Критерий фальсификации К. Поппера

В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, включая, собственно, измеряемые величины. Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей книга может сдвинуться со своего места, и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (и, в данном случае, совершенно правильно), что акт измерения не влияет на измеряемые свойства объекта измерения. А теперь задумайтесь о процессах, происходящих на субатомном уровне. Допустим, мне нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Мне по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у меня нет. И, если предположение о том, что свет, вступая во взаимодействие с книгой, на ее пространственных координатах не сказывается, относительно взаимодействия измеряемого электрона с другим электроном или фотонами такого сказать нельзя.

В начале 1920-х годов, когда произошел бурный всплеск творческой мысли, приведший  к созданию квантовой механики, эту  проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Начав со сложных математических формул, описывающих мир на субатомном уровне, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле, дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира, о котором мы только что говорили. В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем:

неопределенность  значения координаты x неопределенность скорости > h/m,

математическое  выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга:

Δx х Δv > h/m

где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка, названная так в честь немецкого физика Макса Планка, еще одного из основоположников квантовой механики. Постоянная Планка равняется примерно 6,626 x 10^–34 Дж·с, то есть содержит 33 нуля до первой значимой цифры после запятой.

Термин  «неопределенность пространственной координаты» как раз и означает, что мы не знаем точного местоположения частицы. Например, если вы используете  глобальную систему рекогносцировки GPS, чтобы определить местоположение этой книги, система вычислит их с точностью до 2-3 метров. (GPS, Global Positioning System — навигационная система, в которой задействованы 24 искусственных спутника Земли. Если у вас, например, на автомобиле установлен приемник GPS, то, принимая сигналы от этих спутников и сопоставляя время их задержки, система определяет ваши географические координаты на Земле с точностью до угловой секунды.) Однако, с точки зрения измерения, проведенного инструментом GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах указанных системой нескольких квадратных метров. В таком случае мы и говорим о неопределенности пространственных координат объекта (в данном примере, книги). Ситуацию можно улучшить, если взять вместо GPS рулетку — в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора, — и в самом лучшем случае нам удастся определить пространственное положение объекта с точностью до минимального деления шкалы. Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность. В принципе, в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и определить точные координаты книги можно.

И тут мы подходим к самому принципиальному  отличию микромира от нашего повседневного  физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).

В мире квантовых  явлений, однако, любое измерение воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и наоборот). Вот почему в правой части соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δx), тем более неопределенной становится другая переменная (Δv), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.

На самом  деле, принцип неопределенности связывает не только пространственные координаты и скорость — на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной мере неопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристик микрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможности безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она обладает этой энергией. То есть, если мы проводим измерение состояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, это измерение займет некоторый отрезок времени — назовем его Δt. За этот промежуток времени энергия системы случайным образом меняется — происходят ее флуктуация, — и выявить ее мы не можем. Обозначим погрешность измерения энергии ΔЕ. Путем рассуждений, аналогичных вышеприведенным, мы придем к аналогичному соотношению для ΔЕ и неопределенности времени, которым квантовая частица этой энергией обладала:

ΔЕΔt > h

Относительно  принципа неопределенности нужно сделать  еще два важных замечания:

он не подразумевает, что какую-либо одну из двух характеристик  частицы — пространственное местоположение или скорость — нельзя измерить сколь угодно точно;

принцип неопределенности действует объективно и не зависит от присутствия разумного субъекта, проводящего измерения.

Иногда  вам могут встретиться утверждения, будто принцип неопределенности подразумевает, что у квантовых  частиц отсутствуют определенные пространственные координаты и скорости, или что эти величины абсолютно непознаваемы. Не верьте: как мы только что видели, принцип неопределенности не мешает нам с любой желаемой точностью измерить каждую из этих величин. Он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то, и другое одновременно. И, как и во многом другом, мы вынуждены идти на компромисс. Опять же, писатели-антропософы из числа сторонников концепции «Новой эры» иногда утверждают, что, якобы, поскольку измерения подразумевают присутствие разумного наблюдателя, то, значит, на некоем фундаментальном уровне человеческое сознание связано с Вселенским разумом, и именно эта связь обусловливает принцип неопределенности. Повторим по этому поводу еще раз: ключевым в соотношении Гейзенберга является взаимодействие между частицей-объектом измерения и инструментом измерения, влияющим на его результаты. А тот факт, что при этом присутствует разумный наблюдатель в лице ученого, отношения к делу не имеет; инструмент измерения в любом случае влияет на его результаты, присутствует при этом разумное существо или нет.

Экологическая функция литосферы

Возрастающее внимание во всем мире к проблемам экологии вызвано обостряющимися экологическими проблемами глобального масштаба. Острота  этих проблем еще не осознана человечеством. Нередко острейшие экологические проблемы сводятся лишь к загрязнению и изменению атмосферного воздуха, водной среды, сохранению растительных сообществ и животного мира. В то же время все эти компоненты природы тесно взаимосвязаны с внешней оболочкой планеты - литосферой. Решение экологических проблем невозможно без изучения литосферы – внешней оболочки Земли. Литосфера является материальной литогенной основой биосферы – сферы живого вещества. Именно в литосфере формируются почвы, ландшафты, биосообщества. В настоящее время литосфера существенно изменяется в процессе хозяйственной деятельности человека. По этой причине в геологии сформировалось новое направление – экологическая геология или экогеология, изучающая качества литосферы в совокупности с ее экологическими функциями.

