Структура естественнонаучного познания

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

1. Структура естественнонаучного  познания…………………………………………………….3

2. Соотношение эмпирического  и теоретического уровней исследования  ………………….5

3. Понятия «электронная формула» И «электронная схема» строения атома. Правило Хунда. Порядок заполнения электронами энергетических подуровней……………………..6

4. Геологическая история Земли………………………………………………………………….10

 

 

Структура естественнонаучного познания. Соотношение эмпирического и теоретического уровней познания. Единство эмпирического и теоретического уровней познания (показать на примерах)

 

Изучение естествознания нужно  не только для того, чтобы мы как  культурные люди знали и разбирались в его результатах, но и для по­нимания самой структуры нашего мышления. , наука строится из наблюдений, экспериментов, гипотез, теорий и аргументации. Наука в содержательном плане — это сово­купность эмпирических обобщений и теорий, подтверждаемых наблюдением и экспериментом. Причем творческий процесс создания -теорий и аргументации в их поддержку играет в науке не меньшую роль, чем наблюдение и эксперимент. Схематично структуру научного познания можно представить следующим образом: Эмпирический факт –»  научный факт –»  наблюдение –» ре­альный эксперимент –»

модельный эксперимент –»  мысленный  эксперимент -> фиксация результатов эмпирического уровня исследований –»  эмпирическое обобщение –» использование имеющегося теоретического знания –»  образ –»  формулирование гипотезы –» проверка ее на опыте   –»  формулирование новых понятий –»  введение терминов и знаков –»  определение их значения   –»  выведение закона –»  создание теории –» проверка ее на опыте –» приятие в случае необходимости дополнительных гипотез.

Эмпирические факты, факты нашего чувственного опыта, являются исходным пунктом развития естествознания.

Выдающийся французский математик начала века А, Пуанкаре, описывая в книге "Наука и метод" работу ученого, писал: "Наиболее интересными являются те факты, которые могут служить свою службу многократно, которые могут повторяться". Да, действительно так, потому что ученый хочет вывести законы развития природы, т.е. сформулировать некие положения, которые были бы верны во всех случаях жизни для однотипного класса явлений. Для этого ученому нужно множество одинаковых фактов, которые потом он мог бы единообразно объяснить. Ученые, продолжает Пуанкаре, "должны предпочитать те факты, которые нам представляются простыми, всем тем, в которых наш грубый глаз различает несходные составные части".

Существуют различные методы исследования. Например, наблюдение в некоторых  областях естествознания остается единственным и главным эмпирическим методом исследования. Например, в астрономии. Правда, чтобы наблюдать "большой мир" (мегамир), нужны мощные телескопы и радиотелескопы, которые улавливают космические излучения. Это тоже наблюдение, хотя и более сложное .

Мы можем потрясти яблоню и посмотреть, как будут вести себя яблоки, т.е. провести ЭКСПЕРИМЕНТ, испытать объект исследований. Эксперимент - это тот  же "вопрос", который мы задаем природе и ждем от нее ясного ответа. "Эйнштейн говорил, что природа отвечает "нет" на большинство задаваемых ей вопросов и лишь изредка от нее можно услышать более обнадеживающее "может быть"... Каков бы ни был ответ природы - "да" или "нет", - он будет выражен на том же теоретическом языке, на котором был задан вопрос" (И. Пригожий, И. Стенгерс). Особенность научного эксперимента заключается в том, что его может воспроизвести каждый исследователь в любое время.

Горелов А.А. приводит пример, "трясение яблони как простейший из возможных  экспериментов убеждает нас, что все яблоки ведут себя совершенно одинаково. Однако, чтобы вывести физический закон, мало одних яблок. Нужно рассмотреть и другие тела, причем чем меньше они похожи друг на друга, тем лучше". Здесь вступает в. силу второе правило, противоположное первому: "Таким образом, интерес представляет лишь исключение" (А. Пуанкаре).

Оказывается, многие тела тоже падают на Землю, как будто на них действует  некая сила. Можно предположить, что это одна и та же сила во всех случаях. Но на Землю падают не все тела. Это не относится к Луне, Солнцу и другим небесным телам, имеющим большую массу или удаленным от Земли на значительное расстояние. Налицо различие в поведении тел, над которым тоже стоит задуматься. Есть ли что-либо общее в поведении тел, которые на первый взгляд ведут себя совершенно различно? "Однако мы должны сосредоточить свое внимание главным образом не столько на сходствах и различиях, сколько на тех аналогиях, которые часто скрываются в кажущихся различиях" (А. Пуанкаре). Найти аналогии в различиях - необходимый этап научного исследования.

Не над всеми телами можно  провести эксперимент. Например, небесные светила можно только наблюдать. Но мы можем объяснить их поведение  действием тех же самых сил, направленных не только в сторону Земли, но и от нее. Различие в поведении, таким образом, можно объяснить количеством силы, определяющей взаимодействие двух или нескольких тел.

Если мы все-таки считаем эксперимент  необходимым, то можем провести его  на моделях, т.е. на телах, размеры и  масса которых пропорционально уменьшены по сравнению с реальными телами. Результаты модельных экспериментов можно считать пропорциональными результатам взаимодействия реальных тел. Помимо модельного эксперимента, возможен мысленный эксперимент. Для этого понадобится представить себе тела, которых вообще не существует в реальности, и провести над ними эксперимент в уме. Значение представления, связанного, с проведением мысленного или идеального эксперимента, хорошо объясняют в своей книге "Эволюция физики" А. Эйнштейн и Л. Инфельд  Дело в том, что все понятия, т. е. слова, имеющие определенное значение, которыми пользуются ученые, являются не эмпирическими, а рациональными, т. е. они не берутся нами из чувственного опыта, а являются творческими произведениями человеческого разума. Для того чтобы ввести их в расчеты, необходимы идеальные представления, например, представления об идеально гладкой поверхности, идеально круглом шаре и т.п. Такие представления называются идеализациями. В современной науке надо быть готовым к идеализированным экспериментам, т. е. мысленным экспериментам с применением идеализации, с которых (а именно, экспериментов Галилея) и началась физика Нового времени. Представление и воображение (создание и использование образов) имеет в науке большое значение, но в отличие от искусства — это не конечная, а промежуточная цель

исследования. Главная цель науки  — выдвижение гипотез, и теория как эмпирически подтвержденная гипотеза. Понятия играют в науке особую роль. Еще Аристотель считал, что, описывая сущность, на которую указывает термин, мы объясняем его значение. А его имя — знак вещи. Таким образом, объяснение термина (а это и представляет собой определение понятия) позволяет нам понять данную вещь в ее глубочайшей сущности («понятие» и «понять» — однокоренные слова). По мнению К. Поппера, если в обычном словоупотреблении мы сначала ставим термин, а затем определяем его (например: «щенок — это молодой пес»), то в науке имеет место обратный процесс. Научную запись следует читать справа налево, отвечая на вопрос: как мы будем называть молодого пса, а не что такое щенок. Вопросы типа «что такое жизнь? » не играют в науке никакой роли, и вообще определения как таковые не играют в науке заметной роли, в отличие, скажем, от философии. Научные термины и знаки - не что иное, как условные сокращения записей, которые иначе заняли бы гораздо больше места. Формирование понятий относится к следующему уровню исследований, который является не эмпирическим, а теоретическим. Но прежде мы должны записать результаты эмпирических исследований, с тем, чтобы каждый желающий мог их проверить и убедиться в их правильности. После выдвижения определенной гипотезы (научного предпо­ложения, объясняющего причины данной совокупности явлений) исследование опять возвращается на эмпирический уровень для ее проверки. При проверке научной гипотезы должны проводиться новые эксперименты, задающие природе новые вопросы, исходя из сформулированной гипотезы. Цель — проверка следствий из этой гипотезы, о которых ничего не было известно до ее выдвижения. Если гипотеза выдерживает эмпирическую проверку, то она приобретает статус закона (или, в более слабой форме, закономерности) природы. Если нет — считается опровергнутой, и поиски иной, более приемлемой, продолжаются. Научное предположение остается, таким образом, гипотезой до тех пор, пока еще не ясно подтверждается она эмпирически или нет. Стадия гипотезы не может быть в науке окончательной, поскольку все научные положения в принципе эмпирически опровергаемы, и гипотеза рано или поздно или становится законом или отвергается.

 

 

 

 

 

2. Соотношение эмпирического и теоретического уровней исследования

 

Эмпирический и теоретический  уровни знания различаются по предмету (во втором случае он может иметь свойства, которых нет у эмпирического объекта), средствам (во втором случае это мыслительный эксперимент, метод моделирования, аксиоматический метод и т. д.) и результатам исследования (в первом случае эмпирическое обобщение, во втором — гипотеза и теория). Различие между эмпирическим и теоретическим уровнями исследований не совпадает с различием между чувственным и рациональным познанием, хотя эмпирический уровень преимущественно чувствен, а теоретический преимущественно рационален. Эмпирический уровень в науке не только чувственен, но и рационален потому, что используются приборы, сконструированные на основе какой-либо теории. Теоретический уровень в науке не совпадает с рациональным, поскольку понятие рационального шире и существует не только научная рациональность, но и рациональ­ность иных типов. Теоретическое отличается от рационального также тем, что в состав теоретического уровня входят представления (наглядные образы), которые являются формами чувственного' восприятия. Процесс научного поиска даже на теоретическом уровне не яв­ляется строго рациональным. Непосредственно перед стадией научного открытия важно воображение, создание образов, а на самой стадии открытия — интуиция. Поэтому открытие нельзя логически вывести, как теорему в математике. О значении интуиции в науке хорошо свидетельствуют слова выдающегося математика Гаусса:

«Вот мой результат, но я пока не знаю, как получить его». Результат интуитивен, но нет аргументации в его защиту. Интуиция присутствует в науке (так называемое «чувство объекта»), но она ничего не значит в смысле обоснования результатов. Нужны еще объективные рациональные методы, которые все люди могут оценить. Логика действует на стадии так называемой «нормальной на­уки» в рамках определенной парадигмы для обоснования выдвинутой гипотезы или теории. Однако следует помнить, имея в виду значение логики, что рассуждения в естествознании не являются доказательствами, а только выводами. Вывод свидетельствует об истинности рассуждения, если посылки верны, но не говорит об истинности посылок. Определение также сдвигает проблему значения к определяющим терминам, истинность которых гарантирует опыт. Несмотря на методологическую ценность выделения эмпири­ческого и теоретического, разделить эти два уровня в целостном про­цессе познания полностью невозможно, что показали неудачные попытки в рамках неопозитивизма.

Вопросу соотношения эмпирического  и теоретического уровней исследования посвящено следующее замечание А. Эйнштейна: «Но с принципиальной точки зрения желание строить теорию только на наблюдаемых величинах совершенно нелепо. Потому что в действительности все ведь обстоит как раз наоборот. Только теория решает, что именно можно наблюдать. Видите ли, наблюдение, вообще говоря, есть очень сложная система. Подлежащий наблюдению процесс вызывает определенные изменения в нашей измерительной аппаратуре. Как следствие, в этой аппаратуре развертываются дальнейшие процессы, которые в конце концов косвенным путем воздействуют на чувственное восприятие и на фиксацию результата в нашем сознании» (В. Гейзенберг. Цит. соч.- С. 191-192). Сложное переплетение эмпирического и теоретического уровней познания особенно характерно для наиболее продвинутых областей экспериментальной и теоретической физики.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Понятия «электронная формула» И «электронная схема» строения атома. Правило Хунда. Порядок заполнения электронами энергетических подуровней.

 

Состав соединения изображается в  виде химических формул:эмпирических, электронных и структурных. Электронные  формулы состоят из символов элементов, вокруг которых точками обозначены электроны внешнего уровня, а между атомами – связующие электронные пары. Они показывают порядок соединения атомов  в молекуле, а также природу химической связи и механизм образования молекулы из атомов , а потому часто применяются для объяснения поведения соединений в различных реакциях. Две точки между атомами в электронных формулах обозначают места перекрывания электронных облаков, а значит, и наибольшую плотность связующего двухэлектронного облака.

Итак: распределение электронов в  атоме по энергетическим уровням  и подуровням изображают в виде электронных формул. Покажем как они составляются . Каждый электрон в атоме занимает свободную орбиталь с наиболее низкой энергией, отвечающей его прочной связи с ядром,- принцип наименьшей энергии. С ростом порядкового номера элемента электроны заполняют орбитали и уровни в порядке ворастания их энергий: уровни заполняются от первого к седьмому, а подуровни – в последовательности

s – p – d – f. Последовательность возрастания энергии определена опытным путём и называется  шкалой энергии. В соответствии с ней составляется ряд последовательного заполнения электронами орбиталей атомов элементов периодической системы. Этот ряд, в котором  вертикальными линейками отделены периоды, обозначенные сверху цифрами, имеет вид:

   1      2         3          4               5                 6                      7

   1s|  2s2p|   3s3p |  4s 3d 4p |  5s 4d 5p | 6s 4f 5d 6p | 7s 5f 6d

Очень часто структуру электронных  оболочек изображают с помощью энергетических или квантовых ячеек – это  так называемый электронные схемы. Каждая ячейка обозначается клеткой: клетка – орбиталь, стрелка – электрон, направление стрелки – направление спина (спин упрощённо можно представить как вращение электрона вокруг собственной оси – по часовой и против часовой стрелки. Спаренными называют электроны с противоположными спинами.), свободная клетка – свободная орбиталь, которую может занимать электрон при возбуждении.

 

Согласно принципу Паули в ячейке может быть один или два электрона. В качестве примера приведём схему распределения электронов по квантовым ячейкам в атоме углерода:

 

                             S                 p                    1s²2s²2p¹x2p¹y

↑		↑
↑↓

                        

              n=2    

 

₆C

↑↓

              n=1     

 

 

Правило Хунда (Гунда) определяет порядок заполнения орбиталей определённого подслоя и формулируется следующим образом: суммарное значение спинового квантового числа электронов данного подслоя должно быть максимальным.

 

Это означает, что в каждой из орбиталей  подслоя заполняется сначала один электрон, а только после исчерпания незаполненных орбиталей на эту орбиталь добавляется второй электрон. При этом на одной орбитали находятся два электрона с полуцелыми спинами противоположного знака, которые спариваются (образуют двухэлектронное облако) и, в результате, суммарный спин орбитали становится равным нулю.