Естествознания и соответствующих научных картин мира

Натурфилософская картина мира. В истории изучения природы можно выделить несколько этапов, каждому из которых соответствует не только свои представления о сути основных естественнонаучных понятий (таких как материя, движение, пространство, время), но и свое миропонимание (свои картины мира). Естественнонаучная картина мира – это система представлений о наиболее общих закономерностях в природе. Подобная картина мира на каждом этапе развития естествознания формируется на основе знаний (в первую очередь, имеющихся фундаментальных теорий), полученных в рамках различных естественных наук. Выделим пять периодов (этапов) в развитии естествознания и кратко охарактеризуем соответствующие этим периодам картины мира.

Первый из этапов охватывает достаточно протяженный временной интервал – от античных времен (начиная с VII в. до н.э.) до окончания эпохи Возрождения (XVI – XVII вв.). Этот этап часто называют натурфилософским, что вполне оправдано, т.к. процесс разделения накопленных знаний о природе на множество естественнонаучных дисциплин находился в зачаточном состоянии, а различные природные явления объяснялись главным образом на основе умозрительных философских рассуждений и принципов.

Основы современного естествознания были заложены в Древней Греции, в первую очередь, необходимо отметить заслуги ионийских философов (Фалес Милетский, Анаксимандр, Анаксагор, Анаксимен, Гераклит и другие). Величайшей заслугой ионийцев следует считать то, что, пытаясь познать и объяснить мир, они не прибегали к гипотезам о богах, а в поисках доказательств тех или иных своих предположений использовали не только мысленные, но и реальные физические эксперименты.

Иония представляла собой совокупность относительно самостоятельных греческих колоний, расположенных на островах и побережье Восточного Средиземноморья. Именно здесь, на перекрестке культур и цивилизаций в VI – V вв. до н.э. бездумное поддержание суеверий временно перестало быть жесткой необходимостью, а свободные исследования стали не только возможны, но и поощрялись правителями. Немалую роль сыграло и то обстоятельство, что именно в Ионии финикийский алфавит был впервые адаптирован для греческого языка, благодаря чему стало возможным широкое распространение грамотности и быстрое распространение ионийского влияния на прилегающие территории.

Очень многие утверждения и умозаключения ионийских философов и их последователей (в книгах по истории философии их называют «досократиками») на два с лишним тысячелетия опередили свое время. В качестве примеров можно привести утверждения о происхождении человеческих существ от других животных и о существовании бесчисленного числа населенных миров (Анаксимандр); о существовании когда-то на Земле многих других разновидностей живых существ, оказавшихся неспособными продолжить свой род из-за нехватки необходимых качеств (Эмпедокл); о существовании предельно малых и неделимых частиц материи – атомов, из которых состоит все сущее, и о том, что Млечный Путь состоит в основном из неразличимых звезд (Демокрит); о том, что Луна светит отраженным светом, а Солнце и звезды – это раскаленные камни (Анаксагор). Этот перечень можно долго продолжать, поэтому приведем еще только два примера.

Демокрит, который известен, главным образом, как основатель атомистической концепции, придумал метод вычисления объема конуса или пирамиды как совокупности очень большого числа чрезвычайно тонких пластин, площади которых постепенно уменьшаются от основания к вершине. Другими словами он вплотную подошел к созданию дифференциального и интегрального исчисления. Другой пример – Аристарх Самосский, один из последних ионийских ученых, за 1800 лет до Коперника пришел к выводу, что Земля и другие планеты движутся вокруг Солнца, что размеры Солнца во много раз превышают размеры Земли и что звезды – это далекие солнца.

Многие из ионийских ученых были не только теоретиками, но и практиками. Так, например, Фалес (побывавший в Вавилонеи Египте) смог предсказать солнечное затмение и умел измерять высоту пирамид по длине отбрасываемых ими теней, а Анаксимандр первым построил солнечные часы, создал первую географическую карту и первый небесный глобус с нанесенными на него созвездиями. Помимо экспериментов Анаксимандра с вертикальным шестом, отбрасывающим тень, без которых нельзя было создать солнечные часы, сохранились сведения об экспериментах Анаксагора, показавшего, в частности, что одна капля белой жидкости не способна осветлить темное вино в большом кувшине, а также экспериментах Эмпедокла, доказавшего с помощью клепсидры, что воздух есть реальная материальная субстанция, способная оказывать давление (клепсидра – это медная сфера с узким открытым горлышком и маленькими дырочками в днище, служившая древним грекам черпаком).

.Натурфилософский этап развития естествознания иногда называют донаучным этапом в том смысле, что науки (в современном понимании этого термина) тогда действительно не было. Но в рассматриваемый «ионийский» период (с 600 по 400 гг.) творчество античных мыслителей по своей сути было гораздо ближе к деятельности представителей современной науки, чем в последующие времена. Следует отметить, что в этот период в Ионии жили и творили Феодор, которому приписывают изобретение ключа, линейки, уровня, угольника (и множества других вещей вплоть до центрального отопления), Гиппократ, создатель существующей уже 2500 лет медицинской традиции и автор знаменитой врачебной клятвы, многие другие (в основном, безвестные) изобретатели, инженеры, строители, врачи.

