2.5. Развитие научных знаний

С КОНЦА XIX ВЕКА ДО ПОСЛЕДНЕЙ ТРЕТИ XX ВЕКА. НЕКЛАССИЧЕСКАЯ НАУКА

В конце XIX века были совершены открытия, которые вступили в противоречие не только с механистической, но и с электромагнитной картиной мира. Прежде всего — это были открытия, которые изменили представления о строении вещества и о взаимосвязи вещества и энергии. Ранее считалось, что вещество состоит из твердых, неделимых, непроницаемых мельчайших частиц вещества — атомов. Но в 1895—1896 гг. Рентгеном были обнаружены лучи, названные его именем. В 1896 г. Беккерель открыл явление радиоактивности, впоследствии обстоятельно изученное Марией и Пьером Кюри и Э. Резерфордом, выделившими три вида излучений различной физической природы (известные как Альфа, Бета и Гамма). В 1897 г. Д. Томпсон открыл первую элементарную частицу — электрон, входящую в состав атомов. Позднее было установлено, что и ядро атома, в свою очередь, имеет сложное строение: оно состоит из протонов и нейтронов. Неделимые, непроницаемые, элементарные «первокирпичики» на деле оказались сложными, проницаемыми и не элементарными.

Д. Томпсоном была предложена и первая модель атома, получившая название «пудинг с изюмом». Однако вскоре она уступила место «планетарной» модели, предложенной Э. Резерфордом. Согласно последней, в центре атома находится положительно заряженное ядро, имеющее ничтожно малые размеры по отношению к размеру атома, но содержащее 99,95 % всей массы атома. Вокруг ядра вращаются электроны по так называемым стационарным орбитам.

14 декабря 1900 г. считается рубежным днем в становлении квантовой теории и атомной физики, поскольку в этот день М. Планк сообщил об открытии кванта действия. Он установил, что излучение (например, света или энергии) происходит дискретными порциями, квантами. Планк сформулировал одну из немногих констант, связывающих соотношение энергии и частоты излучения. Эта константа получила название «постоянная Планка».

На основе модели Резерфорда и квантовой теории Планка Нильс Бор в 1913 г. предложил свою модель атома, согласно которой энергия поглощается или излучается в виде кванта только при переходе (перескакивании) электрона с одной орбиты на другую.

Обнаружение свойства дискретности излучения энергии противоречило представлениям об электромагнитном поле как непрерывной материи, заполняющей все пространство (Максвелл). Но в 20-е годы произошло открытие корпускулярно-волновой природы микрочастиц, которое не только объясняло противоречие между теоретическими утверждениями Планка и Максвелла, но и стало базовым принципом нового раздела в физике — квантовой механики.

Сначала Луи де Бройль, высказал гипотезу о том, что частице материи, например, электрону, присущи не только корпускулярные, но и волновые свойства. Далее в работах В.Гейзенберга (1901—1976), Э.Шредингера (1887—1961), М.Борна (1882—1970) эта гипотеза была подтверждена экспериментально. Фактически был открыт важнейший закон природы, согласно которому все микрообъекты обладают как корпускулярными, так и волновыми свойствами. Следовательно, между веществом и полем нет непроходимой границы. В определенных условиях частицы вещества показывают волновые свойства, а поле обнаруживает себя через корпускулярные свойства. Дуализм волны и частицы не укладывался ни в механистическую, ни в электромагнитную картины мира. В механистической картине мира вещество обладает только корпускулярными свойствами, а в электромагнитной — либо корпускулярными (вещество), либо волновыми (поле). Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов ученые признали, что соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств является их имманентным свойством.

Перед физиками вплотную встал вопрос: какие понятия можно использовать для описания процессов, происходящих в микромире. Принципы и понятия классической физики оказались не вполне приемлемыми, поскольку она имеет дело либо с веществом (и описывается соответствующим набором понятий), либо с полем (и описывается уже другим набором понятий).

В 1927 г. Н. Бором был сформулирован принцип дополнительности, согласно которому для воспроизведения целостной картины, то есть для полного квантово-механического описания микрообъектов, требуется применение дополняющих друг друга наборов понятий: корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием. В классической физике это считалось бы недопустимым.

