета Земля [8]. Каждая система, слагающая Землю, в свою очередь сложена по своей структуре. Так, например, атмосфера представляет собой систему, состоящую из пяти подсистем: тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера и экзосфера.

Земля, как планета, выступает наряду с другими планетами элементом Солнечной системы. В свою очередь, Солнечная система входит в такую грандиозную космическую систему как Галактика. Взаимодействующие галактики образуют системы галактик, входящие в Метагалактику и т.д. При этом на каждом уровне развития неживой природы, наряду с общими, имеются и свои системообразующие факторы, свои особые связи и взаимодействия. Вместе с тем, принцип организации множества в единство остается одним и тем же. Не меняется он и при переходе к системам живой природы [3].

Как и все в природе, живые организмы состоят из молекул и атомов, но где граница между живым и неживым? Существует предел, после которого теряют силу имеющиеся системообразующие факторы и неживое переходит в разряд живого. Так, например, молекула состоящая из 5000000 атомов представляет собой вирус табачной мозаики - самое малое известное живое образование, способное к самостоятельному существованию [3].

В целом вопрос о системности живой природы не вызывает сомнений. Более того, именно изучение живых материальных образований в значительной мере способствовало формированию системных представлений о мире.

Основными системами живого, образующими различные уровни организации, в настоящее время признаются:

1) вирусы - системы, состоящие в основном из двух взаимодействующих компонентов: молекул нуклеиновой кислоты и молекул белка;

2) клетки - системы, состоящие из ядра, цитоплазмы и оболочки; каждая из этих подсистем, в свою очередь, состоит из особенных элементов;

3) многоклеточные системы (организмы, популяции одноклеточных);

4) виды, популяции - системы организмов одного типа;

5) биоценозы - системы, объединяющие организмы различных видов;

6) биогеоценоз - система, объединяющая организмы поверхности Земли;

7) биосфера - система живой материи на Земле.

Система каждого уровня отличается от других уровней и по структуре, и по степени организации (биологическая классификация). Но взаимодействие элементов системы не обязательно предполагает жесткую, постоянную связь. Эта связь может носить временный, случайный, генетический, целевой характер [3].

В целом живая природа, также как и неживая, представляет собой систему систем, причем она дает удивительные примеры разнообразия систем, которые нередко оказываются объединением элементов различных уровней. Например, ландшафт как система включает в себя:

1) абиотические геосистемы (земная кора с рельефами, атмосфера, гидросфера и криосфера);

2) геосистемы почвенной сферы;

3) биотические геосистемы, образующие биосферу;

4) социально-экономические геосистемы, возникшие в результате общественно-исторической деятельности человека. Все эти системы связаны между собой и воздействуют друг на друга, образуя единую саморегулирующуюся систему. Изменение любой составной части ландшафта ведет, в конечном счете, к изменению его в целом. Вместе с тем, каждая система живой природы, являясь ее элементом и определяясь ею, в то же время имеет достаточную самостоятельность саморазвития, чтобы выйти на другой уровень организации материи [3].

Конечно, при этом не стоит забывать о том, что все это не более, чем наши научные представления об окружающем мире. Но человек при осуществлении деятельности по формированию системы этих представлений в процессе своей научной деятельности - в науке, а также системы приемов и средств, используемых им в преобразовании окружающего мира - в технике, а к таковым можно отнести и создание нового образца техники, вынужден от несвязанных действий в познании и преобразовании окружающего мира перейти к использованию системности. Точнее, к систематизации информации о том, что есть, учету системности изучаемого, преобразуемого или создаваемого объекта, в т. ч. объекта и как некоторой совокупности знаний, информации, системности его взаимодействия с окружающей средой и системности учета последствий результатов научной и технической деятельности.

При этом, как можно видеть из истории и характера достижений науки и техники, наиболее показательные из которых приведены в двух последующих главах, и системный подход не приводит к однозначному для всех исследователей и инженеров подходу к решению одной и той же научной или технической проблемы. Очень многое зависит от "весомости" одних и тех же факторов для разных ученых или инженеров, а она часто в основном определяется соображениями, далеко выходящими за границы чисто научного или инженерного подхода, и даже общепринятой человеческой этики, Примером может служить ситуация с соглашением по ограничению выбросов в атмосферу, ведущих к увеличению озоновых дыр, что может привести к серьезным проблемам для всего человечества. Страна, объявляющая себя оплотом гуманного отношения к человеку США, до сих пор не желает присоединиться к этому соглашению, так называемому Киотскому протоколу.