Появление принципиально иных традиций и иных методов познания в античной натурфилософии связано с именами Пифагора и Платона. Пифагору и его ученикам наука обязана, в первую очередь, возникновением традиции использования математических методов и математических доказательств, без которых современное естествознание представить невозможно. Метод математической дедукции Пифагор разработал, чтобы доказать свою знаменитую теорему о соотношении сторон прямоугольного треугольника. Им и его последователями созданы учения о подобии и о пропорциях, открыты математические закономерности теории музыки, ведены понятия средних величин, установлены правила суммирования членов простейших арифметических прогрессий.

Велик вклад пифагорейцев и в становление космологии. В частности, они умели отличать планеты от звезд, выдвинули идею гармонии «небесных сфер», создали первые теоретические модели вселенной как целого. Сам Пифагор, возможно, был первым, кто установил, что Земля – это шар, вращающийся вокруг своей оси. И он же предложил использовать слово «Космос» для обозначения упорядоченной и гармонично организованной Вселенной.

Пифагор основал первое в истории человечества научное сообщество – Пифагорейский союз, которое просуществовало более полутора столетий. Это было закрытое, больше похожее на секту сообщество, в которое допускались только избранные, ведущие особый образ жизни, в частности, придерживающиеся сложной системы культовых запретов.

Созданное Пифагором учение по своей сути является религиозно-философским. Сформулированное им основное мировоззренческое положение звучит так: «Мир есть число». Ранними пифагорейцами число воспринималось как начало всего сущего, т.е. как божественное начало, а исследования числовых отношений – как некий религиозный ритуал. Они верили, что, занимаясь математикой, можно не только очиститься и спасти свои души, но и заглянуть в идеальный мир, в царство богов. Учение Пифагора оказало большое влияние на Платона, а впоследствии и на христианство.

Кризис учения Пифагора наступил, когда его ученики, убежденные в том, что из целых чисел могут быть выведены все вещи (и уж, тем более, все числа), обнаружили, что они ошибались. Оказалось, что отношение диагонали квадрата к его стороне – а это в соответствии с теоремой Пифагора √2 – невозможно представить отношением каких-либо целых чисел.

В отличие от ионийцев, веривших, что мир можно и нужно изучать, используя в качестве методов наблюдение и эксперимент, Пифагор учил, что законы природы можно вывести исключительно из умозаключений. Его метод, по сути, можно назвать «антиэмпирическим». Неприязнь пифагорейцев к эксперименту, без которого невозможно установить, какая из альтернативных гипотез ближе к истине, привело к тому, что свободное столкновение противоборствующих точек зрения перестало поощряться, неудобные факты стали замалчиваться, в науке появились авторитаристские тенденции, началось ее сближение с мистицизмом. К сожалению, эти негативные тенденции впоследствии под влиянием таких авторитетов как Платон и Аристотель только усилились.

Творчество Аристотеля (384 – 322 до н.э.) поражает разнообразием затронутых проблем и является своего рода вершиной натурфилософского этапа развития естествознания, С Аристотеля начинается дифференциация натурфилософии, и не только потому, что он ввел первую классификацию наук (в частности, он назвал физикой науку о движении тел и о природных явлениях). Именно его многочисленные труды положили начало таким наукам, как физика и механика, космология и метеорология, биология и зоология, логика и психология. Аристотель соединил в единое целое основные идеи античности и создал систему понятий и принципов, считавшихся фундаментальными в течение двух тысячелетий. Круг вопросов, которые удалось осветить Аристотелю, был столь широк, что можно говорить о создании им картины мира.

Понятия материи, пространства и времени в аристотелевской картине мира связаны между собой, при этом трактовка материи и движения такова, что существование пустоты не допускается. Равномерное движение, по Аристотелю, может быть только насильственным, т.е. возможным только при наличии внешнего действия (силы), а падение тела на Землю он относил к естественным движениям, при этом скорость падения тем больше, чем больше масса тела. Он считал, что пространство космоса ограниченно, Земля расположена в его центре, а звезды и планеты закреплены на твердых прозрачных средах. Источником движения и энергии на Земле и в космосе, согласно Аристотелю, является разум мирового масштаба, т.е. бог.

Научные труды Аристотеля (в отличие от работ Демокрита и других ионийцев) сохранились для потомков. Несмотря на противоречивость и ошибочность многих положений, аристотелевская картина мира благодаря своей цельности и многогранности стала широко пропагандироваться. Постепенно авторитет Аристотеля стал непререкаемым, а его учение стало считаться единственно верным учением о природе, что существенно тормозило развитие естествознания в Средние века. Однако ближайшие после смерти Аристотеля несколько столетий оказались весьма плодотворными для развития науки, имена, достижения и открытия древнегреческих ученых этого периода (Евклида, Архимеда и многих других) навечно вписаны в историю науки.

В третьем веке до нашей эры крупнейшим научным и культурным центром Восточного Средиземноморья стал город Александрия, а точнее - Александрийский «Мусейон» (храм муз), при котором была создана грандиозная по тем временам библиотека. В ней были собраны сотни тысяч рукописных книг и созданы все условия для плодотворной научной деятельности (эллинские цари, правившие Египтом после Александра Македонского, так же как и он сам, уважительно и серьезно относились к науке и к ученым).

Развитие математической ветви древнегреческой науки после пифагорейцев связано, в первую очередь, с именем Евклида, основателя александрийской математической школы. В написанном им фундаментальном труде, содержащем 13 книг, объединенных под общим названием «Начала», в систематизированном виде изложены не только многочисленные результаты трудов самого Евклида, но и все известные достижения античной математики. Изложение носило дедуктивный характер, т.е. все теоремы выводились из небольшого числа аксиом. Евклидова геометрия, являющаяся благодаря использованию им аксиоматического метода исключительно стройной теорией, ее по сей день изучают школьники во всех странах мира.