До 80-х годов прошлого столетия об экологических проблемах  литосферы не упоминалось. Однако вскоре глобальный экологический кризис все  более стал проявляться в верхних  слоях земной коры. По этой причине  в геологии постепенно стали акцентировать внимание на экологических проблемах. Экологическая геология зародилась в недрах инженерной геологии, изучающей свойства и динамику верхних горизонтов земной коры в связи с инженерно-хозяйственной деятельностью человека (по определению И.В. Попова). Задачи инженерной геологии первоначально охватывали достаточно узкий спектр вопросов, например, в сфере строительства, в т.ч. геологическое обоснование проектов зданий, дорог, карьеров, плотин, ГЭС, и т.д. Поэтому инженерная геология была чрезмерно антропоцентричной, учитывала только экономическую прибыльность того или иного хозяйственного проекта, оставляя без внимания экологическую составляющую вопроса.

Со временем такое  положение стало меняться, т.к. все  более осознавалась связь между  геологической средой и человеческим обществом. Благодаря этому фактору впоследствии в инженерной геологии стало разрабатываться направление, исключающее негативные последствия инженерной деятельности человека в литосфере.

Перед инженерной геологией  были поставлены задачи защиты геологической среды и вопросы рационального использования ресурсов литосферы. В это время зародилось новое направление в инженерной геологии - инженерная геоэкология, наука, занимающаяся практическими и теоретическими вопросами экологии верхних горизонтов литосферы. Так инженерная геоэкология передала эстафету более универсальной науке — экологической геологии, изучающей вопросы экологии литосферы и различных геосфер Земли в их взаимосвязи.

Большой вклад в формирование экологической геологии внесли работы В.И. Вернадского по геохимии биосферы. Учение Вернадского о геосферах Земли привнесло серьезный стимул для дальнейших исследований в развитии новой науки.

И, наконец, только к концу 20-века появилось осознание того, что методами инженерной геологии нельзя решить глобальных экологических проблем литосферы. Появилась необходимость в разработке следующих наук:

• экологической геохимии: для изучения вопросов загрязнения литосферы и миграции в ней элементов с точки зрения их влияния на экосистемы;
• экологической геофизики: для изучения физических полей литосферы Земли с точки зрения их влияния на экосистемы;
• экологической гидрогеологии: для изучения вопросов загрязнения подземных вод.

Все вышеперечисленные  науки объединились сегодня в  одну большую науку - экологическую геологию.

Взаимосвязь экологической геологии с естественными науками

Экологическая геология находится на стыке экологических  и геологических дисциплин

Экологическая геология - это синтез двух взаимосвязанных  наук: геологических и экологических, куда входят также естественные, точные, медицинские и социально-экономические дисциплины. Центральную часть в ней занимает геоэкология – междисциплинарное научное направление, изучающее экологические аспекты взаимодействия природы и общества (Ясаманов, 2003)

Структура экологической геологии

Экологическая геология развивается по принципу «экологизации» основных разделов геологии и включает дисциплины, с экологических позиций  изучающие:

• состав и свойства Земли (экологическая петрология, геохимия, гидрогеология, геофизика);
• геологические процессы (экологическая геодинамика);
• роль органической жизни в формировании литосферы и месторождений полезных ископаемых (экология литогенеза и экология полезных ископаемых);
• геологическую среду (инженерная экологическая геология);
• дисциплины методического содержания (экологическая картография и геоинформатика).

Основными разделами  экологической геологии являются:

• экологическая петрология;
• экологическая геодинамика;
• экологическая геоморфология;
• экологическая геохимия;
• экологическая геофизика;
• экологическая гидрогеология;
• специальная экологическая геология, включающая эколого-геологические аспекты проектирования и строительства. В ее состав можно включить рекреационную экологическую геологию.

Экологические функции литосферы

Объект изучения экологической  геологии - верхние горизонты литосферы как абиотическая компонента природных и антропогенно измененных экосистем высокого уровня организации. Она изучается биотопы экосистем, их экологическую роль и эколо¬гические функции литосферы. Тесно связанные основные функции литосферы - ресурсная, геодинамическая, геофизическая и геохимическая.

Определение экологических функций литосферы

Экологические функции  литосферы – функции, определяющие (отражающие) роль и значение литосферы, включая подземные воды, нефть, газы, геофизические поля и протекающие  в ней природные и антропогенные геологические процессы, в жизнеобеспечении и эволюции биоты , главным образом, человеческого сообщества; [2]

Классификация экологических функций литосферы

Классификация экологических  функций литосферы включает:

• Геодинамическую экологическую  функцию литосферы - отражает свойство литосферы влиять на состояние биоты, безопасность и комфортность проживания человека через природные и антропогенные геологические процессы и явления. Она изучается экологической геодинамикой _[3].