ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ
Цитата из одной небольшой дискуссии:
Так вот по моему скромному мнению естественника - важным в природе являются законы природы.
И вот тут мне хотелось бы немного порассуждать об этих самых законах природы. Каковы они? Насколько строгие? И законы ли это?
В разговоре имелись ввиду законы биологии и общественные законы. Но очевидно, что чем глубже в лес, тем толще партизаны. Чем дальше область от фундаментальной, тем больше её законы напоминают сферического коня в вакууме. В ряду физика, химия, биология, экономика, общественные законы, очевидно, строгость и точность уменьшается. Но есть ли вообще строгие законы? В биологии и дальше я полный профан, ну а в физике с химией условный дилетант. Поэтому начну с физики, где, казалось бы, наиболее фундаментальные и строгие законы природы. Для примера возьму простой и понятный закон Архимеда, ну а дальше посмотрим и на другие, а там и к химии с биологией, да и дальше перейдём.
ЗАКОН АРХИМЕДА
Все мы знаем закон Архимеда: Тело, запертое в воду, выпирает на свободу, силой выпертой воды, телом, запертым туды.
Но, насколько он строг? Как говорится, окуните тело в воду, и почувствуете его действие. Но вот ведь какая штука… В невесомости, он не работает. Для его работы нужна сила тяжести, а сила Архимеда направлена против силы тяжести. Нет тяжести, нет и силы Архимеда. По-видимому, тут дело в том, что это на самом деле не закон, а некий частный случай проявления других законов? А каких? Ну тут приходят в голову законы Ньютона. И закон тяготения, о котором позже.
ЗАКОНЫ НЬЮТОНА
До Ньютона считалось, что естественным состоянием тела является покой, а чтобы тело двигалось, нужно приложить силу. Ньютон понял, что это не совсем так, что выражается в его первом законе: если на тело не действуют никакие силы, то тело покоится, или движется равномерно и прямолинейно. Ну примерно так тело движется в космосе вдалеке от массивных тел. А почему в обычной жизни этого не видим? Так силы трения мешают.
А что в космосе, с планетами?
ЗАКОН ТЯГОТЕНИЯ
А ещё Ньютону упало яблоко на башку, ну и он воспользовался открытыми ранее законами Кеплера движения планет. И сформулировал свой закон тяготения: любые тела притягиваются с силой пропорциональной произведению их масс, и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними.
Ну вот, казалось бы, все компоненты собраны, и теперь можно объяснить закон Архимеда, более фундаментальными законами Ньютона. Тут возможны два варианта. В результате наличия силы тяжести, верхние слои жидкости давят на нижние, а поскольку давление есть сила, делённая на площадь, то с глубиной давление в жидкости растёт. Ну и на нижнюю грань погруженного в жидкость тела, действует большее давление чем на верхнюю. Их разница и есть сила Архимеда. Второе объяснение через энергию.
ЭНЕРГИЯ
Сила, умноженная на путь, это работа, а работа, совершённая над телом, меняет его энергию. Кинетическую и потенциальную. При перемещении тела в жидкости вниз, жидкость в объёме тела, перемещается вверх. Энергия перемещения (разность потенциальных энергий в поле тяжести), делённая на путь, и есть сила Архимеда. Очевидно, что она равна весу этой самой выпертой жидкости.
Но если силу можно пощупать, почувствовать, то энергия более абстрактная величина. И понятие энергии появилось гораздо позже понятия силы.
Ну вот, вроде как разобрались с законом Архимеда, но тут пришла беда, откуда не ждали. Он работает, пока жидкость можно считать непрерывной средой.
БРОУНОВСКОЕ ДВИЖЕНИЕ
Если тело, на которое действует выталкивающая сила, уменьшать в размерах, то при определённом размере уже нельзя пренебречь молекулярным строением жидкости, и начинают сказываться удары отдельных молекул. В результате частица движется хаотически, и ни о каком законе Архимеда говорить уже нельзя. Ну сами то молекулы по законам Ньютона движутся? И тут засада. Механика Ньютона непригодна для описания движения микрочастиц. Для описания их движения потребовалась квантовая механика. А сила тяжести? Да и с ней не так гладко. Закон тяготения Ньютона, неплохо работает для слабых полей тяготения и малых скоростей. Для сильных полей и больших скоростей, нужна теория относительности. Ну сами то эти теории, это законы природы?