Корпускулярные и волновые свойства не создаются в ходе эксперимента, они в нем обнаруживаются: в одних экспериментах электрон являет себя как корпускула, в других — как волна. Это обусловлено тем, что наблюдение над микрообъектами осуществляется с помощью технических устройств, приборов, измерительных средств, которые при их использовании меняют состояние и характер движения микрочастиц, то есть реальность в микромире. Значение эксперимента, как утверждает В. Гейзенберг, возросло до такой степени, что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет. В то же время в макромире влияние приборов и измерительных средств на макрообъекты настолько мало, что им обычно пренебрегают.

Общепризнанным фундаментальным положением квантовой механики считается «принцип неопределенности», сформулированный В. Гейзенбергом. Он гласит: невозможно с одинаковой точностью определить и положение, и импульс микрочастицы. Отсюда следует, что если мы с большой точностью определяем положение микрочастицы, то в таком случае импульс ее будет определен неточно, и наоборот, если максимально точно определен импульс, то положение частицы определяется недостаточно точно. Другими словами, квантовая теория не может дать однозначно точных предсказаний поведения микрочастиц; ее предсказания носят только вероятностный характер и будущее положение микрочастиц определяется лишь в некотором интервале значений. Кроме того, квантовая физика, по мнению Эйнштейна, отказывается от индивидуальных законов элементарных частиц и устанавливает непосредственно статистические законы, управляющие совокупностями. На базе квантовой физики невозможно описать положение и скорость элементарной частицы или предсказать ее будущий путь, как это было в классической физике. Квантовая физика имеет дело только с совокупностями. Вероятностный характер предсказаний в квантовой механике резко отличает ее от классической физики, где привыкли добиваться точных предсказаний. Тем не менее, принцип неопределенности не отменяет причинность, она просто выражается в другой форме — в форме вероятностных зависимостей и статистических закономерностей.

В начале XX в. произошло еще одно важное открытие, не укладывавшееся в представления обыденного человеческого опыта: была сформулирована теория относительности. Создание этой теории происходило в два этапа: в 1905 г. — специальная теория относительности, а в 1916 г. — общая теория относительности. Суть своей теории сам Эйнштейн (1879—1955) выразил следующим образом: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы пространство и время».

В рамках специальной теории относительности Эйнштейн отказывается от ньютоновского представления об абсолютном пространстве и времени, существующих независимо от движущейся материи, и формулирует принцип их неразрывного существования, выражаемого в понятии «четырехмерный пространственно-временной континуум». Эйнштейн обосновал так называемые релятивистские эффекты, показывающие пространственно-временные характеристики тел, обнаруживаемые только на скоростях, сравниваемых со скоростью света:

1) Сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем больше скорость, тем меньше становятся размеры тела. Если бы тело двигалось со скоростью света, то наблюдаемая длина тела была бы равна нулю.

2) Увеличение массы быстродвижущегося тела. Масса движущегося тела с точки зрения неподвижного наблюдателя больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света — тем больше возрастает масса. Если бы скорость движущегося тела была равна скорости света, то масса тела возросла бы до бесконечности.

3) Замедление времени в быстродвижущихся телах. В быстролетящей ракете время будет протекать медленнее, чем для неподвижного наблюдателя.

Заметить релятивистские эффекты может только наблюдатель, и описывает он не сам по себе физический процесс, а только результат взаимодействия этого процесса со средствами исследования. Иными словами, исследователь не является зеркалом, пассивно отражающим окружающий мир (как это представлялось в классической науке); ученый сам формирует объект познания. Идея неразрывной связи средств, методов познавательной деятельности и объекта познания становится базовой идеей в новой научной картине мира.

В рамках общей теории относительности Эйнштейн постулирует принцип эквивалентности гравитационной и инертной масс, и приходит к выводу, что изменение пространственно-временных характеристик тел происходит не только при движении со скоростью, приближенной к скорости света, но и в гравитационных полях. Массы, создающие гравитационные поля, искривляют пространство и меняют течение времени. Реальное пространство оказывается вовсе не плоскостным, евклидовым, а искривленным. Коэффициент кривизны зависит от силы тяготения в данной точке пространства. Земля как тело, обладающее достаточно большой массой, создает вокруг себя искривленное пространство, которое и заставляет все тела падать на землю. Под действием сильных гравитационных полей происходит не только искривление пространства, но и замедление хода времени. Экспериментально установлено, что даже тяготение солнца влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Задержка сигнала рядом с солнцем составляет 0,0002 с. Таким образом, теория относительности заменила закон всемирного тяготения Ньютона на полевой закон тяготения; гравитационное поле, создаваемое телами с большими массами, определяет пространственно-временные свойства мира.

До создания теории относительности считалось, что пространство всей Вселенной адекватно описывается с помощью геометрии Евклида и его легко представить наглядно. Но очевидно, что невозможно создать визуальную модель искривленного пространства; его можно только описать математическим способом. С этой целью была использована геометрия Римана. Наглядную модель объектов микромира, которые одновременно являются и частицами, и волнами, также создать невозможно. Таким образом, объяснение приобретает высочайший уровень идеализации, а принцип наглядности утрачивает свое значение.

Все вышеуказанные открытия перевернули существующие взгляды на мир. Пожалуй, самый главный вывод, который был сделан учеными — это отказ от признания за классической механикой статуса универсальности ее законов. Разумеется, классическая механика не перестала оставаться научной теорией, но у нее появились границы применения своих законов и принципов. Объект ее исследования — макромир, мир медленных движений и больших масс объектов природы.

В XX веке в науке сложились новые нормы, идеалы, принципы проведения научных исследований, на которые стало ориентироваться все научное сообщество и которые, соответственно стали парадигмой, получившей название «неклассическая наука»:

1. Появляется установка на невозможность описать мир сам по себе. С появлением квантовой механики, подчеркивал в свое время М. Борн, возникает проблема, трудность которой состоит в том, что нужно говорить о состоянии объективного мира, при условии, что это состояние зависит от того, что делает наблюдатель. Поэтому необходимым условием объективного объяснения и описания становится обязательный учет особенностей средств познавательной деятельности, которые взаимодействуют с объектом познания.

2. Мир рассматривается как многоуровневая развивающаяся система, в которой нет универсальных базовых принципов его существования. Законы микромира, макромира, мегамира имеют свою специфику.

3. В период классики причинность рассматривалась как однозначная детермининация событий в природе, ведущая к «непререкаемой предсказуемости» (лапласовский детерминизм). Такая форма причинности оказалась неприемлемой для анализа процессов, происходящих в микромире. Поведение микрообъектов подчиняется не динамическим, а статистическим закономерностям. В период неклассики появляется новая форма выражения причинности, при которой данное состояние системы определяет все ее последующие состояния не однозначно, а лишь с определенной вероятностью. Статистические (вероятностные) законы используются не только в квантовой механике, но и при анализе любых сложноорганизованных систем.

4. В классике субъект познания тщательно отделялся от объекта познания для достижения достоверности, объективности. В неклассике появляется понимание того, что субъект познания детерминирован миром, в котором он живет. И, как полагает В. Степин, возникает понимание того обстоятельства, что ответы природы на наши вопросы определяются не только устройством самой природы, но и способом нашей постановки вопросов, который зависит от исторического развития средств и методов познавательной деятельности.

5. Утверждается принцип релятивизма, согласно которому характеристики вещей, процессов, явлений зависят от фактических условий протекания реальных процессов.

6. Распространяется практика использования взаимоисключающих понятий в проведении и описании исследований. Принимается принцип дополнительности. Его использование позволяет описывать противоречивые ситуации и феномены в самых различных сферах познания.

7. Эволюционные идеи становятся нормами и идеалами научного объяснения в биологии и геологии. Физика продолжает выстраивать знание, абстрагируясь от идеи развития.

8. Если в классике случайность была формой проявления неизвестного и потому изгонялась из науки, то в неклассике ей «позволяется» занять место наряду с необходимостью, быть формой проявления и дополнения необходимости.

9. Классическая идея познания как зеркального отражения действительности утратила свое значение. Допускается истинность разных теорий, описывающих одну и ту же реальность; каждая теория содержит в себе момент истины. Реальность настолько многогранна и изменчива, что теории, вырабатываемые на том или ином этапе развития науки, могут быть только относительно истинными теориями. Абсолютную истину достичь невозможно; истина всегда конкретна, она принадлежит множеству конкретных отношений.

В XX веке наука становится производительной силой: научные знания превращаются в особый продукт, который имеет свою цену и, соответственно, может приносить прибыль. Появляется понятие «научный работник». Происходит разделение науки на фундаментальную и прикладную. Те государства, для которых наука является приоритетным направлением, финансируют оба направления. Внимание к фундаментальным исследованиям стало возрастать после того, как физики в 1939 г. выявили новый, ядерный источник энергии.