Основная цель данной работы - показать, что ученому и инженеру в своей деятельности необходимо не только уметь проводить системный анализ объекта деятельности, но и уметь выделить и "принять во расчет" минимум только тех факторов, которые обеспечат успешное решение задачи, и отбросить те, которые хоть и влияют на результат, но степенью их влияния можно пренебречь. И в случае успеха не торопиться объявлять свое решение универсальным или оптимальным, т.к. завтра все это может оказаться теорией, справедливой для весьма ограниченного числа явлений: механика Ньютона, или далеко не оптимальным или совершенным творением техники: лайнер "Титаник", самолеты Ту-144, "Конкорд", Чернобыльская АЭС, космические корабли серии " Шаттл" и многое-многое другое.

Первой действительно успешной попыткой систематизации знаний о природе были труды Аристотеля (384-322 до н.э.), ставшие благодаря своей натурфилософской продуманности и всеобъемлющему характеру основой физики, биологии и других естественнонаучных областей знания в Европе и на Ближнем Востоке в течение более чем двух тысячелетий. В качестве наиболее общих принципов бытия Аристотель выдвигал форму и материю, которые образуют соответственно активное и пассивное начало мироздания. Каждое явление имеет четвероякую причину: материальную (“из чего состоит”), формальную (“по какому плану, вообще: как происходит”), действующую (приблизительно соответствует “силе”) и целостную (“для чего”). Целевые причины особенно важны в аристотелевской системе и ее средневековых вариантах: все в живой и неживой природе целесообразно, тела стремятся к своим “естественным местам” (так Аристотель объяснял падение тел на землю и развитие организмов от зародышевого состояния к взрослому).

Согласно системе Аристотеля Земля - центр Вселенной, а так как все тяжелые частицы стремятся к центру, то именно здесь и образовалось твердое тело нашей планеты. Легкие элементы - воздух и огонь - поднимаются в высокие слои, там они загораются, и тогда люди видят кометы и падающие звезды. Вечно движение небесных тел по сферам, окружающим неподвижную Землю, а Вселенная сферична и конечна.

Стоит заметить, что за несколько столетий до Аристотеля знаменитый математик Пифагор Самосский высказал мысль о том, что Земля имеет шарообразную форму и обращается вокруг собственной оси. Более того, он считал, что и Солнце, и Земля, и Луна вращаются вокруг некоторого общего гипотетического центра, который он назвал центральным огнем. Это движение планет и Солнца создает гармонию небесных сфер. Ученики Пифагора утверждали, что только их великий учитель был способен ощущать эту гармонию.

Нетрудно заметить, что в мироощущении Пифагора просматриваются основные принципы гелиоцентрической системы мира. И все же созданная легендарным Пифагором картина мира просуществовала недолго. На смену ей пришла геоцентрическая система Аристотеля.

Параллельно с систематизацией эмпирических знаний о природе наметилась тенденция к математизации естествознания, прежде всего в древнеиталийской школе пифагорейцев (VI-IV вв. до н.э.), открывших ряд важных факторов математической акустики и движения небесных тел. С IV в. до н.э. почти на тысячелетие центром естественнонаучных исследований становится Мусейон (“Музей”, храм Муз) в Александрии, где были сделаны крупные открытия: построена целостная система планиметрии и стереометрии по основе аксиом (Евклид), выведены законы перспективы (им же), довольно точно вычислены размеры земного шара (Эратосфен), начато изучение анатомии нервной системы. Эрасистрат (III в. до н.э.) подразделил нервы на двигательные и чувствительные, обратил внимание на извилины головного мозга и на различие между большим головным мозгом и мозжечком.

Большое влияние на естествознание оказала в эту же эпоху математики в особенности построенные по четко аксиоматическому методу “Начала" Евклида. До сих пор этот труд лежит в основе всех курсов элементарной геометрии в средней и высшей шкале, Евклид подробно изучил свойства прямой линии и окружности, фигур на плоскости и тел в пространстве. Труд Евклида более чем на два тысячелетия предопределил философов и естествоиспытателей, в особенности физиков и астрономов, о пространстве и о роли аксиоматического метода в науке.

