Аблеев С.Р. Философия науки. Вводный курс

141

гия. Крайне важным достижением классической научной рациональности этого периода явилось ясное представление о том,

что природа не может быть неизменной. С течением времени различные природные объекты неизбежно меняют свое положение, форму и связи с другими телами. Подобные изменения затрагивают не только небесные и геологические объекты, но и живые организмы.

Таким образом, в научную картину мира постепенно вхо-

дит теория биологической эволюции. Как уже отмечалось вы-

ше, значительный вклад в ее формирование внесли шведский натуралист Карл Линней, французский естествоиспытатель Жан-Батист Ламарк и британский биолог Чарлз Дарвин. Триумфом теории эволюции явилась книга Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора» (1859), в которой он описал главные биологические механизмы и факторы развития живого мира. В другой известной книге («Происхождение человека и половой отбор» (1871) Дарвин низвергает теологический креационизм и выдвигает гипотезу о естественном возникновении человека от антропоидной обезьяны и его дальнейшей эволюции.

Основной механизм эволюции у Дарвина выглядел следующим образом: случайно возникающие полезные свойства живых организмов (изменчивость) закрепляются под действием принципов биологической наследственности в их потомстве и тем самым способствуют совершенствованию новых поколений биологических видов. Менее приспособленные особи конкретного вида постепенно вымирают под действием неблагоприятных факторов окружающей среды: климата, болезней, недостатка пищи, агрессии хищников. Этот процесс Дарвин обобщенно назвал естественным отбором. Основные положения отмеченной концепции эволюции живой природы, допол-

142

ненные позже достижениями генетики, сохранили свое влияние в научном миропонимании вплоть до XXI в.

Представления о структуре вещества в рамках классической научной картины мира XVIII–XIX вв. развиваются в русле концепции атомизма. Вплоть до конца XIX столетия атом считается неделимой первоосновой материи. Разработанная Дмитрием Менделеевым периодическая система химических элементов убедила научный мир в незыблемости атома и зависимости свойств химических веществ от атомного веса конкретного элемента.

Большим достижением классической научной картины мира явилось открытие новой формы материи – электромагнитного поля. Долгое время понятия материя и вещество в научном мире фактически являлись синонимами. Многие сотни лет вещество воспринималось физиками и химиками как единственная возможная форма материи. Эти убеждения были низвергнуты в результате широких исследований электричества и магнетизма (Х. К. Эрстед, А.-М. Ампер, Г. Ом, М. Фарадей, Дж. Максвелл и др.).

На основе эмпирических наблюдений Фарадей приходит к выводу о том, что предполагавшихся ранее электрических флюидов не существует, а явление электричества соотносится

сатомами вещества. Второй его важнейший вывод был связан

соткрытием принципа действия электрических зарядов. Фарадей понял, что никакого дальнодействия не существует. Электрические и магнитные силы всегда распространяются по кривым линиям, а их конфигурация зависит от физических свойств среды, через которую они распространяются.

Таким образом, Фарадей не только вводит понятие электромагнитного поля, но и формулирует фундаментальную идею близкодействия электромагнитной силы. Немного позже,

143

в 1864 г. британским физиком и математиком Джеймсом Максвеллом будет разработана физическая теория электромагнитного поля, которая имела огромное теоретическое и практическое значение для дальнейшего развития мировой науки и техники.

4.4. Неклассическая

научная картина мира (XX в.)

Неклассическая научная картина мира формируется в начале ХХ столетия под влиянием научной революции, которая происходит на рубеже XIX–XX вв. Основу этой научной революции составили открытия в области физики, космологии и биологии: изучение сложной структуры атома, теория относительности, квантовая механика, концепция нестационарной расширяющейся Вселенной, теория эволюции биологических видов и закономерности передачи наследственной информации.