Весомый вклад в развитие математики после Евклида внес Архимед, перу которого принадлежат работы, связанные с определением площадей и объемов методом исчерпывания, с расчетом центра тяжести различных тел, с развитием метода приближенных измерения. Архимед занимался изучением свойств спиралей (одна из спиралей носит его имя), он первым доказал, что площадь круга равна площади треугольника с основанием, равным длине окружности, и высотой, равной радиусу круга, определил с весьма высокой точностью отношение длины окружности к диаметру круга (число π).

Особенно велики заслуги Архимеда в создании основ таких наук как статика (часть механики) и гидростатика. Основополагающая идея статики Архимеда – это идея центра тяжести, кроме этого, он сформулировал закон простого рычага и правило сложения параллельных сил. В гидростатике он открыл (носящий его имя) закон, позволяющий определить величину выталкивающей силы. Архимед изобрел множество устройств практической механики – архимедов рычаг, архимедов винт, полиспаст (грузоподъемное устройство, состоящее из подвижных и неподвижных блоков, огибаемых одним тросом), другие подъемные устройства, использующие свойства рычагов и блоков, построил планетарий, наглядно показывающий движение небесных тел, пытался использовать свойства водяного пара при создании метательных устройств.

Характеризуя последний (александрийский) этап развития античной науки нельзя не упомянуть о заслугах Аполония Пергского, исследовавшего формы конических сечений (эллипса, параболы и гиперболы), Гиппарха, придумавшего используемую и ныне систему сравнительной оценки яркости звезд, Эрастофена, определившего с поражающей воображение точностью длину окружности земного шара, Герофила, установившего, что вместилищем разума является мозг, а не сердце, Птолемея, геоцентрическая система которого использовалась мореплавателями полторы тысячи лет, Герона Александрийского, создавшего прообраз паровой турбины и целый ряд других паровых, пневматических и гидравлических устройств.

Александрийская библиотека была сознательно уничтожена (как хранилище языческих книг), вместе с ней закончился и исключительно плодотворный эллинистический период рассматриваемого натурфилософского этапа развития естествознания.

В Средние века (эту эпоху правомерно характеризуют как «мрачное средневековье») вследствие значительного усиления влияния церкви на общество развитие науки практически остановилось. Догматическое следование каким-либо канонам и нормам всегда приводит к торможению развития, это правило справедливо для любой области человеческой деятельности, но к науке относится в первую очередь. За тысячу лет в Европе не было сделано ни одного заслуживающего внимания научного открытия. Некоторое развитие науки наблюдалось лишь на Востоке, где религиозное давление на нее было не таким сильным, как в Европе (учение о двойственности истины – религиозной и научно-философской – позволило арабской цивилизации, по крайней мере, избавиться от инквизиции). Благодаря усилиям арабских ученых возникает алгебра, разрабатываются учения о прецизионных измерениях, в том числе об очень точном взвешивании, алхимия становится все более похожей на химию.

В IX веке на арабский язык были переведены основные сочинения античных мыслителей – Аристотеля, Евклида, Птолемея и др., что не могло не способствовать развитию в странах Востока астрономии, математики и других наук. Арабский язык становится языком науки, и, спустя два столетия, научные трактаты, переведенные с арабского языка на европейские, становятся мощными стимулами приобретения знаний для представителей западной цивилизации.

Огромную роль для будущего подъема естествознания сыграли университеты, которые сначала (в Х веке) возникли на Востоке (в Багдаде и Каире) а, начиная с XII века, стали появляться и в Европе (Парижский, Болонский, Оксфордский, Кембриджский, Пражский и др.). Поначалу эти учебные заведения предназначались для подготовки духовенства, но затем в них начали преподавать математику и естественнонаучные дисциплины.

Перелом в развитии науки наступил в XIV-XVI вв., этот период известен как эпоха Возрождения (Ренессанса), эпоха перехода от Средневековья к новому времени. Это была не только эпоха возврата к забытым культурным ценностям (в том числе, к научному наследию) античности, но и эпоха культурного и интеллектуального расцвета в Европе, эпоха зарождения предпосылок для радикального изменения миропонимания. В огромной степени переход к Новому времени связан с появлением книгопечатания, положившим начало информационной революции. Можно сказать, что создание книгопечатного станка (1454 г.) предопределило переход ко второму этапу в развитии естествознания точно так же, как появление греческого алфавита предопределило начало первого этапа. Продолжая эту мысль, и последующие этапы в развитии естествознания можно связать с последующими информационными революциями, связанными с изобретением радио, телевидения, появлением персональных компьютеров и электронной почты.

Механистическая картина мира. Эпоха Нового времени начинается с XVII века, к этому веку относят начало второго этапа в развитии естествознания, и именно с этим веком связано создание классической механики и первой научной картины мира. Свой вклад в процесс очищения естествознания от метафизических натурфилософских понятий и представлений внесли Леонардо да Винчи, Коперник, Галилей, Гюйгенс, Кеплер и многие другие выдающиеся ученые XVI-XVII вв.