Не следует думать, что у древних идея Аристотеля не вызывала никаких возражений. Она, к примеру, не могла объяснить очевидных изменений яркости планет при движении их по небесному своду. А ведь как легко это можно было сделать, предположив, что планеты то приближаются к Земле, то удаляются от нее.

Самый смелый шаг был сделан греческим математиком Аристархом Самосским вскоре после смерти Аристотеля. Он первым из греческих мыслителей расположил Солнце в центре мира, а Землю заставил вращаться вокруг Солнца. Этот факт доподлинно установлен, поскольку Архимед упоминает о нем в своем труде “Исчисление песчинок”. Гипотеза Аристарха Самосского не нашла единомышленников, поскольку астрономия в то время обладала небольшим количеством наблюдательных фактов. Потребовалось более полутора тысяч лет, чтобы она возродилась в знаменитой книге Коперника “О вращениях небесных сфер”.

Однако в целом для ранних (античных и почти не ушедших вперед по сравнению с ними средневековых) попыток разработки естественнонаучных знаний связь с практикой была исключением. Развитию естествознания в позднеантичный и средневековой период препятствовало также догматизация физики Аристотеля с ее учением о “естественных местах”, целевых причинах и т.д. и господство геоцентризма, законная форма которому была придана александрийским ученым Птолемеем.

Ситуация стала меняться в сторону нового (если первым считать античный) витка прогресса науки только в эпоху Возрождения, раньше всего (XIV-XV вв.) наступившую в Италии. Леонардо да Винчи (1452-1519) воплощает в своей деятельности единство искусства и науки, опыта и математики. Ему принадлежит первое в новое время связное описание анатомии человеческого тела, притом в сопоставлении с другими млекопитающими. Леонардо рассматривал органы в их движении, функционировании, приблизился к открытию кровообращения (но само открытие было сделано лишь в 1628 г.У. Гарвеем). Он описывал и зарисовывал органы чувств, нервную систему.

По всей видимости, начиная с 1515 года Коперник систематически разрабатывал новую систему мира и одновременно наблюдал движение небесных светил. Очень кратко основные положения, тезисы новой теории он изложил на двенадцати страницах рукописи, которую сейчас принято называть “Малым комментарием”. Сам Коперник называл эти тезисы аксиомами. Первые аксиомы гласили, что “не существует одного центра для всех небесных орбит или сфер,. центр Земли не является центром мира. Все сферы движутся вокруг Солнца. Так что около Солнца находится центр мира”. В “Малом комментарии" нет каких-либо математических выкладок. Это была философская квинтэссенция последующего гениального произведения “О вращении небесных сфер”.

Продолжатели дела Коперника уделяли больше внимания, чем он, методологии исследований и установили важнейший для классического естествознания принцип: наука абсолютно объективна и ее идеалом является описание мира так, как если бы человека-наблюдателя или какого-либо еще субъекта во Вселенной (например, Бога) не было вовсе. На первых порах последователи Коперника вели свою работу в трудных условиях, поскольку инквизиция преследовала их за взгляды, казавшиеся ей несовместимыми с Библией и в особенности с Аристотелем. В 1600 г. был сожжен Дж. Бруно за поддержку гелиоцентризма.

Джордано Бруно свои взгляды изложил в трех книгах, написанных в форме диалогов: “Пир на пепле”, “О причине начала и едином” и “О бесконечности вселенной и мирах”. Именно здесь он и сформулировал новое научное миропонимание. Нельзя считать, что Бруно лишь развил учение Коперника или обосновал его философски. Бруно - творец нового научного мировоззрения. Гениальное предвидение о бесконечности миров, “которые носятся в эфирном океане, подобно нашему миру”, возрождение атомистической теории, создание новой картины космоса выдвигают Джордано Бруно в первые ряды величайших мыслителей. Казнь Бруно была пирровой победой церкви. Учение Аристотеля агонизировало, и эта агония была необратимой. Но триумф идей Коперника бесспорно не состоялся бы еще многие годы, если бы вскоре после гибели Бруно в Европе не появились телескопы. Именно наблюдательные данные великого Галилея, его точная и последовательная интерпретация этих данных с позиций коперникианства, несмотря на драму отречения, нанесли окончательный удар по системе мира Аристотеля. Одним из творцов астрономии нового времени был также И. Кеплер, открывший законы движения планет по эллиптическим орбитам. Только благодаря работам Галилея и Кеплера система мира Коперника стала одним из краеугольных камней фундамента науки.

