Постнеклассическая наука

10 Февраль 2009 | написал anton


Для постнеклассической науки в целом характерна ситуация единения (но без потери “лица”) физики, химии, биологии. Такое единение просматривается на всех уровнях - предметном, методологическом, терминологическом и понятийном. При этом живое и неживое в Природе утратили свою “несовместимость”. Можно сказать, что самые простые системы - физические, более сложные - химические и несопоставимо сложные - биологические. Новые подходы с самого начала не замыкались на физических процессах. Наиболее обоснованное и убедительное привлечение законов неравновесной термодинамики к объяснению не только механизмов функционирования, но даже происхождения и эволюции живого (в виде открытых самоорганизующихся термодинамических систем) осуществлено И. Пригожиным (1960-1970), а еще раньше Л. фон Берталанфи (1932), а затем У. Эшби (1966) (автор термина “самоорганизующая система”), Э. Шредингером (1974). Физические идеи и понятия для объяснения биологических явлений использовал Г. Хакен, которому принадлежит сам термин синергетика (от греч. synergia - совместное действие). В свою очередь, биология ретранслировала эволюционные концепции на все естествознание в целом.


В контексте различных и даже противоречивых концепций можно говорить о новой научной картине мира, создаваемой "постнеклассической" наукой Процесс ее построения еще не завершен, но основные контуры уже очевидны. Основу "постнеклассической" науки составляют термодинамика неравновесных, нелинейных открытых систем (синергетика), идея универсального эволюционизма и теория систем.
Исходные философские идеи новой науки: единство мира заключается в том, что на всех уровнях организации действуют общие законы; системное видение в противовес механическому пониманию мира; синтез детерминизма, многовариантности и случайности; отказ от концепции редукционизма: нахождение изоморфных законов в различных областях.
Идеи базируются на следующих основных положениях: случайное и необходимое - равноправные партнеры во Вселенной; вероятная самоорганизация неравновесной открытой системы, т.е. самопроизвольный переход к упорядоченному состоянию, сопровождающийся перераспределением материи во времени и пространстве; явления самоорганизации включают информационные процессы - генерацию и эволюцию ценной информации; подход к исследованию организма как к открытой системе; основные формы кооперативного поведения, свойственные живым организмам, имеют свои аналоги среди неорганических систем.
Астрофизика. В 1934 г. была опубликована замечательная работа В. Бааде и Ф. Цвикки, в которой утверждалось, что после вспышки сверхновой звезды образуется нейтронная звезда. Заметим, что сам нейтрон был открыт буквально накануне. Все дальнейшее развитие астрофизики проходило под знаком этой действительно выдающейся работы. Сейчас астрофизика переживает период крутого подъема. Он начался после второй мировой войны и характеризуется как "вторая революция в астрономии". Ее важнейший результат - всеволновая астрономия: космическое электромагнитное излучение принимается и изучается от радио- до гамма-диапазонов. Только эпоха великих географических открытий может сравниться с нашим временем по количеству (и качеству) новостей о природе окружающего мира. Постепенно вырисовывается вся грандиозная история нашей Вселенной - от первых наносекунд ее существования, когда она была ультраплотной и ультрагорячей, до нашей эпохи, когда Вселенная стала удивительным разнообразием физического состояния, образующего ее вещества.
Радиоастрономия. Прогресс радиоастрономических исследований определяется уровнем экспериментальной техники. Можно указать на два достижения, которые являются основой современной радиоастрономии. Первое: разработка апертурного синтеза и синтезированных радиотелескопов, разработка радиоинтерферометров со сверхбольшой базой. Смысл этих систем состоит в том, что сигналы, принятые разными антеннами, определенным образом складываются. В итоге удается воссоздать картину, которую дала бы одна большая остронаправленная антенна. И вот результат - в радиоастрономии получена разрешающая сила в десятитысячной доли угловой секунды, что на несколько порядков выше разрешения наземных оптических телескопов. Второе: разработка на основе ЭВМ многоканальных систем космической радиоспектроскопии, создание радиотелескопов-спектрометров. Эти инструменты позволили исследовать структуру мазерных источников, открыть в космосе более 50 различных органических молекул, в том числе сложные молекулы, состоящие более чем из десятка атомов.
Биофизика. "Среди научных дисциплин, завоевывающих за последнее время все большее и большее значение, выдающееся положение занимает биофизика, как всякая наука, стоящая на грани соседних областей", -писал в 1930-х годах академик П. П. Лазарев. Первый Институт биологической физики был создан в нашей стране еще в 1919 г.
