Великие открытия, которые привели к научной революции на рубеже 19-20 вв

Как и всякая революция, революция в науке имеет две основные задачи, которым соответствуют в основном две последовательно сменяющие одна другую ступени ее развития. Первая задача носит негативный характер — разрушить в корне, до основания то старое, отжившее, что мешает дальнейшему продвижению вперед. Вторая задача носит позитивный характер — после разрушения старого на расчищенной почве создать новое, обеспечивающее дальнейшее движение вперед. Когда речь идет о научной революции, старыми, подлежащими коренной ломке являются устаревшие представления, понятия, теории. При создании новых представлений все положительное и ценное, что имелось в прежних представлениях и теориях, не отбрасывается, а сохраняется, получая новое толкование, новое освещение и входя в качестве строительного материала в новые концепции и теории.

Научная революция охватывает прежде всего область теоретических представлений, тогда как сами по себе эмпирические данные и новые факты революции еще не производят. Они ее лишь подготавливают, требуя для своего объяснения и обобщения выработки новых подходов, новых взглядов, новых теоретических концепций.

«Новейшая революция в естествознании», как назвал ее В. И. Ленин, означала, что та «крайняя грань» наших знаний о веществе, которой достигло научное исследование в течение XIX в., впервые оказалась перейденной в течение трехлетия (1895—1897 гг.), когда были сделаны одно за другим три великих физических открытия: первое (1895 г.) — К. Рентген открыл глубокопроникающие х-лучи, названные рентгеновскими; второе (1896 г.) — А. Беккерель обнаружил явление радиоактивности;

третье (1897 г.) — Дж. Томсон нашел электрон. Все три открытия были связаны с электричеством и магнетизмом: это был либо новый вид электромагнитных волн, либо излучение электрозаряженных частиц. Глубокое значение всех трех открытий, что выяснилось немного позднее, состояло в том, что физика перешагнула ту «крайнюю грань» наших познаний о веществе, о которой Менделеев писал всего за несколько лет перед тем, и вступила во внутриатомную область, показав сложность, разрушимость и делимость атома.

Как известно, по своей структуре атом состоит из двух сфер: внешней- электронной оболочки и внутренней — атомного ядра. Открытия рентгеновских лучей и электрона позволили исследовать оболочку атома, открытие радиоактивности — изучать атомное ядро, хотя само ядро было открыто много позднее. В итоге атом предстал как сложная электрическая система, образованная из элементов, несущих отрицательный заряд, и из положительного заряда, расположение которого внутри атома оставалось пока еще неизвестным.

Особенно важное значение сыграло открытие супругами М. и П. Кюри (1898 г.) нового химического элемента — радия, который обладал значительно сильнее выраженными радиоактивными свойствами, нежели уран, у которого впервые обнаружил это излучение Беккерель. В книге «Материализм и эмпириокритицизм» В. И. Ленин позднее привел выражение «великий революционер-радий» которое было дано новому элементу в связи с тем, что он подрывал старые теоретические воззрения и принципы физики.

В 1902—1903 гг. Э. Резерфорд и Ф. Содди создали первую теорию радиоактивности как спонтанного (самопроизвольного) распада атомов и превращения одних элементов в другие, в данном случае превращения радия в эманацию радия (радон) и гелий. С открытия радия и создания теории радиоактивного распада берет начало ядерная физика. Итак, «новейшая революция в естествознании» наряду с негативной, разрушительной задачей приступила к выполнению своей несравненно более сложной позитивной, созидательной задачи.

Проникновение в глубь атома и доказательство его разрушимости был не единственный путь, по которому пошла научная революция. Она с этого началась, но вскоре же захватила и другие области физики и всего естествознания. Здесь прежде всего надо назвать проникновение в науку идеи, или принципа дискретности, атомизма. Уже открытие электрона свидетельствует о том, что выделенный носитель электричества имеет дискретный характер. Еще раньше это показал X. А. Лоренц, разработав электронную теорию путем введения в максвелловские уравнения электродинамики дискретной величины электрического заряда.