ТЕОРИИ
Раньше религия играла большую роль, многие учёные были верующими, и считалось, что Бог создал мир и законы управляющие им, а роль учёных открывать эти законы. Как пример, те же законы Ньютона, включая его закон всемирного тяготения, газовые законы, законы термодинамики, законы электромагнетизма. С тех пор, многое изменилось. Среди учёных стало больше атеистов-материалистов, и вместо законов теперь создают теории - модели действительности. Старые "законы" по традиции так и называются законами. Но новых нет. Вместо них теории. Теория относительности, квантовая теория, теория поля. И модели - стандартная модель, например. Законами современные теории вряд ли можно назвать. Все прошлые законы, есть некие частные следствия тех или иных моделей и теорий. Получается никаких строгих законов природы нет.
Ну это в физике. Углубимся в лес.
ХИМИЧЕСКИЕ ЗАКОНЫ
В качестве химических законов можно упомянуть законы постоянства состава веществ (имеются ввиду молекулярные химические соединения), законы массовых и объёмных отношений при взаимодействии веществ, при химических реакциях. Что очевидно связано с молекулярным строением веществ. Но и тут не всё так просто. Не все вещества представлены молекулами, есть нестехиометрические кристаллические и аморфные тела, реакции не идут так как написано в учебниках. Всегда есть побочные продукты и неполное протекание реакций.
Но главный закон химии - периодический закон Д.И. Менделеева. Насколько он строг?
ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЗАКОН МЕНДЕЛЕЕВА
То, что определённая периодичность в свойствах элементов наблюдается, вне всяких сомнений. Более того, исходя из этой периодичности, Менделеев предсказал существование не найденных ранее элементов. Но насколько строг этот закон? Сейчас то мы знаем, что периодичность свойств определяется строением электронных оболочек атома. Имеется главное квантовое число n - номер оболочки, орбитальное квантовое число l - момент импульса, и магнитное квантовое число m - проекция момента на ось z (некую условную).
Химические свойства определяются внешней оболочкой (с самым большим n). Ну и очевидно заполнение внешней оболочки обладает определёнными свойствами периодичности, однако они не так просты. Проследить последовательность заполнения можно по таблице Менделеева.
ТАБЛИЦА МЕНДЕЛЕЕВА
В этой таблице элементы расположены в соответствии со своими свойствами (заполнением электронных оболочек). Заполняется она по строкам. В первой строке всего два элемента, это водород (H), и гелий (He). Здесь заполняется первая оболочка, n=1, а на ней возможны состояния только с l=0 (s электроны). Заполнение второй оболочки (n=2) начинается с лития (Li), за ним идёт бериллий (Be), и на нём заканчивается заполнение s орбитали. Дальше идёт бор (B), у которого пoявляются p электроны (l=1). Заполнение p орбитали заканчивает на инертном газе неон (Ne). Максимальное число s электронов в оболочке равно двум, а p электронов шести, т.е. на четыре больше. И это правило соблюдается и дальше.
Затем идёт элемент натрий (Na), у которого появляется электрон на оболочке 3s. Затем магний (Mg), и идёт заполнение шести электронов 3p орбитали в элементах от алюминия (Al), до аргона (Ar). Пока всё идёт хорошо. На третей оболочке должны появиться d электроны (l=2). Однако вместо заполнения 3d орбитали, начинается заполнение 4s орбитали (калий K). У кальция (Ca) заполняется 4s орбиталь, и со скандия (Sc) начинается заполнение 3d орбитали. Как видно, периодичность получается не такой уж простой. Максимальное количество d электронов на четыре больше, чем p, т.е. десять. Через десять элементов, начинается заполнение 4p орбитали с элемента галлий (Ga), после меди (Cu) и цинка (Zn). И тут наблюдается интересный эффект. Перед медью стоит никель (Ni), у него конфигурация последних оболочек 3d⁸4s², а у следующей меди 3d¹⁰4s¹, т.е. для завершения 3d орбитали, один электрон уходит с 4s орбитали. Не очень-то простая периодичность. А дальше между барием (Ba) и гафнием (Hf) вклинивается 14 f элементов - лантаноидов.