Одним из первых Галилей выдвинул как императив для ученого не следствие авторитетам, но “изучение великой книги природы”. В этом отношении с ним солидаризовался его английский современник Ф. Бэкон (1561-1626), разработавший методологические основы эмпирического (индуктивного) естествознания.

Одновременно с Галилеем исследования, обосновавшие гелиоцентрическую систему, проводил немецкий астроном И. Кеплер (1571-1630). Благодаря законам Кеплера гелиоцентрическая система впервые получила значительное количественное выражение. Законы Кеплера послужили исходным пунктом для построения механической картины мира, лежавшей в основе естественнонаучного мировоззрения в период XVII-XIX вв., когда основанная на них классическая механика оставалась наиболее развитой и “образцовой" для всех отраслей науки о природе.

Вскоре после открытия Кеплером его законов ряд физиков высказали предположение, что в основе этих законов лежит действие силы, притягивающей планеты к Солнцу и убывающей пропорционально квадрату их расстояния до Солнца. Однако только в 1687 г. это предположение было строго доказано английским физиком и математиком И. Ньютоном (1643-1727), опиравшимся при этом на многочисленные эмпирические измерения, а также на сформулированные им общие законы механики (см.2.2.4) и на открытое им (и одновременно Г.В. Лейбницем в Германии) дифференциальное и интегральное исчисление. Сущность Ньютонова закона всемирного тяготения заключается в том, что любые два тела с массами m1 и m2 притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной этим массам и обратно пропорциональной квадрату расстояния r между этими телами:

где Y - коэффициент пропорциональности (“гравитационная постоянная”).

С помощью закона тяготения Ньютону и его преемникам удалось с большой точностью объяснить все наблюдаемые движения небесных тел, а также такие явления, как приливы и отливы, сплюснутость Земли у полюсов и т.д. Впоследствии предположения о всеобщем и абсолютном характере ньютоновской формулировки данного закона столкнулось с трудностями, прежде всего в плане объяснения движения небесных тел вблизи огромных тяготеющих масс (например, движение Меркурия вблизи Солнца), и эти трудности были преодолены лишь в XX в. благодаря созданию А. Эйнштейном общей теории относительности.

Сила, согласно механике Ньютона, есть количественная характеристика взаимодействия тел. Это взаимодействие мыслилось как осуществляемое непосредственно и мгновенно (через пустое пространство, заполненное какой-либо средой пространство могло замедлить взаимодействие). Такое представление основывалось на “концепции дальнодействия”. После открытия электромагнитного поля и изучения его свойств это представление было заменено идеей взаимодействия тел через посредство полей, со скоростью распространения света в пустоте, т.е. около 300 тыс. км/сек

Долгое время (приблизительно с конца XVII в. по конец XIX в.) в естествознании господствовало механистическое воззрение на природу, основанное на вере в правомерность экстраполяции на все явления картины мира, впервые в целостном виде сформулированной Ньютоном в 1687 г. в его труде “Математические начала натуральной философии”. Такая экстраполяция основывалась на двух допущениях: на абсолютной верности ньютоновской механики и на возможности сведения к ней закономерностей всех форм движения материи. Оба допущения были в конечном счете неверны, однако с определенной степенью приближения эффективно работали долгое время и подтверждались важными открытиями. Так, на основании расхождений между реально наблюдаемыми и вытекающими из ньютоновской небесной механики данными в течение XVIII - первой трети XX в. были открыты три последние из больших планет Солнечной системы: Уран (1781), Нептун (1846) и Плутон (1930). Открытие Нептуна произвело особенно сильное впечатление в связи с тем, что за год до визуального обнаружения планеты ее наличия было предвычислено (впервые примененными для такой цели математическими приемами) на основании неправильностей в движении Урана. Это был яркий пример предсказательной силы науки, руководствовавшейся классическими принципами “Математических начал”.

Естествознание XVIII-XIX вв. в целом вслед за механикой Ньютона исходило из принципа тождества законов явлений на Земле и в космосе. XVIII столетие ознаменовалось быстрым, но в основном экстенсивным прогрессом физических и химических наук на основе ньютоновской механики и других достижений XVIII столетия. Объяснение той или иной формы движения приравнивалось к ее редукции к механическому перемещению. Ньютон интерпретировал таким образом свет, создав корпускулярную теорию света (в XIX в. она уступила место волновой теории). В XIX в. классическое естествознание обогатилось новой областью, связанной с изучением электромагнитных явлений, что однако не разрушило механистической картины мира, а лишь внесло в нее некоторые дополнения.

Неотъемлемой чертой механистической картины мира было также признание абсолютной детерминированности механистического типа для всех явлений. Такие крупные мыслители, как Г.В. Лейбниц или П.С. Лаплас столетием спустя, отстаивали возможность полного описания и даже предсказания всех явлений, включая биологические и социальные, если бы в достаточной мере были известны начальные условия - координаты и скорости всех материальных частиц для определенного момента времени. Мир, таким образом, мыслился как гигантский механизм, полное описание которого в терминах ньютоновской механики не сталкивается ни с какими сложностями, кроме чисто технических (наличие большого числа переменных).

С современной точки зрения недостатком классического естествознания было отсутствие посредствующих звеньев для объяснения взаимодействий, в силу чего воздействие одного тела на другое могло пониматься как влияние, минующее пространство: тело могло действовать там, где его нет. Ярким примером может служить ньютоновская трактовка действия одного тела на другое на любом расстоянии при явлениях тяготения.

Ньютон дедуцировал закон всемирного тяготения, рассматривая последнее в плане концепции дальнодействия, т.е. передачи силы или влияния без какой-либо посредствующей среды мгновенно на сколь угодно большие расстояния. Эта концепция в течение XVIII-XIX вв. не раз подвергалась критике, в отличие от трех основных законов, сформированных Ньютоном в “Математических началах натуральной философии" (законы инерции, связи силы с ускорением F=ma и равенства действия противодействию) и получивших всеобщее признание как основа классической физики, а в значительной мере и как образец для естествознания в целом. Современное естествознание отказалось от концепции дальнодействия, заменив ее представлением о действии полей, в свою очередь опосредованном воздействием частиц (квантов поля). Однако как раз применительно к гравитационным воздействиям механизм “близкодействия" остается еще не вполне проясненными экспериментально.

Опять можно отметить, что выбираются основные (для ученого) элементы окружающей действительности. Остальное, как опять же, первопричина всего сущего и причины возникновения силы притяжения, не принимаются в рассмотрение.

Законы механики Ньютона касались тяготения, движения и равновесия тел и оставляли в здании классического естествознания важный пробел, связанный с закономерностями сохранения в природе в целом и в замкнутых системах постоянного количества вещества. Этот пробел в 1756 г. восполнил пробел русский ученый-энциклопедист М.В. Ломоносов (1711-1765). Исходя из своих представлений о всеобщей взаимосвязи в природе, Ломоносов сделал вывод о том, что изменения массы вещества в одном месте обязательно влекут за собой изменения в другом, причем ничто не возникает из ничего. Этот вывод он подтвердил экспериментально, прокалывая металл в сосуде без доступа воздуха и измеряя вес сосуда до и после нагревания (вес оказался неизменным).

Одной из заслуг Ломоносова является, помимо всего перечисленного, разработка теории образования атмосферного электричества под действием восходящих и нисходящих токов воздуха. Исследования русского ученого по этой проблематике лежали в русле одной из важнейших тенденций науки эпохи Просвещения, стремившейся вписать обширный круг уже известных тогда феноменов статического электричества в механистическую картину мира. Отдельные сведения об электричестве накоплялись уже в древнем мире; у римского ученого Плиния Старшего (I в. н.э.) имеется даже сближение по свойствам янтаря и магнита, т.е. зачаток представления об общности электрических и магнитных явлений. К XVIII в. накопилось уже немало сведений об электростатических явлениях: о наличии положительных и отрицательных зарядов, о конденсаторах (“лейденская банка”), о возникновении электричества при трении и о его участии в физиологических процессах. Ломоносов совместно с Г.В. Рихманом количественно исследовали электричество, используя изобретенный Рихманом первый электрический измерительный прибор (“электрический указатель”). Рихман открыл явления электростатической индукции, затем проводил опыты по усовершенствованию молнеотвода, изобретенного незадолго перед тем в США Б. Франклином. Во время этих опытов Рихман трагически погиб от удара молнии (6 августа 1753 г.). В конце XVIII в.Ш. Кулон заложил основы электро- и магнитостатики.

Все эти исследования вряд ли были бы возможны без радикального прорыва в области учения об электричестве и магнетизме, осуществленного на рубеже XVII и XVIII вв. английским физиком У. Гилбертом (1544-1603 гг.).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7