3) Развитие научно-исследовательских программ и картин мира.
1.3.2. Первая научная революция. Гелиоцентрическая система Н. Коперника
С ХVI века характер научного прогресса существенно изменился. Процесс простого приращения знаний прерывается с переходом на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира. Эти переломные этапы в развитии знания получили наименование научных революций. Научные революции происходят в течение длительного исторического периода и приводят не только к формированию совершенно нового видения мира, но и к новым способам и методам его познания.
Процесс становления современного естествознания начался с двух глобальных научных революций ХVI–ХVII веков.
Первая научная революция произошла на рубеже ХV–ХVI вв. (переход от Средневековья к Новому времени), получившего название эпохи Возрождения. Появление гелиоцентрического учения польского астронома Николая Коперника (1473–1543) привело к радикальному изменению миропонимания и способствовало дальнейшему развитию науки. В своём труде "Об обращении небесных сфер" Коперник утверждал, что земля не является центром мироздания и что "вращением светил" управляет Солнце (Цит. по: Бернал Дж. Наука в истории общества. – М.: Мир, 1956. – С. 223).
Но гелиоцентрическая система мира, предложенная Коперником, не сводилась только к перестановке предполагаемого центра Вселенной. Коперник высказал очень важную мысль о движении как естественном свойстве небесных и земных объектов, подчиненном некоторым общим закономерностям единой механики. Коперник показал ограниченность чувственного познания и доказал необходимость для науки критического разума. Именно Коперник стал различать кажущиеся и истинные движения, что привело к кинематическому принципу относительности. Ему были известны кинематические следствия орбитального движения Земли относительно звезд, при котором видимый путь на небе совершается телом по замкнутой траектории. Таким образом, установление истинных движений возможно, по Копернику, только на основании динамических принципов.
Существенным недостатком взглядов Коперника было то, что он разделял господствовавшее до него убеждение в конечности мироздания. Нелепость такого взгляда на Вселенную, противоречащего картине мира, основы которой были заложены самим Н. Коперником, обнаружилась в расчетах, проведенных датским астрономом Тихо Браге (1546–1601).
Одним из активных сторонников учения Коперника был итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548–1600), поплатившийся жизнью за свои убеждения. Джордано Бруно отрицал наличие центра Вселенной, отстаивал тезис о бесконечности Вселенной, о множественности Солнечных систем и обитаемых миров, подобных (или лучших) Земле. В 1600 году он был сожжен на костре инквизицией. Однако это бесчеловечная акция не могла остановить прогресса познания человеком мира. Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на рубеже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового времени, охватывающих ХVII, ХVIII и ХIХ века.
1.3.3. Вторая научная революция. Механистическая картина мира
Основы нового механистического естествознания были заложены в учении Галилео Галилея (1564–1642). Галилей сформулировал новый принцип движения, получивший впоследствии название принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.
Большое значение для становления механики имело исследования Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не зависит от их массы, а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения.
Галилей установил, что траектория брошенного тела является параболой, экспериментально обнаружил весомость воздуха, открыл законы колебания маятника, сделал вклад в учение о сопротивлении материалов.
Галилей обусловил дальнейший прогресс естествознания, начавшийся в эпоху Нового времени, обосновав необходимость подтверждать наблюдения и эксперименты деятельностью вооруженного математическим знанием разума.
Астрономические исследования Галилея обосновали и утвердили гелиоцентрическую систему Коперника. Галилей убедился, что Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд, что Солнце вращается вокруг своей оси и сделал ряд других открытий. Но главное то, что своими астрономическими исследованиями Галилей отстоял справедливость учения Н. Коперника.
Астрологическим наблюдениям Г. Галилея дал высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца ХVI – начала ХVII веков Иоган Кеплер (1571–1630). Кеплер занимался поисками законов небесной механики и составлением звездных таблиц. Но открыв три закона движения планет, Кеплер не мог объяснить причины их движения, так как понятия "сила" и "взаимодействие" еще не были утверждены в науке. В это время в механике была разработана лишь статика – учение о равновесии (Архимед, Галилей), динамика – учение о силах и их взаимодействии – была создана Исааком Ньютоном позднее.
Творчеством одного из величайших ученых в истории человечества Исаака Ньютона (1643–1727) завершилась вторая научная революция. Научное наследие И. Ньютона чрезвычайно разнообразно. Астрономические наблюдения Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных телескопов. Ньютон поставил опыты по изучению дисперсии света и дал объяснение этому явлению. Независимо от Лейбница создал дифференциальное и интегральное исчисления. Но главным научным достижением было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики. Благодаря их трудам ХVII век считается началом периода господства механистических представлений о мире.
В своем основном труде "Математические начала натуральной философии" (1678 г.) Ньютон обобщил в виде двух законов открытия Галилея, добавив к ним 3-й закон – закон действия и противодействия, и закон всемирного тяготения. Сам Ньютон рассматривал свое сочинение как математические основы естествознания, вся трудность которого состояла в том, чтобы по явлениям движения распознать силы природы, а затем по этим силам объяснить остальные явления.
Громадное влияние на дальнейшее развитие естествознания оказало открытие Ньютоном закона всемирного тяготения. Это был поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все земное и небесное. Закон всемирного тяготения явился основой создания небесной механики, изучающей движение тел Солнечной системы. Критерием истинности закона тяготения стала форма Земли и открытие У. Леверье планеты Нептун, вычисленной им по закону всемирного тяготения. К триумфам закона всемирного тяготения можно отнести предсказание возвращения кометы Галлея (через 76 лет), объяснение движений Луны, траектории движения астероидов и пр.
Картина мира, которая складывалась на основе ньютоновской классической механики, была очень проста, что подтверждает известный японский физик Х. Юкава: "Ньютон многое отсек у реального мира, о котором размышляют физики... В этом мире не имели значения размеры небесных тел, их внутреннее строение, идущие в них бурные процессы. Оставлены только массы и расстояния между центрами этих масс" (Цит. по: Юкава Х. Лекции по физике. – М., 1993. – С. 40).
Характерные особенности механистической картины мира:
1. Опора на математические расчеты и эксперимент. Механические явления смогли быть подвергнуты количественному анализу.
2. Окружающий мир рассматривался как грандиозная машина, всё последующее состояние которой точно и однозначно определялось ее предыдущим состоянием.
3. Определилось понятие инерциальных систем.
4. Динамика Ньютона впервые позволила решать любые задачи о положении движущегося тела в любой момент времени как в прошлом, так и в будущем при известных факторах, определяющих движение.
Таким образом, не вдаваясь в природу сил, ньютонова механика содержала программу развития науки.
1.3.4. Третья научная революция. Электромагнитная картина мира
Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном старались объяснить с позиций законов механики самые различные явления природы (табл. 5). Математик и астроном П.С. Лаплас работал над созданием новой молекулярной механики, которая должна была объяснить химические реакции, капиллярные явления, явление кристаллизации, агрегатные состояния: твёрдое, жидкое, газообразное. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяжении между молекулами, которые понимал как "видоизменение всемирного тяготения". Механистическая картина мира знала только один вид материи – вещество, состоящее из частиц, имеющих массу.
В XIX веке к свойствам частиц добавился электрический заряд, причём, обладание зарядом было признано таким же фундаментальным, важнейшим свойством, как и масса. Открытия законов электричества и магнетизма позволило в 1840 году М. Фарадею использовать идею всеобщего сохранения и превращения энергии, хотя сам закон ещё не был открыт. В 1845 году М. Фарадей отмечал, что он давно пытался "открыть прямую связь между светом и электричеством", что в конце концов ему и удалось. Фарадей установил фундаментальную идею – идею теории поля как новой формы материи. Поле – это то, что излучается, распространяется с конечной скоростью в пространстве, взаимодействует с веществом.
Джеймс Максвелл математически обработал идеи Фарадея, связав в своих уравнениях все экспериментальные законы, полученные в области электрических и магнитных явлений. Система взглядов, которая легла в основу уравнений Максвелла, получила название максвелловской теории электромагнитного поля. Чем больше Максвелл и его последователи работали над его уравнениями, тем более глубокий смысл им открывался. Генрих Герц, опыты которого явились первым прямым доказательством верности теории электромагнитного поля Фарадея–Максвелла, писал в кн. “Принципы механики, изложенные в новой связи” о неисчерпаемости уравнений Максвелла: "Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом – кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого автора, как будто они дают нам больше, чем в своё время было в них заложено" (Г. Герц, М.: Изд-во АНСССР, 1959. – С. 14.).
Среди констант, входящих в уравнения, была константа С, и применив уравнения к конкретному случаю, Максвелл нашёл, что эта постоянная совпадала точно со значением скорости света. Это привело к выводам: 1) свет – электромагнитное возмущение; 2) электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде поперечных волн со скоростью, равной скорости света; 3) скорость распространения волн зависит от свойств среды.
Открытия Максвелла можно сравнить по важности с открытием закона тяготения Ньютона. Ньютон связал движение планет с тяготением на Земле и открыл фундаментальные законы, управляющие механическим движением масс под действием сил. Максвелл связал оптику с электричеством и открыл фундаментальные законы (уравнения Максвелла), управляющие поведением электрических и магнитных полей и их взаимодействием с зарядами и магнитами. Была установлена одна из универсальных физических констант – скорость света в пустоте.
В 1889 году Ж.Н. Лебедев открыл световое давление, а двумя годами раньше Г. Герц случайно открыл явление фотоэффекта. Эксперименты Г. Герца привели к заключению о тождественности света, теплового излучения и электромагнитного волнового движения.
Исследования переместились в область поля, были открыты: поле тяготения или гравитационное поле, внутриядерное поле. Картина мира приобрела более сложный характер. Представление о мире коренным образом изменилось, предметом исследования стал микромир.
1.4. Панорама современного естествознания как следствие четвертой научной революции. Тенденции развития
1.4.1. Структурные уровни познания в современной науке о природе
Основные концепции естествознания (конец ХIХ – начало ХХ века) – это попытки решения так называемых "мировых загадок", две из которых относятся к физике, две – к биологии и три – к психологии, а именно:
1. Сущность материи и силы.
2. Происхождение движения.
3. Происхождение жизни.
4. Целесообразность природы.
5. Возникновение ощущения и сознания.
6. Возникновение мышления и речи.
7. Свобода воли.
Самые сложные проблемы связаны с возникновением жизни и венцом развития живого – загадкой человеческого сознания.
Недаром И.П. Павлов начал свой доклад "Естествознание и мозг", прочитанный в 1909 году на съезде естествоиспытателей и врачей, следующими словами: "Можно с правом сказать, что неудержимый со времен Галилея ход естествознания впервые заметно приостанавливается перед высшим отделом мозга или, вообще говоря, перед органом сложнейших отношений животных к внешнему миру. И казалось, что это – недаром, что здесь – действительно критический момент естествознания, так как мозг, который в высшей его формации – человеческий мозг – создавал и создает естествознание, сам становится объектом этого естествознания" (Цит. по: Павлов И.П. Полное собрание сочинений: В 6 т. – Т. 2. – М. –Л., 1951. – с. 274.)
То, что в середине ХIХ века было загадкой, современным ученым в значительной мере уже понятно.
Наши знания можно сравнить с расширяющейся сферой. Увеличение сферы знания приводит к появлению новых нерешенных проблем.
Развитие науки определяется внешними и внутренними факторами. К внешним факторам относится влияние государства, экономических, культурных, национальных параметров, ценностных установок. Вторые – определяют и определяются внутренней логикой и динамикой развития науки. Внутренняя динамика развития науки имеет свои особенности на каждом из уровней исследования.
Эмпирическому уровню присущ кумулятивный характер, поскольку даже отрицательный результат наблюдения, или эксперимента, вносит свой вклад в процесс накопления знаний.
Теоретический уровень исследования отличается более скачкообразным характером, так как каждая новая теория представляет собой качественное преобразование системы знаний. Новая теория, пришедшая на смену старой, как правило, не отрицает ее полностью, но чаще ограничивает сферу ее применимости, что позволяет говорить о преемственности в развитии теоретического знания.
В начале 60-х годов ХХ века американский ученый Т. Кун выдвинул концепцию, в соответствии с которой теория до тех пор остается принятой научным сообществом, пока не подвергается сомнению основная парадигма (установка) научного исследования в данной области. Динамика науки может быть представлена следующим образом: старая парадигма ® нормальная стадия развития науки ® революция в науке ® новая парадигма. Более высокой структурной единицей познания является естественнонаучная картина мира (рис. 3).
Исторически сменились следующие картины мира: сущностная преднаучная, механистическая, электромагнитная, эволюционная и современная – саморазвивающаяся. Современная естественно-научная картина мира опирается на ряд открытий в естествознании, которые привели к последней научной революции (табл. 6).
В конце XIX – первой половины XX вв. результаты анализа и синтеза различных веществ существенно изменили жизнь общества: достойное место рядом с физикой заняла химия; благодаря успехам физики и химии во второй половине ХХ века, положившим начало молекулярным исследованиям, произошёл прорыв в биологии и медицине. Так естествознание приближается к человеку, распространяя свои методы на экономику, гуманитарную сферу знаний и искусство.
Экологические проблемы, вставшие перед земной цивилизацией, подтолкнули естествознание к непосредственному взаимодействию с техникой, технологией, экономикой, политикой. Все глобальные процессы – экономические, социологические, демографические, экологические, – описываются нелинейными законами. Нелинейные модели позволяют проводить их математическую обработку и требуют обязательного наличия механизма обратной связи. Естественнонаучную форму приобретает возникший в середине прошлого века русский космизм, связанный с именами И.В. Киреевского, Н.Ф. Фёдорова, Ф.М. Достоевского, Л.Н. Толстого, И.М. Сеченова, Д.И. Менделеева, К.Э. Циолковского, В.И. Вернадского. Для решения вопроса о месте человечества во Вселенной И.С. Шкловский применил вероятностный расчёт к проблеме существования внеземных цивилизаций. Вероятность жизни на планете, тем более разумной, связана с фундаментальными проблемами естествознания и далека от разрешения.