Если очень коротко, то периодичность наблюдается в виде некоторой общей закономерности, но никак не строгого закона природы. И скажем по положению элемента в таблице Менделеева, нельзя точно сказать, каковы будут его химические свойства. Тут очевидно со строгостью законов ещё хуже, чем в физике. А что в биологии?
ЗАКОНЫ БИОЛОГИИ
Тут я вступаю на зыбкую почву, поскольку в физике и химии я дилетант, а в биологии и дальше в лес, я, пожалуй, профанушка-митрофанушка. Тем не менее, кое-что слышал. Ну, чтоб не заблудиться в этом лесу, я буду держаться около более близкой мне биохимической тропинки. Ну какие законы? Например наследственности, Менделя. Он там с горошком экспериментировал, наблюдал расщепление свойств примерно 3:1. Насколько точно и строго? Ну конечно же статистически. Да и то, ему повезло с объектом исследования, он фактически наблюдал сферического коня в вакууме.
Ну может более строгая, "центральная догма" молекулярной биологии? Гены в ДНК, с них снимается копия м-РНК, в цитоплазме плавают аминокислоты, присоединяются к молекулам т-РНК, всё это поступает в рибосому, и там синтезируется белок. Идеальная молекулярная машина. Но идеальная ли? Ошибки репликации ДНК, ошибки транскрипции (снятия РНК копии с гена), ошибка трансляции (не та аминокислота присоединилась к т-РНК, не та т-РНК подошла к кодону с м-РНК), ошибка укладки белка. Результат - около 20% синтезируемого белка содержит хотя бы одну ошибку. Какая доля из этих 20% становится непригодной для выполнения своей функции неизвестно, но количество белка пригодного для выполнения функции синтезируется достаточно для выполнения этой функции.
Да и есть способы передачи информации, не укладывающиеся в центральную догму.
А биологические виды, и их связь с генетикой? По положению элемента в периодической системе, можно лишь весьма приблизительно предсказать его химию. С биологическими видами положение ещё хуже. Их разнообразие гораздо выше, многие характеристики вида обусловлены внешними условиями, но тоже не поддаются предсказанию. Границы между видами часто условны. И тут возникает вопрос, насколько строго биологически определён человек?
ЧЕЛОВЕК
В соответствии с классификацией, место человека среди других биологических видов определено. Но насколько я понял, нет абсолютного, биолого-генетического определения.
Не обнаружено каких-то специфичных человеческих генов, как-то принципиально отличающих его от других животных. Короче, человек, это лишь один из видов животных. Один из видов, но отличающийся от других одним важным эволюционным приобретением - высоким интеллектом. А это в эволюционном плане покруче чем острые когти и зубы. Именно высокий интеллект позволил человеку фактически заселить всю землю, и доминировать над остальными биологическими видами. В остальном же - это обычное животное.
КАРИОТИП
Может человека можно определить примерно, как химический элемент? Химические свойства элемента определяются числом протонов в ядре атома. Ну а человека так же определить по его хромосомам. По их количеству, размеру и форме, что называется кариотипом. У человека 46 (23 пары) хромосом. Может они и определяют человека? Но если ориентироваться только на число хромосом, то найдётся ещё несколько видов с тем же числом хромосом. Лемуры, чёрная антилопа, какие-то неизвестные мне прыгун красный, уакари красный, саки бледный, игрунка такая и сякая, тамарин, и т.д. Полёвка обыкновенная, а попросту хомяк, тоже кстати имеет 46 хромосом. Может мы хомячки?
Может человека определяет более тонкое строение, которое выявляет дифференциальное окрашивание? У нас 46 хромосом, у шимпанзе 48. Сравнение их окрашенных хромосом с нашими, выявляет, что наша втора хромосома образовалась слиянием двух хромосом шимпанзе. Рисунок можно найти в учебнике биологии, или генетики.
О чём я тут хотел сказать? О том, что человек не определён как-то строго и абсолютно, а является лишь одним из видов, возникших в процессе эволюции. При этом, человек представлен одним биологическим видом, но это потому, что он истребил своих ближайших родственников по интеллекту, в частности неандертальцев. Что позволило занять ему особое место среди других биологических видов, но как бы никаким особенным именно этот вид не является, не является он и венцом эволюции.
В плане биологии, одним из больных вопросов, является пол человека.
ПОЛ
Гендер, пол, является скользкой темой, вокруг которой идут идеологические и скрепные битвы. Мол это то, что дано природой, и является неким абсолютом, некой константой. И определён он строго бинарно, или М или Ж. Ну очевидно, что больной темой является пол человека. Пол кошечки или собачки мало кого интересует. У человека пол фактически сакрален, и является составной частью духовных скреп. Но так ли уж точно он определён в биологии? Ну вроде как у человека половой хромосомный набор XX соответствует женскому полу, а XY мужскому. Но есть разные хромосомные отклонения, вроде X0, XXY, XYY и т.д. С учётом этого определение становится менее строгим. Что-то типа: мужской пол определяется наличием хотя бы одной Y хромосомы. Но это у человека. У других видов пол не всегда определяется хромосомами, а при хромосомном определении есть разные варианты. Например: кузнечик XX-Ж, X0-М, птицы, бабочки ZW-Ж, ZZ-М, моль Z0-Ж, ZZ-М. А вообще говоря, биологически, пол имеет смысл лишь в плане размножения, у кого созревают сперматозоиды, а у кого яйцеклетка. Остальные органы являются дополнением к этому. Без размножения вопрос пола вообще теряет смысл. Но так ли уж критичен вопрос размножения для человека? Для животных это основная движущая сила эволюции, основной способ выживания вида. Но даже у животных отнюдь не все особи оставляют потомство. Что до человека, немного отложу этот вопрос.
Менее сакральным и болезненным является вопрос моногамии, хотя конечно он имеет отношение к вопросу размножения, семьи, продления рода. Очевидно, к этому вопросу, в разных обществах различное отношение. А есть ли строгие общественные законы?
ОБЩЕСТВО
Общество развивается в соответствии со своими законами, общественно-экономические формации сменяют друг друга. Производительные силы, и производственные отношения. Прибавочная стоимость, товар-деньги-товар. Но опять же, строгие ли это законы, или некая общая закономерность? Не все страны прошли через все стадии смены формаций. Скорее это некоторая общая закономерность для всей Земли в целом. Кроме этого, одним из законов общества, считается закон ускорения истории. Тут явная связь с историей всей Земли, но об этом позже.
ЭКОНОМИКА
В последнее время были две основные экономические модели: плановая экономика, и рыночная. Похоже плановая экономика показала нежизнеспособность. А в рыночной, законы так же весьма приблизительные: цена регулируется спросом и предложением. Есть масса экономических моделей, Нобелевские премии по экономике, но каждый новый кризис приносит новые сюрпризы, и старые рекомендации уже непригодны для преодоления новых кризисов.
ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ НАСЕЛЕНИЯ ЗЕМЛИ
Это тот вопрос, в котором я снова дилетант, а не полный профан. Здесь я снова встаю на более твёрдую почву, ввиду более глубокого погружения в вопрос. В вопросе динамики численности населения Земли, давно известна общая закономерность - гиперболический закон роста. Этот закон действует на протяжении фактически всей истории человечества. А действует он достаточно хорошо, поскольку тут мы действительно имеем дело с чем-то очень похожим на сферического коня в вакууме. Земля и правда находится в вакууме, и имеет форму близкую к сферической, но речь, конечно, не о форме Земли. Дело в том, что в демографии стран, надо учитывать рождаемость, смертность, иммиграцию и эмиграцию, экономические условия в стране. А Земля в целом изолирована, нет никаких потоков людей с Земли или на Землю. Опять же усреднение по всем странам. Так что закономерность достаточно хорошо выполняется. И она, кстати, свидетельствует об объективности процессов развития общества, и объективной стадии развития - капитализме. И закон ускорения истории, напрямую связан с гиперболическим законом роста. Гиперболический закон роста, обеспечивает более быстрый рост, чем экспоненциальный закон, по которому растёт численность животных, если появляется избыток пищевого ресурса. Человек сам создаёт себе ресурс, и технологии жизнеобеспечения. В частности, гиперболический закон обусловлен не тем, что люди по мере увеличения численности, начинают больше оставлять потомства, а с тем, что уменьшается детская смертность. Большая доля потомков выживает, и доживает до половой зрелости, оставляет своих потомков. Этот закон отличает нас от животных.
ДЕМОГРАФИЧЕСКИЙ ПЕРЕХОД
Но у гиперболического закона есть одна неприятная особенность. Происходит неограниченный рост на ограниченном промежутке времени. Есть точка сингулярности, и по старым оценкам эта точка примерно в 2025г. Очевидно, что гиперболический рост должен закончиться раньше, и перейти в какой-то другой. Об этой проблеме написано ещё в книге Шкловского "Вселенная, жизнь, разум". Там сказано следующее: если бы рост населения следовал гиперболическому закону и дальше, то около 2030г население земного шара стало бы бесконечно большим. Книга 1965г, когда ещё не было никаких признаков отклонения от гиперболического закона, да и впереди вроде как коммунизм маячил. И вариант решения там предлагался такой: преодолев социальные кризисы, человечество может обеспечить "нормальный" экспоненциальный рост народонаселения, и катастрофическое перенаселение человечеству угрожать не будет. Ну типа как бы коммунизм решит все проблемы. С.П. Капица подошёл к вопросу иначе, применив фактически синергетический подход. Гиперболический рост соответствует процессам с обострением. Для устранения расходимости он добавил в выражение для скорости небольшой параметр, что перевело гиперболу в арккотангенс, который вместо неограниченного роста выходит на плато. Полученная зависимость хорошо описывает наблюдаемые данные по численности, а смена режима с ускоренного роста на выход на плато, названа демографическим переходом. Максимум абсолютной скорости прироста численности населения был примерно в 1995г, в 80 миллионов в год.
Итак, тут вроде как наблюдается закон роста численности, довольно хорошо описываемый количественно, но опять же, это скорее закономерность, чем строгий закон.
УСКОРЕНИЕ ИСТОРИИ
Ускорение исторического времени, сокращение длительности исторических эпох хорошо известный факт. Называется это дело сингулярность Дьяконова, по имени историка, впервые указавшего на это. Он заметил, что длительность исторических фаз сокращается по определённому закону, и имеет точку сгущения. Не будучи математиком, Дьяконов не дал количественного анализа этого экспоненциального развития и оставил без ответа важнейший вопрос: когда следует ожидать появления точки сингулярности? По прикидкам по его данным получается примерно 2022г. Примерно та же дата получается при описании гиперболического роста. Однако уточнение Капицы приводит к идее демографического перехода, который сейчас и происходит.
Связь укорочения циклов истории с гиперболическим законом, примерно следующая: количество людей, живших в каждом цикле, которое может быть получено интегрированием гиперболического закона, одинаково. Грубо говоря, каждый этап истории, каждый этап связанного с ней научно-технического прогресса, двигает примерно одинаковое количество людей. Что представляется разумным.
Но далее, динамика взрывного роста сменяется демографическим переходом. И как я понимаю, если в процессе гиперболического роста, вопрос размножения и увеличения численности был ключевым, то сейчас режим сменился и происходит стабилизация численности. И вопрос размножения, большого количества потомства, уже не является критичным.
ВЫВОДЫ
Ну, как мы видим, строгих законов природы вроде как не наблюдается. Есть определённые закономерности. И часто выводы из этих закономерностей, не всегда соответствуют духовным скрепам. Скрепы ориентированы в прошлое, но сейчас режим динамики численности изменился, происходит демографический переход. И многие скрепы, и прошлые законы и правила, не подходят для будущего.