Глава 2 Наука с древнейших времен до наших дней: этапы устойчивого развития и периоды кризиса в науке.
Развитие науки – это сложный процесс, который не сводится к постепенному росту объема знаний по отдельным дисциплинам. Развитие каждой отрасли науки происходит неравномерно, периоды накопления информации чередуются с периодами возникновения новых гипотез и теорий, их конкуренции как между собой, так и с уже установившимися теориями. В результате этой борьбы общепризнанными становятся теории, лучше объясняющие имеющиеся опытные факты, и дисциплина получает импульс для дальнейшего развития.
Американский философ Томас Кун выделил образующую ядро науки составляющую, которую назвал парадигмой. Парадигма науки представляет собой идею, объединяющую актуальные теории в научную картину мира. По аналогии эту функцию парадигмы науки можно сравнить с функцией скелета живых организмов, который определяет форму тела и выполняет опорную функцию. Парадигма науки также устанавливает и методы исследовательской деятельности. В ситуации, когда требуется исследовать какое-либо явление, эта роль парадигмы может быть сравнима с задачей, которую решает повар при создании рецепта нового блюда, удовлетворяющего вкусам посетителей ресторана, используя при этом имеющиеся продукты и кухонное оборудование.
Период устойчивости парадигмы, когда она в состоянии решить возникающие перед наукой конкретные задачи, Кун назвал периодом нормальной науки, а период ломки старой парадигмы и становления новой – научной революцией. Само же развитие науки Кун представил как процесс смены парадигм. Проводя аналогию с живыми организмами, смену парадигмы можно сопоставить с эволюцией скелета, исчезновением одних и появлением новых видов организмов.
С момента, когда понятие парадигмы было введено в философию науки Куном, многие другие философы его разрабатывали и уточняли. Наиболее четко структура парадигмы была определена академиком РАН В.С. Степиным. Согласно В.С. Степину, парадигма включает в себя три базовых компонента, составляющие основания науки:
научная картина мира;
идеалы и нормы науки;
философско-мировоззренческие обоснования, которые обеспечивают включение научной картины мира, идеалов и норм науки в культуру.
Научная картина мира – это модель реальности, построенная и изучаемая наукой. Научная картина мира определяет наши представления об окружающем мире. Например, в период интенсивного развития механики, существовала механистическая картина мира, которая представляла реальность как абсолютное пространство, в котором располагались материальные объекты, состоящие из неделимых частиц. Взаимодействие этих частиц происходило в соответствии с принципом дальнодействия – силы передавались мгновенно по прямой линии, а между причиной и следствием существовала однозначная связь. Ход времени не зависел от происходящих процессов, т.е. время было абсолютным. Реальность представлялась как простой механизм, аналогичный однажды заведенным и исправно функционирующим часам. Дальнейшее развитие науки показало существенную ограниченность этих представлений и привело к отказу от механистической картиной мира.
Идеалы и нормы науки – это представления о способах и правилах обоснования, доказательности знаний, постановки исследовательских задач. Нормы науки формируют критерии, разграничивающие науку и ненаучные знания. Идеалы и нормы науки меняются по мере ее развития. Парадигма также включает механизмы адаптации идеалов и норм к специфике предмета каждой науки. Так, например, идея эволюции зародилась в биологии и со временем вошла в физику.
Философско-мировоззренческие основания науки – важная составляющая парадигмы, благодаря которой происходит включение науки в культуру. Наука исследует неосвоенные в быту, повседневной жизни предметы, поэтому для обыденного восприятия они являются непривычными. Философско-мировоззренческие основания и служат для того, чтобы ввести эти новые предметы в культуру, состыковать их с привычными представлениями. Например, при исследовании электромагнитных явлений оказалось, что силы электромагнитного взаимодействия передаются не мгновенно. Тогда встал вопрос о том, как сила "отрывается" от своего источника, и какой материальный носитель "перемещает" ее дальше. В существующей в то время научной картине мира сила была неразрывно связана с материей, и этот, философский по сути, принцип был использован для разрешения сложившейся ситуации: было введено понятие поля, как особого вида материи, способного передавать силу.
Развитие науки происходит сложным образом, в науку включаются новые предметные области, расширяются границы изучаемой реальности. Этот процесс можно сравнить с движением по спирали, каждый виток которой включает три составляющие, или три этапа развития науки:
нормальная наука – период устойчивости парадигмы, когда каждое новое открытие находит объяснение в рамках общепринятой теории;
экстраординарная наука – период кризиса в науке, вызванный возрастанием числа фактов, не поддающихся объяснению или противоречащих общепризнанной теории, что приводит к появлению альтернативных теорий и конкуренции научных школ;
научная революция – перестройка оснований науки, или, другими словами, смена парадигмы.
В период кризиса в науке возникают новые гипотезы и теории, предлагающие свои способы объяснения новых фактов и методы решения научных проблем. В результате их конкуренции происходит пересмотр представлений об окружающем мире и формируется новая парадигма науки, т.е. совершается научная революция. Она влечет за собой коренные преобразования техники и рождает новые технологии.
Термин "научная революция" широко используется, и существует множество определений этого понятия. Смысл, которым наделяют научную революцию представители различных профессий, может существенно различаться. Например, революция в области политики происходит в конкретный промежуток времени и означает смену систем с четко определенными ценностями и задачами, а факт революции в науке не сразу становится очевидным: требуется время на признание ученым сообществом новой теории, на включение новых представлений в естественнонаучную картину мира и в культуру. Так, основы специальной теории относительности А. Эйнштейн изложил в статье "К электродинамике движущихся тел", опубликованной в 1905 г., а споры вокруг его идей продолжались еще несколько лет. Что касается людей, по роду своей деятельности далеких от науки, то научная революция может трактоваться ими зачастую ошибочно. Один из биографов А. Эйнштейна, А. Пайс, приводит в своей книге "Гении науки" яркий пример того, как в погоне за броскими заголовками утрачивается смысл и значение научных фактов. Так, в Лондоне 7 ноября 1919 г. в "Таймс" была опубликована статья под названием "Революция в науке… Идеи Ньютона опровергнуты". Статья была посвящена обнаруженному изгибанию лучей света, которое предсказывала теория относительности А. Эйнштейна. Согласно этой теории, вблизи Солнца траектория луча света, идущего от далекой звезды, изгибается по направлению к Солнцу, что обусловлено его гравитационным притяжением. В результате координаты звезды, измеренные наблюдателем, находящимся на Земле, окажутся отличными от тех, которые получит наблюдатель в случае, если между этой звездой и Землей нет Солнца и лучи света, испускаемого звездой, идут прямолинейно. Следует отметить, что теория корпускулярной природы света И. Ньютона, где частицы света – корпускулы – наделялись массой, также предсказывала искривление световых лучей под действием гравитации, и согласно расчетам величина этого отклонения вблизи Солнца должна была составить 87 секунд. Согласно общей теории относительности А. Эйнштейна угол отклонения лучей должен был быть в 2 раза больше. Для проверки двух указанных предположений 29 мая 1919 г. английская научная экспедиция, возглавляемая А.С. Эддингтоном, наблюдала полное солнечное затмение в Африке. Измеренная величина отклонения лучей была близка к значению, полученному из теории Эйнштейна, что и послужило поводом для заголовка в "Таймс". Утверждение газеты об опровержении идей Ньютона некомпетентно, и, кроме того, название статьи создает впечатление, что революция в науке отбрасывает полностью все старые теории, как нечто ненужное и ошибочное. На самом деле это не так.
В науке действует принцип соответствия, т.е. новая теория должна переходить в старую при тех условиях, для которых была построена старая теория. Например, после создания релятивистской механики классическая (ньютоновская) механика продолжает успешно использоваться для описания движения тел при скоростях, существенно меньших скорости света. Таким образом, даже коренная научная революция только переосмысливает прежние теории и устанавливает границы их применимости. Важнейшим свойством науки является стабильность, иначе после каждого нового открытия приходилось бы заново создавать науку.