Первый существенный удар по классической научной картине мира нанесло открытие делимости атома. Многие сотни лет наука воспринимала атом как важнейший элемент – «кирпичик» вещества. Как известно, впервые идея о том, что весь мир состоит из мельчайших неделимых частиц и пустоты была сформулирована древними греческими философами Левкиппом и Демокритом. Концепция атомизма материи, подзабытая в Средние века и эпоху Возрождения, была возрождена в XVIII в. английским химиком Джоном Дальтоном.

Под влиянием его работ естествоиспытатели начали активно изучать химические и физические свойства известных веществ, связанные, как предполагалось, с особенностями различных атомов. Спустя сто лет, т. е. в XIX в., выдающийся русский химик Дмитрий Менделеев построил систему химических элементов, основанную на их атомном весе. Это до-

144

стижение подтвердило атомическую концепцию строения вещества и уверило научный мир в справедливости интуитивного прозрения античных философов о существовании неделимых частиц – «первокирпичиков» мироздания.

Однако всего через четверть века, на исходе XIX столетия, свершилась научная сенсация: экспериментальные данные свидетельствовали о том, что атом, по всей видимости, не является неделимой частицей. Оказалось, что он имеет довольно сложный внутренний состав. Так исследования явления рент-

геновского излучения (В. Рентген, 1895), радиоактивности

(А. Беккерель, Э. Резерфорд, П. и М. Кюри, 1896), а также открытие отрицательно заряженной частицы – электрона

(Дж. Томсон, 1897) положили начало изучению внутренней структуры атома. Позже, одна за другой были разработаны не-

сколько теоретических моделей строения атома (см. Тема 2).

Наибольшее признание в научном мире получила модель атома датского физика Нильса Бора, предложенная им в 1913 г. Она опиралась на принцип квантования и планетарную модель Резерфорда. Бор полагал, что в каждом атоме электроны могут находиться не в произвольных положениях, а в некоторых стационарных состояниях – т. е. на постоянных орбитах. В таких случаях они не излучают энергию. Когда же электрон переходит из одного состояния в другое, он излучает или поглощает определенную порцию энергии. Таким образом, энергия атома излучается и поглощается в квантах – строго определенных количествах или порциях.

Постепенно, в течение нескольких десятков лет, идеи Нильса Бора были развиты и уточнены. Так появилась квантовая теория строения атома, характерная для неклассической научной картины мира ХХ в. Согласно этой теории, устройство атома выглядит следующим образом: атом имеет тяжелое

145

положительно заряженное ядро и относительно легкие, отрицательно заряженные электроны. Размер атома составляет примерно одну миллиардную долю сантиметра. Размер ядра атома – намного меньше. Ядро состоит из частиц двух видов, обобщенно называемых нуклонами. Среди нуклонов выделяют протоны – положительно заряженные частицы и нейтроны – частицы, не имеющие электрического заряда. Электрический заряд протона равен заряду электрона. Масса протона равна массе нейтрона.

Важная характеристика атома – это заряд ядра. Он определяет вид атома, т. е. разновидность химического элемента в периодической таблице Менделеева. Заряд ядра равен количеству протонов. Массовое число элемента в таблице равно количеству нуклонов. Количество нуклонов равно сумме протонов и нейтронов. Число электронов в нормальном атоме соответствует числу протонов.

В нормальном состоянии любой атом является электрически нейтральным. Если он теряет часть своих электронов, то такой атом становится положительным ионом. Если атом приобретает дополнительные электроны, он становится отрицательным ионом. Масса электрона почти в 2 000 раз меньше массы нуклона. Следовательно, ядро атома намного превосходит электроны по своей массе. Масса ядра атома одного и того же химического элемента может отличаться. Причиной тому является разное количество нейтронов в ядре атома, от которых не зависит вид химического элемента. Ядра атомов с различным числом нейтронов называются изотопами. Один химический элемент может иметь несколько различных изотопов.

Все известные микрочастицы подчиняются законам квантовой механики. Не является исключением и атом. Его полная энергия может принимать только определенные (дискретные)

146

значения и изменяется скачкообразно в ходе квантового перехода из одного стационарного состояния в другое. При этом, как и предполагал Бор, испускается или поглощается квант света (фотон) определенной частоты. Кроме того, все атомы под-

чиняются принципу корпускулярно-волнового дуализма. Это означает, что, например, движение электронов в атоме можно рассматривать и как перемещение материальных частиц по траектории, и как сложный волновой процесс.

Строго говоря, электроны в атоме представляют собой не частицы в обыденном понимании (например, мельчайшие шарики с отрицательным зарядом, образ которых подсказывают стереотипы повседневного опыта), а нечто вроде электронных облаков. Такие облака имеют различные формы и как бы рассеяны вокруг ядра. Наибольшая их плотность сконцентрирована ближе к атомному ядру, так что планетарная схема атома Резерфорда отражала реальную картину соотношения ядра и электронов очень условно и приблизительно. В сложных атомах могут существовать несколько электронных слоев и оболочек. Электронные облака (орбитали) имеют различные пространственные формы: сферическую, форму объемной восьмерки, форму двойных перпендикулярно расположенных восьмерок и др.

Близкие к ядру электроны отличаются устойчивым положением. А вот наиболее удаленные от ядра электроны неустойчивы и имеют низкую энергию отрыва от атома. Покидая его, они превращают атом в положительный ион. Согласно принципу Паули, электроны распределяются вокруг ядра по квантовым состояниям, которые определяются четырьмя квантовыми числами, т. е. специальными характеристиками. Это означает, что в одном состоянии может быть только один электрон, а в раз-

147

личных слоях и оболочках может быть только определенное количество электронов.

В ближайшем к ядру слое может быть только 2 электрона; во втором и третьем слоях – по 8 электронов (в оболочках их будет 2 и 6); в четвертом и пятом слоях – по 18 электронов (в оболочках – 2, 6, 10); в шестом и седьмом слоях – по 32 электрона (в оболочках – 2, 6, 10, 14). Электроны внешних слоев, особенно если их много, легко покидают атом и устанавливают внешние связи с другими атомами. В результате таких связей образуются сложные химические структуры, называемые молекулами. Таким образом, свойства электронов на внешних оболочках отвечают за химические связи элементов таблицы Менделеева.

Первое время после открытия протона и нейтрона физики считали эти частицы неделимыми. Однако спустя некоторое время было установлено, что они тоже являются составными. По современным представлениям протоны и нейтроны состоят из микрочастиц, получивших название кварков. Многие физики предполагают, что электроны и кварки, а также некоторые другие микрочастицы, могут претендовать на роль истинно элементарных частиц мироздания.

Выше мы отметили, что связь электронов с ядром атома обеспечивают электромагнитные силы – отрицательно заряженные электроны притягиваются к положительно заряженному ядру атома. А что же удерживает нуклоны в ядре атома, ведь не все из них имеют электрический заряд? Оказывается, за связи протонов и нейтронов в ядре отвечает сильное ядерное взаимодействие. Оно намного мощнее, чем силы электростатического отталкивания положительно заряженных протонов.

Сколько же существует разновидностей атомов в природе? В XIX в., когда Менделеев создавал свою периодическую си-

148

стему, было известно более 60 химических элементов. В 30-е гг. ХХ в. таблица Менделеева заканчивалась элементом № 92 (уран). В середине ХХ в. путем искусственного синтеза были получены новые элементы: нептуний, плутоний, америций, кюрий, берклий, калифорний, фермий и др. Позже удалось синтезировать еще несколько новых элементов.

Таким образом, современная таблица Менделеева состоит из 118 основных элементов или разновидностей атомов. Тем не менее, физики полагают, что и это совсем еще не предел. Однако ядра с числом протонов выше 110 очень нестабильны. Даже их искусственное синтезирование сопряжено с большими техническими трудностями. Поэтому вопрос о том, существуют ли такие атомы в природе в естественном состоянии, пока остается открытым.

После открытия сложной структуры атома физики предположили, что элементарными частицами являются электрон, протон и нейтрон. Однако постепенно выяснилось, что протон и нейтрон тоже имеют сложное строение, а различных микрочастиц в течение ХХ в. было открыто несколько сотен разновидностей. Все они по сложившейся традиции назывались элементарными, хотя более 90 % из них таковыми, по сути, не являлись, так как состояли из других частиц. Таким образом, поиск подлинно элементарных частиц в ХХ столетии явился одним из магистральных направлений развития физики микромира. Кроме того, остро обозначилась проблема классификации микрочастиц.

В самом общем виде для неклассической науки характерно разделение всех известных микрочастиц на две основные группы: субэлементарные (субъядерные) частицы и элементарные частицы. Первые из них имеют сложную внутреннюю структуру и сами состоят из других квантовых частиц (атомы, протоны,

149

нейтроны и др.). Вторые не обнаруживают внутренней структуры, поэтому на данном этапе развития науки считаются простыми (электрон, нейтрино, кварки и др.).

Для систематизации достижений неклассической физики ХХ в. построим наглядную схему устройства микромира с точки зрения уровней организации микрочастиц. При этом будем двигаться от наиболее сложных и относительно крупных частиц к простым и наименьшим частицам:

−молекулы состоят из атомов;

−атом состоит из ядра и электронов;

−ядро атома состоит из нуклонов – имеющих положительный электрический заряд протонов и электрически нейтральных нейтронов;

−протоны и нейтроны состоят из кварков, имеющих шесть основных разновидностей.

Кроме отмеченных существует особый класс частиц, называемых частицами-переносчиками физических полей или взаимодействий. К ним относятся фотон, восемь видов глюонов, три вида тяжелых бозонов и гипотетическая частица гравитон.

Необходимо подчеркнуть, что на самом деле устройство квантового микромира выглядит намного сложнее этой крайне упрощенной схемы, и микрочастиц было открыто намного больше. Многие из них проявляются в физическом мире только во время взаимодействий, имеющих крайне высокие энергии, причем время протекания взаимодействий невероятно мало и составляет мельчайшие доли секунды.

Основными физическими характеристиками субэлементарных и элементарных частиц являются: масса покоя или масса движения, время жизни, заряд, спин (момент импульса или вра-

щения частицы). Все микрочастицы обладают свойством кор-

150

пускулярно-волнового дуализма, что означает экспериментально зафиксированное двойственное поведение этих микрообъектов в различных физических обстоятельствах. В некоторых случаях они ведут себя подобно частицам, в других – подобно волновой материи. Поэтому для них применяется один из базовых принципов квантовой механики – принцип дополнительности. Он означает, что в описании микрообъектов понятия «частица» и «волна» не исключают, а дополняют друг друга. С точки зрения здравого смысла и обыденного опыта это кажется невероятным. Тем не менее, философской диалектикой уже давно обосновано противостояние и единство противоположных свойств природных объектов. Вне такой противоречивой двойственности понимание сложных явлений и процессов оказывается практически невозможным. Это, в частности, убедительно подтвердила физика микромира.

Большим достижением неклассической науки ХХ в. явилась теоретическая разработка проблемы физических взаимодействий. В результате развития естествознания ученые пришли к выводу о том, что все известные в природе силы можно свести всего к четырем фундаментальным физическим взаимодействиям: гравитационному, электромагнитному, слабому ядерному и сильному ядерному. Каждое из них имеет некоторые сходства и существенные отличия от других взаимодействий.

Важнейшее значение в этом контексте приобретает представление о сущности или механизме взаимодействия. Для неклассической науки характерно убеждение, что каждая из фундаментальных сил природы проявляется в виде особого физического поля, которое распространяется с конечной скоростью. Этот теоретический подход называется принципом близкодействия. Например, скорость распространения электромагнитного поля в космическом вакууме составляет около