В 1930-х годах на основе квантовых представлений о природе света была определена чувствительность зрительного аппарата человека (П. П. Лазарев, С. И. Вавилов). Обнаружено, что в условиях темновой адаптации (привыкание к полной темноте) человек в состоянии регистрировать отдельные кванты света.В то время был поставлен вопрос (на который и сегодня еще не получен однозначный ответ): действуют ли короткие и ультракороткие электромагнитные волны, производящие несомненный физиологический эффект, только тепловым способом, или существует и другой механизм их воздействия? Исследования в этой области, но, естественно, на новой методической базе ведутся и сейчас. Интересные результаты были получены В. В. Шулейкиным в ходе исследования гидро- и аэродинамики рыб и птиц. Например, изучен механизм движения летучей рыбы, которая запасает энергию, отталкиваясь хвостом от поверхности воды, а дальнейший полет ведет планированием. Оказалось, что пространственное расположение птиц в летящей стае отвечает минимуму затрат энергии, расходуемой на трение о воздух, и что существует ограниченное число форм расположения стаи, отвечающих этим условиям. Подобно этому стаи рыб минимизируют гидродинамическое сопротивление. Такие результаты имели не только теоретическое значение, но и практическое - конструирование летательных аппаратов и водных транспортных средств. В этот период Н. А. Бернштейн создал новый раздел биофизической науки—количественную биомеханику, имеющую широкое практическое применение в спорте, физиологии труда (предотвращение профессиональных заболеваний). В настоящее время эта теория нашла применение в создании роботов. Можно смело сказать, что многие биофизические исследования 1930-х годов вошли в "золотой фонд" науки.
Во второй половине XX в. появился новый термин - биотехника, он относится к участию биологических наук, и в частности биофизики, в решении технических проблем, в улучшении промышленных технологий. Приведем несколько примеров.
Из всех способов преобразования химической энергии в механическую живая система использует наиболее эффективный: процесс идет при комнатной температуре, низком давлении и сравнительно высоком коэффициенте полезного действия (свыше 30%). Биологические системы отличаются от существующих технических высоким уровнем "миниатюризации", большими концентрациями энергии, низкими коэффициентами трения и большой надежностью. Существующие плотности энергии в технических системах, например, создаваемые электрическими и магнитными полями в газовой среде, составляют соответственно 10 дж/м23 и 10 дж/м63 . В биологических системах в двойном электрическом слое, возникающем на границе твердой фазы и раствора электролита, плотность энергии обычно 10 : 10дж/м78 3. Кроме того, используется эффективный вид "смазки" - отталкивающиеся электрически заряженные молекулярные слои. Надежность биологических систем определяется самовосстановлением и системой дублирования рабочих элементов. Сердце человека, этот "хемоэлектромеханический насос", производит за жизнь свыше 109 сокращений, в то время как самые надежные механические системы обеспечивают не более 107 переключений, т. е. во 100 раз меньше.
Возможность создания нового типа механохимического двигателя доказана экспериментально. Его функционирование основано на том, что равновесие между двумя формами полимера, имеющего разные механические свойства, сдвигается при изменении химического потенциала среды. Полимер, таким образом, находится то в растянутом, то в сжатом состоянии. Если раньше исследователи шли, в основном, по пути воспроизведения в технике принципов, используемых в живых системах, то сегодня создаются гибридные системы, в которых одна часть выполнена в металле, а другая - состоит из биоэлементов. Предпринимаются попытки создать компьютер, использующий элементы, характерные для нервной системы. Его предполагают снабдить датчиками на биологической основе и исполнительными устройствами, которые базируются на молекулярных механизмах мышечного сокращения.
Природа едина, а деление на науки условно. При решении любой практической проблемы необходимо учитывать возможное воздействие на окружающую среду и здоровье человека. В связи с этим видятся большие возможности биофизики с ее разносторонним подходом к исследованию биологических проблем и арсеналом эффективных физико-математических методов. Можно назвать несколько глобальных научных проблем, в решение которых биофизика могла бы внести заметный вклад. Это, во-первых, создание методов контроля за изменениями среды обитания человека; во-вторых, дальнейшее развитие профилактики, диагностики, поддержания и восстановления здоровья; в-третьих, поиск путей обеспечения человека пищей; в-четвертых, определение вариантов рационального использования уменьшающихся запасов полезных ископаемых. Одна из важнейших задач биофизики состоит в том, чтобы разобраться в цикличности процессов, протекающих в биосфере и предупредить возможное трагическое приближение к границам устойчивости биосферы. Мы еще достаточно далеки от понимания механизмов живой природы, и призыв древних "Познай самого себя" не только остается актуальным сегодня, но и смело может быть адресован будущим поколениям биофизиков.
