Эволюция естественнонаучной картины мира

o еще одним результатом нового, диалектического подхода к пониманию мира, стало выявление связи форм существования материи - пространства и времени - с самой материей. В картине мира Ньютона считалось, что пространство, время и материя абсолютны, т.е. независимы друг от друга. Общая же теория относительности (А. Эйнштейн, 1916 г.) сначала теоретически, а потом и эмпирически подтвердила предположение Аристотеля (см. выше) о том, что пространство и время - это производные от самого факта наличия материи;

o другая теория относительности - специальная (А. Эйнштейн, 1905 г.) - завершила начатый Коперником и Бруно разгром мании величия человека (также см. выше). Если механистическая картина мира базировалась на гелиоцентризме, то новая, квантово-полевая картина мира провозглашала, с подачи Эйнштейна, отказ от всякого центризма (и тем более, антропоцентризма, см. раздел 1) вообще. Привилегированных, выделенных систем отсчета в мире нет, все они равноправны. Любое утверждение может считаться справедливым, только будучи «привязанным», соотнесенным с какой-либо конкретной системой отсчета. Это означает, что любые наши представления об окружающей нас реальности, в том числе и вся научная картина мира в целом, относительны или релятивны (от лат. relative - переменный). Отсюда еще одно название диалектической концепции новой картины мира - квантово-релятивистская;

o данная картина мира отвергла жесткое разделение объекта и субъекта познания (см. раздел 1). Оказалось, что достоверность научного описания первого зависит от условий этого познания, когда, например, величина измеряемых параметров состояния микрочастицы определяется видом (классом) применяемых для этого измерения макроприборов (суть одного из законов квантовой механики - принципа дополнительности Н. Бора). Отсюда - отказ новой картины мира от лапласовского детерминизма и признание случайности и неопределенности неустранимыми и фундаментальными свойствами реальности;

o из двух последних особенностей неклассической картины мира следует изменение представлений о сущности естественнонаучной картины мира вообще, а именно, что «единственно верную», абсолютно точную такую картину не удастся создать никогда, поскольку и квантово-полевая картина мира, и все другие, которые за ней появятся, всегда будут иметь только определенную полноту и завершенность, а также лишь относительно безусловную истинность (см. раздел 2).

Общественная значимость периода неклассического естествознания также стала иной. Выражаясь языком экономики, на данном этапе естествознание стало непосредственной производительной силой, что по этой значимости превосходит его статус как источника прибыли в предыдущем периоде (см. выше). Сказанное можно пояснить следующим сопоставлением роли науки для общества на разных этапах её развития. Использовать, например, колесо и огонь в хозяйственных (экономических) целях человек начал задолго до того, как классическая наука разработала теорию вращательного движения (Галилей) или объяснила суть горения как реакции высокотемпературного окисления (Лавуазье). Получается, что на втором этапе развития естествознания эффективные новые технологии и прогрессивные орудия труда не всегда были результатом коммерциализации научного знания, а, скорее, итогом прагматического использования имеющегося эмпирического опыта (как в эпоху неолита, см. выше). В итоге развитие производительных сил могло, в отдельных случаях, быть реализовано без помощи науки.

В период неклассического естествознания ситуация изменилась. Если, как в предыдущем случае, загоревшееся от удара молнии дерево, или катящееся бревно могли натолкнуть какого-нибудь безвестного изобретателя-самородка на идею практического использования увиденного, то, к примеру, полупроводниковый транзистор, лазер или атомный реактор ни в каком лесу и ни на какой дороге случайно не найдешь. Да и сами идеи подобных сверхсложных орудий труда могут быть генерированы только с научных позиций. В итоге из источника получения прибыли за счет коммерциализации своего продукта - знания - (второй этап) наука превращается в ресурс экономического роста за счет создания принципиально новой техники и технологии (третий этап). По сути именно с диалектического периода развития естествознания и началась эпоха «экономики знаний», когда развитие бизнеса осуществляется за счет известных сейчас всем инноваций, источником которых может быть только наука.

Период постнеклассического естествознания. Если предыдущий этап развития науки был инициирован, как это показано выше, проникновением в естествознание идеи всеобщей связи (диалектики), то данный период является следствием перехода науки к другой идее - идее развития или эволюции. Подобный новый, эволюционный тип мышления предполагал очередное усложнение проблемы познания мира в виде решения уже не одного, как на всех предыдущих этапах развития естествознания, вопроса - объяснения устройства существующего мира - а, в соответствии с тремя временными наклонениями (прошлым, настоящим и буду-щим), таких же трёх - откуда и как именно он возник, как функционирует сейчас с учетом взаимозависимости образующих его структур (диалектический подход не отменяется!) и как будет эволюционировать этот мир в дальнейшем.

Началом данного, четвертого этапа развития естествознания большинство историков науки считают вторую половину 20 века. С мнением же о том, что этот период ещё не окончен и именно сейчас он, что называется, «на дворе», согласны все. В силу этого и соответствующая этапу постнеклассического естествознания современная или эволюционная картина мира считается незаконченной. Какова же её научная парадигма?

Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо в очередной раз показать, как основы новой естественнонаучной картины мира зарождались в рамках картины предыдущей. Ростками эволюционного естествознания в его третий, неклассический период были:

o в биологии - теория эволюции новых видов растений и животных Ч. Дарвина. Сюда же можно отнести гипотезы возникновения жизни на Земле - панспермии (С. Аррениус) и более ранние - креационизма и самопроизвольного возникновения из неживого вещества (античный период);

o в термодинамике - трактовка процессов превращения и перераспределения энергии в закрытых системах, приводящая к гипотезе «тепловой смерти» Вселенной Р. Клаузиуса, как финала её эволюции;

o в астрономии - космогоническая гипотеза Канта - Лапласа, объяснявшая происхождение звезд и планет;

o в геологии - концепция развития геосферных оболочек Земли Ч. Лайеля и гипотеза «дрейфа континентов А. Вегенера.

Продолжением реализации эволюционного подхода по отношению к отдельным отраслям естествознания уже на рассматриваемом, четвертом этапе его развития можно назвать теорию диссипативных систем И. Пригожина (термодинамика), концепцию Большого взрыва Г. Гамова (астрономия), теорию автокатализа А.П. Руденко (химия) и др. Но эти фрагменты нового, постнеклассического естествознания не были единой картиной до тех пор, пока их не объединила в таковую общая теория самоорганизации материи - любой - живой, неживой, земной, небесной и т.д. - синергетика (Г. Хакен, И. Пригожин и др.). Именно она составляет основу научной парадигмы последней, пятой эволюционно-синергетической, или современной естественнонаучной картины мира. Понятно, что с позиций именно такого, господствующего в настоящее время эволюционного типа мышления(см. выше), должны и будут более подробно рассматриваться отдельные фрагменты дан-ной картины, как приводимые далее разделы дисциплины «Концепции современного естествознания».

Остается добавить, что в соответствии с новым статусом естествознания в очередной раз изменилась, причем опять в сторону увеличения, естественно, и его общественная значимость - на четвертом этапе своей истории оно стало социальной силой, определяющей выбор пути развития человеческой цивилизации. Именно эволюционное естествознание предъявило всем нам жесткую альтернативу, описанную в разделе 1 (см. выше) - либо мы образумимся и начнем жить по средствам, либо, как раз в нарушение за-конов эволюции, она для нас, как для бестолковых, так и не понявших неумолимый характер этих законов, бесславно и заслуженно закончится раньше положенного времени.

В качестве промежуточного вывода, касающегося истории развития науки, можно привести аналогию, иллюстрирующую данное развитие как процесс все более и более достоверного отображения реального мира. Античную картину мира можно уподобить живописному полотну, которую рисовал очень талантливый автор, но поскольку некоторые фрагменты изображаемой реальности он себе просто не представлял, то художник их домысливал сам - с большой долей фантазии и выдумки - отчего сходство с реальностью получилось минимальным. Картины мира Ньютона и Максвелла - это уже черно-белые фотографии, но вот беда - снимали фотографы одно и то же, а на позитивах получились разные изображения. Этого недостатка лишена квантово-полевая картина мира, которая однозначно, достоверно и почти точно, за исключением мелких деталей, отображает фотографируемый объект, но только в момент съемки. Эволюционная же картина мира - это кино, говоря современным языком, формата HD, которое можно «крутить» как вперед, так и назад.

Тенденции развития естествознания. Это следующие закономерности развития науки, присущие, как общие, повторяющиеся черты этого развития, всем его этапам (периодам):

Обусловленность практикой, т.е. неразрывность эмпирического и теоретического этапов научного метода (см. раздел 2). Только на базе эмпирической информации естественного (данные наблюдения) или искусственного (результаты реального или мысленного эксперимента) характера об изучаемом природном явлении может быть построено научное, т.е. единственно верное объяснение его сущности.

2. Преемственность в развитии идей и теорий (принцип соответствия Н. Бора), согласно которому всякое новое научное знание не отвергает на-чисто знание предшествующее, а включает его в себя на правах частного случая, устанавливая для знания прежнего более ограниченную, чем ранее, область своей применимости. Попросту говоря, научное знание не подвержено износу или обесцениванию подобно, например, экономическим активам, и в науке нет «свалки истории», куда рано или поздно выбрасывается какое-либо знание, поскольку оно является ценностью навсегда. Другое дело, что эта ценность с течением времени становится присущей все более и более локальному фрагменту научной картины мира, в которой любому научному знанию суждено быть вечно. В качестве пояснения можно привести следующую аналогию. Земля, как известно, имеет форму шара, но в частном случае, например, перехода через улицу, её смело можно считать плоской. А вот выход за пределы данной улицы, как локального участка, для которого справедливо данное утверждение (допустим, в околоземное космическое пространство), потребует радикально изменить наши представления и создать новую, более сложную трактовку более глобальной реальности, в которой предыдущему утверждению тоже найдется место, но уже лишь на правах частного, как говорилось выше, случая. Именно такая картина наблюдается в соотношении, например, классической (старой) и релятивистской (новой) физики, евклидовой и неевклидовых геометрий и т.д.

3. Чередование периодов эволюционного и революционного развития. Пер-вое имеет место на протяжении соответствующего периода (этапа) истории естествознания (см. выше) и характеризуется неизменностью господствую-щей в этот период научной парадигмы и соответствующей данному этапу картины мира (там же). Научные революции, очевидно, предполагают смену и того, и другого, и, как следствие, переход к очередному этапу истории естествознания. При этом данное развитие науки, как диалектическое единство прерывности и непрерывности, революционности и стабильности, имеет тенденцию к ускорению - если между аристотелевской и ньютоновской революциями лежит пропасть шириной почти в две тысячи лет (см. выше), то квантово-полевую картину мира от механистической отделяют уже не более двухсот. А последняя, эволюционно-синергетическая парадигма появляется ещё быстрее - менее чем через сто лет (там же). Причина - ставка на науку, как на источник экономического развития, о чем также уже было сказано ранее.

4. Противоречивость развития, когда несовместимые концепции находят разрешение в принципиально новом теоретическом толковании более высокого уровня. Данная закономерность является, с одной стороны, ещё одним подтверждением правоты принципа соответствия (см. вторую тенденцию развития науки), а с другой - проявлением уже упоминавшегося закона диалектики Гегеля, а именно, закона единства и борьбы противоположностей (см. третью тенденцию этого же развития). Хрестоматийным примером проявления этой закономерности развития науки является знаменитый спор о природе света между Ньютоном, считавшим свет потоком частиц, и сторонниками волновой природы света (Гюйгенс, Френель, Юнг). В качестве своей правоты каждая сторона приводила абсолютно достоверные эмпирические факты: Ньютон - закономерности отражения и преломления света, континуальщики - явления его дифракции и интерференции. Данная ситуация, противоречащая научному методу, когда имеются две правды по одному поводу, была, как известно, разрешена появлением гипотезы корпускулярно-волнового дуализма, которая, как толкование более высокого порядка, включила в себя частными случаями обе антагонистичные друг другу концепции - и корпускулярную, и полевую.

5. Повторяемость идей (концепций) с постоянными возвратами к пройден-ному, но на более высоком уровне. Данная тенденция есть проявление ещё одного закона диалектики - закона отрицания отрицания (спирали Гегеля) - когда новое теоретическое толкование оказывается странно похожим на высказывание более раннего порядка, как догадки, опередившей свое время. Пример единства взглядов Аристотеля и Эйнштейна на взаимозависимость материи с формами её существования уже приводился выше, а между ними, как одноименными точками соседних витков спирали развития знания - почти две тысячи лет. Примерно за столько же до Коперника Пифагор высказывал предположение о центральном месте Солнца среди небесных тел. Данную особенность можно квалифицировать как присущее науке качество креативности, неординарности и многовариантности мышления. Можно ещё добавить, что и вся описанная выше последовательность смены картин мира также представляет собой метод итераций (последовательных приближений), когда одна и та же задача - познания мира - решается несколько раз, и с каждой следующей попыткой её решения качество результата этого решения (достоверность научной картины мира) растет, т.е. очередной последующий виток «спирали развития знания» всегда расположен выше предыдущего её витка.

6. Взаимодействие отраслей естествознания через их дифференциацию и интеграцию. Исторически первым был процесс именно дифференциации, когда научное знание натурфилософского периода было поневоле синкретичным, т.е. слитным, неразделенным, поскольку делало свои первые шаги. Но уже во времена Аристотеля перечень пока ещё зачатков будущих наук достигал двух десятков (философия, геометрия, астрономия, география, медицина и т.д.). Этап классического естествознания потому и назывался аналитическим (см. выше), что деление природы на отдельно и детально изучаемые фрагменты потребовало дробления научного знания на все более обособленные и многочисленные разделы. Этот процесс дифференциации и в последующие этапы развития науки усугублялся раздвижением границ познаваемого мира - новые области исследования, куда проникал человек - ближний космос, мир элементарных частиц, клетка - «закреплялись» за соответствующими новыми разделами знания. Одновременно внутри этих границ обособлялись все более и более локальные области изучаемых объектов природы, что также вело к увеличению числа научных дисциплин. В физике, на-пример, образовалось целое семейство наук - механика, оптика, электродинамика, термодинамика и др. Интенсивно делилась химия - сначала на органическую и неорганическую, затем на физическую и аналитическую, позднее возникли химия углеводородов и структурная химия. Процесс этот продолжается и сейчас. Только недавно выделившаяся из биологии генетика уже предстает в разных видах - эволюционная, молекулярная, волновая. В химии появились квантовая химия, плазмохимия, радиационная химия, в физике - физика горения и взрыва, физика полупроводников, физика высоких энергий, физика твердого тела и т.д.

Но уже в рамках классического естествознания (второй этап) стала постепенно утверждаться идея принципиального единства всех явлений природы, а, следовательно, и объясняющих их научных дисциплин. Оказалось, на-пример, что объяснение химических явлений невозможно без привлечения физики; изучение объектов геологии требовало как физических, так и химических методов анализа. Такая же ситуация сложилась и с объяснением жизнедеятельности организмов - ведь даже простейший из них представляет со-бой и термодинамическую и химическую систему одновременно. Поэтому стали возникать «смежные» естественнонаучные дисциплины типа физической химии, химической физики, биохимии, геофизики и т.д., в результате чего границы между оформившимися разделами и подразделами естествознания - результат его дифференциации - стали прозрачными и условными. Более того, в настоящее время интегративные процессы в науке начинают доминировать над процессами дифференциации, а интеграция естественнонаучного знания, по мнению многих исследователей развития науки, стала главной его тенденцией. Сейчас она проявляется в следующих формах:

