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.