Третья научная революция

Третья научная революция ознаменовалась диалектизацией естествознания, т.е. формированием идей о всеобщей взаимосвязи и развитии. По времени третья научная революция произошла в XVIII – второй половине XIX вв.

Начало процессу диалектизации естественных наук положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724 – 1804) «Всеобщая естественная история и теория неба» (1755 г.). В этом труде была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы*. Гипотезу Канта принято именовать небулярной (от лат. nebula – туман; буквально означает: «относящийся к туманности»), поскольку в ней утверждалось, что, Солнце, планеты и их спутники возникли из бесформенной туманной массы. Кант пытался объяснить процесс возникновения Солнечной системы действием сил притяжения, отталкивания и химического присоединения. Кант распространил свои принципы на объяснение развития Вселенной в целом. По его мнению, процесс развития Вселенной имеет начало, но не имеет конца. О верности небулярной теории Канта до сих пор нет единого мнения. Тем не менее, важной заслугой Канта является то, что ему впервые удалось применить принцип развития к такой глобальной структуре как Вселенная.

В XIX веке диалектическая идея развития распростра­нилась на широкие области естествознания, в первую оче­редь на геологию и биологию, которые находились под меньшим влиянием механистической картины мира. В первой половине ХIХ века происходила острая борь­ба трех эволюционных концепций – катастрофизма, униформизма и эволюционизма, которые по-разному объясняли историю нашей планеты.

Приверженцем первой концепции был французский естествоиспытатель, основатель палеонтологии Жорж Кювье (1769 – 1832). В своей работе «Рассуждения о переворотах на поверхности Земли», опубликованной в 1812 г. Кювье утверждал, что каждый период в истории Земли завершался мировой катастрофой – поднятием и опусканием материков, наводнениями, раз­рывами слоев и т.д. В результате этих катастроф гибли одни жи­вотные и растения и появлялись новые более прогрессивные виды. Поэтому, считал Кювье, современные геологические условия и представители живой природы совершенно непохожи на то, что было прежде. Причины катастроф и механизмы возникновения новых видов растительного и животного мира Кю­вье не объяснял, утверждая их непостижимость. Теория катастроф была больше геологической, чем биологической концепцией.

В XVIII – первой половине XIX вв. была разработана концепция униформизма. Сторонники этой гипотезы (Дж. Геттон, Ч. Лайель, М.В. Ломоносов и др.) отрицали возможность глобальных катастроф и скачков в истории Земли и утверждали познаваемость мира и его истории. Ядром униформизма был актуалистический метод, разработанный Ч. Лайелем (1795 – 1875), предполагавший преемственность прошлого и настоящего, тождественность современных и древних геологических процессов, суммирование мелких отклонений в течение громадных периодов времени. Актуалистический метод в большей степени применялся к неживой природе. Также как и катастрофисты, униформисты допускали возможность божественного творения органических форм, но отрицали прогресс в развитии природы. По их мнению, Земля не развивается в определенном направлении, она просто изменяется случайным, бессвязным образом.

Катастрофизму Кювье и его сторонников противостоя­ло и эволюционное учение, которое в области биологии от­стаивал французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744 – 1829). В 1809 г. вышла его работа «Философия зоологии». Ламарк видел в изменяющихся ус­ловиях окружающей среды движущую силу эволюции орга­нического мира. В сформулированной им гипотезе эволюции он выделил следующие принципы: принцип градации (стремление к совершенству и повышению организации); принцип прямого приспособления к условиям внешней среды, который в свою очередь конкретизировался в двух законах (изменения органов под влиянием продолжительного упражнения и наследования приобретенных изменений новыми поколениями). Ламаркизм утверждает, что современные виды живых существ произошли от ранее живших путем приспособления, обусловленного их стремлением лучше гармонизировать с окружающей средой. Хотя многие взгляды Ламарка не соответствуют действительности (например, гипотеза упражнений), это не умаляет его заслуги как создателя первого в истории науки целост­ного, систематического эволюционного учения.