· организация исследований «на стыке» смежных научных дисциплин. По мнению большинства современных ученых, именно там локализуются самые интересные и многообещающие научные проблемы. В качестве примеров подобных «комплексных» задач, требующих участия ученых разного профиля, можно назвать экологические проблемы или пробле-му возникновения жизни;

· разработка новых общенаучных (см. раздел 2) методов исследования (спектральный анализ, хроматография, компьютерное моделирование);

· поиск «объединительных» теорий и принципов, к которым можно было бы свести бесконечное разнообразие явлений природы и установить их всеобщую связь. Наиболее известным примером подобного рода является единая теория поля, в которой Эйнштейн пытался объединить известные в начале 20 века два из четырех фундаментальных взаимодействия - гравитационное и электромагнитное (см. раздел 2.3), но не смог и отступил (даже он!);

· разработка теорий, выполняющих общеметодологические (см. раздел 2) функции в естествознании (общая теория систем, кибернетика, синергетика).

Сказанное не означает, что процессы дифференциации научного знания сошли на нет - они продолжаются, поскольку дифференциация и интеграция отраслей естествознания - не взаимоисключающие, а диалектически единые и взаимодополняющие, в соответствии, опять же, с законом единства и борьбы противоположностей (см. выше), тенденции его развития.

7. Возрастание роли естествознания в жизни общества. Данная тенденция четко видна из оценок значимости науки обществом на разных этапах её развития (см. выше) - от практически никому не нужного хобби чудаков (античный период) к источнику получения прибыли (этап классического естествознания), затем к статусу самого значимого и единственного ресурса развития (период неклассического естествознания) и, наконец, к роли социальной силы, которая поможет человечеству решить свои наиболее важные проблемы (этап постнеклассического естествознания).

4. Развитие представлений о материи

Данный раздел и два следующие за ним, как три последних раздела первой темы курса лекций по дисциплине «Концепции современного естествознания», посвящены трем наиболее крупным и важным научным категориям естествознания - материи, движению и взаимодействию. Проследить эволюцию представлений о них удобно по периодам его истории (см. предыдущий раздел).

Начнем с материи, как с самой главной не только для естественнонаучной, но и для гуманитарной культуры категории. Её современная философская трактовка гласит, что материя - это объективная реальность, существующая независимо от человеческого сознания и отображаемая им. Данное представление о материи является результатом следующей эволюции взглядов на неё.

Проблема материи, как первоначала, из которого возникают все вещи и в которое со временем они превращаются, впервые была сформулирована в античный период развития естествознания (см. раздел 3), а именно, представителями ионийской (милетской) школы (там же). Для нас сейчас не так важно, комбинацией каких именно первоэлементов («стихий») - воды, огня, земли или других - считали мир представители данной научной программы. Гораздо важнее сам факт постановки проблемы существования и познания материи, первое решение которой сводилось к следующему:

· уже в этой, первой трактовке материи закладывалась идея её вечного движения, безостановочной изменчивости реального мира. Как аргументы, можно привести самые знаменитые высказывания Гераклита, одного из представителей милетской школы - «Все течет, все меняется» и «Нельзя дважды войти в одну и ту же реку»;

· данное представление о материи, как другие взгляды данного периода на неё, которые будут рассмотрены ниже, было сугубо натурфилософским, поскольку здесь ещё не разделилось естественнонаучное (научное) и философское (гуманитарное) знание (см. раздел 3). В силу этого и задача познания сводилась пока что к чисто философской - постичь сущность и предназначение материального объекта, поскольку ни об экспериментальном его исследовании, ни о математическом описании сути какого-либо доступного тогда для изучения природного процесса или явления (научный метод, см. раздел 2) на данном этапе развития науки не могло быть и речи.

Вторым подобного рода умозрительным представлением античного периода о материи была идеалистическая программа Пифагора - Платона, согласно которой реальный мир, мир чувственно ощущаемых нами вещей не есть мир истинно сущего - эти вещи возникают и погибают, в них нет ни-чего прочного и неизменного. Подлинная сущность чувственных вещей, их причины - бестелесные формы, постигаемые умом. Эти причины (формы, основы, первоначала) Платон назвал идеями (по-русски «идея» - это мысль, сущность, причина, замысел, план). Идея - это то, что видно разумом в вещи. Идея вещи не является отражением вещи, а наоборот, идея вещи, хотя и существует в отрыве от самой вещи, представляет собой принцип её создания и причину «материализации» этой вещи.

Мир идей (или идеальный мир) - это реальность, которая существует отдельно от земного (материального) мира. Мир идей первичен по отношению к материальному миру, миру вещей, т.е. земной мир производен от идеального. Идеальный мир совершенен, вечен и неизменен, материальный же мир является лишь отражением мира идей, подверженным изменениям и распаду.

В чем «продвинутость» данной идеалистической концепции по отношению к милетской, сугубо материалистической, трактовке реальности? В том, что, по Платону, созидание земного мира творцом - идеальным миром (Богом-демиургом) - подчиняется строгим математическим закономерностям, что открывает возможности для его рационального (теоретического) анализа (объяснения). Только познание мира идей с помощью математики является единственным путем получения достоверного знания - это же предвосхищение научного метода (см. раздел 2)! Именно с подачи объективного идеализма Пифагора - Платона началась сначала частичная (александрийский и древнеримский этапы античного периода истории естество-знания, см. раздел 3), а затем и полная математизация науки (этап классического естествознания, там же).

Возвратом к материалистической трактовке всего сущего, но уже на более высоком уровне (спираль Гегеля, пятая тенденция развития естествознания, см. раздел 3) следует считать концепцию атомизма Левкиппа - Демокрита (второй, афинский период античного этапа истории естествознания, там же), получившую развитие в рамках его третьего, александрийского (Эпикур) и четвертого, древнеримского (Лукреций) периодов. Данная концепция - одна из самых эвристичных, плодотворных и перспективных научно-исследовательских программ в истории науки. Она сыграла выдающуюся роль в развитии представлений о структуре материи, в ориентации движения естественнонаучной мысли на познание все более глубоких структурных уровней организации материи. Применяемая уже не к атомам, а, как будет показано ниже, сначала к любым вещественным телам, а потом к элементарным частицам, она вошла одной из неотъемлемых составляющих в научные парадигмы следующих этапов развития естествознания - классического и неклассического (принцип соответствия, вторая тенденция его развития, см. раздел 3). Именно поэтому даже сейчас, через 2 500 лет после возникновения концепции атомизма, её по-прежнему чрезвычайно высоко оценивают современные ученые. Нобелевский лауреат, физик Р. Фейнман по этому поводу выразился так, что если бы человечеству грозила какая-то вселенская катастрофа, которая нас уничтожит полностью, уцелеет от нашей цивилизации, как памятник ей, только одно слово, но чтобы те, кто когда-нибудь на-бредет на нашу общую могилу, прочитав это слово, преисполнились уважения к тому, как много мы знали - это слово должно быть «атомизм».

Завершает трансформацию представлений античного этапа о материи её континуальная, аристотелевская (см. раздел 3) трактовка, принципиально противоположная атомистической, дискретной. С одной стороны, она ещё раз подтверждает закономерность развития познания, заключающуюся в возврате к пройденному, но на более высоком уровне (Аристотель, напомним, вернулся к идее милетских «стихий», там же), а с другой, является началом одного из самых интересных научных противостояний в истории естествознания - противоречия между корпускулярной и континуальной концепциями описания природы (трактовки материи), то есть проявлением четвертой тенденции развития науки (см. раздел 3).

Становление обеих концепций происходило на втором (классическом, см. раздел 3) этапе истории естествознания. Исторически первой, в рамках механистической картины мира (там же) сложилась корпускулярная модель реальности, представляющая собой расширенное толкование (снова принцип соответствия!) атомистической гипотезы - материя рассматривается как дискретное вещество, состоящее не только из неделимых атомов (по Демокриту), а из частиц (корпускул, см. раздел 3) земного или небесного происхождения любого (по Ньютону), а не только атомарного, размера. Усложнение (очередное) представлений о материи очевидное - не только распространение принципа дискретности её строения на все известные для того периода времени реальные системы, но ещё и возможность с помощью уравнений классической механики точно и однозначно определить какие-либо параметры их состояния (об этом понятии будет сказано в следующем разделе) - энергию систем, скорость их движения и др. - по аналогичным параметрам образующих эти системы элементов (корпускул), как по исходным данным.

Данная концепция, как уже указывалось в разделе 3, оказалась чрезвычайно плодотворной по отношению к описанию поведения именно дискретного вещества. Однако были два вида природных явлений - сначала оптических, потом тепловых, а затем электромагнитных (там же) - которые не могли быть полностью объяснены с позиций корпускулярной концепции. Последний выделенный акцент означает следующее. Ньютон, естественно, пытался распространить корпускулярную концепцию и на объяснение природы света, считая его потоком мельчайших частиц, испускаемых светящимися телами, которые движутся в соответствии с законами механики и вызывают ощущение света, попадая в глаз. На базе этой своей корпускулярной теории света он успешно объяснил явления его отражения и преломления. Но другие оптические явления данная теория объяснить не смогла - это явления интерференции (возникновения полосчатой картины при наложении света на свет) и дифракции (огибания светом непрозрачной преграды) - поэтому нидерландским физиком Х. Гюйгенсом была предложена другая, волновая или континуальная концепция, согласно которой свет представляет собой не поток материальных частиц, а колебания упругой среды, заполняющей все пространство - светоносного эфира (непрерывного континуума).

Распространение света рассматривалось как распространение колебаний этой среды - каждая отдельная точка эфира колеблется в вертикальном направлении, а колебания всех точек создают картину волны, которая горизонтально перемещается в пространстве от одного момента времени к другому. С данной позиции дифракция света допускалась также естественно, как ранее многократно подтвержденное огибание препятствий другими, звуковыми волнами. Причина же того, что свет, добавленный к свету, не обязательно дает только более сильный свет (как это должно было быть с точки зрения корпускулярной теории света), а чередование светлых и темных световых полос, заключается в несовпадении гребней и впадин световых волн, из-за чего наложение, например, гребня и впадины двух разных волн приводит к тому, что они взаимно «гасят» друг друга, и в результате этого появляются темные полосы, и наоборот. Также успешно волновая концепция объясняла отражение и преломление света.

Окончательное становление континуальной концепции описания природы произошло в рамках уже периода неклассического естествознания в виде электромагнитной картины мира (см. раздел 3). Сначала трудами Фарадея и других (там же) была доказана единая природа оптических, электрических, тепловых и магнитных явлений, а затем Максвеллом разработана теория нового вида материи - электромагнитного поля. Согласно этой теории, получившей название электродинамики Максвелла, переменное магнитное поле индуцирует (вызывает, создает) переменное электрическое поле и наоборот. В результате происходит постоянное изменение во времени напряженностей обоих полей, т.е. генерация переменным электромагнитным полем самого себя, и его самостоятельное, не «привязанное» к материальным объектам - носителям первичных электрических и магнитных зарядов (полей) - распространение в пространстве в виде электромагнитных волн. Существование этих волн, математически строго доказанное теоретиком Максвеллом, было экспериментально подтверждено Г. Герцем, в результате чего к концу 19 века, т.е. также в рамках этапа неклассического естествознания (см. выше), физика пришла к выводу, что материя существует в двух независимых друг от друга и принципиально различных видах - дискретного вещества и непрерывного поля. В соответствии с господствовавшим на данном этапе истории естествознания диалектическим типом мышления (там же), такое противопоставление было недопустимо, но для того, чтобы разрешить противоречие между корпускулярной и континуальной концепциями описания природы и доказать единство не только выше рассмотренных, а вообще всех видов материи, науке пришлось освоить и изучить новый, доселе неизвестный уровень организации материи - мир атома.

Началось все с открытия в 1897 году английским физиком Дж. Дж. Томсоном электрона - отрицательно заряженной частицы, входящей в состав всех атомов. Поскольку атом электрически нейтрален, пришлось допустить наличие в его структуре эквивалентной электрону по величине заряда, но противоположной по знаку положительно заряженной области, или частицы - протона. Выяснилось, что по массе электрон меньше протона в 1836 раз. На основании этого первая модель строения атома того же Томсона называлась «изюм в пудинге» - электроны вкраплены в большую область положи-тельного заряда отдельными редкими частицами.

Опыты другого английского физика, Э. Резерфорда, по сканированию внутренностей атома радиоактивным излучением опровергли модель Томсона. Оказалось, что атом преимущественно пуст, но в центре его расположена положительно заряженная микрочастица, размер которой (10^-15 м) очень мал по сравнению с размерами атома (10^-10 м), и в которой почти полностью сосредоточена масса атома.

На основании этих новых экспериментальных данных Резерфорд в 1911 году предложил свою модель строения атома, часто называемую «планетарной», потому что, согласно ей, в центре атома находится ядро, состоящее из массивных положительно заряженных частиц - протонов (спустя 8 лет были экспериментально обнаружены тем же Резерфордом) - вокруг которого, подобно планетам Солнечной системы, по своим орбитам движутся электроны. Поскольку теоретическое обоснование данной модели дал датский физик Н. Бор, её часто называют планетарной моделью атома Резерфорда - Бора.

Развитие преставлений о материи в рамках того же периода неклассического естествознания продолжилось открытием ещё одной элементарной частицы - нейтрона (английский физик Д. Чедвик, 1932 г.) - и предложенной сразу вслед за этим советским физиком Д.Д. Иваненко моделью ядра атома, состоящего из протонов и нейтронов. По этой модели электрически нейтральный атом содержит в своем положительно заряженном ядре равное число протонов и нейтронов, а вокруг ядра расположены составляющие атом электроны, число которых равно числу протонов. Пару «протон + нейтрон» стали называть нуклоном. Нуклоны, составляющие ядро атома, по своей массе в 4 000 раз тяжелее образующих этот атом электронов.

Модель атома, как уже говорилось (см. раздел 3), противоречила существовавшим тогда, т.е. в период неклассического естествознания (там же) научным теориям.

Эта ситуация ещё более усугубилась, когда появились эмпирические факты такого же несоответствия господствующих в данный период времени теоретических представлений не только по отношению к недавно открытой области материальных систем (миру атома), но и для вполне, казалось бы, уже давно изученных земных процессов, в частности, процессов взаимодействия поля (электромагнитного излучения, о нём подробно в двух следующих разделах) с веществом.

Возникновение такого очередного, полностью, кстати, соответствующего сути научного метода (см. раздел 2), противоречия было инициировано, что любопытно, причиной чисто экономического характера. В 80-е годы 19 века в Германии началось бурное развитие ламповой промышленности.

Коммерциализация изобретения американца Т.А. Эдисона - лампы накаливания (которую у нас почему-то называли «лампочкой Ильича») - потребовала определения наиболее оптимальных с точки зрения максимальной светимости её нагревательного элемента режимов его нагрева - частоты и (или) длины волны подводимого электромагнитного излучения. Для решения такой сугубо коммерческой задачи ученые получили от будущих немецких ламповых королей, говоря сегодняшним языком, заказ на прикладные научные исследования - какие материалы и при какой длине волны нагрева обеспечивают максимум интенсивности электромагнитного излучения в видимой части его спектра.

С экономической точки зрения данная задача была успешно решена - для исследуемых материалов (например, для той же вольфрамовой нити) бы-ли найдены конкретные режимы нагрева, обеспечивающие максимальную светимость ламп накаливания, а, следовательно, и максимальную прибыль их производителям. А вот в научном плане ученые получили проблему в полном соответствии с сущностью научного же метода - полученные экспериментальные данные не могли быть объяснены существующей теорией.

Оказалось, что известные законы, описывающие зависимость интенсивности излучения от длины волны, с которой нагревается материал, по отношению к полученным эмпирическим данным справедливы лишь частично - закон Рэлея - Джинса пригоден только для длинных волн, а закон Вина - только для коротких (рис. 8).

Но это было бы ещё полбеды. Потрясение основ, в данном случае, основ классической электродинамики Максвелла, частью которой бы-ли оба эти закона, заключалось в том, что по ней, с ростом температуры тела (уменьшением длины волны нагрева, см. рис. 8) интенсивность излучения должна была расти неограниченно, вплоть до бесконечности (там же). Такое невозможное, с точки зрения практики и здравого смысла, но допускаемое существующей научной теорией развитие событий получило в физике 19 века название «ультрафиолетовой катастрофы».

Размещено на http://allbest.ru

1

Рис. 8. «Ультрафиолетовая катастрофа»

Разрешить ситуацию удалось немецкому физику М. Планку. Он вывел новую формулу, описывающую распределение энергии излучения в зависимости от частоты нагрева, которая имела не асимптотический, как зависимости Вина и Рэлея - Джинса (см. рис. 8) характер, а колоколообразную, как результаты эмпирических исследований (там же) форму. Но для того, чтобы добиться подобной «сходимости» теории и практики, Планку пришлось ввести допущение, гласившее, что вещество не может испускать энергию излучения иначе как конечными порциями (квантами), пропорциональными частоте этого излучения.

Это вело к признанию наравне с атомизмом вещества атомизма энергии (действия), т.е. дискретного (квантового) характера излучения, что не укладывалось в рамки классической физики. Поэтому день 14 декабря 1900 г., когда Планк впервые озвучил свою квантовую гипотезу на заседании Немецкого физического общества, считается днем со-здания квантовой физики - основы нового, неклассического естествознания (см. раздел 3).

На доклад Планка о квантовом характере излучения никто сначала особенного внимания не обратил, посчитав введение им понятия кванта остроумным приемом, «фокусом аппроксимации», разрешившим возникшие между теорией и практикой противоречия. Первым квантовую гипотезу применил и развил А. Эйнштейн при объяснении явления фотоэффекта (1905 г.). Это явление, известное с 90-х годов 19 века, заключалось в том, что электрически отрицательно заряженные металлические пластинки при облучении светом дуговой лампы теряли свой заряд, причем тем быстрее, чем интенсивнее был световой поток, падающий на них. Данный эмпирический факт, опять же, не мог быть объясним с позиций классической физики, считавшей свет волной - волна не может «выбивать» электроны из металлической пластинки, в результате чего отрицательный заряд последней уменьшается.

Объяснение Эйнштейна же было очень простым - «дождь» из квантов света «барабанит» по металлу, в результате чего из атомов последнего выбиваются электроны из расчета, что один квант «вырывает» один электрон (между прочим, это Нобелевская премия по физике 1905 года!). Эйнштейн пошел дальше Планка - во-первых, он распространил квантовые представления не только на испускание, но и на поглощение электромагнитного излучения, и, во-вторых ввел название для его кванта - фотон.

Собственно преодоление «висевшего» в науке с предыдущего, второго этапа истории естествознания противоречия между корпускулярной и континуальной концепциями описания природы было реализовано двумя следующими шагами в развитии представлений о материи.

Сначала французский физик Луи де Бройль выдвинул предположение о том, что не только фотоны, но и электроны, и любые другие частицы материи обладают и вещественными, и волновыми свойствами одновременно (гипотеза корпускулярно-волнового дуализма, 1924 г.). Насколько трудно шло формирование столь необычных, новых представлений о реальности говорит такой факт, что когда Эйнштейн рекомендовал ознакомиться с докторской диссертацией Луи де Бройля, где тот излагал свои взгляды, такому же, как они оба, физику (!) М. Бор-ну, он выразился так: «Прочитайте её! Хотя и кажется, что её писал сумасшедший, написана она солидно».

Экспериментальное подтверждение гипотеза корпускулярно-волнового дуализма получила в 1927 году, когда американские физики К. Дэвиссон и Л. Джермер обнаружили дифракцию электронов при прохождении их пучка через естественную дифракционную решетку - кристалл никеля. И только после этого доказательства наличия у электронов - частиц вещества - волновых свойств Луи де Бройль стал лауреатом Нобелевской премии.

Вторая часть диалектического единства двух видов материи, постулируемого гипотезой Л. де Бройля, может быть пояснена вещественно-полевой природой фотона (рис. 9), который локализован в пространстве в виде волнового пакета (набора из 10⁵ - 10⁶ колебаний электромагнитного излучения).

Рис. 9. Вещественно-полевая природа фотона

Внутри этого пакета имеет место конструктивная интерференция (наложение) этих колебаний, а вокруг, во всех остальных областях пространства - деструктивная, в силу чего фотон материально «присутствует» только внутри себя, как сгустка волн, и больше нигде. Данный сгусток (пакет), с одной стороны, обладает всеми волновыми свойствами - распространяется со скоростью света (см. раздел 3), не имеет массы покоя и т.д.

Но, с другой стороны, когда он на такой большой скорости «ударяется» о вещество, он, подобно уже вещественному материальному образованию, за счет своей громадной кинетической энергии выбивает с поверхности последнего электрон, как градина, что оставляет вмятину на крыше кузова автомобиля, с той лишь разницей, что атомы металла побитой градом крыши, в отличие от металлической пластинки, претерпевающей явление фотоэффекта, своих электронов не теряют (см. выше).

Следует пояснить, что описанную выше двуединую сущность материи нельзя понимать буквально и задаваться, подобно героине чеховской «Чайки», вопросом - если я не только человек, но, как выясняется, ещё и волна, почему я не летаю со скоростью света? Ответ, не литератора Чехова, а физика де Бройля, будет таким. Соотношение вещественных и волновых свойств материального объекта определяется выведенным тем же де Бройлем математическим соотношением двух количественных характеристик данного объекта - размера тела (частицы) L и соответствующей этому телу (частице) длины волны л. Если эти величины сопоставимы, то континуальная и корпускулярная сущность данного объекта выражены примерно одинаково. Так, у электрона его диаметр одного порядка с соответствующей ему длиной волны (около 10^-15 м), поэтому ему присущи и вещественные (наличие массы покоя), и полевые (результаты опыта Дэвиссона - Джермера, см. выше) свойства. Для Нины же Заречной эти величины равны соответственно 10⁰ м (средний рост человека) и 10^-33 м (такого излучения вообще нет, самое коротковолновое из известных, гамма-излучение, имеет длину волны всего 10^-12 м), поэтому мы, как объекты земной реальности, в отличие от электрона, свою вторую, полевую сущность демонстрировать не можем, хотя она принципиально есть.

На последнем, четвертом этапе истории естествознания представления о материи развивались следующим образом. Прежде всего, выяснилось, что состав элементарных частиц не ограничивается уже известными протонами, нейтронами и электронами (см. выше). К 60-м годам 20 века было открыто более 400 элементарных частиц, классифицируемых по их участию (или неучастию) в том или ином фундаментальном взаимодействии (данное понятие будет рассмотрено далее, в разделе 6). По данному классификационному признаку все частицы относятся к двум основным группам.

К адронам (от греч. сильный, большой) относятся элементарные частицы, которые особенно активно принимают участие в сильном взаимодействии (также будет рассмотрено в разделе 6), но могут участвовать также в электромагнитном и слабом взаимодействии (там же). Их большинство (сотни наименований), они обладают наибольшей массой (поэтому их называют ещё тяжелыми частицами) и имеют, как будет показано ниже, наиболее сложное внутреннее строение. Самыми известными и широко распространенными являются как раз такие адроны, как протон и нейтрон.

Ко второй группе элементарных частиц принадлежат лептоны (от греч. легкий, тонкий), участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействиях. Их, наоборот, всего 12, они не обнаруживают внутренней структуры, и самым типичным лептоном является первая из открытых элементарных частиц - электрон (см. выше).

Существование столь большого числа адронов как сложных по своему строению элементарных частиц побудило физиков заняться изучением их внутренней структуры. Эти поиски привели к разработке кварковой модели адронов (американцы М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг, 1964 г.). Согласно ей кварки - это гипотетические материальные частицы, из которых состоят все адроны. Несмотря на большое многообразие последних, любые адроны являются комбинациями лишь трех кварков и их античастиц (трех антикварков). Кварки имеют размер, на три порядка меньший, чем размер атомного ядра (10^-18 м) и, по сути, на сегодняшний день являются последней ступенью дробления адронной материи, т.е. вещества. Практически или экспериментально кварки в свободном состоянии не обнаружены, несмотря на многочисленные поиски на ускорителях высоких энергий, в космических лучах и в окружающей среде, есть лишь косвенные подтверждения факта их существования только в связанном состоянии, полученные при исследовании ядерных реакций.

Кварковая модель, по сути, является сегодняшней (последней) версией концепции атомизма (см. выше), согласно которой всё вещество Вселенной состоит из кварков, «собранных» в адроны, адроны образуют ядра атомов, а те, в совокупности с электронной (лептонной) «оболочкой» - сами атомы. Но, в соответствии с господствующим на современном, четвертом этапе истории естествознания эволюционным (см. раздел 3) типом мышления, следует решить вопрос о происхождении кварков и лептонов, как «первокирпичиков» природы. Ответом на него является концепция физического вакуума, как материальной субстанции, где рождаются эти элементарные частицы.

Сейчас в физике под данным термином понимают квантовое поле, кванты которого рождаются и исчезают одновременно, потому что промежутки времени, в течение которых происходят, чередуясь, эти два противоположных по смыслу материальных процесса, равны нулю. В итоге физический вакуум представляет собой сплошной, но невидимый и ненаблюдаемый (как можно видеть или наблюдать то, чего в любой момент времени нет!) фон (или, по представлениям классического естествознания, эфир, заполняющий всё мировое пространство, см. тему 2). Согласно трактовке автора данной концепции, английского физика П. Дирака (Нобелевская премия 1933 года), физический вакуум - это квантовое поле с наинизшим энергетическим состоянием. В нем нет ни частиц вещества, ни частиц поля, но в то же время, физический вакуум материален, поскольку в нем постоянно идут процессы, в результате которых рождаются пары «частица + античастица», которые тут же друг друга взаимно уничтожают (аннигилируют). Такие частицы, из которых «состоит» физический вакуум, получили название виртуальных, т.е. возможных. Очень понятно и правильно суть данной сложнейшей категории физики образно пояснил кто-то из великих, сказав, что физический вакуум - это «нечто по имени Ничто».