Можно выделить несколько типов научных революций. Революции первого типа обусловлены накоплением аномальных, не объяснимых в рамках существующей парадигмы фактов, что влечет за собой кризис в науке. Следствием революции является смена парадигмы. Революции второго типа происходят при интенсивном междисциплинарном взаимодействии, их можно назвать "парадигмальными прививками". В результате революции второго типа происходит перенос парадигмы из одной дисциплины в другую. Примерами таких революций являются революция в химии, обусловленная переносом квантовых представлений из физики, революция в биологии в результате заимствования теории систем из кибернетики. В отдельных дисциплинах могут происходить научные революции, не затрагивающие парадигму и оставляющие неизменными основные положения науки предшествующего периода. К таким частным, локальным революциям относится, например, появление радиоастрономии. Это важное событие в астрофизике позволило увидеть Вселенную в другом диапазоне электромагнитных волн, помогло обнаружить много новых объектов.
Рассмотрим научные революции первого типа, вызвавшие переосмысление фундаментальных положений науки и смену парадигмы. Эти революции можно назвать глобальными, поскольку их результатом стал грандиозный шаг вперед в развитии науки и понимании природы. История насчитывает четыре такие глобальные революции:
Зарождение античного научного мышления, становление натурфилософии (VI-V вв. до н.э.).
Становление механистической картины мира и классической науки, обусловленные появлением эксперимента, как основного метода исследований, развитием механики и экспансией механицизма во все области естествознания и социальные науки (XVII в.).
Возникновение дисциплинарно организованной науки, что связано с появлением представлений о поле, как особом типе материи, и разработкой электродинамики в физике; с развитием атомно-молекулярного учения в химии; с зарождением идей развития и эволюции в биологии и геологии (XIX в.).
Становление неклассической науки, инициированное созданием теории относительности и развитием квантовых представлений в науке (конец XIX – первая половина XX в.).
Остановимся на каждом из этих периодов более подробно.
Познание человеком природы во времена Античности в государствах Средиземноморья (Вавилон, Ассирия, Египет, Эллада), Китая, Индии и древних государствах арабского Востока было ориентировано на изучение преимущественно тех предметов и явлений, с которыми человек регулярно сталкивался в повседневной жизни. Так, земледельческой цивилизации Древнего Египта необходимо было выработать способы деления земли на участки, поскольку разливы Нила регулярно разрушали установленные границы. Восстановлением границ занимались государственные чиновники, а форма и размеры участков изображались в чертежах на папирусе. Эти чертежи служили моделями участков и использовались для восстановления их границ, что и послужило толчком к развитию геометрии. В процессе решения практических задач по определению площадей участков были найдены способы вычисления площадей основных геометрических фигур. Эти знания стали использоваться и в других областях, в частности, в строительстве. Другой пример, когда решение повседневных проблем стимулировало развитие знаний, – это изобретение вавилонянами солнечных и водяных часов, что было обусловлено необходимостью точного определения времени.
В древнем Китае в VII в. до н. э. начался процесс накопления физических знаний, и в 318 г. до н. э. в царстве Цинь его правитель Сюань основал академию, в которую были приглашены наиболее выдающиеся ученые. Полученные физические знания изложены в двух книгах, созданных в период между 450 и 250 гг. до н. э. философом Мо Ди или Мо-цзы и его последователями: "Мо-цзин" ("Моистский канон") и "Мо-цзы" ("Книга учителя Мо"). Моисты уделяли много внимания вопросам механики, действию рычага и блока, имели четкие представления о действии и противодействии. Несколько позже китайский поэт Цзя И выразил эту мысль в стихотворной форме: "Если вода устремляется, она становится диким потоком. Если стрела выпущена, она летит далеко. Но все это обладает силой [реакции], действующей назад, и все колеблется в этом противоборстве… Таков дао природы". Также древние китайцы занимались оптикой, акустикой и магнетизмом, в эту эпоху в Китае уже была известна камера-обскура, китайцами были изобретены компас, порох, фарфор. Однако, объединение китайских государств в "Небесную империю" и распространение конфуцианства, которое ставило задачей управлять обществом в соответствии с традициями, привело к тому, что философская школа Мо Ди почти бесследно исчезла ко II в. до н.э.
В цивилизациях Востока жизнь людей регулировалась всепроникающим религиозным ритуалом, традициями и правилами до мельчайших деталей, поэтому само общественное устройство этих государств не допускало возможности свободного обсуждения и множественной интерпретации различных событий и, в том числе, природных явлений. Знания, как правило, формулировались в виде предписаний и хранились особой группой управителей (жрецами в Древнем Египте, чиновниками в Китае) в виде нормы, не подлежащей сомнению. Гарантом достоверности знаний служил авторитет их создателей. Исследования проводились с целью получения конкретного практического результата, а вопрос о причинах тех или иных явлений не ставился. Поэтому, несмотря на достижения естествознания Древнего Востока, его нельзя считать родиной науки и научного метода.
Для возникновения науки необходим был особый тип мышления, не ограниченный рамками традиционного уклада жизни, основанного на воспроизведении существующих форм и способов деятельности. Предпосылки для возникновения науки в том смысле, каким наделяют ее в современном мире, т. е. доказанного знания, возникли в городах-полисах Древней Греции. В древнегреческих государствах существовала своеобразная рабовладельческая демократия, пронизанная духом конкуренции. Принимаемые в полисах решения вырабатывались в ходе борьбы мнений свободных граждан, поэтому законы общества воспринимались как изобретение людей, и могли быть подвергнуты улучшению, если возникала такая необходимость. На этой основе возникло представление и о множественности форм действительности, появилось много конкурирующих между собой философских школ, вводящих различные концепции мироздания. Сложившийся в культуре идеал обоснованного мнения был воспринят античной философией в качестве идеала истинности научного знания, и именно в греческой математике зародился способ изложения знаний в виде теорем, которые были представлены в форме "дано – требуется доказать – доказательство".
При обсуждении проблемы части и целого, единого и множественного античная философия предложила три варианта устройства мироздания: мир бесконечно делим (Анаксагор), мир делится на части до определенного предела (атомистика Демокрита и Эпикура), мир неделим (элеаты).
Обоснование элеатами (Парменид, Зенон) идеи целостности мира привело к постановке ряда проблем, касающихся свойств пространства, времени и движения. Так, из принципа неделимости мира следовала невозможность движения тел, поскольку изменение пространственного положения тела, являющегося частью этого мира, означало бы его изменчивость. Известный древнегреческий философ Зенон в ответ на подобные доводы привел ряд контраргументов, названных впоследствии апориями Зенона. В них он доказывал, что представление о движении тел приводит к парадоксам. Например, в апории "Стрела" Зенон показывает, что летящая стрела покоится, поскольку в каждый отдельный момент времени летящая стрела может считаться покоящейся в некоторой точке пространства. А поскольку сумма состояний покоя не дает движения, то значит и летящая стрела покоится.
Следует отметить, что вопросы, рожденные в спорах древнегреческих философов, решались учеными на протяжении многих столетий. В позднем Средневековье много внимания было уделено вопросу о корректности рассмотрения движения в точке пространства, а позже, после создания механики, эта проблема породила задачу об определении мгновенной скорости и способствовала развитию теории дифференциального исчисления.
В Древней Греции возникла идея о материальной первооснове мира, и в качестве такой первоосновы Фалесом из Милета была предложена вода, Гераклитом – огонь, Анаксименом – воздух, Анаксимандром – апейрон (что-то материальное по сути, но не определенное в ощущениях), а Пифагором была выдвинута идея о том, что первоосновой всего является идеальный объект – число. Также важную роль играла идея вечного движения и изменчивости вещей, выдвинутая Гераклитом.
На основе этих представлений сформировались три научные программы: идеалистическая – Платона и две материалистические – Аристотеля и Демокрита.
Платон (428–348 гг. до н. э.) считал, что окружающий материальный мир является отражением мира идей человека и его представлений. Частицам четырех стихий Платон приписывал форму геометрических фигур: огню – форму тетраэдра, воде – икосаэдра, воздуху – октаэдра, земле – куба. В основе программы Платона лежит утверждение Пифагора "числа – суть вещей", а сам Платон утверждал, что "Бог – это геометр". Пифагор и Платон сыграли значительную роль в формировании идеи о том, что мир построен согласно математическому плану, и поэтому язык математики должен способствовать пониманию и описанию природы. Платон придавал большое значение количественным вычислениям и математическому описанию природных явлений, поэтому его научную программу можно назвать математической.
Практически все крупные философы античности уделяли огромное внимание математическим проблемам. Развитие математики в античной культуре достойно завершилось созданием первого образца научной теории – евклидовой геометрии. Также с помощью математических методов было решено много задач и в других областях, прежде всего, в астрономии – это вычисление положений планет, предсказание солнечных и лунных затмений. В античной астрономии были созданы две конкурирующие модели строения мира: гелиоцентрическая система Аристарха Самосского и геоцентрическая система Гиппарха и Птолемея. Модель Аристарха Самосского, предполагавшая движение планет по круговым орбитам вокруг Солнца, столкнулась с трудностями при описании наблюдаемого движения планет. В это же время модель Птолемея, рассматривавшая движение планет по сложной траектории, включающей эпициклы, давала хорошее совпадение с наблюдениями, и поэтому она стала общепринятой. Книга Птолемея "Математическое построение" была переведена на арабский язык под названием "Аль-магисте" (великое), и затем вернулась в Европу как "Альмагест", став главенствующим трактатом средневековой астрономии на протяжении четырнадцати веков.
Благодаря применению математики был сделан ряд важных открытий при исследовании физических явлений. Большой вклад в разработку теоретических начал механики, а именно статики и гидростатики, внес Архимед. Архимеду принадлежат разработка теории центра тяжести, теории рычага, открытие основного закона гидростатики и разработка проблем устойчивости и равновесия плавающих тел. Александрийскими философами были открыты основные законы геометрической оптики – закон прямолинейного распространения и закон отражения света.
Общей чертой континуальной программы Анаксагора–Аристотеля и атомистической Демокрита является их материалистичность.
Концепция атомизма (Левкипп, Демокрит, Эпикур) появилась в V-IV в. до н. э. и сменила собой концепции "стихий", как первоначал мира. Согласно атомистической концепции в мире существует два начала: пустота (небытие) и атомы (бытие). В пустом пространстве движутся атомы, представляющие собой первичные элементы.
Атомное учение принципиально отличалось от предшествующих концепций "стихий" тем, что, исходя из представления о единой первоматерии, решало вопрос о множественности вещей посредством гипотезы о различии их не по составу, а по строению. Согласно дошедшим до нас трудам Аристотеля, Левкипп и Демокрит выдвинули идею о том, что тела отличаются друг от друга формой простейших частиц и их взаимным расположением.
Во многих книгах по истории физики атомное учение Левкиппа-Демокрита-Эпикура излагается догматически, без его эмпирического обоснования, создавая у читателей впечатление, будто гениальным грекам удалось догадаться о строении материи путем каких-то отвлеченных размышлений. В действительности, в основе атомного учения лежат три принципа: сохранение материи, сохранение форм (или видов) материи, существование пустоты.
Первый принцип возник у древних греков, жителей прибрежной морской полосы, вполне закономерно. Море было для них источником материальных средств жизни, что способствовало возникновению представления о том, что все возникло из воды, и в воду все уйдет. Второй принцип утверждает, что любые тела при разрушении распадаются на "основные" части, из которых вновь собираются аналогичные тела. Этот принцип является констатацией того опытного факта, что в природе вновь и вновь повторяются одни и те же виды материи. Третий принцип является необходимым условием существования движения. Если бы не было пустоты, то тела, сталкиваясь, мешали бы друг другу двигаться, и всякое движение должно было бы прекратиться.
Континуальная концепция возникла позже атомистической и получила полное оформление в трудах Аристотеля (384–322 гг. до н. э.). Согласно Аристотелю, мир состоит из непрерывной, находящейся в постоянном движении субстанции. Все материальные объекты природы представляют собой различные формы этой субстанции, поэтому все возникает из нее и не может быть уничтожено, а лишь превращается в иные формы. Концепция Аристотеля также предполагала, что каждый объект отражает в себе другие объекты: "во всем есть часть всего". Эти идеи находят отклик в современных научных концепциях, согласно которым вещество состоит из элементарных частиц.
По Аристотелю, мир представляет собой Космос, который возник в небольшом объеме пространства от первоначального толчка и продолжает вращаться. Космос имеет форму сферы, в центре которой находится Земля. За пределами сферы ничего нет, а в пределах сферы все заполняет первичная материя. Эта первичная материя превращается в одну из четырех стихий (огонь, воздух, вода, земля), образуя разные вещества, а из веществ возникают тела.
Термин "физика" ввел Аристотель, что означало учение о природе. Он сформулировал основную задачу науки – поиск начал и причин. Поэтому Аристотеля можно формально назвать первым физиком, хотя к первым физикам можно отнести и других древнегреческих ученых, например, Пифагора, который первым описал особенности звучания струны в зависимости от ее длины.
Особенностью учения Аристотеля было то, что он считал физику умозрительной наукой, основанной на наблюдениях и логических рассуждениях. Эксперимент, создающий искусственные условия для изучения тех или иных природных явлений, мог, по мнению Аристотеля, нарушить гармонию Космоса. Поэтому созерцание считалось главным способом поиска истины.
Аристотелем была написана 61 книга, охватывающая вопросы не только естествознания, но и политики, социологии, философии. Аристотеля можно по праву считать великим ученым-энциклопедистом Античности.
Таким образом, в древнегреческой философии были выработаны следующие основные положения:
концепция непрерывности материи, утверждающая единство объектов и целостность окружающего мира;
атомистичекская концепция, предполагающая наличие структурных уровней организации материи;
В Древнегреческой философии в VI-V вв. до н. э. возник научный метод, а именно метод логических рассуждений, неотъемлемой частью которого является доказательство истинности знаний.
В период Античности произошло зарождение научного мышления. Благодаря ученым Древней Греции, обеспечившим применение научного метода в математике, естествознание вышло на уровень теоретического исследования. Для формирования науки, как самостоятельной и самоценной области человеческого познания и деятельности, необходимо было соединить математическое описание природных явлений и эксперимент, что не ставили своей задачей античные ученые. Созерцательный характер, недостаточность эмпирических знаний не позволяют считать VI-V вв. до н. э. моментом рождения науки в современном понимании этого термина. Период развития естествознания с VI-V вв. до н. э. по XVII в. н. э. называют этапом преднауки, или этапом доклассичекого развития естествознания.
В период Средневековья наука развивалась весьма медленными темпами. Причиной этого были многочисленные войны, проходящие на территории европейских государств, эпидемии, уничтожившие большую часть населения. Развитие получили только некоторые отрасли науки, например, медицина, химия. Развитие медицины было обусловлено необходимостью оказания помощи раненым в Крестовых походах и в войнах на территории Европы. Химическая наука существовала как алхимия, ее центральным вопросом был поиск способов получения золота и других металлов. Большую роль в развитии науки в этот период сыграла церковь, причем это влияние имело двойственный характер. С одной стороны, под патронажем церкви возникли и развивались первые университеты, в монастырях хранились и переписывались редкие научные книги. С другой стороны, церковь противодействовала распространению идей, не согласующихся с ее воззрениями и с прописанными в Библии положениями. Самым ярким примером противостояния церковных деятелей и ученых является история становления гелиоцентрической системы мира. Таким образом, промежуток времени между первой и второй глобальными научными революциями оказался весьма большим.
Вторая глобальная научная революция произошла не мгновенно и свершилась благодаря усилиям многих ученых, среди которых были Николай Коперник, Галилео Галилей, Иоганн Кеплер, Исаак Ньютон и др. Эта научная революция ознаменовала собой переход к классическому естествознанию.
Галилей (1564 – 1642) сыграл огромную роль в рождении современной науки. В то время, когда в средневековой Европе объяснение природных явлений возможно было только в соответствии с церковными текстами и многое признавалось постижимым лишь божественным разумом, он одним из первых заявил о том, что человек может надеяться понять, как устроен окружающий мир. Свою точку зрения Галилей изложил в книге "Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой" (1632 г.), в которой он также от лица одного из героев привел убедительные аргументы в пользу коперниканской модели мира.
Галилей по праву считается основателем экспериментальной науки. Согласно легенде, он сбрасывал предметы с вершины Пизанской башни и измерял их скорость; существуют документальные сведения об опытах с шарами, скатывающимися по наклонной плоскости. Галилей сформулировал закон инерции и установил, что ускорение, с которым падают тела, не зависит от их массы. Он опроверг общепринятые положения Аристотеля, согласно которым ускорение свободного падения считалось зависящим от массы, а причиной движения полагалось наличие приложенной силы. В книге "Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей науки, относящихся к механике и местному движению" (1638 г.) Галилей показал ошибочность указанных положений динамики Аристотеля, а взамен выдвинул свои принципы движения, проверенные на опыте. Публикацию "Бесед" можно считать концом цитатной науки, опиравшейся на Аристотеля и других канонизированных церковью мыслителей.
Галилей совершил много открытий и в астрономии: благодаря сконструированному телескопу он увидел спутники у Юпитера, пятна на Солнце, горы на Луне, открыл фазы Венеры, а также тот факт, что Млечный путь состоит из множества звезд.
Решающий шаг в становление классического естествознание сделал И. Ньютон (1643 – 1727). Эксперимент в работах Ньютона начал играть фундаментальную роль. Ученый сформулировал и ключевые принципы научного исследования. Научный принцип Ньютона заключался в знаменитой фразе "Гипотез не измышляю", что означало движение от опыта к обобщению.
В своей книге "Математические начала натуральной философии" И. Ньютон изложил закон всемирного тяготения и три закона классической механики, названные впоследствии законами Ньютона. Следует отметить, что первый закон механики (закон инерции), был опубликован еще Галилеем, но в менее четкой форме. Природа тяготения интересовала многих современников Ньютона. Идея о том, что силы, заставляющие планеты двигаться вокруг Солнца, а яблоко – падать, имеют одну природу, приходила на ум многим ученым. Но любая общая идея приобретает ценность лишь тогда, когда она подтверждается научными доводами. И честь научного открытия принадлежит тому, кто сумеет превратить идею в доказанную истину. Ньютон, предположив, что сила притяжения планет к Солнцу определенным образом зависит от их масс и расстояния между ними, сумел вывести законы Кеплера, т. е. показал, что траектория движения планет окажется эллиптической, Солнце будет находиться в одном из фокусов эллипса, а характерные размеры эллипсов и периоды обращения планет вокруг Солнца будут соответствовать рассчитанному Кеплером соотношению.
Ньютон также дал строгие определения таких физических понятий, как количество движения, сила, ввел в физику понятие массы как меры инертности тела и его гравитационных свойств. Становление ньютоновской механики потребовало новой математики, а именно, дифференциального и интегрального исчислений (существенный вклад в разработку которых, помимо Ньютона, также принадлежит Г. Лейбницу).
При изучении природы классическая наука опиралась на принцип детерминизма, утверждающий однозначность причинно-следственных связей. Принцип детерминизма позволял однозначно определить параметры системы как до настоящего момента времени, когда эти параметры известны, так и в любой момент времени в будущем. Сложные природные объекты рассматривались как простая сумма связанных друг с другом частей. Взаимодействие этих частей оценивалось с позиций причинно-следственных связей. Жесткий детерминизм классической науки иногда называют лапласовским, так как именно П. Лаплас провозгласил принцип причинности как фундаментальный закон природы.
Успехи механики были столь значительны, а область ее удачного применения столь широка, что механика начала восприниматься в качестве универсального инструмента познания природы. Механистическое описание стало использоваться и в других разделах физики, а также в химии, биологии, науках о человеке. Объяснение явлений состояло в поиске механических причин и носителей сил, которые определяют наблюдаемые явления.
Характерными чертами классической науки являются представления об абсолютности и независимости пространства и времени, о мгновенном распространении гравитационного взаимодействия в пространстве, о полной независимости исследуемого объекта и наблюдателя.
По мере расширения механистических представлений во все новые области, ученые предпринимали попытки описать с помощью законов механики различные явления и наталкивались на непреодолимые трудности. Накапливались факты, которые все труднее было согласовывать с принципами механической картины мира, и к середине XIX в. она утратила статус общенаучной. В науке произошел переход к дисциплинарно организованному естествознанию. Это была глобальная революция, связанная с перестройкой оснований науки, появлением новых форм ее институциональной организации, усилением роли науки как производительной силы общества.
Итак, какие же открытия повлекли за собой эту глобальную революцию?
В XVIII в. Шарлем Кулоном был открыт знаменитый закон взаимодействия точечных зарядов, названный впоследствии законом Кулона. В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед обнаружил влияние электрического тока, пропускаемого по проволоке, на расположенный рядом магнитный компас. В 1831 г. Майкл Фарадей открыл закон электромагнитной индукции, им было введено понятие поля и выдвинута идея о передаче электромагнитных взаимодействий посредством поля. Поле – это особая форма материи. Обнаружить поле можно по воздействию, которое оно оказывает на объект (например, в опыте Эрстеда детектором магнитного поля служила магнитная стрелка). Взаимодействие двух тел осуществляется посредством поля, поэтому если с одним телом произошли какие-то изменения (например, оно переместилось в пространстве), то второе тело обнаружит это изменение не мгновенно, а через определенный промежуток времени, определяемый скоростью, с которой поле передает взаимодействие. Таким образом в физике сложилась концепция близкодействия – передачи сил с помощью материального носителя, – которая была впоследствии распространена и на другие виды взаимодействий.
В 1865 г. Джеймсом Максвеллом была опубликована работа "Динамическая теория электромагнитного поля", в которой он изложил свою теорию электромагнитных явлений, сумев объединить две частные теории, с помощью которых раньше описывали электрические и магнитные явления.
Согласно теории Максвелла, в электромагнитном поле, состоящем из электрического и магнитного полей, могут распространяться возмущения в виде волн, движущихся с постоянной скоростью. Одним из самых важных результатов, полученных Максвеллом, было заключение о возможности распространения электромагнитных волн со скоростью света.
Введение представлений о поле повлекло за собой третью научную революцию. Она привнесла в науку новое понятие о материи: было показано, что материя существует не только в виде вещества, но и в виде поля. Методология полевого представления материи была успешно использована для объяснения электромагнитных, оптических, тепловых явлений. Понятия поля и полевых взаимодействий активно применяются при построении теоретических моделей современной наукой.
Физика занимала лидирующие позиции в естествознании. В других отраслях естествознания начались процессы, ускорившие их развитие, в первую очередь, изменения затронули химические и биологические науки. В результате сформировалась дисциплинарно организованная наука.
Во второй половине XVII в. роль алхимии уменьшилась и химия постепенно стала наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава, начала активно развиваться техническая химия (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги). В XVII в. Бойль создал основы для развития аналитической химии, в XVIII в. французский химик А.Л. Лавуазье разработал кислородную теорию горения. Он также расширил список известных элементов (металлы, углерод, сера и фосфор), добавив в него кислород и азот. Лавуазье рационализировал химию, ввел систему, позволяющую классифицировать химические соединения, выделил три категории соединений: кислоты, основания и соли. При активном участии К.Л. Бертолле Лавуазье ввел новую номенклатуру, основанную на составе соединений и их свойствах: например, хлорид натрия состоит из натрия и хлора и т.д. На основании сформулированного закона сохранения материи (независимо от Лавуазье этот закон был сформулирован М.В. Ломоносовым) Лавуазье поставил вопрос о количественном выражении пропорций, в которых сочетаются элементы при образовании различных соединений. Все это привело к научной революции в химии: из совокупности множества рецептов химия превратилась в общую теорию, которая не только позволяла объяснить все известные явления, но и предсказывать новые.
В XIX в. Дж. Дальтоном был открыт закон кратных отношений, который он объяснил атомным строением вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества; было введено понятие атомного веса. На основании атомно-молекулярных представлений был объяснен ряд открытий в химии: закон постоянства состава химических соединений, открытый Ж.Л. Прустом, закон объемных соотношений, установленный Ж.Л. Гей-Люссаком, закон А. Авогадро, согласно которому при одинаковых давлении и температуре равные объемы всех газов содержат одинаковое число молекул.
Во второй половине XIX в. A.M. Бутлеровым на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения, согласно которой свойства веществ определяются порядком связей атомов в молекулах и их взаимным влиянием. Это способствовало развитию органического синтеза и возникновению новых отраслей химической промышленности (производство красителей, медикаментов, нефтепереработка и др.). Я.Х. Вант-Гоффом была создана теория пространственного расположения атомов в молекулах, которая легла в основу стереохимии, были открыты законы химической кинетики и осмотического давления в растворах. В этот период начинают развиваться физическая химия, химическая кинетика, теория электролитической диссоциации и химическая термодинамика.
Важным событием в химии и науке в целом стало великое открытие Д.И. Менделеевым (1869 г.) периодической системы элементов, которая не только систематизировала известные элементы, но и позволяла предсказывать новые элементы и их свойства. Кроме того, периодическая система элементов способствовала развитию идеи о сложном строении атома.
XVIII в. становится веком коренных изменений и в биологии: акцент смещается в сторону систематической разработки научных методов познания, формируются предпосылки первой фундаментальной биологической теории – теории естественного отбора. Ж.Л.Л. Бюффон в 36-томной "Естественной истории" изложил идеи о единстве планов строения органического мира и изменяемости видов под влиянием условий среды. К. Линней создал искусственную классификацию растительного и животного мира, которая была предназначена для распознавания растений. Биология на тот момент не располагала достаточными данными для создания естественной классификации, и историческая заслуга Линнея состоит в том, что он осознал необходимость анализа эмпирического материала и создания общих теоретических принципов. Линней поставил целью построение естественной системы как фундаментальной теории живого.
Появились гипотезы, формулировавшие различные принципы, подходы к теории эволюции: ламаркизм, катастрофизм и униформизм. В ламарковской концепции эволюции вводилось представление о постоянном изменении видов животных и растений, усложнении их организации в результате влияния внешней среды. В катастрофизме идея биологической эволюции включалась в более общую идею развития глобальных геологических процессов: в периоды катастроф исчезали одни и возникали другие виды животных и растений. В концепции униформизма развитие сводилось к цикличности под действием неизменных на протяжении истории Земли факторов.
К началу XIX в. значительный эмпирический материал был накоплен палеонтологией, эмбриологией, сравнительной анатомией, систематикой, физиологией, биогеографией, геологией. Большую роль в становлении теории развития сыграла идея единства растительного и животного мира, в соответствии с которой все объекты органического мира должны быть структурно подобны, т.е. состоять из клеток. Клеточная теория была разработана в 1830-е гг. М. Шлейденом и Т. Шванном.
В 1859 г. Чарльз Дарвин опубликовал свою работу "Происхождение видов", в которой, опираясь на эмпирический материал, собранный как его предшественниками, так и им самим, изложил основные эмпирические обобщения, наталкивающие на идею эволюции органических форм. Дарвин выделил два вида изменчивости организмов: определенная (в современной терминологии – адаптивная модификация) и неопределенная (в современной терминологии – мутация). Дарвин считал, что именно неопределенная изменчивость играет решающую роль в эволюции. Опираясь на эмпирический материал, полученный благодаря искусственному отбору и успехам селекции, он сделал вывод о существовании естественного отбора, который является движущим фактором эволюции или механизмом, позволяющим выбраковывать нежизнестойкие формы и образовывать новые виды.
Благодаря Дарвину в основу научной биологии были заложены следующие принципы эволюции: наследственность и изменчивость, естественный отбор, борьба за существование. Роль Дарвина в развитии биологии сравнима с ролью Ньютона в физике: как Ньютон создал первую фундаментальную физическую теорию – классическую механику, так Дарвин создал первую фундаментальную теорию в биологии – теорию естественного отбора.
XIX век стал периодом расцвета классического естествознания, существенные шаги были сделаны в направлении развития его отдельных дисциплин. К началу XX вв. классическая наука исчерпала возможности дальнейшего развития, наступил период кризиса как в физике, так и в биологии.
Еще в конце XIX в. теория Максвелла стала играть важную роль в физике и вступила в противоречие с механистическими представлениями, назрела необходимость новой научной революции. Суть этих противоречий заключалась в том, что применение уравнений Максвелла к классу задач, в которых рассматривалось взаимодействие движущихся заряженных тел с электромагнитным полем, приводило к неправдоподобным результатам. При решении задач о движущихся зарядах приходилось рассматривать несколько инерциальных систем отсчета и пользоваться заимствованными из механики преобразованиями Галилея для перехода между системами. В результате получалось, что уравнения, описывающие изучаемый процесс, имеют разный вид в разных системах отсчета, т. е. один и тот же процесс в этих системах протекает неодинаково и подчиняется разным законам. А этого быть не может.
Усилия, предпринимаемые для устранения этого противоречия, были сосредоточены по двум направлениям: переработка уравнений Максвелла с тем, чтобы они не изменялись в результате перехода к другой системе отсчета, и создание новых преобразований для перехода между переменными, описывающими поведение изучаемого объекта в разных системах отсчета. Попытки доработки теории Максвелла оказались безрезультатными, а задача поиска новых преобразований была успешно решена Х.А. Лоренцем.
Позже было показано, что при движении изучаемого объекта со скоростью, намного меньшей скорости света, преобразования Лоренца можно упростить, и они примут вид преобразований Галилея. Таким образом, скорость света стала важным критерием, и встал вопрос о том, чему равна величина скорости света и относительно чего она должна измеряться.
Величину скорости света определил еще в 1676 г. датский астроном Оле Христенсен Рёмер, он же и установил, что эта величина является хотя и очень большой, но конечной. Рёмер наблюдал затмения спутников Юпитера, которые происходили через разные интервалы времени в зависимости от расстояния между Землей и Юпитером, и поскольку он не обладал точными сведениями об этих расстояниях, то определенная им величина скорости света 225 тыс. км/с существенно отличается от современного значения (299 792 458 м/с).
Что касается вопроса о системе, в которой должна измеряться скорость света, то в механистической картине мира принималось, что скорость света является фиксированной относительно некой субстанции, названной эфиром. Эфир заполняет собой все, включая пустое пространство. Считалось, что световые волны распространяются в эфире подобно звуковым волнам в воздухе, поэтому их скорость – это скорость относительно эфира и она остается неизменной относительно него. Отсюда следовало, что если наблюдатель движется относительно эфира, то измеренная им скорость света будет разной в зависимости от скорости и направления движения наблюдателя. В 1887 г. Альберт Майкельсон и Эдвард Морли поставили очень точный эксперимент, целью которого был поиск такого различия. Они предположили, что поскольку Земля движется в эфире по орбите вокруг Солнца, то скорости света, измеренные в направлении движения Земли и направлении перпендикулярном ее движению, должны различаться. Эксперимент же показал, что эти значения одинаковы.
Идея отказа от эфира казалась на тот момент абсурдной. Кроме того, главным следствием преобразований Лоренца является тот факт, что при переходе из одной системы отсчета в другую интервал времени и пространственный интервал не сохраняются по отдельности. Это поставило под сомнение существование абсолютного времени и пространства, наличие которых постулировалось классической физикой.
Лоренц, не желая отказываться от идеи абсолютного времени и пространства, объяснил взаимозависимое изменение пространственных и временных интервалов при переходе к другой системе отсчета особенностями движения электрона, изменениями его конфигурации, а не свойствами пространства и времени. Также он попытался сохранить понятие об эфире, объяснив опыт Майкельсона-Морли тем, что все движущиеся в эфире объекты сокращают свои размеры, а ход часов замедляется.
Таким образом, Лоренц своими работами способствовал созданию основы для следующей, четвертой глобальной научной революции, однако сам не сделал решительного шага.
Этот решительный шаг был сделан в 1905 г. служащим Швейцарского патентного бюро Альбертом Эйнштейном, опубликовавшим ставшую вскоре знаменитой работу, в которой были изложены основы новой теории – специальной теории относительности (СТО).
В основу СТО Эйнштейном были положены два постулата:
1. Релятивистский принцип относительности: в любых инерциальных системах все физические процессы – механические, электромагнитные и другие – протекают одинаково.
Этот принцип представляет собой расширенный на все физические процессы сформулированный для механики принцип относительности Галилея. Обобщенный принцип относительности утверждает, что никакими физическими опытами (механическими и электромагнитными) внутри данной системы отсчета нельзя установить, движется эта система равномерно или покоится.
2. Принцип постоянства скорости света: скорость света в вакууме не зависит от скоростей движения источника и приемника, она одинакова по всем направлениям, во всех инерциальных системах отсчета.
Фундаментальные постулаты СТО утверждают, что законы физики должны быть одинаковы для всех наблюдателей, независимо от их движения. Из постоянства скорости света вытекает ряд замечательных следствий – это эквивалентность массы и энергии и закон, согласно которому никакой материальный объект не может двигаться быстрее света. Первое следствие выражается в знаменитой формуле Эйнштейна Е = mc2 (где Е – энергия, m – масса, а с – скорость света). Согласно этому соотношению, чем выше кинетическая энергия движущегося тела, т.е. чем больше его скорость, тем больше оказывается эквивалентная масса тела. Поэтому чтобы еще больше увеличить скорость объекта необходимо сообщить ему энергию, величина которой оказывается тем выше, чем быстрее он движется. Получается, что достижение скорости света массивным объектом оказывается невозможным, так как для этого требовалось бы сообщить телу бесконечно большую энергию.
Из сформулированных физических постулатов Эйнштейн заново вывел математические правила преобразований Лоренца.
Специальная теория относительности внесла революционные изменения в ряд фундаментальных понятий прежней классической физики. Исчезла необходимость существования эфира, как некой среды, заполняющей пустое пространство. Было принято, что ход времени зависит от системы отсчета, в которой измеряется время, и оказалось, что оно течет медленнее, если система движется с некоторой скоростью. Изменились представления о массе тела: было показано, что масса движущегося тела всегда больше массы покоящегося. Эти изменения параметров тел и замедление времени называют релятивистскими эффектами.
Следует отметить, что идея о том, что ничто не может двигаться быстрее света, была высказана французским математиком Анри Пуанкаре в 1904 г. Им же и был постулирован принцип относительности как всеобщий закон природы. Эйнштейн, создавая теорию относительности, еще не знал о результатах Пуанкаре. Позже Эйнштейн писал: "Я совершенно не понимаю, почему меня превозносят как создателя теории относительности. Не будь меня, через год это бы сделал Пуанкаре, через два года сделал бы Г.Минковский, в конце концов, более половины в этом деле принадлежит Лоренцу. Мои заслуги преувеличены." Лоренц же, со своей стороны, писал в 1912 г.: "Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первым выразил принцип относительности в виде всеобщего, строгого закона".
Следующим важным этапом становления неклассической физики была разработка общей теории относительности. В 1907 г. Эйнштейн сформулировал принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс. Этот принцип состоит в том, что эффекты, обусловленные ускоренным движением и действием силы гравитационного притяжения, неразличимы. Известны два мысленных эксперимента Эйнштейна, демонстрирующие этот факт. Первый из них состоит в том, что, находясь в закрытой кабине, наблюдатель не может определить, движется ли он в космическом пространстве с ускорением, равным земному ускорению свободного падения, или эта кабина неподвижна на поверхности Земли. Все предметы в обоих случаях одинаково падали бы на пол кабины. В другом мысленном эксперименте наблюдатель также не может определить, находится ли он в свободно падающей на Земле кабине, или кабина парит в космическом пространстве, так как в обеих ситуациях наблюдатель испытывает чувство невесомости.
Принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс, а также принцип относительности и принцип постоянства скорости света стали основой для общей теории относительности, которая была опубликована Эйнштейном в 1915 г. Из общей теории относительности следует, что изменение хода времени происходит не только при движении с большими скоростями, но и в гравитационных полях.
Общая теория относительности подтверждается рядом экспериментов. Один из них – это отклонение лучей света в поле тяготения Солнца, о котором ранее уже упоминалось. Другой – смещение перигелия Меркурия, т.е. ближайшей к Солнцу точки орбиты небесного тела. Перигелий Меркурия смещается примерно на 6000" за столетие, величина этого смещения на 40" больше, чем предсказывает теория Ньютона, учитывающая гравитационное влияние других планет. Эти оставшиеся 40" находят свое объяснение в рамках общей теории относительности.
Общая теория относительности играет большую роль при описании таких объектов, как черные дыры. Черная дыра образуется при критическом сжатии звезды. Ее гравитационное поле оказывается настолько сильным, что даже луч света не способен преодолеть гравитационное притяжение и покинуть область действия гравитации черной дыры. Такие объекты не излучают в оптическом диапазоне электромагнитных волн, что и послужило основанием назвать их черными дырами.
Начало XX в., помимо создания теории относительности, ознаменовалось возникновением квантовой механики. Толчком для зарождения квантовой теории послужила так называемая "катастрофа Рэлея-Джинса", суть которой заключалась в том, что согласно классической физике с ростом частоты излучения должна неограниченно расти излучаемая объектом энергия, достигая огромных значений в ультрафиолетовой области спектра. На опыте же наблюдалось падение интенсивности излучения с увеличением частоты. Объяснить наблюдаемую картину излучения смог Макс Планк, предположив, что объекты могут излучать энергию только порциями, определяемыми частотой испускаемого электромагнитного излучения. Минимальная порция энергии, которая может быть испущена объектом на большой частоте, оказывается настолько велика, что превышает энергию, которой обладает этот объект, поэтому с ростом частоты интенсивность излучения уменьшается, и в высокочастотной области спектра излучение отсутствует.
Важным шагом на пути становления квантовой механики стало появление в 1905 г. работы Эйнштейна по теории фотоэффекта, за которую ученому была присуждена Нобелевская премия 1921 г. Фотоэффект состоит в испускании электронов металлом при облучении его светом определенной частоты. Эйнштейн высказал предположение, что свет представляет собой поток частиц (квантов), которые при взаимодействии с веществом выбивают из него электроны, а сами кванты света обладают импульсом, величина которого определяется частотой излучения.
Итак, благодаря Планку возникло представление о том, что свет излучается определенными порциями – квантами, а благодаря Эйнштейну – о том, что свет и существует в виде квантов. Доказательством квантования света при поглощении стал эксперимент В.Боте, осуществленный в 1925 г. В эксперименте Боте металлическая фольга облучалась рентгеновским излучением, в результате чего сама начинала излучать. Регистрация излучения фольги осуществлялась двумя детекторами, установленными по разным направлениям от фольги. Если интенсивность излучения фольги была большой, то детекторы срабатывали синхронно. При уменьшении интенсивности до определенного значения синхронизация расстраивалась, т.е. срабатывал только один из детекторов. Если бы излучение фольги распространялось равномерно по всем направлениям в пространстве, то детекторы срабатывали бы одновременно. Если бы излучение было узко направленным, то постоянно срабатывал бы только один прибор. Наблюдаемая картина попеременного срабатывания детекторов указывала на то обстоятельство, что излучение распространяется порциями по разным направлениям в пространстве, т.е. существует в виде отдельных квантов.
Важным событием в процессе создания квантовой теории стала публикация в 1913 г. знаменитой работы Нильса Бора о том, что и сам электрон в атоме, изменение состояния которого сопровождается излучением или поглощением света, обладает дискретным набором возможных значений энергии. Это, в свою очередь, позволяет объяснить тот факт, что атомы разных элементов испускают свет строго определенных частот.
В 1923 г. французским физиком Луи де Бройлем было сделано предположение, что частицы и, в частности, электрон, по аналогии с квантами света обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Это предположение было подтверждено экспериментально через четыре года, когда К. Дэвиссон и Л. Джермер открыли дифракцию электронов на кристалле никеля. Таким образом, движущейся материальной частице был поставлен в соответствие некоторый волновой процесс, а между параметрами этого процесса (длиной волны де Бройля) и параметрами частицы (массой и скоростью движения) было установлено однозначное соотношение. Гипотеза де Бройля стала важным событием в процессе развития новой физической теории – квантовой механики.
Большую роль в становлении математического аппарата квантовой механики сыграли работы В. Гейзенберга (1925 г.) и Э. Шредингера (1926 г.).
Матричная механика Вернера Гейзенберга оперирует величинами, тесно связанными с наблюдаемыми. Например, поскольку наблюдаемые величины, описывающие излучение атома, связаны с состояниями атома до и после излучения, то эти величины могут быть представлены посредством матриц, элементы которых определяются этими двумя состояниями атома. В предложенной Гейзенбергом квантовой теории каждая величина задается матрицей, а элементы этой матрицы описывают начальное и конечное состояние системы. Поскольку матричная механика Гейзенберга потребовала применения новой математики, то вначале она казалась сложной, но впоследствии стала широко использоваться.
Волновая механика Эрвина Шредингера появилась несколько позже матричной механики. Шредингер составил уравнение для волновой функции, которая отражает состояние квантового объекта в математическом аппарате теории. Уравнение Шредингера играет важную роль в квантовой механике, сопоставимую с ролью II закона Ньютона в классической механике. Решение этого уравнения позволяет получить реальные параметры, описывающие состояние и поведение рассматриваемой квантовой системы. Например, уравнение для волновой функции частицы, движущейся во внешнем поле, позволяет рассчитать спектр излучения атома. Полученные при решении этого уравнения значения энергии, которой обладает электрон в атоме водорода, отлично согласовались со значениями, полученными на основании постулатов Бора о состоянии электрона атоме.
Два математических аппарата квантовой механики существовали независимо до тех пор, пока в 1926 г. Шредингер не показал эквивалентность разработанной им волновой механики и матричной механики Гейзенберга.
Общий метод интерпретации новой механики и волновой функции был предложен немецким физиком Максом Борном. Борн высказал предположение, что волновая функция описывает распределение вероятностей нахождения микрообъекта в пространстве и времени. Предпосылками для выдвижения такой гипотезы могли быть следующие соображения. В опыте по дифракции электронов, состоящем в том, что поток электронов из источника направляется через экран с отверстием на стоящую за ним фотопластинку, наблюдаемая на фотопластинке дифракционная картина (чередование светлых и темных областей) не зависит от того, летят ли электроны по одному с большим интервалом времени друг за другом, или интенсивным потоком. Поскольку наблюдаемые дифракционные картины тождественны, то дифракция не является свойством потока электронов, а характерна для каждого электрона по отдельности. В ранней теории дифракции, разработанной задолго до электродинамики Максвелла установившей электромагнитную природу света, предполагалось, что источник испускает некие волны неизвестной природы, а интенсивность света определяется квадратом той величины, которая колеблется в волне. Поэтому естественно было предположить, что в случае электронов распространяется некоторая волна (волновые свойства частиц уже были на тот момент установлены), и квадрат совершающей колебания величины – волновой функции – определяет "интенсивность" или долю электронов в разных точках фотопластинки. Однако в таком случае каждый электрон оказывался бы "размазанным" по всей пластинке, давая дифракционную картину. В действительности электрон попадает в некоторую определенную точку, значит, квадрат модуля волновой функции определяет не плотность распределения электронов на фотопластинке, а вероятность электрона оказаться в точке с определенными координатами. Волновая функция представляет собой совокупность потенциальных возможностей различных событий. Эта величина отражает полную информацию о возможных состояниях объекта, т.е. содержит совокупность вероятностей электрона оказаться во всех точках фотопластинки.
Таким образом, понятие вероятности стало применяться в физике для описания квантовых объектов. Отличие квантовой механики от механики Ньютона состоит в том, что в классической механике точно вычисляется то событие, которое обязательно произойдет. Квантовая механика позволяет вычислить вероятности возможных событий. Этот вероятностный характер событий в квантовой механике имеет принципиальный характер.
Отсутствие определенности в мире микрообъектов создает некоторые трудности в понимании квантовой механики, поскольку весь предшествующий этап развития науки способствовал формированию понятия о четких однозначных связях причин и следствий. С отсутствием определенности было трудно смириться, Альберт Эйнштейн, например, выразил свой антивероятностный взгляд в ставшей знаменитой фразе: "Бог не играет в кости" в серии дебатов с Бором, сторонником вероятностной физики. В споре Эйнштейна и Бора победил последний, и Эйнштейну пришлось согласиться с корректностью квантовой механики.
Кризис в биологии на рубеже XIX-XX вв. проявился, прежде всего, в многообразии и противоречии оценок и интерпретаций эволюционной теории. В биологии начали активно развиваться экспериментальные исследования. Тремя учеными – X. Де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии – были независимо друг от друга заново переоткрыты законы Менделя, что послужило толчком к возрастанию интенсивности исследований в области генетики. Было обосновано представление о генах и их линейном расположении, доказано существование мутаций и т.д. Важным событием в развитии генетики стало появление хромосомной теории наследственности, в основу которой легли положения о локализации генов в хромосомах, преемственности наследственных свойств в результате наследования хромосом и представления о стадиях мейоза. Все это способствовало разработке новых теорий эволюции.
Революционным событием в биологии стало создание синтетической теории эволюции, которая соединила классический дарвинизм и генетику. В рамках синтетической теории эволюции предполагалось, что периодические колебания численности особей вида ("волны жизни") могут влиять на направление и интенсивность естественного отбора. Исследования мутаций в природных популяциях, проведенные под руководством С.С. Четверякова, показали, что популяция обладает общим генофондом, число мутаций в котором возрастает по мере старения вида (при этом признаки вида расшатываются); полная изоляция популяции и естественный отбор приводят к образованию нового вида. Таким образом было установлено, что элементарной структурой эволюции является не организм или вид, а популяция.
Разработка синтетической теории эволюции способствовала созданию в биологии единой системы биологического знания, воспроизводящей законы развития и функционирования органического мира как целого. Однако синтетическая теория эволюции имеет и ряд недостатков. Она сформировалась еще до возникновения молекулярной генетики, поэтому не включает ее достижения. Наиболее значимые на настоящий момент результаты работ по молекулярной генетике – это установление в 1944 г. американскими биохимиками О. Эвери и др. того факта, что носителем свойства наследственности является ДНК; исследования Э. Чаргаффа, описывающие количественные соотношения между различными типами азотистых оснований в ДНК, расшифровка в 1953 г. структуры ДНК Ф. Криком и Дж.Д. Уотсоном. Успехи молекулярной генетики обусловлены применением математических подходов и физических экспериментальных методов к биологическим системам, что повлекло огромный скачок в развитии биологической науки. Расшифровка структуры ДНК привела к революции в молекулярной биологии, стала ключом к пониманию процессов передачи наследственных признаков. Актуальной задачей для биологов является объединение синтетической теории эволюции и молекулярной генетики.
Анализируя развитие науки в конце XIX – начале XX в., можно сделать вывод о том, что в результате четвертой глобальной научной революции произошло становление неклассического естествознания. В этот период активно разрабатывались релятивистская и квантовая физика, была сформулирована концепция нестационарной Вселенной, возникли кибернетика и теория систем, синергетика, бурно развивались молекулярная биология и генетика.
Во второй половине XX в. сфера научных исследований непрерывно расширялась, изучению подвергались все более сложные объекты, для которых характерны многоуровневая структура с большим числом связей, процессы саморегуляции и самоорганизации. Все это сформировало представления о природе как о сложной динамической системе. Было установлено, что большую роль в природе играют принципы симметрии. Симметрия широко встречается в объектах окружающего мира – это симметрия формы кристаллов, симметричная окраска крыльев бабочек, симметрия снежинок, формы цветков и т.д. Симметрия управляет ходом процессов и явлений в природе. Например, такая симметрия, как однородность и изотропность пространства (эквивалентность свойств пространства по всем направлениям), проявляется в том, что все приборы, будь то часы или телевизор, работают одинаково во всех точках пространства при одинаковых физических условиях. Симметрия относительно сдвигов в пространстве обеспечивает сохранение импульса тела. Этот закон, в свою очередь, создает принципиальную возможность для реализации реактивного движения, т.е. движения ракеты вперед за счет выброса струи газа в противоположном направлении. Вследствие такой симметрии, как однородность времени, все процессы протекают одинаково, начались ли они вчера, сегодня, или произойдут в будущем. Симметрия относительно сдвигов во времени приводит к закону сохранения энергии.
В природе часто встречается нарушение симметрии. Так, например, сердце человека смещено влево, когда, казалось бы, должно существовать равное число "лево-" и "правосердечных" людей. Причины асимметрии живых организмов кроются в том, что пища, являющаяся для них строительным материалом, не имеет зеркальной симметрии. У низших организмов есть механизмы отбора зеркальных форм. Это открытие было сделано Л.Пастером с помощью микробов. Ученые обнаружили, что поляризованный свет, проходя через природную виннокаменную кислоту, изменяет направление поляризации, т.е. направление электрического поля в световой волне, а полученная искусственным путем кислота не оказывает такого действия на свет. Пастер предположил, что синтезированная кислота содержит два типа молекул, которые поворачивают плоскость поляризации в противоположных направлениях, и суммарный эффект становится равным нулю. Вырастив колонию микробов в искусственной кислоте, Пастер обнаружил, что они питались только одним видом молекул, которые соответствуют природной форме виннокаменной кислоты. Это означало, что асимметрия живых организмов обусловлена не нарушением симметрии, а, по-видимому, историческими причинами, результатом которых стало преобладание одной из форм.
Принципы симметрии лежат в основе теории относительности, квантовой механики, физики твердого тела, физики элементарных частиц и обеспечивают инвариантность законов природы. Большую роль играют так называемые внутренние симметрии, благодаря им выполняется, например, закон Кулона. Проявления симметрии настолько многообразны, что можно утверждать, что все в мире основано на ее принципах.
В XX в. возрастало число комплексных научных программ, и увеличивалась доля междисциплинарных исследований. Скорость, с которой происходило накопление научных данных, росла на протяжении всего XX века и продолжает возрастать. Становится актуальным вопрос систематизации полученной информации, создаются новые способы ее хранения и обработки. В науке бурно происходит процесс компьютеризации. Все это способствует переходу науки на качественно новый уровень развития, получивший название постнеклассической науки.
В постнеклассический период объем появляющихся научных данных лавинообразно нарастает во всех областях естествознания. Количество опубликованных научных статей в 1900 г. составило около 9 тыс., а в 2000 г. – уже около 900 тыс. Если предположить, что тенденция такого экспоненциального роста сохранится, то наступит время, когда ученые не будут успевать ознакомиться с трудами своих коллег. Наука переживает информационный кризис, вызванный ее неспособностью справиться с огромным потоком новых данных, она не в состоянии систематизировать всю поступающую информацию и предложить модель, которая могла бы охватить все имеющиеся результаты.
Большие надежды по созданию универсальной классификации научных данных связывают с поисками симметрии законов природы. Эти идеи находят свое отражение в гипотезе о существовании в первые мгновения после возникновения Вселенной единой Суперсилы, которая со временем распалась на четыре фундаментальные взаимодействия. Поиски внутренней симметрии элементарных частиц приводят к выделению новых типов частиц, к кажущемуся бесконечным дроблению материи на более мелкие структурные составляющие (количество известных на настоящий момент стабильных элементарных частиц превышает 350).
Теория в своем развитии опережает экспериментальные возможности науки, что создает глубокую пропасть между теоретической и эмпирической составляющими естествознания. Развитие теоретической физики сопровождается усложнением ее математического аппарата. Активно разрабатываются теории, описывающие физические явления в многомерных пространствах. Вид окружающего мира в пространстве из 5 и более измерений трудно представить посредством обыденного восприятия, оперирующего привычными нам тремя пространственными координатами и временем. Символам и понятиям, которые вводит теоретическая физика для построения гипотез, не всегда могут быть непосредственно сопоставлены реальные объекты. Сложной математической задачей является получение из гипотезы следствий, которые могут быть экспериментально проверены. Трудно бывает сопоставить формально введенные параметры и экспериментально измеряемые величины. Все это отдаляет теоретическую физику от экспериментальной, способствует возникновению непонимания между учеными-теоретиками и экспериментаторами.
В XX в. экспериментальные методы исследований были разработаны настолько хорошо, насколько это позволяют существующие технологии; экспериментальная физика практически достигла предела своих возможностей, и дальнейшее ее продвижение в исследовании физических объектов требует инновационных технологий. В то же время, открылась новая область для использования возможностей физических методов – это биологические объекты. Поэтому в XX в. вектор научных исследований сместился, и в центре внимания ученых оказались объекты традиционной биологии и человек. Укрепление связи биологии с точными науками способствовало тому, что к началу XXI в. биология достигла выдающихся результатов в фундаментальной и прикладных областях. Успешно завершился в 2003 г. проект расшифровки генома человека. Однако анализ результатов по-прежнему остается делом будущего: объем полученной информации настолько огромен, что в настоящий момент наука не располагает ресурсами для установления связи всех генов и тех признаков организма, за которые они отвечают.
Темпы развития биологии существенно превысили темпы развития других отраслей естествознания. Биология стала выполнять непосредственно направляющую роль по отношению к аграрной, медицинской, экологической и другим видам практической деятельности. Прогнозируется, что в XXI веке будут преобладать исследования биологических объектов, и этот период станет эпохой расцвета молекулярной биологии и биоинженерии.
В то же время, объем получаемых новых данных в области биологических наук возрастает, и в биологии уже существует кризисная ситуация, обусловленная отсутствием универсальной схемы.
В заключение следует отметить, что для современной (постнеклассической) науки характерна тенденция расширения границ дисциплинарных исследований на смежные области. Полученные в разных областях науки данные могут описывать одни и те же объекты или явления, но интеграция результатов в единую модель оказывается сложной задачей. Это обусловлено разным понятийным аппаратом отдельных дисциплин: язык науки настолько сложен, что смысл терминов оказывается понятен только специалистам, и между представителями разных научных направлений существуют трудности в понимании друг друга. Возрастание количества не связанных друг с другом научных данных, отсутствие их универсальной систематики приводят к нарушению целостности научной картины мира.
Подводя итог, можно выделить следующие особенности ситуации кризиса в современной науке:
поток информации, получаемый наукой огромен, но отсутствуют принципы ее систематизации;
теория оперирует величинами, которым трудно придать понятийный смысл;
возможности экспериментальной проверки ограничены.
Последнее приводит к тому, что в промышленное производство внедряются не до конца проверенные методы. Используемые технологии не гарантируют полную защиту окружающей среды, что создает угрозу глобальной экологической катастрофы.
Современная наука находятся в фазе экстраординарного развития, и парадигма науки подвергается сомнению. В настоящий момент наука не в состоянии предложить какие-либо общие принципы, новый подход, который позволил был интегрировать имеющиеся научные данные в единую схему. Эти общие принципы не могут быть заимствованы и из картины мира: формирование новых методологических основ затруднено тем, что поток новых данных огромен, а возможности включения их в научную картину мира ограничены. Сложившаяся в науке ситуация, когда нет четко сформулированной идеи о дальнейшем направлении научного поиска, создает предпосылки для следующей, пятой научной революции. В результате этой революции могут быть сформулированы новые принципы систематизации накопленных фактов или создан новый подход к их интерпретации. Предсказать дальнейший путь развития науки в настоящий момент времени нельзя, но можно утверждать, что назрела кризисная ситуация.
Активный поиск новых методологических оснований науки стимулируют и экономические потребности общества. Развитие микроэлектроники, обусловившее экономический рост второй половины XX в., практически достигло предела своих физических возможностей: скорость света на практике стала фактором, ограничивающим быстродействие компьютеров. Некоторый запас для развития электроники существует при переходе к более коротким электрическим цепям, нанотехнологиям, однако и в этом направлении существует лимитирующий фактор, обусловленный атомарной природой вещества. Дальнейший рост экономики возможен только в результате инноваций в науке. Это может быть рост, обусловленный применением принципов параллельной обработки информации, принципов работы нейросетей, или же рывок будет сделан в другой области, например в сфере генной инженерии. Трудно угадать область науки, в которой произойдет открытие, влекущее за собой революцию в технологиях, и невозможно назвать точные временные рамки этого события. Однако, то, что такая революция произойдет, не вызывает сомнений.