Огромный вклад в формирование эволюционного учения растительного и животного мира внес Чарльз Роберт Дарвин (1809 – 1882). Главный труд Дарвина «Происхождение видов в результате естественного отбора» был опубликован в 1859 г*. В нем Дарвин, опираясь на огромный естественнонаучный материал, изложил факты и причины биологической эволюции. Он показал, что саморазвитие является одной из естественных функций органического мира. Благодаря развитию происходит приспособление видов к окружающей среде. Принципиально важной в учении Дарвина является теория естественного отбора. Согласно этой теории, виды возникли и возникают в ре­зультате отбора и накопления качеств, полезных для орга­низмов в их борьбе за существование в данных условиях. Отзывы на учение Дарвина были многочисленны и разнообразны: от сугубо положительных, даже восторженных, до крайне негативных. Весьма резко реагировали на идею Дарвина о том, что человек произошел от общего с обезья­ной существа, представители церковных кругов, усматри­вая в этой идее одну из основ атеизма. В силу своего характера Ч.Дарвин сознательно избегал научной полемики.

Важным открытием, подтверждающим наличие всеобщих связей в природе, является клеточная теория растений (ботаник Матиас Якоб Шлейден (1804 – 1881)) и животных (биолог Теодор Шванн (1810 – 1882)). Клеточная теория доказала сходство строения клеток растений и животных, а следовательно проиллюстрировала общность двух царств органического мира.

Еще более широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире были продемонстрированы благода­ря открытию закона сохранения и превращения энергии. Суть которого можно свести к следующему: все, так называемые, физические силы – механическая сила, теплота, свет, электричество, магне­тизм и даже, так называемая, химическая сила – перехо­дят при известных условиях друг в друга без какой бы то ни было потери силы. К этой идее первоначально пришел немецкий врач Юлиус Роберт Майер (1814 – 1878). В своих работах Майер показал, что химическая, тепловая и механическая энергии могут пре­вращаться друг в друга и являются равноценными. Выводы Майера с недоверием были восприняты в научных кругах того времени как недостаточно обоснованные. Но опыты, проведенные одновременно и независимо от Майера английским исследователем Джеймсом Джоулем (1818 – 1889), подвели под идеи Майера прочную экспериментальную основу.

Свой вклад в диалектизацию естествознания внесли и некоторые открытия в химии. К числу таковых относится получение в 1828 г. немецким химиком Фридрихом Вёлером (1800 – 1882) искусственного органического вещества – мо­чевины. Антиметафизическая направленность формирую­щейся органической химии проявилась, прежде всего, в том, что эта отрасль науки положила начало разрушению представлений об отсутствии связи, о полной независимости двух ог­ромных сфер природы – неорганической и органической.

Поистине эпохальным событием в химичес­кой науке, внесшим большой вклад в процесс диалектиза­ции естествознания, стало открытие Периодического зако­на химических элементов. 1 марта 1869 г. выдающийся ученый-химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834 – 1907) разослал русским и иностранным химикам сообще­ние, которое он озаглавил «Опыт системы элементов, осно­ванный на их атомном весе и химическом сходстве». В этом сообщении было изложено великое открытие Менделеева: существует закономерная связь между химическими эле­ментами, которая заключается в том, что свойства элемен­тов изменяются в периодической зависимости от их атом­ных весов. Обнаружив эту закономер­ную связь, Менделеев расположил элементы в естествен­ную систему, в зависимости от их родства. В результате появилась также возможность предвидеть свойства ряда новых, еще не открытых элементов, для ко­торых Д.И. Менделеев оставил в таблице пустые места.

Основополагающие откры­тия в физиологии высшей нервной деятельности совершил И.М. Сеченов (1829-1905). Он доказал, что в основе психи­ческих явлений лежат физиологические процессы. Благодаря И.М. Сеченову головной мозг стал предметом экспериментального исследования, а психи­ческие явления начали получать материалистическое объясне­ние в конкретной научной форме.

Из всего вышесказанного следует, что основополагающие принципы диалектики – принцип всеобщего эволюционизма (развития) и принцип всеобщей взаимосвязи – получили во второй половине XVIII и особенно в XIX вв. мощное естественнонаучное обоснование.

Третья научная революция была временем очищения естествознания от ложных натурфилософских представлений. Так, опыты выдающегося француз­ского ученого Антуана Лорана Лавуазье (1743 – 1794) поставили крест на существовании флогистона – субстанции, определяющей способность веществ к горению. Большой вклад изгнание из науки другого натурфилософского понятия – теплорода – внес Михаил Васильевич Ломоносов (1711 – 1765). До него считалось, что теп­лород – это особая «тепловая жидкость», которая, перетекая от одного тела к другому, обеспечивает процесс теплопередачи. Идеи витализма были развенчаны благодаря работам Роберта Майера. Виталисты полагали, что живые организмы содержат в себе некую «живую силу», определяющей ход всех физиологических процессов в организме. Исследования французского физика Андре Мари Ампера (1775 – 1836) опровергли существование электрической и магнитной жидкостей.

Последним натурфилософским представлением продержавшимся дольше всех других натурфилософских понятий был мировой эфир, заполняющей все мировое пространство. Однако в конце ХIХ в. исследования американского уче­ного Альберта Абрахама Майкельсона (1852 – 1931) опровергли существование этого гипотетического вещества.

Четвертая научная революция (конец XIX – настоящее время)

Еще в конце ХIХ в. большинство ученых склонялось к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальнейшем незыблемой. Следующим поколениям ученых предстоит уточнять лишь детали уже сделанных открытий. Но в первые десятилетия XX века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, произошедших за очень короткий исторический период, охватывающий пос­ледние годы ХIХ столетия и первые десятилетия ХХ в., и способствующих окончательному крушению механистического естествознания.

В 90-х гг. ХIХ в. были открыты первые радиоактивные вещества (уран, полоний и радий) и явление радиоактивности (французские физики Антуан Анри Беккерелъ (1852 – 1908), Пьер Кюри (1859 – 1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934)). Примечательно, что после открытия рентгеновских лучей люди верили, что с помощью радиации можно вылечить все болезни. Радий в небольших количествах действительно оказался эффективен при лечении доброкачественных опухолей, и «популярность» его резко возросла. В свободной продаже появились радиевые подушки, радиоактивная зубная паста и косметика. Даже физики – первооткрыватели радиоактивности очень легкомысленно относились к радиоактивным материалам. Так, французский физик А. Беккерель имел привычку носить в кармане брюк радиевый прибор. Через некоторое время он заметил воспаление на ноге. Чтобы убедиться, что прибор послужил причиной болезни, он переложил его в другой карман. Но даже появившаяся на другой ноге язва не смогла отрезвить ученого, находящегося, как и остальные, в эйфории от нового открытия. М. Складовская-Кюри была вынуждена на людях одевать перчатки. Поскольку в опытах с полонием она непредусмотрительно взяла голыми руками этот радиоактивный металл и тем самым практически до костей прожгла себе кисти рук.

В 1897 г., в лаборатории Кавендиша в Кембридже при изучении электрического разряда в газах английский физик Джозеф Джон Томсон (1856 – 1940) открыл первую элементарную частицу – электрон. Поняв, что элек­троны являются составными частями атомов всех веществ, Томсон предложил в 1903 г. первую (электромаг­нитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицатель­но заряженные электроны располагаются определенным образом (как бы «плавают») внутри положительно заряжен­ной сферы. Сохранение электронами определенного места в сфере есть результат равновесия между положительным равномерно распределенным ее зарядом и отрицательны­ми зарядами электронов. Модель «атома Томсона» оказалась неверной и про­существовала сравнительно недолго.

В 1911 г. знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд (1871 – 1937) предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. Согласно этой модели в атомах суще­ствуют ядра – положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами ато­мов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Уточнение строения атома сделал извест­ный датский физик Нильс Бор (1885 – 1962). Его представление об атоме основывалось на квантовой теории. По сути Бор дополнил и исправил планетарную модель Резерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда – Бора.

В 1905 г. вышла в свет работа Альберта Эйнштейна (1879 – 1955) «К электродинамике движущихся тел», в которой были изложены основные положения специальной теории относительности (СТО): принцип относительности (все законы природы одинаковы во всех инерциальных системах отсчета) и принцип постоянства скорости света (скорость света в пустоте одинакова во всех инерциальных системах отсчета и не зависит от движения источников и приемников света). Из СТО следуют выводы об относительности одновременности пространственно разделенных событий, относительности времени и линейных размеров объектов разных инерционных систем, невозможности передачи взаимодействий со скоростью выше скорости света.

Доказательствами относительности пространство и время являются следующие факты. При скорости, близкой к скорости света в вакууме, происходит релятивистское (относительное) замедление времени и сокращение размеров. При этом, как отмечал сам Эйнштейн, это сокращение является кажущимся для неподвижного наблюдателя. Например, если тело длиной l будет совершать перемещение со скоростью v, близкой к скорости света с, то размеры этого тела сократятся на величину: l₀ /Также будет обстоять дело и со временем, оно будет течь медленнее в быстродвижущейся системе*. Даже при скоростях значительно меньших, чем околосветовые, можно зафиксировать релятивистское сокращение размеров и задержку времени. Например, при полете сверхзвукового самолета со скоростью 3200 км/ч длина самолета сократится, а часы будут идти медленнее, менее чем на половину триллиардной доли процента. В гигантских ускорителях, где частицы разгоняются до скорости света, этот множитель может перевалить за 1500. Замедление физических процессов при движении должно сказываться на периоде полураспада радиоактивных веществ. Поскольку замедление времени – это свойство самого времени и материи, то замедляют свой ход не только движущиеся часы, но и все процессы (в том числе химические реакции). Поскольку жизнь представляет собой комплекс химических процессов, то и течение жизни замедляется при околосветовом движении в соответствующее число раз. Если бы космический путешественник двигался со скоростью света, то он бы не старел вообще.

Согласно СТО при больших скоростях масса также не остается постоянной величиной. По мере увеличения скорости движения масса тела увеличивается и стремится к бесконечности, ускорение при этом стремится к нулю, а скорость соответственно практически перестает возрастать. Увеличение массы тела не заметно вплоть до скоростей порядка половины скорости света (с ≈ 300000 км/с). Масса тела возрастает до 8 начальных масс вблизи значения 0,95 с и возрастает неограниченно при дальнейшем повышении скорости.

СТО является достаточно узкой теорией, объясняющей физические закономерности в инерциальных системах отсчета. Физика ХХ в. наглядно доказала отсутствие инерциальных систем в природе. С 1911 по 1916 гг. А. Эйнштейн формулирует общую теорию относительности (ОТО), согласно которой свойства пространства-времени обусловлено гравитационными полями материальных объектов. Доказательством справедливости этого постулата является отклонение (искривление) светового луча под действием гравитационного поля крупного астрономического объекта (например, Солнца). В зоне сильного поля тяготения будет происходить гравитационное замедление времени. Даже на Земле, в условиях умеренной гравитации, можно обнаружить эффект искривления пространства-времени. Очень чувствительные часы могут обнаружить замедление времени на поверхности Земли.

Математический аппарат теории тяготения (ОТО) настолько сложен, что почти все задачи, кроме самых простейших, оказываются неразрешимыми. Ученые до сих пор – спустя почти столетие после того, как ОТО была сформулирована, – все еще пытаются разобраться в ее смысле. В целом теория А. Эйнштейна ос­новывалась на том, что в отличие от механики И. Ньютона, пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с материей и между собой. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть общей теории относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то простран­ство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также простран­ство и время».

В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль (1892 – 1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Другие ученые – американские физики Клин­тон Дэвиссон (1881 – 1958) и Лестер Джермер (1896 – 1971) выяснили, что электрон может вести себя и как частица и как волна («пучок света»).

Все это позволило сформулировать основные принципы новой универсальной физической теории – квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, обна­ружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире. Прежде всего это корпускулярно-волновой дуализм, или двойственность элементарных частиц (это и корпускулы, и волны одновре­менно). Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макро­объекта.

Рождением квантовой механики закончился прежний, классический этап в развитии естествознания, характерный для эпохи Нового времени. Наступил новый этап неклассического естество­знания XX века, характеризующийся, в частности, новыми, квантово-релятивистскими (лат. relative – относительный) представлениями о физической реальности, объясняющими с единых позиций такие разнородные явления как образование кристалла или образование нейтронной звезды.

Основными открытиями современного (неклассического) естествознания принято считать: общую теорию относительности А. Эйнштейна, модель расширяющейся Вселенной А. Фридмана, создание квантовой механики (В. Гейзенберг, Э. Шредингер), открытие расщепления ядра урана (О. Ганн, Ф. Штрасман), создание кибернетики (Н. Винер), создание модели строения молекулы ДНК (Д. Уотсон, Ф. Крик), открытие структуры генетического кода (М. Ниренберг, Х. Корана, Р. Холли).

Дата добавления: 2014-01-07