В XIX в. в физике господствовала идея непрерывности, и все ее фундаментальные уравнения были выражены с помощью непрерывных функций (в механике, термодинамике, электродинамике). Исключение составляли молекуляр- но-кинетическая теория газов и статистическая физика, но они вполне уживались с господствовавшей в то время в физике установкой на непрерывность физических процессов. После открытия электрона и разработки электронной теории, а в особенности после создания теории квантов картина резко изменилась: наряду с непрерывностью в физике прочное место заняла концепция! дискретности, особенно в той новой области, которая касалась микроявлений. Вступив в эту новую для нее область, физика открыла новый, качественно своеобразный микромир и как бы пограничным столбом, стоящим на его границе, квант действия h.

Спустя пять лет А. Эйнштейн (1905 г.) ввел понятие кванта света, или фотона («атома» света), величина которого представляла собой произведение кванта действия h на частоту колебаний v (т. е. hv). В итоге этого обнаружилась глубоко противоречивая природа света: с одной стороны, волновая (непрерывная), как это установила классическая оптика, с другой стороны — дискретная (прерывистая), как это открыла квантовая физика. Однако обе эти противоположные стороны не были приведены еще к внутреннему единству, а как бы сосуществовали одна рядом с другой, разделив между собой всю область оптики: та ее часть, которая изучала распространение света, опиралась на прежнюю волновую теорию, поскольку свет распространялся волнообразно как непрерывное образование; та же часть оптики, которая изучала излучение и поглощение света, опиралась на новую квантовую теорию, поскольку эти процессы происходили как прерывистые (свет излучался и поглощался определенными порция- 1 и). Такое положение в физике сохранялось почти до конца первой четверти XX в.

Важно указать, что идея дискретности, а значит, и скачкообразности явлений природы как раз в это время стала проникать и в биологию, а именно в учение о наследственности (генетику). Еще в 1865 г. Г. И. Мендель открыл законы наследственности, показав, что они носят статисти

ческий характер и что, следовательно, в основе этого явления лежат какие-то дискретные процессы. Но тогда это открытие прошло незамеченным. На рубеже XIX и XX вв. биологи вновь «открыли» Менделя, дополнив его законы гипотезой А. Вейсмана о «зародышевой плазме», состоящей из множества «детерминант», учением X. де Фриза о скачкообразных «мутациях», гипотезой о «генах» В. JI. Иогансена. Вскоре же все эти воззрения объединила хромосомная теория наследственности Т. X. Моргана, которая на передний план поставила идею дискретности вещественного носителя наследственности. Тем самым и биология оказалась в фарватере общих с новой физикой идей.

Из теории Максвелла, подтвержденной и проверенной на опыте Герцем, следовало, что существуют электромагнитные волны большой длины. А. С. Попов еще в конце 80-х годов XIX Е. начал их изучать ы в 1895 г. изобрел радио, которое стало одним из первых и весьма важных практических приложений «новейшей революции в естествознании». В 1896— 1897 гг. изобретение «беспроволочного телеграфа» стал разрабатывать дальше и продвигать в жизнь Г. Маркони.

Из теории Максвелла вытекало также, что электромагнитные волны (а значит, и свет) должны оказывать давление на тела. В 1899—1900 гг. П. Н. Лебедев измерил величину этого давления экспериментально и тем самым на деле открыл существование светового давления.

Для физики XIX в. (да и более раннего периода) был характерен резкий разрыв между двумя основными физическими видами материи — веществом и светом (полем). Этот разрыв проявлялся прежде всего в следующих трех пунктах. Во-первых, в таком фундаментальном признаке, как наличие и отсутствие свойства массы: вещество считалось всегда весомым, обладающим массой, а свет — невесомым, следовательно, не обладающим массой. Открытие Лебедева показало, что если свет оказывает давление на тела, то значит, он должен обладать массой, как и все вещественные объекты природы. В результате в этом пункте разрыв между веществом и светом стал ликвидироваться. Возникло понятие электромагнитной массы, качественно отличной от обычной, механической. Во- вторых, вещество рассматривалось как построенное из атомов, следовательно, обладающее дискретным, прерывистым строением; свет же в XIX в. трактовался как волнообразный процесс, как непрерывное образование. Благодаря квантовой теории Планка и понятию фотона и в этом пункте прежний разрыв между веществом и светом начал исчезать, хотя полная его ликвидация даже в оптике сильно затянулась, не говоря уже о распространении идеи непрерывности, волнообразности на частицы вещества. Это произошло значительно позднее, на рубеже первой и второй четверти XX в. благодаря созданию квантовой механики.