В связи с возникновением новой ветви биологической науки - молекулярной биологии - появились поразительные возможности для изучения механизмов генетических процессов и управления ими. Открытие основного канала передачи наследственной информации путем комплементарного синтеза молекул нуклеиновых кислот и связанных с этим сложных скоординированных биохимических процессов позволило заглянуть в процесс эволюции макромолекул, создавший такие совершенные структуры, как хлоропласты, митохондрии, рибосомы, молекулы гемоглобина и ферментов. Вместе с тем в последние годы было показано, что только небольшая часть высших организмов, заключенных в хромосомах, - эукариот (т. е. имеющих ядра) - молекул ДНК кодирует синтез белков, а функциональная роль более 90 % ДНК еще неизвестна.
Установлено мозаичное строение гена, т. е. чередование последовательности ДНК, кодирующих часть белковой молекулы - экзонов, с нетранслируемыми последовательностями - интронами. Открыты мобильные генетические элементы - последовательности ДНК, которые при смене поколений могут перемещаться по геному, "включая" и "выключая" отдельные гены, в том числе и онкогены, "запускающие механизм" злокачественного перерождения клетки. Роль этих "прыгающих генов" в функционировании хромосомного набора и в эволюции выяснена еще далеко не полностью, и здесь нас могут ожидать интересные открытия.
Все это стало возможным благодаря разработке целой серии оригинальных методов манипулирования с молекулами нуклеиновых кислот и белков. Были созданы условия не только для расшифровки кода отдельных генов, но и для искусственного синтеза работающих генов. Возникла новая область науки - генетическая инженерия - конструирование рекомбинантных молекул. Сегодня мы можем выделить природный ген или химически синтезировать его, вставить в кольцевую молекулу ДНК - плазмиду и с ее помощью заставить клетки микроорганизмов продуцировать нужные человеку вещества, например, гормон роста, инсулин, интерфероны и т. д. Современная биотехнология основана на культивировании клеток или одноклеточных организмов рекомбинантными молекулами.
Техника и технологии. Оценивая общие тенденции и уже имеющиеся результаты научно-технического развития в XX в., можно говорить о том, что мир вступает в новую эволюционную фазу, которую можно назвать вторичной эволюцией, когда в противостоянии "технология - эволюция", влияние технологии начинает превалировать, радикально меняя и биосферу, и самого человека. На значительных исторических отрезках отчетливо видны взаимосвязи и взаимозависимости социальных, политических, научно-технических и всех других факторов, характеризующих целостное развитие цивилизации. ХХ век изменил само понятие технология. Подобно тому, как к математике стали относиться области, абстрагированные от количеств (как, например, общая топология и логика высказывания, некорректно поставленные задачи и т.п.), к физике - динамика систем с непредсказуемым поведением (странный аттрактор) и другие, - технология вобрала в себя процессы и средства обработки и передачи информации, социального управления, жизнеобеспечения. Мы можем определить сегодня технологию как совокупность всех алгоритмов, процессов и средств их реализации. Понимая под алгоритмами традиционную технологическую рецептуру, под процессами - только физико-химическое, под средствами - материалы, оборудование и строительные сооружения, мы получим классическое определение технологии материального производства. Относя к алгоритмам поведения законодательную систему, традиции и морально-этические установки общества, к процессам - его социальную динамику, к средствам - государственный аппарат, систему социальных институтов, мы получим определение технологии социального управления. Аналогичными подстановками можно получить определения медицинской технологии, технологии образования и т.д.
Все высокие технологии, определяющие лицо научно-технической цивилизации конца ХХ в., родились в форме фундаментальных исследований, как правило комплексного, междисциплинарного характера. Особенно это свойственно химическим технологиям, функции которых в ХХ в. совершенно преобразились. В настоящее время химическая технология используется в добывающих производствах. Кроме того, тонкие химические технологии включаются в состав горнорудных комплексов. Начиная от первичного сырья, производственные циклы завершаются выпуском такой продукции, как сверхчистые вещества и монокристаллы.
Возникают и развиваются такие новые методы и новые технологии, как микротехнология кристаллических информационных структур, в которых синтез вещества, формирование и даже монтаж деталей в готовое устройство высшего уровня сложности (как, например, сверхбольшие схемы, кристаллические микроустройства и т.п.) органически сливаются на физико-химической основе. Также преображаются и глубинные основы химической технологии. Во-первых, квантово-химическая теория строения вещества в сочетании с моделирующими возможностями супер-ЭВМ позволяет точно прогнозировать свойства синтезируемого вещества и путь его синтеза. Во-вторых, развитие тонких методов катализа, "прицельной" химии расщепления и сшивки крупных молекулярных фрагментов и другие подобные методы превращают химика как бы в зодчего новых химических форм. Наконец, ведется интенсивный поиск путей самоформирования все более высокоорганизованных химических структур. Этот поиск опирается на тонкие механизмы селективности химических реакций, на сложные процессы самоупорядочивания в процессах тепло-массопереноса и вдохновляется наиболее общими идеями естественных наук конца ХХ в., обозначаемых термином "синергетика". Почти фантастические перспективы развития в этом направлении наметились в области химии быстропротекающих процессов - взрыва, пламени, плазмы. Эти процессы, играющие ключевую роль в автомобильном, воздушном и морском транспорте, космонавтике, гидрометаллургии и т.д., остаются до настоящего времени мало изученными.
Во второй половине 80-х годов началось интенсивное исследование тонких механизмов быстрых реакций методом комбинационного рассеяния в скрещенных лучах лазеров, что позволяет осуществить как бы томографию пламени. Задача, в конечном счете, сводится к синтезу композиции вещества, который обеспечит саморегулирование быстрых процессов и их эффективное протекание в нужном направлении.Развитию химической технологии не уступает механическая. На основе гибких автоматизированных линий и обрабатывающих центров преобразуется парк металлообрабатывающих станков, формируется новая научно-технологическая область твердотельной микромеханики, в туннельных и других зондовых микроскопах достигается субатомная точность микромеханического (точнее наномеханического) привода, быстро возрастает число степеней свободы в механических системах роботов, развивается космическая механика свободного полета и невесомости и т.д. Развитие структурного принципа проектирования и управления производственными процессами, его распространение на технологические комплексы положили начало синтезу разнородных технологий с целью образования единой и органичной метатехнической системы. Но в то же время материальная технология продолжает интенсивное развитие в направлении более глубоких уровней строения материи. Это проявляется прежде всего в микротехнологии, на которой основана вся аппаратная база информатики, в генной инженерии, в работах, направленных на их синтез в рамках программ молекулярной электроники и нанотехнологии. Если предшествующая "сверхфаза" развития технологии была направлена на создание искусственного макромира на базе естественного микромира молекулярных и кристаллических структур, элементарных физико-химических процессов как на готовом фундаменте, то наступающая новая "сверхфаза" ориентирована на создание искусственного микромира, собственного фундамента технологии.
В ХХI в. потребуется более радикальная реконструкция всего арсенала аппаратных и методических средств микротехнологии, равно как и принципов проектирования ее конечной продукции. Существенные изменения произойдут и в принципах работы микроэлектронных устройств, а также информационных машин и систем, основанных на них. Квантовые вероятностные и коллективные электронные процессы станут основой действия элементов вычислительных систем. Интересные изменения ожидаются и в области биоподобных структур. Готовится синтез микробиологических исследований на молекулярном и субклеточном уровне, медикобиологических исследований иммунных механизмов, нейронных и биоэнергетических механизмов жизнедеятельности, с одной стороны, и функциональных устройств молекулярного уровня, которые совмещали бы в себе принципы действия электронных и биологических систем, с другой стороны.




Метки: История науки и техники

Вы читаете » "Постнеклассическая наука"

Статьи по теме:

Топливо: Дрова, уголь, газ и нефть. История использования
Цивилизация Междуречья
Цивилизации доколумбовой Америки
Техника металлургии
Переворот в естествознании конца XIX – XX веков
Архивы ↓

Rambler's Top100