Естесственно научные основы инновационных технологий

1.1) Цели естествознания.

Естественными  науками называют совокупность наук  о  природе.  К  естественным  наукам относится   довольно   много  наук  и   чтобы   понять   структуру естествознания  необходимо обратиться к предмету  изучения.  Естественные науки изучают природу пространства  материи  времени,  закономерности  и  связи  явлений  природы,  как  общего  характера, так и специфических,  характерных лишь  для  конкретного узкого класса явлений. А  иногда  и  одного явления.  Так как основное свойство материи – движение,  то  можно сказать, что предметом естествознания является движущаяся материя: от  самых  простых  форм движения до самых  сложных.  Цели  естествознания – двоякие: 1) находить сущность  явлений природы, их законы и на этой основе предвидеть или создавать новые явления;  2) раскрывать  возможность  использования  на  практике познанных законов, сил и веществ природы. Познание законов природы –  ближайшая  цель  естествознания, содействие   их  практическому использованию   –   конечная  цель.  Поэтому   с   таких   позиций естественные  науки,  как  и  науку  вообще  можно  разделить   на фундаментальную  и прикладную. Познаваемость природы. Познаваемость явлений означает возможность вскрытия их внутренней сущности, т.е. внутреннего механизма. Нужно суметь разложить явление на его материальные составляющие,  на части  и проследить причинно-следственные взаимодействия между ними. Не поверхностное качественное и не функционально-количественное описание, а выявление  внутренней сути явления есть понимание и объяснение явления. Для объяснения экспериментальных фактов привлекаются гипотезы. Гипотеза - это предположение,  позволяющее объяснить и количественно описать наблюдаемое явление. Теория— совокупность умозаключений, отражающая объективно существующие отношения и связи между явлениями объективной реальности. Теория — это интеллектуальное отражение реальности. Законы естествознания постулируются на основании наблюдаемых опытных фактов. Сначала идет  процесс накопления  знаний  в  определенной  области.  Эти  результаты анализируются  и   делается   некоторое   предположение.   Это предположение не выводится из других  законов.  Оно  возникает само по себе  на  основании  опыта.  Сделанное  умозаключение, сформулированное в  виде  математической  формулы,  становится частью   гипотезы.   Если   последующие   опыты   подтверждают правильность этого предположения, оно становится законом.

1.2) Формы движения материи.

На разных уровнях организации материи ее движения проявляются по-разному. Хаотические движения молекул газа или колебания молекул в твердом теле воспринимаются как теплота. Электрические и магнитные поля являются вихревыми движениями эфира. Но так или иначе все это есть движения материи в пространстве и во времени, т. е. движения механические. Важнейшей мерой движения является энергия как мера движения материи, в конечном итоге переходящей в теплоту при преобразовании механического движения макротела в тепловую энергию его молекул. Необходимо различать кинетическую и потенциальную энергию. Первая есть мера заключенного в теле количества движения, которое может быть уничтожена путем преобразования ее в тепловую энергию, это есть мера механического поступательного или вращательного движения любого тела. Вторая мера есть мера запасенной в телах или окружающей среде энергии, которая при определенных условиях может превратиться в кинетическую энергию, такой потенциальной энергией является, например, энергия, запасенная а сжатой пружине, в гравитационном поле или в заряженном конденсаторе. Кинетическая энергия является мерой его механического движения и измеряется той работой, которую может совершать это тело при его торможении до полной остановки. Кинетическая энергия материальной точки равна половине произведения массы т точки на квадрат скорости u ее движения: Потенциальная энергия является мерой той работы, которую совершают потенциальные силы при переходе материальной точки или системы из текущего состояния в “нулевое состояние”. “Нулевое состояние” системы определяется условиями решаемой задачи. В любом опыте можно измерить только изменение потенциальной энергии, но не ее абсолютное значение.Потенциальная энергия — работа, которую произведут действующие на систему силы при перемещении системы в точку, где потенциальная энергия условно принята равной нулю. При любом перемещении масс в системе сумма потенциальной и кинетической энергий остается неизменной.Поскольку в реальных системах потенциальная энергия Р не только преобразуется в кинетическую, но и затрачивается на потери П в системе, то: P=Wx+П, откуда П = Р — Wк, = min — функция Лагранжа, условие движения с минимальными потерями. В соответствии с СТО существует всеобщая взаимосвязь массы и энергии, выражаемая формулой:E=mc2, где с — скорость света в пустоте. Эта формула устанавливает “эквивалентность” массы и энергии. На этом основании масса в современной теоретической физике оценивается через энергию — в электрон-Вольтах.На самом деле масса и энергия — разные категории: масса — мера количества вещества, а энергия - мера движения. Коэффициент пропорциональности — скорость света не может использоваться во всех случаях и, по-видимому, может быть применен только для оценки массы фотона, да и то с оговорками.

2.1) Кризисы и революции в естествознании.

1 этап. Фалес, 6 век до нашей эры, есть переход от природы в целом к субстанциям(земля – твердь, вода – жидкость, воздух – газ, огонь – энергия, китайцы добавили дерево - жизнь). Фалес всё разнообразие вещей сводил к единой первостихии – влажной природы. всё возникает из воды  и в нее возвращается. Однако он же поставил проблему природы этой воды, поэтому под водой Фалес подразумевал некую мировую среду, обладающую свойствами воды, а не буквально саму воду. Античная философия достигла свой вершины у Аристотеля, учение которого, несмотря на его идеалистический характер, содержало глубокие материалистические и идеалистические идеи. Древнегреческая философия положила начало формированию в Европе самостоятельных отраслей знаний, таких как статика, астрономия и математика. Медицина и физика находились в зачаточном состоянии. Все естественнонаучные знания входили в единую недифференцированную науку, находившуюся под эгидой философии. Дифференциация наук впервые наметилась в конце этого периода уже ближе к средним векам. Сам период от единой природы к субстанциям знаменовал собой ПЕРВУЮ РЕВОЛЮЦИЮ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ.

2 этап. 15 – 16 века нашей эры потрясавшие Европу многочисленные эпидемии производили опустошение целых государств. Неспособность тогдашней медицины противостоять натиску болезней вынудила врачей искать лекарственные методы. Парацельс, Гельмонт, Боэ отвергли учение древних врачей о четырёх соках человеческого тела и основали иатрохимию – учение о веществах, способных излечивать болезни путем восстановления баланса веществ в организме. Эта прикладная задача потребовала разбирательства с веществами. Переход в естествознании от субстанций к веществам явился ВТОРОЙ РЕВОЛЮЦИЕЙ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ.

3 этап. Механический и метафизический этап. Вторая половина 15 века – конец 18. переход от вещества к молекуле(маленькой массе). Метафизика, диалектика – развитие, изучение механического движения. Представление о корпускуле – минимальной частицы вещества, которая впоследствии была названа молекулой. Декарт –аналитическая геометрия, Кант-Лаплас – космогоническая гипотеза, Ломоносов – атомно-кинетическое учение. Переход от веществ к молекуле – ТРЕТЬЯ РЕВОЛЮЦИЯ.

4 этап. Конец 18 – начало 19. бурное развитие капитализма на основе промышленной революции. Повышенный интерес к химии => переход от молекулы  к атому. Лавуазье 1789,неразлагаемое вещество –«элемент», Дальтон 1824 – «атом». Электротехника, развитие геологии, биологии, учение об электромагнетизме. ЧЕТВЕРТАЯ РЕВОЛЮЦИЯ В ЕСТЕСТВОЗНАНИИ.

5 этап. Конец 19 века. Открытие электромагнитных волн Герцем, коротковолнового излучения Рентгеном, электрона Томсоном, введение идеи кванта Планком, создание теории относительности Эйнштейном. 1911 – Резерфорд выдвинул планетарную модель атома, на основе которой в 1913-1921 появились представления об атомном ядре, электронах и квантах. ПЯТАЯ РЕВОЛЮЦИЯ была связана с введением в рассмотрение «элементарных частиц вещества», и это привело к появлению атомной энергии и полупроводниковой техники. Современный этап – канун шестой рев-ции –исследование эфира, Развитие естествознания всегда шло в глубь материи по иерархическим уровням организации. Каждый переход от старшей структуры к младшей позволял выяснить эту старшую структуру как состоящую из младших структур. Каждый переход открывает новые направления в науке. Каждый переход подготавливался развитием уровня организации материи, накоплением бессистемных фактов, что приводило к кризису. Кризис заключался в том, что становилось непонятным, почему этих фактов много и что за ними скрывается. Кризис разрешался тем, что происходил переход к следующему уровню организации материи вглубь, который выяснял, что старшие структуры являются простой комбинаторикой этих новых младших структур.В настоящее время в физике сложилась типовая ситуация. Кризис в сегодняшней физике выразился в том, что элементарных частиц оказалось слишком много. Внешним проявлением кризиса является то, что новых качественных открытий уже несколько десятилетий нет. Поскольку все элементарные частицы способны трансформироваться друг в друга, то все они имеют один и тот же строительный материал. Генеральной задачей развития естествознания  далее является определение свойств строительного материала элементарных частиц вещества.

Из того экспериментального факта, что комбинация сильных электромагнитных полей способна в вакууме рождать элементарные частицы вещества, следует, что вакуум заполнен тем же строительным материалом, что составляет основу элементарных частиц. Значит, весь космос заполнен этим строительным материалом и это есть мировая физическая среда – эфир. А элемент эфира – амер (не имеющий меры), часть атома, часть эфира.

2.2) Концепция симметрии и асимметрии. Симметрия свойство геометрической фигуры, характеризующее некоторую правильность формы, неизменность ее при тех или иных видах отражений.В узком смысле симметрия относительно плоскости (зеркальное отражение) — такое преобразование в пространстве (относительно прямой на плоскости), при котором каждой точке фигуры, расположенной на некотором расстоянии от плоскости симметрии, соответствует аналогичная точка той же фигуры, расположенная на таком же расстоянии от плоскости симметрии по другую ее сторону. Симметрия — соразмерность, зеркальное отражение относительно плоскости. Асимметрия — отсутствие симметрии. Различают центральную симметрию, при которой фигура совмещается сама с собой после последовательного отражения от трех взаимно перпендикулярных плоскостей; осевую симметрию, при которой фигура накладывается сама на себя вращением вокруг некоторой прямой на угол 360/n градусов; зеркально-осевую симметрию, при которой фигура накладывается сама на себя вращением вокруг некоторой прямой на угол 360/n градусов и отражением в плоскости; симметрию переноса, при которой фигура совмещается сама с собой после переноса вдоль некоторой прямой. Существуют еще симметрии относительно оси, относительно точки и пр. Симметрия широко распространена в природе, особенно в кристаллах и в биологии, широко используется в искусстве и в архитектуре. В физике предполагается, что раз пространство изотропное, то все явления должны иметь в природе свое зеркальное отражение, т. е. иметь симметричное состояние. Симметричных тел много, например, почти все живые организмы, многие кристаллы и пр. На самом деле в природе симметрия наблюдается далеко не во всех процессах и явлениях. Право и левовинтовое движения представлены неодинаково, если материя представлена в природе широко, то антиматерия практически вообще не представлена. Это объясняется прежде всего тем, что основной частицей микромира является протон, в котором винтовое движение имеет определенный знак, и однажды возникшее винтовое движение непрерывно порождает движение того же знака. Электроны имеют противоположный знак винтового движения, но их масса в 1850 раз меньше, чем протона. Поэтому хотя собственно пространство и симметрично, природа несимметрична. Чтобы симметрия созданий природы не вступала в конфликт с симметрией сил земного тяготения, ось тела любых организмов, которые обречены всю жизнь стоять неподвижно, расти вертикально вверх, должна обязательно приобрести лучевую симметрию, организмы, передвигающиеся параллельно поверхности Земли должны иметь двустороннюю зеркальную симметрию.

Безусловно, симметрия живых организмов не абсолютна, например, расположение органов во многом не симметрично. Однако все, что касается органов движения — ног, крыльев симметрия выполняется достаточно строго.

Принципы симметрии в равной мере распространяются и на творение рук человека. Окружающие нас предметы чаще всего имеют радиальную или билатеральную (зеркальную) симметрию, и это придает им дополнительную надежность и простоту а обращении.

К своеобразной симметрии (асимметричной симметрии) относится “Золотое сечение” или “Божественная пропорция”. Золотым сечением (божественной пропорцией) называют такое деление отрезка на две части, при котором большая часть относится к меньшей как весь отрезок относится к большей части. Пифагор был первым, кто обратил внимание на замечательные свойства золотого сечения.

3.1) Научная методология.

Методология науки — это учение о методах и процедурах научной деятельности, а также раздел общей теории познания, в особенности теории научного познания и философии науки. Методология, в прикладном смысле, — это система принципов и подходов исследовательской деятельности, на которые опирается исследователь в ходе получения и разработки знаний в рамках конкретной дисциплины: физике, химии, биологии, информатики и других разделах науки.

В разделах науки категория истины обладает двойственной характеристикой. С одной стороны, истина есть в традиционном понимании цель научного познания, а с другой — это самостоятельная ценность, обеспечивающая принципиальную возможность научного знания совпадать с объективной реальностью, как минимум быть комплексом базовых решений теоретических и практических задач.Единственной объективной реальностью являются отношения вещей, отношения, из которых вытекает мировая гармония. Без сомнения, эти отношения, эта гармония не могли бы быть восприняты вне связи с умом, который их воспринимает или чувствует. Тем не менее, они объективны, потому что общие и останутся общими для всех мыслящих существ.

3.2) Понятие о взаимосвязи и размерности физических величин

Все явления в мире так или иначе взаимосвязаны и подчиняются общим физическим законам. Чтобы иметь возможность сопоставлять физические вели­чины друг с другом, производить расчеты нужно каждую физическую величину представить через некоторые общие для всех исходные физические величины, принимаемые за первичные. Однако эти первичные величины могут быть выбраны произвольно, и тогда при определении их физической сущности и при расиста” неизбежно возникнут дополнительные трудности. Чтобы их избежать, нужно определить те физические категории, которые являются неизменными при преобразованиях материи при взаимодействии материальных образований, (относительно которых будут оцениваться все остальные физические величины и параметры. Но если речь идет о всеобщих закономерностях материи во Вселенной, то должны быть определены всеобщие физические инварианты, которые не изменяются ни при каких преобразованиях форм материи и ни при каких физических процессах. То есть они инвариантны по отношению и к преобразованиям форм материи, и к конкретным физическим явлениям.Общими физическими инвариантами могут быть только такие категории, которые являются всеобщими для всех без исключения физических явлений, то есть для всей реальности нашего физического мира. Такими категориями является движение и три его неразрывных составляющих — материя, пространство и время. Ибо в мире нет ничего, кроме движущейся материи. И следовательно, все физические величины и все физические явления так или иначе будут определяться этими категориями как исходными. Именно они поэтому и должны валяться основой любой системы измерений, т.е. в основе любой системы измерений должны являться три величины — мера материя, такой мерой является единица массы как количества материи и обозначается через символ М; мера пространства, такой мерой является единица длины и обозначается через символ L ; мера времени, такой мерой является единица времени и обозначается через символ Т.азмерность физической величины — это выражение, показывающее связь данной физической величины с физическими величинами, положенными в основу системы единиц. Размерность записывается в виде произведения символов соответствующих основных величин, возведенных в определенные степени, которые называются показателями размерности. Величины, в которые все основные величины входят в степени 0, называются безразмерными. Во всех остальных случаях размерность конкретной физической величины записывается в виде:[]=MxLyTz, где  — есть обозначение самой величины, х, у, г — показатели размерности каждой из основных величин.

4.1)      Явление самоорганизации в природе.

Термодинамическое равновесие - это состояние, в которое с течением времени приходит любая система, находящаяся при постоянной температуре и в фиксированных внешних условиях. Среди достижений термодинамики Х1Х века следует отметить закон сохранения энергии, учитывающий наряду с механическими и тепловые превращения энергии. Величайшим достижением ХХ века является закон возрастания энтропии .Закон возрастания энтропии адекватно описывает и направление протекания неравновесных процессов. Находящийся вокруг нас развивающийся мир не находится в состоянии равновесия.Существенно, что самоорганизация носит пороговый характер. Новые структуры возникают из неустойчивого состояния в результате развития флуктуаций. В докритическом режиме флуктуации затухают. Выше порога, они усиливаются и делают устойчивым новый режим, в котором вместо обычной тенденции к хаотическому движению возникает кооперативное поведение микропроцессов системы. Такой переход называют кинетичеcким фазовым переходом. Он обычно сопровождается понижением порядка симметрии.Флуктуации — случайные отклонения от среднего значения физических величин, характеризующих систему из большого числа частиц; вызываются тепловым движением частиц или квантовомеханическими эффектами. Примером термодинамических флуктуаций являются флуктуации плотности вещества в окрестностях критических точек, приводящих, в частности, к сильному рассеянию света веществом и потери прозрачности. Бифуркация — термин употребляется в широком смысле для обозначения всевозможных качественных перестроек или метаморфоз различных объектов при изменении параметров, от которых они зависят. Механическая бифуркация — приобретение нового качества в движениях динамической системы при малом изменении её параметров. Точка бифуркации — смена установившегося режима работы системы. Термин из неравновесной термодинамики и синергетики. Аттрактор (— множество состояний (точнее - точек фазового пространства) динамической системы, к которому она стремится с течением времени. Так, наиболее простыми вариантами аттрактора являются притягивающая неподвижная точка (к примеру, в задаче о маятнике с трением о воздух) и периодическая траектория (пример - самовозбуждающиеся колебания в контуре с положительной обратной связью), однако бывают и значительно более сложные примеры. В физике фракталы естественным образом возникают при моделировании нелинейных процессов, таких, как турбулентное течение жидкости, сложные процессы диффузии-адсорбции, пламя, облака и т. п.

4.2) Системы измерений как язык анализа качества и количества.

Для того чтобы можно было производить сопоставлять физические параметры и производить какие-либо расчеты необходимо иметь систему единиц физических величин, которая явится общим физическим языком для единой оценки качества параметров — их физической сущности и их количественного содержания Тогда каждый параметр может иметь количественное значение, выраженное через эти величины. Международная система единиц физических величин СИ была принята в 1960 г. 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам. Эта система единиц разработана с целью замены сложной совокупности систем единиц и отдельных внесистемных единиц, сложившихся на основе метрической системы мер, и упрощения пользования единицами. Достоинством системы СИ являются ее универсальность (охватывает все отрасли науки и техники) и когерентность, т.е. согласованность производных единиц, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициентов пропорциональности. Благодаря этому при расчетах в формулы не требуется вводить коэффициенты пропорциональности.Система СИ основана на метрической системе мер. Основные единицы: