Третья глобальная научная революция

Третья глобальная научная революция охватывает период с конца XIX века и до середины XX столетия. В этот период были окончательно преодолены остатки прежних механистических представлений о мире, созданы принципиально новые, квантово-релятивистские представления о физической реальности, резко интенсифицировался процесс математизации науки, в особенности, физики (многие новые результаты в физике стало возможным получить только математическим путем).

В период третьей глобальной научной революции происходит своеобразная цепная реакция революционных перемен в различных областях знания: в физике (открытие сложного строения атома, становление релятивистской и квантовой теории), в космологии (концепция нестационарной Вселенной), в биологии (возникновение молекулярной биологии, становление генетики). В конце периода третьей глобальной научной революции возникает кибернетика, сыгравшая важную роль в формировании современной научной картины мира.

Если первая и вторая глобальные научные революции привели к формированию и развитию классической науки и ее стиля мышления, то третья глобальная научная революция вызвала появление неклассической науки и преобразование прежнего стиля научного мышления. Идеалы и нормы новой, неклассической науки характеризовались «пониманием относительной истинности теорий и картины природы, выработанной на том или ином этапе развития естествознания. В противовес идеалу единственно истинной теории, «фотографирующей» исследуемые объекты, допускается истинность нескольких отличающихся друг от друга конкретных теоретических описаний одной и той же реальности, поскольку в каждом из них может содержаться момент объективно-истинного знания».

«В неклассической науке принимаются такие типы объяснения и описания, которые в явном виде содержат ссылки на средства и операции познавательной деятельности. Наиболее ярким образцом такого подхода выступали идеалы и нормы объяснения, описания и доказательности знаний, утвердившиеся в квантово-релятивистской физике. Если в классической физике идеал объяснения и описания предполагал характеристику объекта «самого по себе», без указания на средства его исследования, то в квантово-релятивистской физике в качестве необходимого условия объективности объяснения и описания выдвигается требование четкой фиксации особенностей средств наблюдения, которые взаимодействуют с объектом». Подводя итог сказанному, еще раз подчеркнем, что «возникновению и развитию третьей глобальной научной революции способствовало открытие специфики законов микро-, макро- и мега-мира в физике и космологии, интенсивное исследование механизмов наследственности..., обнаружение кибернетикой общих законов управления и обратной связи. Тем самым создавались предпосылки для построения целостной картины природы, в которой прослеживалась иерархическая организованность Вселенной как сложного динамического единства. Картины реальности, вырабатываемые в отдельных науках, на этом этапе еще сохраняли свою самостоятельность, но каждая из них участвовала в формировании представлений, которые затем включались в общенаучную картину мира. Последняя в свою очередь, рассматривалась не как точный и окончательный портрет природы, а как постоянно уточняемая и развивающаяся система относительно истинного знания о мире».

Проникновение в глубь материи. Раскрытие сложной структуры атома. Рождение квантовой и релятивистской физики. Еще в конце XIX в. большинство ученых склонялось к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальнейшем незыблемой. Предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия XX века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы XIX столетия и первые десятилетия ХХ в.

В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерелъ (1852-1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Однако природа нового явления еще не была понята.

В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Прежде всего их заинтересовал вопрос: нет ли других веществ, обладающих свойством, аналогичным урану? В 1898 г. были открыты новые элементы, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи», — полоний и радий. Это свойство супруги Кюрина назвали радиоактивностью. Их напряженный труд принес щедрые плоды: с 1898 г. одна за другой стали появляться статьи о получении новых радиоактивных веществ.

А годом раньше, в 1897 г., в лаборатории Кавендиша и Кембридже при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу — электрон. В последующих опытах по измерению заряда электрона и получению отношения этого заряда к массе было обнаружено совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости.

В 1911 г. знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд /1871— 1937) предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. По его мнению, атом подобен Солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него.

Но планетарная модель Резерфорда обнаружила серьезный недостаток: она оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла. Согласно законам электродинамики, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро. С этой точки зрения, оставалась непонятной необычайная устойчивость атомов.

Разрешение возникших противоречий выпало на долю известного датского физика Нильса Бора (1885-1962), предложившего свое представление об атоме. Зная о модели Резерфорда и приняв ее в качестве исходной, Н. Бор разработал 1913 г. квантовую теорию строения атома. В ее основе лежали следующие постулаты: в любом атоме существуют дискретные (стационарные состояния), находясь в которых атом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию (квант) энергии.

Предложенная Бором модель атома, которая возникла в результате развития исследований радиоактивного излучения и квантовой теории, фактически явилась дополненным и исправленным вариантом планетарной модели Резерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда — Бора.

Следует отметить, что научные заслуги Резерфорда не ограничиваются исследованиями, приведшими к упомянутой планетарной модели атома. Совместно с английским химиком Фредериком Содди (1877—1956) он провел серьезное изучение радиоактивности. Резерфорд и Содди дали трактовку радиоактивного распада как процесса превращения химических элементов из одних в другие. «Неизменяемость свойств электронов при обычных физических и химических процессах, — писал Н. Бор, — непосредственно объясняется тем, что в таких процессах, хотя связи электронов и могут сильно меняться, ядро остается без изменений. Резерфордом была доказана и взаимная превращаемость атомных ядер под действием мощных сил. Тем самым Резерфорд открыл совершенно новую область исследований, которую часто называют современной алхимией».

Как тут не вспомнить крушение стремлений и надежд многих поколений алхимиков получать одни химические элементы (чаще всего - золото) из других в связи с открытием во второй половине XVIII в. Лавуазье закона неизменности химических элементов. И вдруг в начале XX в. оказалось, что в результате радиоактивного распада некоторые элементы самопроизвольно превращаются в другие. Это было поистине научной сенсацией.

Впрочем, наука XX века принесла немало сенсационных открытий, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале нашего столетия мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном (1879-1955).

В 1905 г. им была создана так называемая специальная теория относительности. В этой теории было установлено, что пространственно-временные свойства тел меняются с изменением скорости их движения. По мере приближения скорости движения тела к скорости света его линейные размеры сокращаются в направлении движения, а ход времени замедляется. Эти выводы специальной теории относительности нашли экспериментальное подтверждение.

Новые аспекты зависимости пространственно-временных характеристик от материальных процессов раскрыла общая теория относительности (1916 г.). Согласно этой теории пространство в разных частях Вселенной имеет различную кривизну и описывается неевклидовой геометрией. Кривизна пространства обусловлена действием гравитационных полей, создаваемых огромными массами космических тел. Эти поля вызывают и замедление хода протекания материальных процессов.

Хотя имя А. Эйнштейна по сей день связывается с теорией относительности и вытекающими из нее новыми, релятивистскими представлениями о материальном мире, эта теория была далеко не единственным его научным достижением. Опираясь на учение Планка о квантах, Эйнштейн еще в 1905 г. сумел обосновать природу фотоэффекта. Каждый электрон выбивается из металла под действием отдельного светового кванта, или фотона, который при этом теряет свою энергию. Часть этой энергии уходит на разрыв связи электрона с металлом. Эйнштейн показал зависимость энергии электрона от частоты светового кванта и энергии связи электрона с металлом.

Казалось, что корпускулярная теория материи торжествует. Фотон, например, явно имеет корпускулярные свойства (русский физик П.Н. Лебедев экспериментально доказал в 1899 г. существование светового давления). Но вскоре выяснилось, что определить энергию фотона (частицы света, не обладающей массой покоя) можно было, только представляя его себе в виде волны с соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон — это одновременно и волна и частица. Распространяется он как волна, излучается и поглощается как частица.

В 1924 г. произошло крупное событие в истории физики: французский ученый Луи де Брошь (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. «Почему, если волновой материи присущи свойства корпускулярности, — писал он, — мы не вправе ожидать и обратного: что корпускулярной материи присущи волновые свойства? Почему бы не мог существовать закон, единый для всякого вообще материального образования, не важно, волнового или корпускулярного?».

Наиболее убедительное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате открытия (наблюдений) дифракции электронов в эксперименте, поставленном в 1927 г. американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881-1958) и Лестером Джермером (1896-1971). Быстрые электроны, проходя сквозь очень тонкие пластинки металла, вели себя подобно свету, проходящему мимо малых отверстий или узких щелей.

Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физической теории -квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, обнаружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире. Прежде всего - это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, а точнее — диалектическое единство свойств тех и других). Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Например, положение элементарной частицы в пространстве в каждый момент времени не может быть определено с помощью системы координат, как для привычных нам тел окружающего мира. Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой механики.

Начавшийся еще в XIX веке переход физической науки к изучению электромагнитного поля, усиливающийся процесс математизации физики, появление в XX столетии совершенно новых, квантово-релятивистских взглядов на физическую реальность повлекли за собой потерю прежних наглядных представлений, которыми характеризовалась классическая механика. Потеря той наглядности, которая была естественной для механики, имевшей Дело с медленными движениями и большими массами объектов Макромира, и углубление познания в весьма сложные, совершенно необычные для «здравого смысла» процессы микромира, потребовали изменения стиля научного мышления. По этому поводу известный американский физик Ричард Фейнман писал следующее: «Раз поведение атомов так не похоже на наш обыденный опыт, то к нему очень трудно привыкнуть. И новичку в науке, и опытному физику — всем оно кажется своеобразным и туманным. Даже большие ученые не понимают его настолько, как им хотелось бы, и это совершенно естественно, потому что весь непосредственный опыт человека, вся его интуиция — все прилагается к крупным телам. Мы знаем, что будет с большим предметом; но именно так мельчайшие тельца не поступают. Поэтому, изучая их, приходится прибегать к различного рода абстракциям, напрягать воображение и не пытаться связывать их с нашим непосредственным опытом».

Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира.

Вместе с этим закончился прежний, так называемый классический период в развитии естествознания, характерный для эпохи Нового времени. Наступил новый этап неклассического естествознания XX века, характеризующийся, в частности, новыми, квантово-релятивистскими представлениями о физической реальности.

Релятивистская космология. Концепция расширяющейся Вселенной. Современная космология начала складываться в 20-е годы XX века на основе созданной А. Эйнштейном общей теории относительности. Из этой теории следует так называемая кривизна пространства и связь этой кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская.

Еще в 1922 году отечественный математик и геофизик А.Л. Фридман (1888—1925) нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой расширяющейся Вселенной. Он установил, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Уравнения Фридмана теоретически обосновали нестационарность Вселенной.

До утверждения этой теории существовала теория стационарного состояния, согласно которой Вселенная всегда была почти такой, какой мы видим ее сейчас. В XVIII-XIX веках и даже в начале XX века в астрономии господствовал взгляд на Вселенную как на нечто статическое, не изменяющееся.

На теоретические выводы А.А. Фридмана ученые не обращали внимание вплоть до открытия американским астроном Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Дело том, что еще в XIX веке австрийский физик и астроном Кристиан Доплер обнаружил следующее явление: если источник света приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн, если удаляется — в сторону более длинных (красных) волн. Это явление было названо эффектом Доплера. Э. Хаббл открыл «красное смещение» для всех далеких источников света. «Красное смещение» оказалось пропорциональным расстоянию до источника, что подтверждало гипотезу о расширении видимой части Вселенной. Тем самым теоретически построенные Фридманом модели нестационарной Вселенной были обоснованы результатами наблюдений.

Существуют два различных варианта моделей Фридмана. Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.

В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той же критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом случае представляет собой нечто вроде гигантской сферы. Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы, в конце концов, остановить расширение Вселенной. Поэтому рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бесконечно большой плотности.

В 1965 году американские ученые-астрономы А. Пензиас и Р. Вильсон сделали с помощью радиотелескопа - устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов, — открытие большой важности. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное известным отечественным ученым И.С. Шкловским реликтовым. Реликтовое радиоизлучение образовалось на раннем этапе существования Вселенной, когда ей было всего около 3 млрд. лет.

Два экспериментально установленных положения — расширение Вселенной и реликтовое излучение — являются убедительными доводами в пользу так называемой теории «Большого взрыва», ставшей общепризнанной, во второй половине XX века.