Наконец, в-третьих, вещество и свет трактовали как неспособные к взаимным превращениям и переходам и только гораздо позже ядерная физика доказала наличие таких превращений (рождение и аннигиляции «пары», «дефект массы»), В основе таких превращений (ядерных реакций) лежал фундаментальный закон физики, открытый А. Эйнштейном (1905 г.) и гласящий, ч то в общем случае для любого тела полная внутренняя энергия Е равна его массе т, умноженной на квадрат скорости света с2: Е = тс2. Этот закон Эйнштейн вывел теоретически как следствие из созданной им теории относительности (из ее частного принципа). Замечательно, что Эйнштейн прозорливо указал в том же 1905 г.: «Не исключена возможность того, что проверка теории может удасться для тел, у которых содержание энергии в высшей степени изменчиво (например, у солей радия)» [2, с. 178].

В дальнейшем закон Эйнштейна, действительно, стал основным для ядерной физики.

В конце XIX в. проявилась тесная связь физики и химии. Прежде всего валентность уже истолковывали в смысле ионообразования — приобретения или потери валентных электронов. В книге «Материализм и эмпириокритицизм» В. И. Ленин так охарактеризовал состояние этой проблемы: «С каждым днем становится вероятнее, что химическое сродство сводится к электрическим процессам».

Дж. Томсон создал статическую модель атома, где неподвижные электроны были как бы вкраплены в размазанный по объему всего атома положительный электрический заряд. При этом была сделана попытка располагать электроны концентрическими кольцами, каждое из которых отвечало определенному периоду менделеевской периодической системы элементов.

Наряду со статической моделью атома были предложены динамические модели, исходящие из мысли о движущихся электронах внутри атома.

Несмотря на то что химия уже в начале XX в. испытывала огромное влияние со стороны революционизирующейся физики, тем не менее главное достижение химии конца XIX в. — периодический закон химических элементов, открытый Менделеевым, оставался, по существу, вне влияния новейших открытий в естествознании. Более того, первое время могло даже показаться, что новые физические открытия находятся в полном несоответствии с этим законом. Сам Менделеев к концу жизни был уверен, что его закон опирается на представление о неделимых атомах и непревращаемых элементах. Открытие электрона в качестве составной части всех вообще атомов и толкование радиоактивности как распада и превращения элементов коренным образом шло вразрез с положением, считавшимся до тех пор краеугольным камнем периодического закона.

Более того, считалось, что на каждое место в периодической системе элементов может приходиться только один элемент. Теперь же было установлено три различных радиоактивных ряда — урана (радия), тория и актиния. И выяснилось, что на последние 11 мест периодической системы приходится по меньшей мере три десятка различных химических элементов, членов названных радиоактивных рядов, причем некоторые члены разных рядов оказывались химически почти тождественными между собой. Все это совершенно не укладывалось в сложившееся уже представление о периодичности элементов в химии.

Так, в течение первых 15 лет развертывалась «новейшая революция в естествознании», захватив в первую очередь физику и через нее влиявшая на химию и другие естественные науки. Уже с первых ее шагов определилось, что лидером естествознания стала на этот раз физика, точнее говоря, субатомная физика прежде всего. Этим естествознание наступившей новой исторической эпохи существенно отличалось от естествознания

XIX в., когда лидером развития естествознания была группа наук и среди них прежде всего химия, физика и биология. Физика сохраняла свое лидерство до середины XX в., когда в обстановке развернувшейся научно-технической революции ей пришлось делить первое место с группой других наук.

Поиск по сайту: