Доклассический период развития науки
ЭВОЛЮЦИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Цели и задачи раздела:
· Показать естествознание как динамично развивающуюся область науки.
· Познакомить с особенностями развития естествознания в разные культурно-исторические эпохи.
· Представить панораму доклассического, классического и неклассического естествознания.
· Отработать понятия: интервал, квант, спин, волновая функция, плотность вероятности, оператор, соотношения неопределенности, принцип относительности, принцип дополнительности и др.
План
· Доклассический период развития науки
· Научные программы античности
· Средневековая наука
· Классическая наука
· Естествознание в «Новое время»
· Естествознание XIX века
· Кризис классической науки
· Неклассическая наука
· Релятивистская картина мира
· Квантово-полевая картина мира
· Строение материи и физика элементарных частиц
· Затруднения неклассической науки
· Постнеклассическая наука
ДОКЛАССИЧЕСКИЙ ПЕРИОД РАЗВИТИЯ НАУКИ
Доклассический период развития естествознания растянулся более чем на двадцать столетий. Можно выделить два очень важных этапа: античность и средние века. Исследования ученых этих времен стали предтечей становления классической науки.
Средневековая наука
С распадом античных цивилизаций (I-II в. н.э.) рассеялась по миру их уникальная культура, а с ней и те зачатки наук, которые сформировались в натурфилософии. И лишь к середине X века, после окончательного установления христианства, сквозь тьму варварства и мракобесия начинают пробиваться ростки новой культуры. Рождаются средневековые города, а с ними и элементы демократического управления, интенсивно развиваются ремесла. В XII-XIII в. разрозненные остатки древней науки начинают собираться воедино. Переводятся на современные языки, сохранившиеся труды древнегреческих философов. Ренессанс гуманитарной культуры послужил мощным толчком к возрождению знаний античности. В недрах средневековой культуры появляются зародыши экспериментальной науки. Ее провозвестником стал Р.Бэкон (1214-1294). «Есть два способа познания: через аргументы и через опыт» - утверждал он. Занимаясь опытами, он нашел способы получения фосфора, магния, висмута, изучал оптические явления и преуспел в их объяснении. Становлению опытного естествознания во многом способствовали бурноразвивающиеся и процветающие астрология, алхимия, ятрохимия (химия ядов).
XII-XIII века - начало эпохи Возрождения, расцвет которой приходится на XIY-XY в. Она подарила человечеству такого титана как Леонардо да Винчи (1452-1519), на плечах которого сформировалась наука XVI-XVII веков. Один из лучших умов человечества, живописец и скульптор, архитектор, ученый, инженер, он изучал движение тел, трение скольжения, гидравлику, сопротивление материалов, разрабатывал проекты каналов, ирригационных систем, машин для подъема и транспортировки грузов, металлургических печей, прокатных станов, ткацких, печатных и деревообрабатывающих станков, летательных аппаратов, подводных лодок, мостов. В музеях мира хранится около 10 тысяч листов с его чертежами и проектами. Как ученый, он считал, что любой проект должен подтверждаться математическими расчетами и проходить экспериментальную проверку.
Культура Возрождения подготавливала почву для становления «зрелой» науки. Этому во многом содействовали средневековые монастыри, школа и университет. Поощрялась книжная ученость. В средневековой схоластике (греч. scholastikos - школьный, ученый) высокий уровень развития получило логико-дискурсивное мышление. Во многом это способствовало возвращению к античной математической программе, ее активному развитию и внедрению в научные исследования.
XY - это век великих географических открытий, зарождения океанических цивилизаций и колониальной системы. К этому времени Западная Европа истребила бо¢льшую часть своих природных ресурсов и в поисках возможностей их восполнения обратила свои взоры на восток и на запад. Не просто любопытство вело Колумба, Магеллана, Васко да Гама в неизведанные края, а необходимость - завоевание новых территорий и развитие торговли. Нужно было уплывать в неизведанные дали в поисках сказочно богатых стран, но и велико было желание вернуться на родину. Однако парусный флот и примитивные способы навигации, доставшиеся средневековью в наследство от античности, уже не удовлетворяли требованиям времени. Нужно было развивать кораблестроение, технику, навигацию. А это невозможно сделать без физики и астрономии. Необходимость овладения навигацией заставила человека более пристально взглянуть на небо и выделить астрономию в самостоятельную область исследования. Именно в это время она отделяется от астрологии.
В конце XYI века средневековая цивилизация с ее феодальным укладом и ремесленным производством подходит к своему закату. Нарождается новый тип социально-экономических отношений, основанный на развитии мануфактурного производства. Возвышение практической деятельности, одобрение практицизма и предпринимательства, новый взгляд на человека как энергичную личность, устремленную на преобразование мира, поощрение индивидуализма, замешанного на религиозных ценностях- все это способствовало формированию нового общественного сознания.
Этот период в развитии цивилизации ознаменовался крупнейшей революцией в естествознании, сопровождавшейся жесткой борьбой с религией за новое мировоззрение. У ее истоков стояли Н.Коперник (1473- 1543), Д.Бруно (1548-1600), Г.Галилей (1564-1642), И.Кеплер (1571-1630). Умирающий Н.Коперник в 1543 году публикует свою книгу «О вращении небесных сфер», в которой утверждается гелиоцентрическая система мира, о которой догадывался еще Аристарх Самосский в III в. до н.э. Зарождается пантеизм - философское учение, отождествляющее бога и природу, как единую, вечную и бесконечную субстанцию, причину самой себя. Философ - пантеист и поэт Д.Бруно выдвинул гипотезу о бесконечности Вселенной и бесчисленности миров, за что и был, как еретик сожжен на костре, на площади Цветов в Риме.
Революция, произведенная Н.Коперником в астрономии, стала мощным толчком для развития оптики и механики и обусловила переход к новому методу исследования, основу которого составили эксперимент и математическое описание его результатов. В 1609 г. Галилей изобрел телескоп. С его помощью он рассмотрел рельеф Луны, темные пятна на Солнце, открыл спутники Юпитера, наблюдал фазы Венеры. Будучи активным защитником гелиоцентрической системы, он в 1633 году был, подвергнут суду инквизиции, вынудившей его отказаться от учения Коперника. Галилей заложил основы экспериментальных исследований в механике макромира. Внедрение математики в физические исследования позволило ему представить свои результаты в виде кинематических уравнений. Им впервые было сформулировано понятие физического закона в его современном значении. Он ввел в механику представление об относительности. И.Кеплер, используя собственные наблюдения и измерения Тихо Браге, Кеплер открыл законы движения планет вокруг Солнца и вывел уравнения их орбит, о чем и возвестил миру в книгах «Новая астрономия» и «Гармония мира».
В это время происходит становление рационалистического метода познания. Именно ему наука обязана своими крупнейшими достижениями и своим превращением в могучую производительную силу. В его представлениях человек не может что-либо изменить в природе, но покорить ее силы и заставить их работать на себя, он в состоянии. Методологические основы классического рационализма были заложены английским философом Ф.Бэконом (1561-1625), свою завершенность он получил в работах Р.Декарта.
Небывалого уровня развития по сравнению с античностью достигла экспериментальная техника, что способствовало углублению научных исследований, разработке новых станков, инструментов, механизмов и производственной техники. Подготавливался переход к новому, машинному производству и вызревали условия для промышленной революции XYII-XYIII веков.
Новые понятия и термины:натурфилософия, корпускулярный, континуальный, дуализм, схоластика, ятрохимия, кинематика, гелиоцентрическая система.
Ведущие идеи:
- принципиальное отличие натурфилософии от других способов познания окружающего мира;
- научные программы античной натурфилософии как истоки традиции современной европейской науки;
- зарождение экспериментальной науки;
- становление рационалистического метода исследования.
КЛАССИЧЕСКАЯ НАУКА
Естествознание XIX века
Для европейской цивилизации XIX век стал временем расцвета индустриализации и торжества науки. Тесный союз машинного производства с наукой к концу XIX века создает огромные возможности для наращивания производств и удовлетворения материальных потребностей человека.
Начало XIX века ознаменовалось мощным развитием теплотехники и теплоэнергетики, интенсивным внедрением парового двигателя в транспорт и промышленность. Но постепенно эпоху теплотехники сменяет эпоха электричества, которая еще в бо¢льших масштабах преображает жизнь, быт и труд человека, особенно в крупных городах. К концу века цивилизация приобретает новый облик. Человечество получает, электрический двигатель, электрическую лампу, телефон, телеграф, радио, автомобиль. Закладывается воздухоплавание. Темпы и динамика технического прогресса требуют непрерывного технологического обновления, подталкивают науку к расширению и углублению познания в области мега- и микромира. В целостной системе культуры все громче дает о себе знать диссонанс между ее материальным и духовным аспектами. Погоня общества за материальным благополучием (что само по себе и неплохо) отодвигает на задний план гуманитарные сферы деятельности, делает приоритетными естественные науки, которые становятся базисом в формировании мировоззрения эпохи.
Освоение теплоэнергетики, появление самых разнообразных модификаций тепловых двигателей и их эксплуатация требуют глубокого знания тепловых процессов. Выкристаллизовывается термодинамический подход к их изучению. Его становление связано с именами С.Карно (1796-1832), Р.Майера (1814-1889), Р.Клаузиуса (1822-1888), Г.Гельмгольца (1821-1894), В.Нернста (1854-1941) и др. Изначально термодинамика изучает тепловые свойства макроскопических систем, не вдаваясь в их микроскопическое строение. Ее основание составляют такие понятия как температура, теплота, работа, энергия, теплоемкость, энтропия, энтальпия (греч. entalpo - нагреваю; характеристика состояния термодинамической системы, связанная с внутренней энергией) и три закона (начала): первое начало есть закон сохранения и превращения энергии в тепловых процессах, второе - указывает направленность самопроизвольных тепловых процессов (самопроизвольная передача теплоты всегда происходит от более горячего тела к холодному), третье начало (теорема Нернста) утверждает, что энтропия системы при стремлении ее температуры к нулю также стремится к нулю. Первое и второе начала, по сути, устанавливают отношения между переданной системе теплотой и совершенной механической работой. Создается мнение, что термодинамика - ни что иное, как механическая теория теплоты. Однако открытая термодинамикой необратимость тепловых процессов нарушила представления об однозначности их описания. И уже в работе Клаузиуса «Механическая теория тепла» появляется идея о статистическом характере тепловых законов. Одно из важнейших утверждений этой работы: поведение коллектива частиц носит вероятностный характер. На арену науки выходят случай, хаос, вероятность и возможность порядка из хаоса.
Приложение теории вероятности к термодинамическим системам явилось важной вехой в развитии физики, которая получила достойное признание лишь в двадцатом веке. Прорыв в этой области сделал организатор и первый директор знаменитой на весь мир Кавендишской лаборатории Д.Максвелл (1831-1879), который, используя классическую механику и представления о вероятности, получил закон распределения молекул по скоростям, показал, что в газовых средах, где преобладает хаотичность движения частиц, есть определенный порядок. Развивая это направление, Л.Больцман дал статистическое обоснование второго начала, выразил энтропию системы через вероятность, описал поведение закрытой термодинамической системы. При разработке статистической механики идеального газа Д.Максвелл и Л.Больцман указали на принципиальное отличие поведения отдельной частицы и большой совокупности частиц. Если при описании одной макрочастицы всегда можно определить ее координаты и скорости в любой момент времени, то при описании поведения большого коллектива частиц (поведение молекул газа в сосуде) можно лишь указать распределение частиц в зависимости от какого-либо параметра (например, распределение молекул газа по скоростям, или распределение по высоте над уровнем моря плотности воздуха в атмосфере Земли). Закономерности этих распределений как целого есть результат хаотического движения частиц. С работами Максвелла и Больцмана закладываются основы нового направления - статистической физики, которая основывается на атомистике и вероятности. В науке появляется представление о фундаментальности случайного и вероятностном характере причинно-следственных отношений. Эти идеи стали основополагающими для развития науки ХХ века и синергетического подхода к изучению мира.
XIX век - время интенсивного развития теории электричества. Первоначальные представления об электричестве появляются еще у древних. Но научное изучение электрических явлений начинается с работ Ш.Кулона (1736-1805) и А.Вольты (1745-1827). Вступление человечества в век электрических машин открывают исследования М.Фарадея (1791-1867), Э.Ленца (1804-1865), Х.Эрстеда (1777-1851), А.Ампера (1775-1854). Свою завершенность электромагнитная картина мира получила в работах Д.Максвелла, и выразилась в системе уравнений, отражающих взаимосвязь электрических и магнитных явлений. Важным выводом из этой теории явилась гипотеза о существовании электромагнитного поля и электромагнитных волн, что и было подтверждено экспериментально в работах Г.Герца (1857-1894), а затем использовано практически для радиосвязи А.Поповым (1859-1905). Одним из важнейших выводов из теории Максвелла стал вывод о том, что свет есть поток электромагнитных волн.
Основные положения электромагнитной картины:
1. Одной из форм существования материи является электромагнитное поле - сплошная среда, заполняющая все пространство. Его силовыми центрами являются электрические заряды.
· Взаимодействие между зарядами осуществляется по механизму близкодействия и количественно определяется законом Кулона.
· Направленное движение зарядов представляет собой электрический ток, который и является источником магнитного поля. Взаимодействие токов количественно определяется законом Ампера.
· Энергетической характеристикой поля является потенциал.
· Cиловыми характеристиками электромагнитного поля являются взаимосвязанные между собой вектора напряженностей (или индукции) электрической и магнитной составляющей.
· Переменное электрическое поле порождает вихревое магнитное поле. В свою очередь переменное магнитное поле порождает вихревое электрическое. Количественно эту взаимосвязь определяет закон электромагнитной индукции.
· Электромагнитное поле существует в виде электромагнитных волн. Скорость его распространения зависит от электрических и магнитных свойств среды. В вакууме оно распространяется со скоростью света.
· Электромагнитные волны обладают энергией и импульсом.
· Электромагнитные взаимодействия обеспечивают устойчивость таких микросистем как атом и молекула.
При переходе от механической картины мира к электромагнитной произошли кардинальные изменения взглядов на фундаментальные свойства материального мира. Пространство перестало быть пустым. Оно заполнено сплошной средой - полем. Отпала необходимость в мировом эфире, его функции выполняет поле. Механическое перемещение дополняется волновым процессом, который можно описать с помощью законов электродинамики.
К концу XIX века сложилось вполне отчетливое представление об атомно-молекулярной структуре вещества. Открытие протона и электрона позволило построить модель атома как системы, состоящей из более простых элементов. Все атомы имеют массивное протонное ядро и электронную оболочку. Атомы перестали быть первокирпичиками мироздания. На их роль претендуют три элементарные частицы - фотон, электрон и протон.
Развитие теории тепловых процессов и электричества перевели на новую ступень представления о химическом процессе. Начинает активно развиваться органическая химия. Важная веха в ее становлении связана с именем Ш.Жерара (1816-1856), разработавшего общую классификацию органических веществ на основе открытия гомологических и генетических рядов органических соединений, а также атомистических представлений. В дальнейшем это позволило А.Бутлерову (1828-1885) разработать теорию химического строения органических соединений. Исследования в органической химии XIX века стали основой синтетической химии, нефтехимии, биохимии, которые достигнут своего апогея в XX веке. В химию XIX века приходит осознание того, что качественное разнообразие веществ и их свойств связано не только с составом, но и структурой молекул, их пространственным строением. Начинает прослеживаться взаимосвязь понятий: элемент, система, структура, свойство, функция.
Крупнейшей революцией в естествознании XIX века стало открытие Д.Менделеевым (1834-1907) периодического закона и периодической системы элементов. Сын учителя из провинциального губернского городка Тобольска, он достиг небывалых успехов в естествознании, став автором фундаментальных исследований по химической технологии, физике, метрологии, метеорологии, сельскому хозяйству. Но мировую известность ему принесло открытие периодического закона. В качестве основополагающего признака для классификации химических элементов он пробовал использовать разные критерии: масса атомов, реакционная способность и другие. В конечном итоге, после глубоких размышлений он выстроил химические элементы по их способности участвовать в тех или иных видах химических реакций. Высокий уровень интуиции, гениальное предвидения и кропотливый труд позволили ему сделать это по истине эпохальное открытие. Правильность его выбора получила теоретическое обоснование лишь спустя много лет, в первой трети ХХ века, когда благодаря открытиям в области атомной физики, было установлено, что выявленный им порядок следования элементов связан с усложнением структуры атомов и обусловлен их электронным строением. В честь него менделевием назван один из искусственно полученных химических элементов, его имя носит действующий вулкан на Курильских островах, один из подводных хребтов Северного Ледовитого океана, научное химическое общество России и технологический институт в Москве.
К концу XIX века в самостоятельную область выделилась химическая термодинамика, сформировались представления о кинетике и катализе химических процессов. Голландский химик Я Вант-Гофф (1852-1911) в своей книге «Очерки по химической динамике» сформулировал законы, устанавливающие зависимость направления химических реакций от температуры. Французский физико-химик Ле-Шателье (1850-1936) сформулировал принцип подвижного равновесия в химическом процессе и выявил условия, при которых оно смещается в сторону образования целевых продуктов. Это открывало широкие возможности в управлении химическими процессами. Объединение органической химии с учением о кинетике и катализе позволило в ХХ веке поставить на качественно новую основу химическую технологию и промышленный органический синтез, роль которых в развитии современной цивилизации трудно переоценить.
XIX век оказался переломным и для биологии. Благодаря достижениям физики и химии она переходит с описательного уровня на более высокий - молекулярный, связанный с изучением биохимических процессов. И этому во многом способствовало развитие измерительной техники и методов физико-химических исследований. На качественно новую ступень переходит цитология. М.Шлейден (1804-1881), Т.Шванн (1810-1882), Р.Вирхов (1821-1902) выяснили различия между животной и растительной клеткой, выявили их наиважнейшие структурные элементы, установили факт клеточного деления.
В работах Ч.Дарвина (1809-1882) и А.Уоллеса (1823-1913) получают дальнейшее развитие эволюционные идеи XYIII века. Их обоснование было изложено в книге Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859). Опираясь на материалы, полученные им в кругосветном путешествии на корабле «Бигль» и практику селекционной работы, он в качестве концептуальных выдвигает идеи изменчивости, наследственности и естественного отбора. Внешняя среда, воздействуя на отдельный организм, может приводить к случайным изменениям. Появление случайных изменений, приспособительных признаков, передача их по наследству и накопление в потомстве приводит к разнообразию внутри одного вида. Менее приспособленные индивиды дают меньшее потомство и вымирают, уступая место более приспособленным. И природе неважно, будут ли это более сложные или менее сложные организмы, важно, чтобы они были наиболее приспособленными. Появившийся признак у наиболее приспособленных закрепляется, и постепенно внутри данного вида складывается новая разновидность с новым набором признаков. По сути, случайные изменения на одном уровне (уровне индивидуального развития) проявляются на другом системном уровне - уровне вида. Учение о случайности пришло в биологию почти одновременно с представлением о ее фундаментальной роли в тепловых процессах. Идея эволюции биологических систем в сторону усложнения и возрастающей упорядоченности предвосхищала появление идей синергетики. Но в теории Дарвина имелось слабое место, на которое указал современник Дарвина, инженер Ф.Дженкинс. Было неясно, каким образом случайный признак закрепляется в потомстве, ведь по всем правилам он должен рассеиваться. Лишь генетике ХХ века удалось снять этот вопрос и прояснить характер наследования и закрепления признаков в потомстве. Ее основы были заложены Г.Менделем (1822-1884). При проведении опытов по скрещиванию разных сортов гороха им были установлены эмпирические законы наследования видовых признаков:
- первое поколение гибридов оказывается единообразным и несет признаки только одного из родителей;
- при скрещивании между собой двух потомков первого поколения во втором поколении наблюдается расщепление по фенотипу (греч. phaino- являю, обнаруживаю; совокупность всех свойств организма, сформировавшихся в процессе его индивидуального развития) в соотношении 3:1;
- при скрещивании двух организмов, относящихся к «чистым линиям», но отличающихся по двум и более парам альтернативных признаков, соответствующие им признаки комбинируются во всевозможных сочетаниях.
Эти открытия получили признание лишь спустя двадцать лет после его смерти, а теоретическое обоснование - благодаря развитию молекулярной биологии во второй половине ХХ столетия.
К концу XIX века приобретает законченные формы классическая биохимия, толчком для становления которой послужило открытие мочевины (1828), развитие органической и синтетической химии, выделение и изучение важнейших биополимеров. Совершенствование оптики, физических и химических методов анализа позволили выделить вещество наследственности ДНК, способствовали развитию микробиологии и бактериологии, которые к концу XIX века занимают ведущие позиции в биологической и медицинской науках. В шестидесятых годах XIX века Э.Геккелем (1834-1919) были заложены основы биологической экологии - науки о взаимосвязях живых организмов со средой обитания.
Но несмотря на огромные успехи биология так и не смогла построить единой биологической картины мира. Во многом это было связано с тем, что она затруднялась ответить на вопрос о происхождении живого и причинах его принципиального отличия от неживого. Ученые-экспериментаторы, исследуя структуру и функционирование клетки, механизмы ее деления, пытались выявить причины зарождения живого, однако XIX веку решить эту проблему биологической науки не удалось.
Космологические гипотезы конца XIX века были, в первую очередь, результатом математического, физического и философского обобщения многочисленных наблюдений, начиная от глубокой древности. По мере развития математических основ естествознания, совершенствования измерительной аппаратуры, накопления экспериментальных данных о возрасте звезд и звездных систем, их геометрических размерах и массах, скоростях движения, температурах, спектрах излучения, к концу XIX века сформировалась убежденность в том, что Вселенная бесконечна в пространстве и времени, неизменна (стационарная космологическая модель) и имеет определенную структуру. Для построения такой модели были использованы принципы классической механики и евклидова геометрия. Идеи неевклидовой геометрии Н.И.Лобачевского (1792-1856) и Б.Римана (1826-1866), теория n-мерных пространств (Г.Минковский), становление которых приходится на вторую половину XIX века, а также открытие «разбегания» галактик станут подножием для разработки в начале ХХ века модели нестационарной Вселенной.
К концу XIX века классическая наука приняла законченный вид. Получили свою завершенность фундаментальные идеи естествознания и соответствующие им принципы - сохранения, относительности, направленности процессов, периодичности. Внедрение математических методов и формализация исследований в естественных науках завершили строительство здания классического рационализма. Наука поставила последние штрихи в классическом детерминизме. Складывалось впечатление, что она выполнила свою познавательную функцию, раскрыла все тайны Мироздания, ответила почти на все вопросы человека и обеспечила ему достойное существование. Крупные успехи были достигнуты во всех областях естествознания В теоретической и экспериментальной физике были построены механическая, тепловая и электромагнитная картины мира, разработаны статистическая физика и электронная теория, предложена модель строения атома, измерена скорость света и изучены его свойства. С открытием периодического закона химических элементов приобрела свою завершенность химия. Казалось, что еще чуть-чуть и описание природы с помощью математики примет всеобъемлющую форму и можно будет, сформулировав несколько основополагающих аксиом, построить единую научную картину мира.
Кризис классической науки
Однако на пути построения единой естественнонаучной картины мира появились некоторые препятствия. И связаны они были в первую очередь с наукой, позволившей раздвинуть горизонты познания в микро- и мегамир - оптикой, и появлением экспериментальных фактов, которые классическая физика не могла объяснить. Свет всегда был загадкой для науки. В представлениях XVII-XVIII веков поддерживалось две гипотезы о его природе: свет - есть поток особых световых корпускул (Ньютон), и свет - есть поток волн (Гюйгенс). Но так как авторитет Ньютона в те времена был непререкаем, господствовала первая гипотеза. В начале XIX века опыты Т.Юнга (1773-1829) и О.Френеля (1788-1827) по интерференции и дифракции утвердили представления о волновой природе света. Теоретическое обоснование эта точка зрения получила в классической электродинамике Максвелла. Однако такие явления как излучение нагретых тел, фотоэффект, закономерности в спектрах атомов металлов не вписывались в ее рамки. Наука никак не могла найти теоретического обоснования периодического закона Д.И.Менделеева. В конце XIX века потерпела окончательное поражение теория мирового эфира. Скорость света оказалась постоянной и не зависящей ни от эфира, ни от скорости движения источника.
Классическая наука оказалась бессильной в объяснении природы рентгеновских лучей (1895), радиоактивности (1896) и электрона (1897). При исследовании радиоактивности обнаружилось невыполнение закона сохранения массы. В астрономии появился ряд фактов, противоречащих представлению о стационарности Вселенной. Американский астроном П.Ловелл (1855-1916), используя методы спектроскопии, заметил разбегание галактик и измерил скорости некоторых из них, однако наука XIX века не смогла дать объяснения этим фактам.
Нуждался в ревизии ряд гносеологических позиций классической науки. Как известно, она рассматривает поведение закрытых систем. Но рассмотрение любого объекта или системы в отрыве от их взаимосвязей с другими объектами или системами весьма условно. Исследуемая система всегдавсего лишь часть некой другой, более сложной. Невзрачную роль «постороннего наблюдателя» классическая наука отводит и самому экспериментатору. Он, находясь за пределами исследуемой им системы, безучастно фиксирует, происходящие в ней события. Но в реальности, являясь частью сложной системы «наблюдатель-объект», он своим вмешательствомбезусловно оказывает влияние на последние.
Философский анализ сложившейся ситуации был дан в книге В.Ленина (1870-1924) «Материализм и эмпириокритицизм» (1909), в которой он отмечал, что сущность кризиса классической науки заключается в кризисе познания материи. Он пишет: «Сущность вещей или «субстанция» тоже относительны; они выражают только углубление человеческого познания объектов, и если вчера углубление этого познания не шло дальше атома, сегодня - дальше электрона и эфира, то диалектический материализм настаивает на временном, относительном, приблизительном характере всех этих вех познания природы прогрессирующей наукой человека. Электрон также неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна... Все грани в природе условны, относительны, подвижны, выражают приближение нашего ума к познанию материи... Ум человеческий открыл много диковинного в природе и откроет еще больше, увеличивая тем свою власть над ней, но это не значит, чтобы природа была созданием нашего ума...». И в самом деле, не природа-создание нашего ума, а те модели природы, которые строит человек для ее объяснения. С углублением познания они усложняются и все же весьма приближенно описывают самое природу.
Для разрешения кризиса и истолкования новых явлений и фактов нужны были новые гипотезы, идеи и теории. И такие идеи появились. Это, прежде всего, гипотеза М.Планка (1858-1947) о квантах, с принятием которой наступил новый виток в развитии корпускулярно-волнового дуализма, идеи А.Эйнштейна (1879-1955) о природе пространства и времени, идеи Э.Резерфорда (1871-1937) и Н.Бора (1885-1962) о строении атома. Исход кризиса завершился рождением основополагающих для ХХ века парадигм - специальной и общей теории относительности, квантовой механики и построением квантово-релятивистской картины мира. Принятие их научным сообществом было связано с ломкой сложившихся в рамках механицизма традиционных стереотипов мышления, разработкой новых образцов мышления и новых мировоззренческих подходов к описанию реальности. В этом и заключалась крупнейшая по своим масштабам революция в естествознании на рубеже XIX - XX веков.
Ведущие идеи:
- научно-техническая революция и построение механической картины мира;
- становление классического детерминизма;
- влияние успехов физики на развитие других областей естествознания;
- становление тепловой и электромагнитной картин мира;
- выход на новый уровень исследований по химии и биологии;
- завершение классической науки;
- становление представлений о фундаментальности случайного и вероятностном характере причинно-следственных отношений.
НЕКЛАССИЧЕСКАЯ НАУКА
Релятивистская картина мира
Теория относительности или релятивистская (лат. relativus - относительный) механика перевернула представления о пространстве, времени, строении материи и существенным образом повлияла на развитие научного мировоззрения. Сегодня она является общепризнанной теорией. Ее отцом по праву считают А.Эйнштейна (1879-1955).
В 1905 году он опубликовал статью «К электродинамике движущихся сред», идея которой заключалась в том, что при описании явлений природы нужно отказаться от ньютоновских понятий абсолютного пространства и абсолютного времени. А.Эйнштейн отказался от господствовавшей в то время теории мирового эфира, высказал и обосновал два постулата:
- Скорость света в вакууме одинакова во всех инерциальных системах отсчета (ИСО) и равна 108 м/с.
- Законы природы и выражающие их уравнения инвариантны во всех ИСО.
Эти постулаты легли в основу специальной теории относительности (СТО). Cправедливости ради следует отметить, что почва для ее рождения готовилась физикой всю вторую половину XIX века. Ее математический аппарат был заложен в работах немецкого математика и физика, Г.Минковского (1864-1909) и А.Пуанкаре (1854-1912) - крупнейшего французского математика, физика и философа. Значительный вклад в ее становление внесли американец А.Майкельсон (1852-1931), англичанин Фицджеральд (1851-1901) и нидерландский физик Г.Лорентц (1853-1928). Майкельсон измерил скорость света и доказал ее постоянство. Она оказалась равной ~ 300 000 км/с. Это огромная скорость по сравнению со всеми наблюдаемыми в природе скоростями. Например, скорость современного самолета ~ 0,5 км/c, орбитальная скорость движения Земли ~ 30 км/с. Фицджеральд и Лорентц объяснили результаты опытов Майкельсона и предложили гипотезу о сокращении линейных размеров тел, движущихся с околосветовыми скоростями. Но лишь глубокая интуиция и понимание физической природы реальности, присущие А.Эйнштейну, помогли ему связать физику с геометрией и сформировать представления о пространстве, времени и гравитации, отличные от классических.
В СТО пространство и время связаны через движение, а положение тела описывается четырьмя координатами: x, y, z, t. Теперь уже речь идет не просто о пространстве или просто о времени, а о «пространстве-времени», которое характеризуется величиной, называемой интервалом, и связывающей пространственные расстояния и промежутки времени, разделяющие два события. Интервал является инвариантом.
Свойства объектов (масса, длина) и время протекания процессов зависят от скорости движения системы отсчета, в которой находится объект или протекает процесс. С увеличением скорости тел возрастает их масса, а линейные размеры в направлении движения сокращаются, замедляется время протекания процессов (Рис. 4). Одновременность двух событий, протекающих в разных ИСО относительна. Иной, чем в классической механике вид имеет и закон сложения скоростей.
Уравнения СТО, описывающие движение тел со скоростями, близкими к скоростям света, составляют основу релятивистской механики. При малых скоростях движения v << c, эти уравнения переходят в уравнения классической механики. В этом проявляется важнейший методологический принцип естествознания - принцип соответствия, выражающий требование преемственности знаний при переходе от более сложных моделей мира к более простым.
Y
l (СТО) m, t (СТО)
m, l, t (классическая механика)
V
Рис. 4 Зависимость m, l, t от скорости движения тела в классической и релятивистской механиках
СТО, раскрыв взаимосвязь пространства и времени между собой, не смогла ответить на вопросы о том, как связаны они с телами, находящимися в пространстве, и полями тяготения. Процесс поиска ответа на эти вопросы завершился построением общей теории относительности (ОТО). Оказалось, что сами материальные тела, их распределение в пространстве и движение полностью определяют геометрию пространства и свойства времени. Вблизи массивных тел силовые линии гравитационного поля искривляются и пространство становится римановым. Принцип относительности в ОТО приобретает еще более общую форму: движение тел в неинерциальной системе <