2.1. Научные законы - Реинжиниринг окружающей среды

2.1.1. Познание как одно из основных стремлений человека

Человек проявляет стремление к познанию объектов в различных областях

своей деятельности, в том числе в науке и искусстве. Научное познание

относится к особому типу деятельности человеческого сознания и отличается от

познания художественного.

_Физическая активность, включая движения рук и ног, относится к

стремлению человека реализовывать свою подвижность. Стремление к познанию

реализуется посредством работы органов чувств, клеток головного мозга,

нервной системы, языка и сознания. И так как эта деятельность не относится к

деятельности физической, то и процесс познания можно определить как

способность человека манипулировать объектами на уровне сознания.

_По такому же принципу построена работа компьютера, где:

1) аппаратные средства соответствуют клеткам мозга;

2) язык = программному обеспечению;

3) органы чувств - различным периферийным устройствам компьютера.

_Так или иначе, несмотря на все увеличивающиеся исследования в области

компьютерной техники по созданию искусственного интеллекта и естественных

языков программирования, компьютер не имеет самосознания, вследствие чего не

может распознавать объекты должным образом. Различные части и устройства

компьютера и их функции являются лишь более примитивным и упрощенным

вариантом человеческой способности к распознаванию. Обычно компьютер может

выполнять лишь определенную последовательность операций, и его деятельность

строго ограничена набором команд.

_Физические действия человека, то есть способности в самом узком

смысле, не основаны полностью на инстинктах. Более того, движение мышечного

аппарата тесным образом связано с распознавательной деятельностью человека в

более широком смысле, то есть с работой клеток головного мозга и языковых

систем. В этой главе, кроме всего прочего, большое внимание уделяется

рассмотрению основных аспектов способности человека к познанию в области

науки.

2.1.2. Научные законы и причинно-следственные связи

Традиционно считается, что:

1) научное познание основано на отображении естественных природных

явлений в терминах и законах и характеризуется четкостью формы и содержания;

2) художественное восприятие не имеет таких строгих законов и четких

критериев.

_Но, так или иначе, писатели лучше передают скрытые черты человеческой

природы, социальные явления, традиции и манеры поведения, чем ученые.

_Современная наука начала зарождаться тога, когда идеи Декарта (1596 -

1650) соединились с идеями Бэкона (1561 - 1626). В картезианской философии

основным был вопрос причинности, или "почему". Надо полагать, что

современная наука также считает вопрос причинности одним из самых важных в

объяснении того или иного природного явления. Однако механика Ньютона более

пристальное внимание уделяет процессу развития явления, нежели причине его

возникновения; последовательность событий описывается при помощи системы

дифференциальных уравнений. Механика Ньютона не отвечает на такие вопросы,

как:

1) почему существует притяжение земли;

2) почему действует закон инерции;

3) почему ускорение должно быть прямо пропорционально силе.

Ньютон просто описывает, как гравитация действует на тела и что планеты

движутся в соответствии с дифференциальными уравнениями движения.

2.1.3. Цели науки

Все способности и стремления человека развивались исторически и

социально. Основным применением человеческих способностей в Древнем Египте

было строительство пирамид. Постепенно задачи науки значительно изменились,

и ученые должны были приложить огромные усилия для того, чтобы их решить.

Некоторые задачи возникли непосредственно применительно к конкретным

проблемам, например, термодинамика развивалась ля того, чтобы объяснить

процессы, происходящие внутри тепловых двигателей. Другие же задачи были

связаны с желанием ученых более глубоко изучить то или иное явление,

например, орбитальная механика, возникнув из любопытства астрономов,

позволила рассчитать траекторию полетов космических кораблей. Кроме целей

реальной науки, следует отметить так называемые задачи, поставленные

современной фантастикой. Ярким примером таких фантастических стремлений

человека являются созданные фантастикой машина времени, НЛО, телепатия,

предсказание судьбы, идея вечного двигателя, звездный транспорт и т.д. К

сожалению, некоторые из этих придуманных изобретений могут воплотиться в

реальность в связи с развитием науки.

_Еще в Древней Греции возникла идея атома в его философском понимании.

С появлением измерительных устройств и соответствующих им технологий, наука

непосредственно обращается к изучению атомарной модели. А с изобретением

оптических и радиотелескопов предметом научного изучения становится вся

Вселенная.

_Проект "Аполлон", в ходе которого было установлено, что Луна - это

маленький спутник Земли, на котором нет воды, а, следовательно, и жизни,

окончательно разрушил наши романтические иллюзии об этой планете. И сидящие

на берегу реки влюбленные при виде ее вряд ли унесутся в воображаемые

безоблачные дали.

_ Проект "Аполлон" также доказал, что именно Земля и есть та

удивительная планета, залитая солнцем, голубая от переполняющих ее вод и

способная вследствие этого поддерживать бесконечное разнообразие жизненных

форм.

2.1.4. Крушение теории каузальности

Приверженцы теории Ньютона отвергли теорию каузальности частично

потому, что с ее помощью было слишком сложно объяснить некоторые научные

законы. Современная физика демонстрирует отсутствие ясных причин

возникновения того или иного явления. Причинный способ научного познания

считается нонсенсом. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что

неопределенность энергии ("Е), умноженная на неопределенность импульса ("t),

примерно равна постоянной Планка (h) и выражается соотношением:

"Е"t ~ h (2.1.)

_Символ """ означает величину неопределенности. При повышении точности

измерения энергии, неизбежно повышается неопределенность времени. Эта

неопределенность времени уменьшает каузальность между двумя

последовательными событиями. Теорию каузальности также нельзя применить для

некоторых плохо обусловленных задач в других областях науки, в которых

причины и следствия существуют внутри единого цикла и порождают друг друга.

2.1.5. Нерешенные проблемы

Наука далека от совершенства. По законам физики элементарных частиц на

тело действуют четыре известные силы:

1) сила притяжения;

2) электромагнитная сила;

3) слабые электрические силы, обычно называемые слабыми;

4) ядерная сила, обычно называемая сильной.

_Сила притяжения порождается массой. Она удерживает планеты на своих

орбитах и притягивает предметы к земной поверхности. И так как она заметна

только на огромных расстояниях, то считается самой слабой из всех четырех.

Электромагнитная сила существует между ядром и электроном. Эта сила, которая

приводит в действие механические и электронные устройства. Слабая сила

существует на атомарном уровне и отвечает за распад радиоизотопов и

радиоактивность. Сильная сила существует внутри ядра и атомов и удерживает

элементарные частицы, которые образуют протоны и нейтроны.

_Взаимодействие этих сил исследует универсальная теория поля,

разработанная Альбертом Эйнштейном и впоследствии дополненная Стивеном

Вейнбергом., Шелдоном Глэшоу и Абдусом Саламом, которые обнаружили, что

электромагнитная и слабая силы имеют одну природу. Но дальнейшая работа в

этой области продвигается очень медленно, что тормозит развитие большой

универсальной теории (БУТ). Которая объединяет сильную и слабую силы, а

также пытается сделать еще более невозможное - включить силу притяжения в

общую схему.

2.1.6. Первоначальная идея

Напомним, что наука - это продукт человеческой деятельности и наивысшая

способность человека. Любое стремление предполагает некую обратную связь, на

основе которой то, что получилось в конечном итоге, сравнивается с

ожидаемым. Таким образом, результат научной деятельности всегда проверяется

на соответствие задуманному субъектом научной деятельности, то есть

человеком. Такой механизм обратной связи, когда человеческое сознание

конструирует некую первоначальную идею, является ключевым моментом научной

деятельности. Фактически, принцип наименьшего действия, или принцип

Гамильтона для динамических систем (Вильям Роуан Гамильтон, 1805 - 1865),

возник из первоначальной теологической идеи. Этот принцип формулирует закон

сохранения момента, который происходит от идеи единства Бога. С другой

стороны, закон сохранения и преобразования энергии был выведен учеными в

результате исследований в области паровых и тепловых двигателей при подсчете

баланса механической и тепловой энергий.

2.1.7. Аксиомы и знания

Естественные языки являются неточными. До сих пор считается, что

наиболее искусственным является язык математики, который обладает

максимальной объективностью и благодаря этому может наиболее точно отражать

действительность. Это утверждение приводит к мысли о том, что все научные

законы, в их идеальной форме, должны быть сформулированы в виде аксиом в

терминах математического языка; приближенность к такому языку характеризует

уровень научности формулировки.

_Однако неопределенные термины существуют даже в физике; такие термины,

как "энергия", "сила", "масса", остаются понятиями неточными. Абсолютное

пространство, предложенное Ньютоном, основано на Декартовой системе

координат. Но теория относительности Эйнштейна показала, что между временем

и пространством нет четко обозначенных различий; сейчас считается, что время

и пространство образуют некую четвертую величину, называемую пространством

Минковского.

_Математический язык основан на последовательности аксиом. Такой подход

берет начало в Евклидовой геометрии, когда аксиома принимается на веру без

доказательств. После того, как некоторые аксиомы Евклида отвергли, появилось

множество неевклидовых геометрий, в том числе геометрия Римана.

2.1.8. Избыточная квантификация

Математический язык подходит только для числовых величин. Итак,

математика представляет количественный взгляд на мир. Одной из сторон такого

видения мира является то, что рынки предметов потребления достигли на

сегодняшний день небывалых размеров. Законы рынка, которые процветают в

развитых странах, диктуют свои ценностные установки, провозглашая всеобщий

принцип потребления. Все в мире теперь имеет количественный эквивалент.

Экстремально таким эквивалентом являются деньги. Деньги - это универсальное

средство обмена и наиболее ценное благо. В современном мире именно деньги

являются основным источником квантификации мира. Такое понимание

действительности из экономической сферы перешло в научную, в результате чего

утвердилась позиция, согласно которой главной целью науки является

количественная оценка явлений в терминах математики.

_Однако такая квантификация не лишена погрешности. Температурная шкала

имеет одинаковые деления между двумя величинами: нулем градусов, когда лед

начинает таять, и ста градусами по Цельсию, при которых вода закипает.

Однако человеческие ощущения не всегда соответствуют обозначенной на шкале

градусника температуре. Точно так же деления на этой шкале не обязательно

будут показывать, что в 20 градусов вода в два раза теплее, чем в 10.

Например, летом, при температуре воздуха, равной 30 градусам, вода в 20

градусов будет казаться нам холодной. А при 0 градусов вода такой же

температуры будет казаться теплой. Это подтверждает мысль о том, что между

обозначенной шкалой и человеческими ощущениями не может быть четкого

соответствия.

_Еще больше путает дело следующий факт - то, что человек ощущает, есть

скорость выделения тепла на единицу поверхности. Именно поэтому кусок меди

будет казаться немного холоднее, чем кусок бальзового дерева, даже если они

будут одинаковой комнатной температуры. Более высокая теплопроводность меди

передает человеческому телу больше энергии через площадь поверхности

контакта. Горячо или холодно применительно к человеческому телу означает

направление, в котором передается тепло: горячо значит к телу, а холодно -

от тела. Сила нашего ощущения (не путать с температурой) - это показатель

скорости передачи тепла. Температура только косвенно относится к

человеческим ощущениям посредством теплопроводности.

_В физике такие цвета, как зеленый, красный и голубой, выражаются

частотой световой волны. Однако неизвестно, почему человек воспринимает

определенную частоту как определенный цвет и в какой степени все люди

воспринимают ее одинаково. Так или иначе, клетки головного мозга могут

распознавать частоты, а другие органы должны воспринимать цвет сам по себе,

не только как набор частот. Таким органом может быть названа душа или дух.

Некоторые считают, что душа - это не что иное, как порождение нашей нервной

системы, основанное на работе головного мозга. Однако такой подход не в

состоянии объяснить, каким образом определенный набор частот

идентифицируется человеком как определенный цвет.

2.1.9. Странность и недоступность

Научное познание начинается с чувственного восприятия, которое создает

первоначальную идею, на основе которой проверяется истинность результата. Мы

не можем объяснить механизм возникновения этой первоначальной идеи. Научное

познание использует математические языки для квантификации мира, в

результате чего достигает определенных успехов в понимании природных

процессов. Однако такой квантифицированный, численный и точный способ

познания чужд человеческой природе и, следовательно, чрезвычайно труден для

понимания.

2.1.10. Художественный и научный способы познания

Художественный способ познания, напротив, является более индивидуальным

и конкретным. Он доступен в каждом отдельном случае, но лишен генерализации.

Научное и художественное познания взаимно дополняют друг друга и

необходимы человеку в равной мере. Случается непоправимое, когда:

1) научное познание в современной науке объединяется с технологией, что

подчеркивает количественные оценки в науке;

2) наука придает значение только положительным аспектам технического

прогресса, не замечая его негативных сторон.

Эта тенденция становится еще более опасной в связи с тем, что искусство

перестает быть выражением индивидуального и становится развлечением. Этот

факт превращается в настоящую трагедию тогда, когда наука и искусство

окончательно отделяются друг от друга, теряя существующую в человеческой

душе связь.

2.1.11. Объективная реальность

Принято считать, что научный способ познания основан на научных

законах, которые отражают объективную реальность. Проблема заключается в

том, чтобы выявить эту объективную реальность.

_Человеческое познание осуществляется посредством языка. Таким образом,

понятия, выраженные средствами языка, являются неотъемлемой частью процесса

познания. Язык формируется обществом и историей. По мнению Эммануила Канта

(1724 - 1804), язык дается человеку a priori, но это суждение постоянно

является предметом многих дискуссий. Языковая способность развивается самим

человеком, точнее, она принадлежит к предметной области познания, в которой

природа рассматривается как объект познания.

_С тех пор как человек в достаточной степени развил языковые

способности и способность к научному познанию, оно стало обуславливаться не

только природой как объектом познания, но и человеком как субъектом

познания. Таким образом, познание формирует отношения между природой и

человеком, который:

1) верит в существование объективной реальности;

2) исследует и познает ее.

Высказывание Декарта "Cogito, ergo sum" ("Я мыслю, значит, я

существую") есть результат вечного стремления души к истине, что является

основной целью познания.

2.1.12. Новые понятия для новых теорий

В физике Ньютона пространство состоит из вакуума. Без такого понимания

пространства физика не могла бы развиваться. Общая теория относительности

Эйнштейна предполагает, что пространство - это не пустота, а поле,

искаженное силой гравитации. Согласно специальной теории относительности,

пространство и время связаны. Эти две теории не могли бы появиться, если бы

не были введены новые понятия пространства и времени.

_Такие новые понятия появляются и в квантовой механике. Явления в

квантовой механике носят вероятностный характер. Такой вероятностный способ

познания мира легко объясняет двойственную природу света - корпускулярную и

волновую. Согласно новой квантовой теории света:

1) вакуум наполнен волнами;

2) вакуум есть базовое состояние;

3) масса является состоянием локального возмущения;

4) массы взаимодействуют на больших отрезках времени и расстояниях.

_В последние годы жизни английский физик Поль Дирак (1902 - 1984)

заметил, что современная квантовая механика не может найти конечного решения

задач, связанных с процессами, протекающими при сверхвысоких энергиях или на

сверхкоротких расстояниях. Любое решение этих задач будет содержать величину

бесконечности. Величина бесконечности отвергается теорией ренормализации, в

которой теоретические величины заменяются величинами, реально существующими.

Согласно Дираку, эта теория является неверной. Дирак также заметил, что

преодолеть эту трудность путем простой модификации будет очень тяжело, так

как эта бесконечность выводится из уравнения Гейзенберга. Революционный

сдвиг в квантовой механике произошел в конце XX века. А в новом веке новые

теории создадут свой терминологический аппарат. Научное познание

действительности - это результат борьбы между объективной реальностью в

природе и субъективными понятиями, которые отражают эту реальность

средствами языка.

2.1.13. Рационализм эпохи Просвещения

совершенно другой взгляд на научное познание был выдвинут рационализмом

в эпоху Просвещения. Рационалисты не сомневались в существовании объективной

реальности и рассматривали мир как кладезь скрытых законов, подтверждающих

ее существование. Таким образом, люди могут познать истину, если охватят

мыслью весь мир. Однако эта умозрительная картина мира растворяется в

буржуазном понимании действительности, при котором все оценивается лишь

количественно, а качественные аспекты, напротив, отвергаются. И рационализм

эпохи Просвещения пытается преодолеть эту избыточную квантификацию. Согласно

этому подходу, научное познание может преодолеть эту буржуазную идеологию,

считая ее кривым зеркалом, искажающим реальность.

_На первый взгляд может показаться, что научное познание существует

независимо от конкретной исторической ситуации, общества, идеологии, но это

не так. Познание - это способность человека, которая развивалась исторически

и социально. Она основана на языке, которым мы говорим о предметах. В этой

связи научное познание также восходит к языку.

_Наука сама по себе - это выражение образов в сознании ученых в

терминах языка. Столкнувшись с задачей создания механического устройства,

разработчик создает проект, который есть не что иное, как внешнее выражение

образов его сознания. Этот проект выражается посредством специальных

терминов, технических понятий. Схожим образом человек самовыражается в

искусстве. Достижения в области науки, несмотря на то, что они только

отражают объективную реальность, в определенном смысле отражают и

индивидуальный способ мышления и личностную идеологию, при которых

внутренние идеи и образы находят свое выражение для объяснения внешнего

мира.

_Рационализм эпохи Просвещения не осознал следующих вещей:

1) познание и мысль тесно связаны с языком; научное познание не

является исключением;

2) научное познание ограниченно указывающей способность языка и его

логическими структурами.

2.1.14. Существование истины.

Идея рационализма о мире как кладезе законов и априорная идея о

существовании истины являются абсолютно ложными. Ярким примером может

служить известный парадокс о лжеце, который говорит: "Я - лжец". Если это

утверждение истинно, то он - не лжец, и его утверждение ложно. Если это

утверждение ложно, тогда оно становится истинным, так как он действительно

говорит ложь, и следовательно, является лжецом. Такой тип высказываний

представляет неразрешимую проблему логики со времен Аристотеля.

_Такие нерешенные проблемы существуют и в современных логических

теориях. Бинарная логика компьютера также не может решить эту проблему.

Мыслительный процесс человека не подчиняется законам формальной логики. Он

скорее основан на языках, использующих неопределенные значения.

_Теорема Курта Геделя также подвергает сомнению существование

объективной истины. В 1931 году он доказал, что математические противоречия

не могут быть обнаружены внутри самой математики. Следовательно, даже сама

математика не может гарантировать существование объективной истины;

утверждение "А" и "не А" могут быть истинными как в реальной жизни, так и в

математике. Мысль человека рождается из двусмысленности и/или

множественности значений. Человек обычно не оперирует идеальными

математическими единицами.

_Рационализм эпохи Просвещения основан на позитивизме, который

расценивает науки и технологии как единственно верные, отвергая

метафизический мир. Позитивизм основан на математической индукции, которая

гласит: "Если 1-й элемент множества обладает определенный свойством и из

обладания этим же свойством i-го элемента следует обладание им (i + 1)-го

элемента, то и все элементы конечного или бесконечного множества обладают

таким свойством". Однако если мы применяем индукцию к реальной жизни, то

очень сложно определить последовательность из скольких i элементов требуется

рассмотреть для того, чтобы подтвердить утверждение "Вороны черные". Всегда

будет сохраняться вероятность, что какая-нибудь из ворон будет белой.

Дедукция основана на утверждении "Все вороны черные", и уже не важно,

сколько конкретно ворон мы должны обследовать для того, чтобы заключить, что

это утверждение верно.

_Плохо структурированные задачи слишком сложны при решении их с помощью

аналитических подходов современной науки. С помощью научного подхода очень

сложно выявить вред животным и растениям, приносимый медицинскими

препаратами или сельскохозяйственными химикатами, так как ля этого требуется

изучение большой популяции в течение длительного периода. Вредное

воздействие ядохимикатов выявляется преимущественно историческим путем проб

и ошибок.

_В конце концов, ньютоновский подход, согласно которому мир есть

кладезь законов, неминуемо уступает место пониманию мира как хаоса, в

котором нет места установленным законам. В последнее время для анализа

хаотичных систем широко используется понятие фрактальных множеств.

Фрактальное множество - это множество форм, в котором одна и та же структура

появляется рекурсивно независимо от величины приращения. Такой подход

используется для объяснения движения облаков по небу, конфигурации побережий

и других ландшафтов. Более совершенные формы имеют большую фрактальную

размерность. Но теория фрактальных множеств объясняет только явления

хаотического свойства, и многие проблемы остаются нерешенными.

2.1.15. Применимость науки

Современная наука особенно эффективна применительно к смоделированным и

аппроксимированным линейным системами. Наука Древней Греции и средневековья

имела спекулятивный характер, она является развлечением у аристократии и не

решала практических задач. Применимость науки к реальному миру началась со

слов Фрэнсиса Бэкона (1561 - 1626): "Знание - сила". Он подчеркивал важность

опыта и превратил спекулятивную науку в науку, основанную на эксперименте.

Он - отец эмпиризма.

_Появление эмпирической науки было тесно связано с развитием

индустриального общества того времени. Для долгих путешествий, в связи с

транспортировкой хлопка из Америки в Англию, требовались точные компасы и

обширные знания о планетах. Тихо Браге (1546 - 1601) наблюдал планеты в

телескоп. Кеплер (1571 - 1630) был ассистентом Браге. В результате этих

наблюдений Кеплер сформулировал закон движения планет.

_Первый закон гласит, что траектория движения каждой планеты есть

эллипс с солнцем в одном из фокусов. Ньютон (1643 - 1727) обобщил

формулировки Кеплера и вывел законы движения.

_В то время развитие науки было тесно связано с повышенным интересом к

знаниям о планетах. Вышеназванные ученые были детьми своей эпохи. Научным

знанием зарабатывал себе на хлеб Галилео Галилей (1564 - 1642). Но в те

времена только некоторые ученые считали науку источником дохода. Несмотря на

это, реальная мотивация к развитию научного познания все же существовала.

2.1.16. Анализ и синтез

Если эмпиризм Бэкона был отцом современной науки, то метод, основанный

на анализе, был ее матерью. Аналитические методы чрезвычайно полезны для

линейных систем.

_Аналитические методы создали научную классификацию (таксономию).

Иерархия, показанная на схеме 2.1., соответствует развитию научных

дисциплин, таких как механика Ньютона, химия, электромагнитная теория,

квантовая механика и квантовая теория поля (правый столбец). Развитие этих

наук привело к образованию различных отраслей физики, которые изучают

экстремальные (высокие или низкие) температуры, давления, энергии и сегодня

успешно применяются для решения ряда задач в промышленности. Безусловно,

многие люди скажут, что аналитический метод не в состоянии решить огромное

множество проблем. Так некоторые современные ученые отходят от

аналитического метода, отдавая предпочтение более систематическим методам

синтеза или даже холизму. К сожалению, последний подход пока что является

малопродуктивным. Для объяснения макроскопических явлений из

микроскопических нужно использовать метод синтеза. Но такой подход сложнее

аналитического подхода.

2.1. Научные законы - Реинжиниринг окружающей среды - Сусуму Сато, Хиромицу Кумамото