Концепции современного естествознания

1. Мировоззренческое -  в том, что она дает особое представление о мире,    основанное на понимании  роли  связи, информации, управления, целесообразности, вероятности, сервомеханизмов.
2. Общенаучное  - в том, что она дает общенаучные понятия, важные для других наук: управление, сложно-динамическая система, обратная связь и др.
3. Методологическое - в том, что она дает науке новые методы исследования: вероятностные, стохастические, моделирование на ЭВМ, используя изучение функционирования более простых технических систем для гипотез о механизме работы более сложных систем (организмов, мышления) с целью познания происходящих в них процессах. Это важно для тех наук, где отсутствуют математические теории процессов.
4. Техническая – в том, что на основе кибернетических принципов создаются ЭВМ, ПК, роботы и т.п.
5. Социальная – в том, что кибернетика дает понимание общества как сложной целостной системы, которой возможно управлять. 

Синергетика как наука о самоорганизации  и эволюции сложных систем.

                          Одним из ярких проявлений  процессов самоорганизации в  открытых системах, является эффект  кооперации, когда между элементами  системы возникаю новые связи,  приводящие к коллективному поведению всех ее элементов. Например, в работе лазера, с помощью которого, можно получать мощные оптические излучения, когда хаотические колебательные движения составляющих его частиц благодаря поступлению энергии из вне, так называемая, накачка, приходят в согласованное движение. Частицы начинают колебаться в одинаковой фазе, и, в следстви этого,  мощность лазерного излучения многократно возрастает. Пройдя  сквозь кристаллическую решетку рубина, хаотические колебания светового потока  превращаются в когерентное, согласованное коллективное движение, На этой основе возникают кооперативные процессы и происходит самоорганизация системы. Изучая процессы самоорганизации, происходящие в лазере, немецкий физик Герман Хакен (род.1927 г.) назвал новое направление исследований синергетикой, что в переводе с древнегреческого означает совместные действия, или взаимодействия.

                          Синергетический подход познаний  – это системный подход, для  которого  в качестве базового  условия принимается то, что в  некоторых системах возможна самоорганизация, т.е. структура системы и, следовательно, ее свойства могут меняться скачком, спонтанно, непредсказуемо за счет совместного (синергетического) действия элементов системы.

Синергетический подход применяется к сложноорганизованным системам, например, таким как человек, общество, некоторые физические и химические явления, в которых последующее состояние невозможно предсказать, зная предыдущие. Развитие таких систем всегда предполагает альтернативу – необходимость выбора одного из двух или нескольких возможных решений, вариантов. Флюктуации параметров и случайности на фоне общего поступательного движения должны учитываться как факторы, ведущие к образованию качественно новых структур. Главными предпосылками использования синергетического подхода в познании действительности являются:

1. Невозможность точно обусловить и запрограммировать эволюцию систем – т.е. длительные изменения предшествовавшего состояния, какой либо системы. Понимание того, что точный прогноз будущего состояния системы на период, охватывающий хотя бы одну точку бифуркации, оказывается принципиально невозможным, как невозможен такой жесткий прогноз на длительную перспективу в метеорологии, мировой экономике, глобальной политологии и футурологии. История системы возникает не в периоды спокойного закономерного развития, а в точках бифуркации: катастрофах, революциях и т.п. Тем более, что система, прошедшая в своем развитии несколько точек бифуркации, как правило, оказывается вблизи границы, разделяющей упорядоченное поведение и хаотическое (например, при слишком сильном нагреве конвекция в жидкости  от «ячеек Бенара» переходит вновь к хаотической турбулентности). Это значит, что любая эволюционно зрелая система неизбежно балансирует на грани потери устойчивости и для  выживания ей требуется точное и тонкое управление, ведь с усложнением любой структуры скачкообразно возрастает и скорость производства ею, энтропии в занимаемой области пространства (т.е. рассеяние, диссипации энергии). Неопределенность эволюции системы еще более возрастает, если в результате самоорганизации возникает несколько конкурирующих диссипавных структур, из которых, в конечном счете, выживает та из них, которая производит энтропию с наибольшей скоростью данной сложной системы для возникновения ее новых организационных форм.
2. Признание самодостаточности созидающего потенциала (достаточности внутренней энергии).
3. Понимание того, что система эмерджентна, то есть, что целое и сумма его частей являются качественно разными структурами, части не могут быть сложены арифметически, и следственно, необходимо учитывать интерференцию, (наложение) их энергетических потенциалов.

        Общее понимание того, что мир, Вселенная представляют собой иерархию сред с разной нелинейностью, процессы в которых описываются нелинейными дифференциальными уравнениями.

                          Синергетический подход является прообразом  интегрального научного подхода 21 века, поскольку предполагается, что он может быть использован для объяснения всех эволюционных процессов в мире, включая происхождение жизни, человека и общества, включая историю их последующей эволюции.  

Тема 4.  Актуальные и методологические проблемы  современной  химии.

1. Химия как наука и основные этапы её развития. Понятие «химического элемента», «состава вещества»  и сущность химического соединения.   

                         Химия определяется как наука о химических элементах и их соединениях. Поскольку любое вещество состоит именно из химических элементов и их соединений, химию можно рассматривать и как науку о составе и качественном превращении различных веществ. В настоящее время известно, что свойства вещества определяются:

-     его элементным  и молекулярным составом;

• структурой его молекул;
• термодинамическими и кинетическими условиями, в которых вещество находится в процессе химической реакции;
• уровнем химической организации вещества;

                          Однако, такое понимание возникло  далеко не сразу. История развития  химических взглядов восходит  к античности. Демокрит, Эпикур высказали  плодотворные догадки о том,  что все тела состоят из  атомов разной величины и формы, что и обусловливает их качественное различие. Аристотель и Эмпедокл объясняли все видимое разнообразие тел в природе с анти атомистических позиций, считая, что в телах сочетаются разные элементы-стихии или элементы-свойства: тепло и холод, сухость и влажность. В алхимии средних веков такое учение об элементах-свойствах применялось как рецептурная технология, например, рекомендовалось «взять немного горючести, прибавить к нему текучести, отнять влажность…» и т.п. Эти идеи не получили своего развития и не нашли применения на производстве.

                           Первый и действенный способ  определения свойств вещества  был предложен во второй половине 17 века английским ученым Робертом  Бойлем. Результаты его экспериментов  показали, что качества и свойства тел зависят от того, из каких вещественных элементов они состоят. Так, возникло учение о составе вещества, заложившее основы химии состава – первого концептуального (понятийно-теоретического) уровня познания химических структур. Учение о химическом составе  существует и поныне, развиваясь на качественно новом уровне. А до 30-40хх годов 19 века оно занимало монопольное положение в химии. Именно по составу реагирующих веществ ученые пытались объяснить свойства полученных новых веществ. Таким образом, первый концептуальный уровень представлял собой исследования различных свойств веществ в зависимости от их состава.

Второй концептуальный уровень познания свойств вещества связан с исследованием его структуры, т.е. способов взаимодействия элементов вещества. С середины 19 века мануфактурная стадия производства с ручной техникой и ограниченным ассортиментом сырья сменялась фабричной стадией с машинной техникой и широкой сырьевой базой. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс веществ растительного и животного происхождения, качественное разнообразие которых, были неимоверно велики – сотни тысяч химических соединений, а состав крайне однообразен – лишь несколько элементов- органогенов: углерод, водород, кислород, сера, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь однообразном их элементном составе стали искать не только в их составе, но и в структуре молекул. Эксперимент и производственная практика доказывали, что свойства, полученные в результате химических реакций веществ, зависят не только от их состава их элементов, но и от взаимосвязей и взаимодействия последних, в процессе реакции. Именно поэтому в процессе познания и использования химических явлений необходимо было учитывать их структуру, т.е. характер взаимодействия составных частей вещества. В 1860 году выдающимся русским химиком А.М.Бутлеровым была создана теория химического строения вещества – возник более высокий уровень развития химических знаний – структурная химия, период становления которой, связан с зарождением и развитием технологии получения органических веществ, органическим синтезом. Были получены всевозможные красители для тканей, фармацевтические препараты и т.п. Интенсивное развитие автомобильной промышленности, авиации, энергетики и приборостроения в первой половине 20 века выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получать высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, жаропрочные органические полимеры, полупроводники, но для получения таких материалов знаний о составе  и структуре вещества было недостаточно. Эти условия стимулировали возникновение учения о химических процессах или химии процессов, составившей третий концептуальный уровень познания вещества. Здесь в исследовании механизмов и условий протекания химических процессов учитывалось изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов, оказывавших огромное влияние на характер процессов и объем получаемых веществ, что имело важное значение для массового производства. Новые знания способствовали производству синтетических материалов, азотных удобрений, нефтехимических  производств.

                           В 1960 – 1970 гг. возникает эволюционная химия, ознаменовавшая переход на следующий, более высокий, уровень химических знаний – четвертый концептуальный уровень, на котором осуществляется более глубокое изучение природы реагентов, участвующих в химических реакциях, исследования автокаталитических реакций, значительно ускоряющих скорость протекания химических процессов. В основе эволюционной химии лежат простейшие явления самоорганизации химических систем, составляющие предмет науки синергетики. Именно здесь проходит стык с биологией в рамках  междисциплинарной науки биохимии. Изучение процессов пред биологической химической эволюции открывает путь к разгадке тайны возникновения жизни.  

                          Учение о составе вещества  охватывает следующие основные  проблемы:

• анализ состава химического элемента;
• определение состава химического соединения;

-     применение  все большего числа химических  элементов для производства новых  материалов.

                         В истории развития учения  о составе вещества решение  первой проблемы  встретилось с большими затруднениями и начиналось с ошибочного представления о химическом элементе. Ведь для того, чтобы понять какие именно первоначальные элементы определяют свойства простых и сложных веществ, надо, во-первых, уметь различать простые и сложные вещества, а во-вторых, определить те элементы, от которых зависят их свойства. Между тем, долгое время ученые считали, например, металлы сложными веществами, а об элементах имели самые противоречивые представления. Первая научная теория химии – теория флогистона, касающаяся состава вещества, оказалась ошибочной. До середины 17 века не был известен ни один химический элемент, а ведь для определения свойств веществ необходимо установить из каких элементов они состоят, а это предполагает существование точного понятия химического элемента.

                         Лишь в 1660–х  годах  Р.Бойль  положил начало современному  представлению о химическом элементе  как о «простом теле» или  как о пределе химического  разложения вещества, переходящем  из состава одного в состав другого сложного тела. В те времена для получения химического элемента  как «простого тела» использовался универсальный метод разложения сложных тел – метод прокаливания. После прокаливания образовывалась окалина, которая принималась за элемент. В результате металлы – железо, медь свинец, сурьму и т.д., считали сложными телами, состоящими из соответствующих элементов и универсального «невесомого тела» - флогистона (греч.-горючий). Открыв кислород и установив его роль в образовании кислот, окислов и воды в процессах горения, французский химик Лавуазье опроверг гипотезу флогистона. Он же первый предпринял  попытку систематизации открытых к тому времени истинных химических элементов: кислорода, водорода, азота, серы, фосфора, семь известных к тому времени металлов. Однако, он ошибочно отнес к ним и некоторые химические соединения: известь, магнезию, глинозем и кремнезем, считая их элементами потому, что в то время они не поддавались реакции разложения.

                          Постепенно химики открывали все новые химические элементы, описывали их свойства, накопив огромный эмпирический материал, который необходимо было привести в определенную систему. Такие системы предлагались разными учеными, но в качестве системы образующего фактора брали не существенные признаки элементов. Фундамент для подлинно научной системы был заложен Д.И.Менделеевым, доказавшим, что место химического элемента определяется атомной массой (весом) и открывшего тем самым  периодический закон химических элементов (1869год). В соответствии с атомным весом он расположил химические элементы в систему и показал  периодическую зависимость их свойств от атомного веса. Он предсказал существование неизвестных элементов, в последствии открытых химиками.