Начало процессам кардинального изменения миропонимания было положено польским каноником и астрономом Н. Коперником. Заслуга Коперника заключается не только в том, что он «удалил» Землю из центра мира, создав гелиоцентрическую систему мира, но и в том, что им впервые было введено понятие относительного восприятия движения наблюдателем.

Первым ученым, открыто выступившим против схоластики и использовавшим экспериментальный метод как основной метод познания, был итальянский физик, механик и астроном Г. Галилей, которого справедливо считают основоположником точного естествознания. Галилей активно отстаивал правоту учения Коперника, за что подвергался суду инквизиции. Но, пожалуй, основной его заслугой является создание и практическое использование методологической концепции, суть которой заключается в необходимости экспериментальной проверки гипотез и теоретических моделей.

Существенный вклад в становление классической механики после Галилея внес голландский физик Х. Гюйгенс, который создал теорию колебаний маятника и теорию центрального удара упругих шаров, первым вывел формулу для определения центростремительного ускорения тела, движущегося по окружности. Гюйгенс является также одним из основоположников волновой теории света и автором одной из первых работ по теории вероятности. Современник Галилея немецкий астроном И. Кеплер, обобщив многочисленные данные астрономических наблюдений (т.е. используя индуктивный метод), сформулировал три закона движения планет Солнечной системы. Спустя 70 лет выдающемуся английскому физику И. Ньютону удалось вывести эти же законы дедуктивным методом – он сформулировал их, исходя из открытого им закона всемирного тяготения.

Ньютон, которому по праву принадлежит основная заслуга в становлении нового мировоззрения, не только внес решающий вклад в разработку классической механики, ему удалось создать первую научную картину мира, которую называют механической или механистической картиной мира (МКМ).

В 1686 г. Ньютон представил Лондонскому королевскому обществу свой великий и фундаментальный труд «Математические начала натуральной философии», в котором были установлены основные законы движения, определены такие фундаментальные понятия, так масса, ускорение и инерция. Наиболее сильное впечатление на современников Ньютона произвела Книга III его «Начал» («О системе мира»), в которой был сформулирован закон всемирного тяготения. Этот закон и три закона динамики составили основу механики как самостоятельной науки. Используя открытые законы, Ньютон установил, что траектория тела, движущегося под действием силы притяжения, может быть прямой линией, параболой, гиперболой, эллипсом или окружностью (все эти линии могут быть получены при пересечении конуса плоскостью), первым объяснил природу морских приливов и отливов. Настоящим триумфом законов Ньютона стал тот факт, что их использование позволило не только объяснить движение небесных тел, но и предсказать положение новых планет солнечной системы.

В рамках МКМ гравитационные силы (силы взаимного притяжения) связывают все существующие тела, однако заметными эти силы становятся лишь в мире звезд и планет, т.е. в мегамире. В частности, эти силы связывают в единую систему все планеты, обращающиеся вокруг Солнца. В качестве универсальных принципов взаимодействия тел в МКМ используются принцип суперпозиции (результирующее действие на тело определяется векторной суммой всех приложенных к нему сил) и принцип дальнодействия (действие передается с бесконечно большой скоростью, т.е. мгновенно). При движении тела под действием приложенных сил изменяются его импульс (количество движения) и механическая энергия. К основным законам, имеющим в рамках МКМ универсальный характер, помимо закона всемирного тяготения и законом механики Ньютона, относятся законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Работы Ньютона (не только физические открытия, но и развитый им совместно с Лейбницем и другими учеными математический аппарат) предопределили дальнейшее развитие физики и всего естествознания, незыблемым основанием которого стала считаться классическая механика. Сам Ньютон, а вслед за ним и другие ученые считали возможным вывести из законов механики все остальные законы физики, химии и даже биологии. Обусловленное таким подходом механистическое мировоззрение господствовало в естествознании вплоть до ХХ века. В рамках этого мировоззрения материальный мир рассматривался как огромная механическая система, поведение которой (включая движение всех ее частей) полностью определяется законами классической механики. Отсюда следовал вывод о том, что в природе действует неумолимая необходимость, позволяющая рассчитать как прошлое, так и будущее любой материальной частицы.

Успехи классической механики привели к закреплению представлений об универсальности причинной обусловленности и об исключительно детерминистском характере любых закономерностей в природе. Становление концепции механистического детерминизма в значительной степени связано с усилиями французского математика, философа и астронома П. Лапласа. Преобладающей в этой концепции стала идея о том, что любое состояние Вселенной есть следствие предыдущих и причина последующих ее состояний.

В 1776 г. Лаплас выдвинул идею о том, что если бы какое-то разумное и всеведущее существо (впоследствии названное демоном Лапласа) могло знать положения и скорости всех частиц в мире в некоторый момент времени, то оно могло бы абсолютно точно предсказать эволюцию всех этих частиц и Вселенной в целом на все времена.

Следует отметить также, что в рамках МКМ отсутствуют представления о развитии, в ней нет места каком-либо качественным преобразованиям, а суть всех наблюдаемых явлений сводится к чисто количественным изменениям. Другими словами, окружающий мир представляется таким, каким он был (и будет) всегда.

В XVIII-XIX вв. были обнаружены и исследованы явления (тепловые, электрические, магнитные и др.), теоретическая интерпретация которых в рамках МКМ оказалась невозможной. Законы механики не могли дать ответа на многие вопросы, в частности, на вопросы о природе необратимости тепловых процессов, тем более, о природе света и электромагнитного поля. Постоянство скорости света, вытекающее из теории электромагнитного поля и подтвержденное эмпирически, противоречило классическому принципу относительности и механическому принципу сложения скоростей. В конечном итоге, ученым пришлось признать несостоятельными попытки использовать механистический подход для описания электрических, магнитных, химических и других явлений и процессов и отказаться от признания универсальной роли механики в естествознании.

Электромагнитная картина мира. Существенные изменения в представлениях о сути многих фундаментальных понятий естествознания, произошедшие в начале ХХ века, связаны, в первую очередь, с обнаружением электромагнитного поля. Понятие «поле» ввел в научный оборот английский физик М. Фарадей, основоположник учения об электромагнетизме. В 1831 г. Фарадей, исходя из идеи о взаимной связи явлений природы, открыл явление электромагнитной индукции. Он же обнаружил вращение плоскости поляризации света в магнитном поле и первым в 1845 г. высказал смелое предположение о том, что существует глубокое родство электричества и света. Считая, что электрические и магнитные воздействия передаются промежуточной средой, Фарадей внес свой вклад в возрождение натурфилософских представлений о существовании светоносного эфира.

О существовании электрических зарядов двух видов и о характере их взаимодействия известно с середины XVIII века, но началом глубокого изучения электрических явлений можно считать 1785 г., в котором французский физик Ш. Кулон установил закон взаимодействия электрических зарядов (внешне очень похожий на закон всемирного тяготения Ньютона). Что же касается магнитных явлений и взаимодействий, то они известны с древних времен, магнитный компас использовали в Китае еще до нашей эры. В 1600 г. английский врач и естествоиспытатель У. Гильберт опубликовал фундаментальный труд «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле».

Электрические и магнитные явления считались независимыми друг от друга до тех пор, пока в 1820 г. датский физик Г. Х. Эрстед не обнаружил влияние электрического тока на магнитную стрелку компаса. Тем самым он установил, что электрический ток является источником магнитного поля, а, значит, существует взаимосвязь между электричеством и магнетизмом. Магнитное действие токов затем было детально исследовано французским ученым А. Ампером, установившим, что все магнитные явления обусловлены электрическими токами.

История развития представлений о природе света, представляющего собой (как мы сегодня знаем) электромагнитные волны с длинами волн от 0,4 до 0,8 микрометров, является не менее длительной и сложной (хотя и существенно иной) чем о природе вещества, и заслуживает отдельного рассмотрения. Известно, что Аристотель считал свет движением волн, распространяющихся в непрерывной среде – эфире. Подобной же точки зрения придерживался Декарт. Однако Ньютон, бывший приверженцем корпускулярной концепции строения материи, и свет представлял как поток особых корпускул, движущихся прямолинейно. Разложив с помощью призмы белый свет на отдельные компоненты, он установил природу цвета.

После того, как Ньютону на основе корпускулярных представлений о природе света удалось объяснить явление поляризации, открытое Гюйгенсом в 1690 г., волновая теория, казалось, была полностью повержена. Но усилиями Гука, Гюйгенса, Юнга и, особенно, Френеля уже в начале XIX века, несмотря на авторитет Ньютона, оказалась развенчанной его корпускулярная теория. Решающее значение оказали результаты измерений скорости распространения света в воздухе и в вакууме (скорость света в оптически более плотной среде, каковой является вода, оказалась меньше, чем в воздухе, сто совпадало с предсказаниями волновой теории, а согласно корпускулярной теории скорость света в воде должна быть выше, чем в воздухе).

Впервые измерить скорость света (с погрешностью порядка 30%) удалось датскому астроному Оле Рёмеру в 1675 г. Французским физикам Физо (в 1849 г.) и Фуко (в 1862 г.) удалось существенно повысить точность измерений (погрешности составили соответственно 5 и 0,17%). С 1957 г. значение скорости света считается равным 299792 ± 0,4 км/c, а погрешность измерения этой фундаментальной константы не превышает 0, 00005%.

«Поле сил» Фарадея первоначально рассматривалось как абстрактное математическое понятие, но очень скоро другой выдающийся английский физик Дж. К. Максвелл придал этому понятию конкретный физический смысл. Обобщив все известные законы, относящиеся к электромагнитным явлениям, и добавив к известным видам электрического тока т.н. «ток смещения», Максвелл создал законченную и исключительно стройную теорию электромагнитного поля. В 1888 г. немецкий физик Г. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, а также высказанную Фарадеем и теоретически обоснованную Максвеллом гипотезу о единой физической сущности света и электричества. Герцу впервые удалось осуществить беспроводную передачу электромагнитной энергии и экспериментально измерить длину (а значит, и скорость распространения) электромагнитной волны. Так было уставлено существование качественно нового вида материи – электромагнитного поля.

Исследования в области электромагнетизма очертили пределы применимости механистического подхода при описании природы. С середины ХIХ века МКМ рассматривается уже только как часть физической картины мира, хотя механистические представления оставались главенствующей концептуальной базой естествознания вплоть до ХХ века. Тем не менее, МКМ начала постепенно уступать свои позиции на исторической естественнонаучной сцене новой – электромагнитной картине мира (ЭКМ), фундамент которой помимо теории электромагнитного поля Максвелла составили: электромагнитная теория строения атома Э. Резерфорда, а также специальная теория относительности и теория фотоэффекта А. Эйнштейна.

В рамках МКМ все явления природы физики, как уже отмечалось, стремились свести к механическим. Точно так же в рамках новой картины мира наблюдается стремление свести все явления (включая и механические) к электромагнетизму. Концепция дальнодействия Ньютона в ЭКМ заменяется концепцией близкодействия Фарадея.

С появлением ЭКМ в познании окружающего мира был сделан существенный шаг вперед, ученым удалось объяснить многие природные явления, не подававшиеся ранее объяснению. В то же время необходимо отметить, что в ЭКМ, точно так же, как в МКМ, все происходящее в природе оставалось жестко предопределенным. По словам Р. Хаусхера, ученые, как и прежде, «были заняты поиском всеобъемлющих схем, универсальных объединяющих основ, в рамках которых можно было бы систематически, т. е. логическим путем или путем прослеживания причинных зависимостей, обосновать взаимосвязь всего сущего, грандиозных построений, в которых не должно оставаться места для спонтанного, непредсказуемого развития событий, где все происходящее, по крайней мере в принципе, должно быть объяснимо с помощью незыблемых общих законов».

В начале ХХ века создание физической картины мира представлялось ученым практически завершенным. После грандиозных успехов классической теории – механики, электродинамики, электромагнитной теории света – казалось, что в этой картине остается уточнить лишь несколько не очень существенных деталей. Некоторое смущение, например, вызывало наличие статистических закономерностей, обнаруженных и исследованных Максвеллом и Больцманом, приходилось выводить эти закономерности за рамки картины мира, отказывая им в фундаментальности.

Вскоре после создания электродинамики выяснилось, что вид уравнений Максвелла не сохраняется при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е. был выявлен различный характер движения вещества и поля. Разрешить возникшее противоречие удалось выдающемуся ученому А. Эйнштейну, создавшему в 1905 г. специальную теорию относительности (СТО). Найденное Эйнштейном решение потребовало радикального пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства, времени, материи и движения. Отдав предпочтение в описании свойств природы законам электродинамики, Эйнштейн дополнил ЭКМ идеей относительности пространства-времени, сформулировал новый принцип сложения скоростей, установил взаимосвязь между массой и энергией.

Квантово-полевая картина мира. С созданием СТО классическая механика Ньютона стала рассматриваться как частный случай релятивистской (от лат. relativus – относительный) механики. Необходимость учета релятивистских поправок при определении массы тела, длины отрезка или промежутка времени возникает лишь при очень высоких (приближающихся к скорости света) скоростях движения тел, а в мире обычных скоростей (в макромире) законы классической механики остаются справедливыми.

С открытием электронов и явления радиоактивного распада стало ясно, что от представлений о неизменности и неделимости атомов необходимо отказаться. Для объяснения законов фотоэффекта и некоторых свойств электромагнитного излучения (спектральное распределение излучения абсолютно черного тела, линейчатый характер спектра излучения и поглощения атомов) также потребовались новые идеи, появление которых тесно связано с выявлением сложной структуры атомов. Все эти же идеи легли затем в основу новой (неклассической) механики, создание которой ознаменовало начало нового этапа в развитии физики и всего естествознания. Соответствующую этому этапу естественнонаучную картину мира называют неклассической или квантово-полевой.

Первые открытия, приведшие впоследствии к пониманию строения атомов, были совершены немецкими физиками. В 1814 г. Й. Фраунгофер сконструировал первый спектроскоп и с его помощью обнаружил в непрерывном спектре солнечного света множество темных вертикальных линий и описал их, а в 1859 г. Г. Кирхгоф и Р. Бунзен нашли объяснение происхождения этих линий. Суть открытий немецких ученых и созданной на их основе науки – спектроскопии – заключается в следующем. Если нагреть до высокой температуры какой-либо чистый элемент (или его пары), то возникающее излучение будет иметь характерный для данного элемента цвет, а спектр излучения будет содержать свой, характерный для данного элемента набор линий. Кирхгоф установил также, что светлые линии в спектре излучения и темные линии в спектре поглощения абсолютно совпадают.

В 1895 г. В. Рентген обнаружил «всепроникающие» лучи, названные им Х-лучами. Сегодня мы знаем, что рентгеновское излучение есть разновидность электромагнитных волн (дина волны рентгеновских волн меньше, чем у ультрафиолетового излучения, но больше, чем у гамма-излучения). Вскоре после открытия рентгеновских лучей французские физики обнаружили радиоактивное излучение урана (А. Беккерель в 1896 г.) и тория (М. Склодовская-Кюри, 1898 г.). М. Склодовской-Кюри, которая и ввела в научный оборот термин радиоактивность, и ее муж П. Кюри разработали теорию радиоактивного излучения, открыли радий и полоний. Позже было установлено, что излучение, возникающее при радиоактивном распаде элементов, содержит не только электромагнитную составляющую (гамма-лучи), но и потоки заряженных частиц – отрицательных, оказавшихся электронами (бета-лучи) и положительных (ионы гелия или альфа-частицы). В 1902 г. английский физик Э. Резерфорд экспериментально доказал, что при радиоактивном распаде химического элемента образуются атомы других элементов, например, атом урана превращается в атом тория и атом гелия.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсоном, изучавший электрические разряды в разреженном газе, открыл легкую заряженную частицу, позже названную электроном, и с достаточно высокой точностью определил заряд и массу этой первой элементарной частицы. Предположив (как оказалось, абсолютно правильно), что заряд электрона численно равен известному к тому времени минимальному заряду ионов, Томсон нашел, что масса электрона примерно в 2000 раз меньше массы самого легкого атома – атома водорода, это означало, что практически вся масса атома связана с его положительным зарядом. Он же установил, что число электронов в атоме (в первом приближении) определяется величиной химического атомного веса.

С открытием электронов и явления радиоактивного распада стало ясно, что от представлений о неизменности и неделимости атомов необходимо отказаться. Первая модель строения атома была предложена Дж. Томсоном в 1903 г. В соответствии с этой моделью положительный заряд равномерно распределен в сферическом объеме с радиусом порядка 10^{-8 см (предполагалось, что за удержание положительного заряда отвечают некие силы неэлектрического происхождения), а отрицательно заряженные электроны «плавают» внутри этой сферы. Неприемлемость этой модели стала очевидной, после того, как в 1911 г. Э. Резерфорд, изучая рассеяние быстрых альфа-частиц при прохождении сквозь тонкую металлическую фольгу, установил, что положительный заряд атомов сосредоточен в очень малой области. Установив наличие в атоме очень маленького (с размерами порядка 10-13 см) положительно заряженного ядра, Резерфорд предложил свою (планетарную) модель строения атома, которая, как потом выяснилось, оказалась последним существенным вкладом в изучение микромира, основанным на классических принципах.}

Предложенная Резерфордом модель атома плохо согласовывалась с электромагнитной теорией Максвелла, кроме того, с ее помощью не удавалось объяснить линейчатый характер спектров излучения атомов, установленный ранее в ходе спектроскопических исследований. Для того, чтобы разрешить это противоречие датский физик Н. Бор в 1913 г. предложил свою знаменитую модель атома водорода, основанную на сочетании классических и неклассических (квантовых) принципов.

Суть постулированных Бором неклассических принципов сводится к трем положениям:

1) из всех возможных классических круговых орбит электронов только некоторые являются разрешенными (в нарушение законов Ньютона);

2) находясь на разрешенной орбите электрон (в нарушение уравнений Максвелла) электрон не излучает и не поглощает энергию;

3) излучение или поглощение электромагнитной энергии электроном происходит только при переходе с одной орбиты на другую.

Первые квантовые идеи были высказаны в 1900 г. немецким физиком М. Планком, которому удалось теоретически рассчитать зависимость спектральной плотности мощности излучения абсолютно черного тела от частоты. Для решения этой задачи ему пришлось выдвинуть поразительную по тем временам гипотезу, согласно которой энергия при излучении испускается не непрерывно, а дискретными порциями (квантами). В соответствии с этой гипотезой энергия одного кванта пропорциональна частоте излучения:

Е = hν,

коэффициент пропорциональности h = 6,626·10^-34 Дж·с в этом выражении получил впоследствии название постоянная Планка и пополнил перечень универсальных мировых констант.

Планк выдвинул свою гипотезу только для частного случая – с целью объяснения спектра теплового излучения. Однако уже через 5 лет А. Эйнштейн, используя данную гипотезу, объяснил, почему энергия фотоэлектронов (электронов, вырываемых из вещества падающим светом) зависит только от частоты света и не зависит от его интенсивности. Для обозначения кванта света Эйнштейн ввел понятие фотон (от греч. fotos - свет), подчеркнув тем самым, что дискретную порцию света следует рассматривать как частицу квантовой природы.

Эйнштейновская теория фотоэффекта положила начало развитию представлений о двойственной (корпускулярно-волновой) природе света. Развивая эти представления, французский физик Луи де Бройль в 1924 г. выдвинул гипотезу о наличии волновых свойств у частиц материи, и вскоре после этого была обнаружена дифракция электронов.

В соответствии с гипотезой Луи де Бройля свободно движущейся частице с массой m и скоростью v можно сопоставить плоскую монохроматическую волну с длиной волны

λ = h/mv, такие волны стали называть волнами де Бройля.

Современная картина мира. В настоящее время близок к завершению процесс формирования новой (современной) естественнонаучной картины мира. Эту картину мира и современный этап развития естествознания чаще всего характеризуют как эволюционно-синергетические.

В рамках классического естествознания мир устроен просто и подчиняется детерминистским и обратимым во времени фундаментальным законам. Научную рациональность было принято усматривать лишь в вечных и неизменных законах, а все временное и преходящее рассматривалось как иллюзия. Современное естествознание отличается от классического, в первую очередь, отказом от сформулированных предпосылок. Было выяснено, что обратимость и жесткий детерминизм в окружающем нас мире применимы только в простых предельных случаях, что в природе существуют не иллюзорные, а вполне реальные случайность и необратимость, которые необходимо рассматривать скорее как общее правило, чем как исключение.

Одним из принципиальных отличий современной картины мира от МКМ и ЭКМ является признание идей необратимости времени и глобального эволюционизма. Несмотря на то, что на уровне живой материи и, тем более, на социальном уровне, где эволюционные изменения и их необратимость вполне очевидны, в физике долгое время сохранялась иллюзия обратимости времени. Причина заключалась в том, что классическая механика – это механика обратимых процессов, способных протекать как в прямом, так и в обратном направлении, и, соответственно, обратимых систем, способных возвращаться в исходное состояние.

Справедливости ради необходимо отметить, что предпосылки проникновения эволюционных идей в физику появились еще в начале XIX века – в 1811 г. французский физик и математик Ж.Б. Фурье установил, что теплота самопроизвольно может передаваться только от более нагретых тел к менее нагретым. Другими словами, было установлено, что тепловые процессы являются принципиально необратимыми, и, строго говоря, с этого времени физика уже не укладывалась в рамки классической механики Ньютона и в рамки концепции детерминизма.

В соответствии с принципом глобального эволюционизма материя, Вселенная в целом и во всех ее элементах не могут существовать вне развития. В XIX и в XX веке (за исключением последних десятилетий) эволюционное учение интенсивно развивалось лишь в рамках его прародительницы – биологии. В научных дисциплинах биологического профиля современный эволюционизм предстает как многоплановое учение, ведущее поиск закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и даже биогеоценотическом. Наиболее выдающиеся успехи достигнуты на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован генетический механизм передачи наследуемой информации, выяснены роль и структура нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), найдены методы определения последовательностей нуклеотидов в них и т.п.

Синтетическая теория эволюции (синтез генетики и дарвинизма) развела в разные стороны процессы микроэволюции (на уровне популяций) и макроэволюции (на надвидовых уровнях), установила в качестве элементарной эволюционной единицы популяцию и пр.

Эволюционное учение Ч. Дарвина оказало сильное влияние на умы его современников, однако пропасть, отделявшая в XIX в. науки о живом от наук о неорганическом мире была столь глубокой, что перебраться через нее ученые в то время так и не смогли. Другие естественные науки, прежде всего физика и астрономия, долгое время оставались в стороне от эволюционных идей. Вселенная в целом представлялась ученым равновесной и неизменяемой, и, поскольку время ее существования считалось бесконечным, то вполне вероятным представлялось появление (в результате случайных локальных возмущений) наблюдаемых неравновесных образований (галактик, звезд, планетных систем и т. д.). Противоестественным явлением, или артефактом (лат. arte — искусственно + factus. — сделанный), выглядело и появление жизни на нашей планете. Считалось, что такого рода «отклонения» в существовании Вселенной — явления временные, с остальным космосом не связанные.

«Антиэволюционные» убеждения физиков впервые были поколеблены в 20-х гг. ХХ века после открытия нестационарности (расширения) Вселенной и появления затем гипотезы Большого взрыва. Зарождение Вселенной, согласно этой гипотезе, выводится из некоего исходного сверхплотного состояния (сингулярности) с последующей эволюцией, приведшей в конечном счете к ныне наблюдаемому облику. Таким образом, идея эволюции в середине ХХ в. завладела космологией, а затем и физикой в целом.

Постепенно идея эволюции проникла и в другие области естествознания. Так, например, в геологии окончательно утвердилась концепция дрейфа континентов. С тех пор, как концепция Большого взрыва указала на историческую последовательность появления во Вселенной различных химических элементов, благосклонно относиться к эволюционной идее стала и химия. В первые мгновения жизни во Вселенной было так горячо, что даже простейшие атомы (не говоря уже о молекулах) не могли существовать. Лишь в конце первых трех минут образовалось небольшое количество ядерного материала (ядра водорода и гелия), а первые атомы этих легких элементов возникли лишь через десятки миллионов лет после взрыва. Из этих атомов в процессе эволюции Вселенной сформировались звезды первого поколения, в недрах которых были синтезированы ядра более тяжелых химических элементов.

Эволюционную концепцию современного естествознания можно сформулировать следующим образом: «Все существующее есть результат эволюции», а представление о всеобщем характере эволюции является одной из главных отличительных черт современной научной картины мира. Вторая отличительная черта современной картины мира связана с возникновением в 70-х гг. прошлого века нового междисциплинарного направления – синергетики, претендующей на описание движущих сил эволюции любых объектов нашего мира.

Появление синергетики (другое название – теория самоорганизации) связано со стремлением ученых понять причины существенной асимметрии процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало сформировавшееся под воздействием равновесной термодинамики убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). В основе этой тенденции лежит тот факт, работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Другими словами, во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует направленность, выделенная самой природой.

«Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Для отражения направленности перераспределения энергии в замкнутых системах Клаузис ввел в термодинамику новое понятие — «энтропия» (от греч. entropia – превращение, поворот). В последствии под энтропией стали понимать меру беспорядка системы), а более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

В соответствии со вторым началом термодинамики любая изолированная система со временем должна перейти в наиболее простое состояние – состояние термодинамического равновесия. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что и эквивалентно хаосу.

Вывод, неизбежно следующий из 2-го начала, достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. равномерно распределится между всеми элементами системы. Если Вселенная замкнута, то и ее ждет именно такая незавидная участь (это состояние Вселенной получило название «Тепловая смерть»).

Примеров, подтверждающих справедливость второго закона термодинамики, на уровне неживой материи более чем достаточно. Однако, живая природа почему-то вовсе не стремилась к термодинамическому равновесию и хаосу. Более того, процесс развития растительного и животного мира (в полном соответствии с дарвиновской теорией эволюции) характеризовался непрерывным усложнением этого мира, возрастанием уровня организации и порядка живых систем. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов, стало ясно, что принцип возрастания энтропии не столь универсален, как казалось поначалу, и что для сохранения непротиворечивости общей картины мира в развитии материи должна существовать не только разрушительная, но и созидательная тенденция. На этой волне и возникла синергетика — теория самоорганизации.

Общий смысл комплекса синергетических идей заключается в том, что процессы разрушения и созидания во Вселенной равноправны, а процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным формам.

Поиск по сайту: