Естествознание – начало наук и оценка их значимости

I. Естествознание – неотъемлемая часть Культуры

II. Промышленная цивилизация. Упадок Естествознания

III. Механические свойства твердых тел мантии и коры качественно различны.

IV. Заключение

I.

Накопленные отдельным человеком знания легко утрачиваются, если они не становятся достоянием многих. Человеческая речь не только сделала общедоступными приобретенные знания отдельными людьми, но подготовила, таким образом, средство сохранения этих знаний для новых поколений. Именно слова, обозначающие предмет или действие, явление или процесс, то, что вне нас, или то, что в нашей душе, сделали ощутимым тот мир, где воображение рождает соответствующий слову образ. Мир каждого человека индивидуален, так что рождаемые одним и тем же словом образы различны и совпадают лишь в главных чертах. Уже простое бытовое общение людей требует от собеседников дополнительных усилий для понимания сказанного. Смысл отдельного слова уточняется фразой, суждением, содержанием повествования. А последнее будет понято, если нам известен автор и его мировоззрение.

Неоднозначность слов в современных национальных языках стала нормой, что благотворно сказалось на развитии интеллекта, рождая ассоциации и возбуждая воображение. Язык приобрел способность легко осваивать новое знание, сводя к минимуму употребление профессиональных терминов. Грамматика, закрепляя правила употребления и согласования слов, вносит упорядоченность и в пространство образов и понятий.

В языке находит отражение вся национальная культура – то духовное пространство, в котором зреет самосознание личности. Стимулируя творчество, впитывая мировое культурное наследие, язык помогает сохранить целостность и неповторимость национальной культуры.

Несколько тысячелетий до н.э. люди на всей нашей планете начали активно осваивать природную среду, обустраивая пространство своего обитания. Уже на этом этапе человек ощутил полезность Знаний. Владеющие ими приобретали власть над людьми и образовывали замкнутые общества, вступлению в которые предшествовало длительное обучение и испытания. Посвященные таким образом являлись хранителями Знаний, оберегая их от невежественного толкования.

В те далекие времена вряд ли стоит выделять Естествознание. Одухотворение природы способствовало целостному восприятию окружающего человека мира и гармония в нем свидетельствовала о творчестве богов.

В первом тысячелетии до н.э. культурное пространство или Культура в центрах древних цивилизаций приобретает строение, которое сохраняется и ныне: Европейская культура наследовала культуру Средиземноморья. Она вместила все многообразие интеллектуального творчества: все виды искусств, религию, философию и науки. Об искусстве и философии напоминать нет нужды, а некоторые научные достижения все-таки отметим. Разработана идея атомного строения материи, определены форма и размер Земли, предложена гелиоцентрическая модель Солнечной системы. Физика Аристотеля, обобщающая результаты наблюдения природных явлений и процессов, на протяжении почти тысячи лет служила просвещению человечества. Наука и Естествознание были неразделимы. Наука занимает достойное место в культурном пространстве, но главенствуют в нем все-таки религиозные учения о тайне бытия и смерти, о назначении человека на этом свете.

Вера в единого Бога, олицетворяющего Разум вселенной, усилила интерес к внутреннему миру человека. Учение Христа, обращенное ко всем людям, возвеличившее Разум и законы нравственности, оказало огромное влияние на Культуру. Традиция кастовой замкнутости жрецов была прервана: каждый, уверовав в Бога, обретал надежду воссоздать царство Божие в себе самом. На протяжении веков многие сильные умы искали Истину, не опытом постигая суть вещей, а через "откровения", что подготовило будущие абстрактные исследования в науках.

Начиная со средних веков н.э. усиливается опытное изучение вещественной природы, обогащая новым знанием физику и химию, а, начиная с Галилея и Ньютона закладываются основы современной механики и математики. Казалось, наступает золотая пора для Естествознания, но промышленная цивилизация, активно поддержав науку, отодвинула интересы Культуры на задний план.
 

II. 

Высокая производительность промышленных предприятий достигалась за счет разделения труда и узкой специализации исполнителей. Специализация быстро проникла во все области производственной, а затем и исследовательской деятельности. Созидание материальных ценностей осуществлялось руками людей, лишенных возможности творческого участия в производственном процессе. Число творчески мыслящих людей сокращалось. Можно было надеяться, что интенсификация научной деятельности даже в условиях узкой специализации компенсирует сужение творческой базы на производстве. Но этим надеждам не было суждено сбыться. Результаты исследований, полученные при решении частных задач, в большинстве случаев не имели ценности для Культуры, а иногда, когда возникали обещающие открытия следствия, на их исследования не было ни средств, ни времени.

Востребованные промышленным производством и поэтому хорошо оплачиваемые научные результаты, нередко без достаточных оснований, высоко оценивались как значимые для Культуры. Изложенный специальным языком научный результат неприемлем для Естествознания. Ведь все термины и условности, методы доказательства и область применения результатов исследования известны только профессионалу и скрыты от непосвященных. Осуществить "перевод" со специального на национальный язык, который один только способен представлять Знания в культурном пространстве, непросто. Нужен не популярный пересказ, который примитивному толкованию придает значимость употреблением научных терминов. Необходимо натурфилософское осмысление научного результата и извлечение Знания, которым может воспользоваться непрофессионал.

Лишенное притока достоверных знаний со стороны науки, Естествознание утратило свое влияние на Культуру и Просвещение. Мощь промышленного производства породила иллюзию безграничного могущества человека, ограниченного разве только ресурсами планеты.

Естествознание призвано восстановить истинную шкалу ценностей и напомнить людям, что среда обитания человека находится во власти природных стихий, с которыми необходимо сотрудничать.

Прежде чем люди начали размышлять о значении Естествознания в жизни человечества, они стали свидетелями варварского отношения человека к Природе. Исчезновение отдельных видов животного и растительного мира, потеря плодородия почв, опустынивание территорий, загрязнение водоемов, разрушение природных ландшафтов – все это почти с неизбежностью сопровождало обустройство человеком среды обитания. В эпоху промышленной цивилизации настолько возросло потребление минерального сырья и топлива, что стали угрожающе малыми сроки исчерпания этих невосполнимых ресурсов планеты. Накопление радиоактивных отходов атомной промышленности дало основание говорить об экологическом кризисе, о неразрешимых экологических проблемах – так обозначились негативные последствия человеческой деятельности на Земле.

Попытки ограничить промышленную деятельность и обязать предприятия восстановить нарушенные земли успеха не имели. Многочисленные конференции на всех уровнях вплоть до международных по защите окружающей среды кардинальных решений кризисных проблем не выработали. Сегодня человеческое сообщество с опасением ожидает ответную реакцию Природы на неразумную человеческую деятельность. Теперь уместно признаться в невежестве. Пренебрежение Естествознанием не позволило своевременно оценить отдаленные негативные последствия промышленной цивилизации. Покаяние – путь к исправлению.
 

III. 

Во Вселенной именно гравитация – взаимное притяжение всех материальных тел – и электромагнитное излучение, пронизывающее ее на всю глубину, являются объединяющими началами. Несомненно, оба этих начала сыграли свою роль в создании благоприятных условий для биологической жизни на Земле.

Справедливо отдавая первенство огромному потоку солнечной энергии, кажется, Естествознание недооценивало роль гравитационных сил в жизни Земли. Здесь нет необходимости обсуждать процессы формирования звезд и планет, где притяжение играет главную роль. Но и после образования Солнечной системы ее эволюция продолжается. Эволюция планетарной системы связана с изменением орбит. Это может произойти, если, двигаясь по своей орбите в галактике, Солнце попадет в облако частиц, столкновение с которыми изменит скорость планет. Но это внешнее по отношению к Солнечной системе воздействие. Эволюция предполагает присутствие внутренних мотивов. Сближению планет с Солнцем препятствует центробежная сила, обусловленная их вращением вокруг него. Так как силы тяготения направлены по линии, соединяющей центры масс, они не могут изменить среднюю скорость вращения: не только на круговой орбите, но и на эллиптической. Разгоняясь при сближении с центром тяготения, планета тормозится при удалении.

Оказывается эволюция Солнечной системы и изменение орбит планет возможны и происходят в нашем мире благодаря тому, что планеты в поле силы тяжести других небесных тел деформируются, изменяют свою форму и распределение масс в своих недрах.

Возникновение сил приливного трения в телах, вращающихся друг относительно друга, поясним на примере. Земля и ее спутник Луна вращаются около общей оси, которая находится на расстоянии ~ 5000 км от центра Земли. Таким образом, при движении вокруг Солнца Земля и Луна с периодом ~ 29 суток колеблются: то приближаясь к Солнцу, то удаляясь. Центробежная сила в центре Земли и сила притяжения Луны уравновешены. Полушарие, обращенное к Луне, притягивается сильней, а тыльное – слабее, чем центр. В результате Земля слегка вытягивается по линии действия силы притяжения Луны, ее поверхность на суше приподнимается с лицевой и тыльной стороны примерно на 0,5 м. Направление вращения Земли вокруг собственной оси и направление вращения Луны вокруг Земли близки между собой, а по величине скорость вращения Земли в 29 раз больше. Поэтому приливы, изменяющие форму Земли, оставаясь "привязанными" к Луне, бегут по поверхности Земли навстречу ее движению. Вследствие вращения максимальная амплитуда смещения в приливной волне несколько запаздывает по отношению к действию максимального притяжения на поверхности.

Связанное с приливной волной перераспределение масс в земных недрах создает в гравитационном поле Луны момент сил, который тормозит вращение Земли и увеличивает энергию Луны, которая удаляется ежегодно примерно на 3 см.

Притяжение Солнца также создает приливную волну на поверхности Земли, несколько меньшей амплитуды, и заставляет меняться орбиту Луны.

Приливный механизм взаимодействия небесных тел связывает эволюцию их движения в космическом пространстве с движением масс в недрах. В случае взаимодействия Земли и Луны именно механические свойства вещества в земных недрах определяют темпы эволюции Лунной орбиты. В то же время приливное трение в недрах Земли перемещает большие объемы друг относительно друга за счет энергии вращения планеты. В настоящее время кинетическая энергия вращения Земли равна ~ 10³⁶ эрг.(1 эрг – это энергия 1г массы при скорости 1 см/с) Лунные приливы ежегодно уменьшают энергию вращения на одну миллиардную долю.

Большой запас кинетической энергии, полученный Землей при ее формировании, создает предпосылки для активного участия механического движения в эволюционном процессе. Этому способствовало наличие у Земли такого крупного спутника – Луны. За год приливные волны, вызванные Луной, потребляют ~ 10²⁷ эрг на деформационные процессы в Земных недрах.

Хотя в общих чертах механизм торможения приливными волнами вращения Земли ясен и силы гравитации могут быть рассчитаны для любых распределений масс, движение, вызываемое этими силами, остается неопределенным. Дело в том, что изменение формы планеты, связанное с перемещением масс и деформацией горных пород, может осуществляться разными способами. Выбор делает сама Природа, учитывая строение поверхностного слоя и его механические свойства. Разумеется за миллионы лет оптимальный вариант движения масс в приливной волне был закреплен в сложившихся геологических структурах и в большинстве случаев мы имеем дело уже не с хаосом, а упорядоченным движением, но не одинаковым в разных регионах. В этом суть созидательных природных процессов – они воспроизводят разнообразие структур. Питаемые за счет энергии вращения Земли воспроизводимые структуры в свою очередь вызывают движение в структурах, все менее крупных.

Наличие в земных недрах объемов с разной плотностью создает условие для дифференциации вещества под действием силы тяжести: легкие объемы всплывают, тяжелые тонут. Таким простым способом реализуется энергия, которая обусловлена взаимным притяжением тел в недрах планеты, обозначаемая как гравитационный потенциал.

За время существования Земли в ее центре образовалось однородное ядро с плотностью, в два раза превышающей среднюю плотность планеты. Радиус ядра ~ 3000 км и равен половине радиуса Земли. Одновременно вблизи поверхности скопились горные породы, плотность которых примерно вдвое ниже средней.

Изначально гравитационный потенциал Земли был настолько велик, в тысячу раз превышая кинетическую энергию вращения Земли вокруг оси, что об исчерпании этого источника энергии не может быть и речи в ближайшие миллиарды лет.

Итак, образование Солнечной системы, упорядоченность движения планет выдвигает на первый план приливный механизм взаимодействия небесных тел. Теперь эволюция планетной системы и самих планет определяется движением масс в недрах планет. Механическое движение осуществляется за счет энергии планеты, которая запасена в виде кинетической энергии и гравитационного потенциала. Постоянное перемещение масс в земных недрах воспроизводит все разнообразие геологических структур и обеспечивает стабильный вещественный состав атмосферы и гидросферы. Но здесь невольно возникает сомнение: может ли все это происходить в твердой среде ? Уж очень непривычно поведение твердой среды и трудно совместимо с бытовым восприятием твердого тела. А если все обстоит так, как выше было сказано, то в чем причина, рождающая эти различия в свойствах твердых тел, знакомых человеку с давних времен. Главная причина в том, что движения в недрах Земли происходят очень медленно. Об особенностях динамики медленных процессов пойдет речь ниже.

В движущемся теле кинетическая энергия распределена между его частями пропорционально массе. Силы тяготения действуют на каждую частицу в какой бы среде она ни находилась. Если тело свободно движется в пространстве с заданной скоростью, то в нем не возникает относительное перемещение частей тела. Не возникает относительное перемещение частей и при движении с ускорением, если оно вызвано постоянной силой тяготения (тяготение и инерция одинаково воспринимают массу тела). Во всех других случаях усилия, действующие на тела, передаются через контакты с другими телами. Изменение скорости движения тела при воздействии на него контактной силы не может уже происходить одинаково во всех его частях и относительное смещение их неизбежно. Так при столкновении поездов разрушаются более всего головные вагоны. Это происходит потому, что

первый вагон тормозится резко, а последующие, по очереди наталкиваясь на стоящие вагоны и сжимая их, удлиняют путь торможения. То же самое имеет место и в сплошном сжимаемом теле: силовое усилие от точки контакта с препятствием передается со скоростью упругих волн в материале тела. Скорость упругих волн указывает на существование границ области взаимосвязанных событий в сплошных средах. Ее же удобно выбрать в качестве масштаба скорости движения (сверхзвуковой самолет, сверхзвуковые течения газа и т.д.).

В колебательных и волновых движениях потенциальная ( в том числе и упругая) энергия периодически переходит в кинетическую и обратно (обычный маятник или движение небесных тел по эллиптическим орбитам около центра притяжения).

Динамическое взаимодействие тел или частей одного тела предполагает наличие у них кинетической энергии. Силам, действующим на тело, противостоят не только упругие силы, вызванные деформацией тела, но и силы инерции. В отличие от этого общепринятого понимания динамики, при медленном движении в земных недрах кинетической энергией и инерцией движущихся масс можно пренебречь. Так, относительное движение тел в приливной волне, питаемое за счет кинетической энергии планеты, само кинетической энергией не обладает. Дело в том, что относительное движение масс вызывается либо силой земного тяготения, либо действием приливных сил. Объемы разной плотности испытывают разное силовое воздействие и начинают смещаться друг относительно друга. При этом в каждый момент времени силы трения на границах этих объемов уравновешивают гравитационные силы, точнее, разность сил тяжести, действующих на соседние объемы. В результате относительная скорость смещения и силы трения остаются постоянными во времени. Скорость относительного смещения в земной коре обычно не превосходит 10 см/год. Разумеется, количественные оценки в каждом конкретном случае нуждаются в уточнении на основе описания геометрии геологических структур.

Итак, даже постоянное земное притяжение может вызвать относительное перемещение масс в сплошной твердой среде, если в ней имеются объемы, отличающиеся по плотности. Силы, которые препятствуют погружению более тяжелых объемом и всплыванию более легких, возникают только с началом движения. В упругом теле, вблизи границы, эти силы вызывают сдвиговую деформацию (искажение формы тела) без изменения объема и, следовательно, плотности материала. В упругом теле напряжения изменяются пропорционально деформации и большие смещения возможны только после разрушения материала, когда внутренние напряжения достигают предела прочности. Однако эта эмпирическая закономерность не является универсальной. Она была найдена при скоростях деформирования, которые типичны для инженерной практики.

Давно было замечено, что в любом монолитном твердом теле происходит затухание колебаний. Это свидетельствовало о потере упругой энергии при многократном превращении ее в кинетическую и обратно. Среди многих путей рассеяния упругой энергии наиболее значимым для характеристики свойств твердого тела является отвлечение ее на деформирование структурных неоднородностей. Обычно в их окрестности при деформировании тела возникают избыточные напряжения (по сравнению со средними), которые пропорциональны скорости деформации (а не ее величине) и которые имеют свойство ослабляться самопроизвольно со временем. Время ослабления напряжений на неоднородностях пропорционально размеру зоны избыточных напряжений и обратно пропорционально скорости релаксации, которая для горных пород равна ~ 2.10^-6 см/с. Число неоднородностей разного размера в единице объема определяется путем измерения затухания колебаний разной частоты. Оказалось, что каждой частоте колебаний соответствуют определенные размеры неоднородностей, поглощающих упругую энергию. Суммарный объем неоднородностей одного размера в твердом теле обычно составляет доли процента объема тела. Соответственно мал и вклад избыточных напряжений на этих неоднородностях в напряженное состояние упругого тела. Поэтому они были оставлены без внимания в тех областях механики, где колебания не играли главную роль. Вместе с тем, неоднородности материала часто способствуют образованию зародышей трещин и последующему разрушению материала. При постоянной скорости деформации избыточные напряжения на неоднородностях постоянны. Величина их пропорциональна размеру неоднородности.

Если в безграничной среде выделить объем определенного размера, то в нем, как правило, будут отсутствовать неоднородности, размер которых соизмерим с объемом тела (расстояние между неоднородностями одного размера во много раз больше их самих). Это значит, что при снижении скорости деформации выделенного объема можно достичь состояния, когда в теле не будет неоднородностей с большими избыточными напряжениями. Суммарный объем неоднородностей всех размеров, в окрестности которых релаксирует напряжение сдвига, в крупных телах соизмерим с его объемом.

Механические свойства такого твердого тела необычайны. Первостепенное значение приобретает структура: находятся ли по-прежнему объемы с релаксирующим напряжением в упругом теле или упругие элементы оказались разделенными и находятся в окружении "жидкой" среды, где сдвиговые напряжения отсутствуют. Переход от одной структуры к другой может совершаться при одном и том же соотношениии объемов "твердой" и "жидкой" фазы.

Если выделить слой между двумя блоками, смещающимися друг относительно друга, то механические свойства сплошного твердого тела в слое будут зависеть от скорости смещения. При скоростях менее

~ 10 см/год материал в слое не будет терять сплошность, так как будет находиться в двухфазном состоянии; при больших скоростях в слое образуется множество трещин, которые объединятся в одну большую. Разрушающие материал силы, отнесенные к площади смещения, не будут при этом превышать 10кГ/см², что примерно в 100 раз меньше напряжений, которые необходимы для разрушения горных пород на поверхности Земли.

То, что в земных недрах твердая среда обладает малой "прочностью", высокой подвижностью, несомненно, важно. Но для специалистов в геомеханике важно также, что в земных недрах механические свойства среды зависят от скорости относительно смещения объемов, что в свою очередь определяет структуру самой среды. Лишний раз приходится убеждаться, что в живой природе невозможно свойства материальных тел определять независимо от процессов, в них происходящих.

Устойчивость геологических структур обязана интенсивному движению масс в земных недрах. С уменьшением скорости относительного движения силы взаимодействия движущихся объемов уменьшаются до нуля. В этом состоянии среда готова откликнуться на сколь угодно слабые воздействия, что является показателем абсолютной неустойчивости. Земная твердь – весьма зыбкое основание нашего обустроенного мира. Замедленная реакция земных недр на антропогенное воздействие не является признаком устойчивости, так что пренебрежение динамикой медленных движений может отозваться через многие годы катастрофическими последствиями. Утверждения, что с уменьшением скорости относительного смещения силовое взаимодействие движущихся объемов стремится к нулю, справедливо только для среды стационарно деформируемой. Если же материал той же среды в течение длительного времени не деформировался, то он приобретает известные свойства твердого тела: требуются большие усилия для достижения заметных деформаций и твердое тело при этом распадается на куски.

Итак, твердотельная среда по-разному ведет себя под нагрузкой в зависимости от скорости деформирования и переход от одного состояния в другое в одном и том же месте может определяться глобальными деформационными процессами. Не исключено и обратное влияние: локальные изменения свойств среды могут изменить эволюционные процессы в регионе.

Геомеханика изменила представления о свойствах твердых тел в недрах Земли и выявила созидательные возможности медленного движения в эволюционном процессе. Эти достижения открывают новые пути сотрудничества Человека и Природы. Только Естествознание поможет человеку преодолеть экологический кризис и выбрать на каждом этапе стратегию воспроизводства среды обитания.
 

IV. 

Ныне наряду с обустроенной частью материального мира необходимой человеку средой обитания является культурное пространство, где зреет самосознание человека и его отношение к миру.

Культура - ответственна за выбор путей развития человечества. Естествознание составная часть или одно из подпространств многомерного духовного мира. Каждый шаг в освоении окружающего человека материального мира предполагает следующие действия: выделение значимых для среды обитания природных объектов или явлений; профессиональное изучение их; натурфилософское осмысление результатов и каноническое толкование для непрофессионалов.

Все эти действия опираются на культурное наследие: и мотивы выбора, и методика изучения, и согласование со структурой культурного пространства.

Значительными признаются те шаги в освоении материального мира, которые увеличивают размерность пространства среды обитания.

Богатство Культуры столь всеобъемлюще, что становится возможным открытие новых граней среды обитания не только в духовной, но и в материальной сфере не прибегая к опыту.

Промышленная цивилизация принудила научные организации служить техническому прогрессу в области производства материальных благ, отвлекла ученых от решения мировоззренческих проблем, обманула народы, утверждая всемогущество науки.

Естествознание утратило свои позиции в сфере Культуры.

Культура охватывает все виды интеллектуальной деятельности и подобно живому организму способна к воспроизводству. Она имеет свой собственный ритм развития, периоды которого обозначены именами великих творцов. Их подвиг в том, что они осветляют духовное пространство и воспроизводят основополагающие идеи на языке их эпохи.

Сегодня воспроизводство жизни на Земле нуждается в руководстве со стороны Культуры. Важную роль в этом деле должно сыграть Естествознание как целостное учение о среде обитания человека на Земле.

На нашей планете продолжается активный созидательный процесс: изменяется рельеф, гидродинамические потоки, вихри в атмосфере и этот почти стационарный режим обеспечен практически неистощимым запасом внутренней энергии планеты, не говоря уже о потоке солнечной энергии. И если при этом сохраняются условия для существования биосферы, то это является следствием динамического равновесия в природе. Механизмы поддержания равновесия между поступлением и расходом энергии и устойчивости химического состава при интенсивном кругообороте вещества еще не вполне ясны и, очевидно, не могут быть познаны на эмпирическом уровне. Все подобные суждения еще не восприняты Культурой и мало влияют на общественное сознание и поведение людей. Рожденные нашей цивилизацией группы специалистов, объединенные профессиональным языком, стремились скорее к кастовой замкнутости, чем к просветительской деятельности.

Чтобы вписаться в общечеловеческую Культуру, нужно в каждой из областей науки суммировать знания в виде соответствующих учений, изложенных на каком-либо национальном языке, понятным для непосвященных в профессиональные "тайны".

Активная роль Естествознания в духовной сфере – необходимое условие достижения гармонии Человека и Природы.