Краткий очерк истории естествознания

«История науки –

это единственная история,

которая в состоянии

проиллюстрировать прогресс

человечества».

Дж. Сартон Гарвард

Человек живет в удивительном мире. Во все времена ему хотелось понять, что он видит вокруг? Откуда все это взялось? Почему происходит все так, а не иначе? Какое место человека в этом мире?

Для ответа на эти множества других вопросов всегда принималась некая «картина мира», «модель мира». Такой моделью может башня из стоящих друг на друге черепах, несущих плоскую Землю, или современная теория суперструн. Все эти картины можно назвать теориями Вселенной, и хотя теория суперструн более математичнее и точнее других, ни одна из них не подтверждена окончательно наблюдениями, никто не видел черепаху с нашей Землей на спине, но и «суперструну» тоже никто не видел. Однако одни модели предсказывают явления, которые можно наблюдать, а модель черепах, может быть, предсказывает только падение людей на край Земли, а это не наблюдается.

В древней Европе космологические идеи заимстовованы у древнегреческих философов. В 6-ом веке до н.э. Пифагор разработал представление о сферической вселенной. Он считал, небесные тела – божественные творения, совершающие круговые вращательные движения (из соображений геометрического совершенства, а не из наблюдений).

Наивысшими достижением древнегреческой астрономии явилась сложная модель мира, созданная Клавдием Птолеем во втором веке н.э. Вселенная Птолемея представляя собой набор взаимопересекающихся вращающих сфер, воспроизводящих сложные движения Луны и планет. В этих моделях Вселенная имела конечные размера, что вызывало немалую озабоченность у мыслителей того времени. Римский поэт Лукреций Кар привлек внимание к ней, задав вопрос, «что произойдет, если кто-нибудь, дойдя до «края света» метнет копье»? В некоторых моделях считалось, что Вселенная ограничена непроницаемой стеной.

Аристотель предпочел картину Вселенной в виде плавного, постепенного перехода физического мира в мир духов и эфирных субстанций. Другое космологическое предание связано с «пустотой», простирающейся до бесконечности за границами физической Вселенной, но, неизменно, Земля должна быть в центре ее.

В средние века Николай Коперник провозгласил, что в центре мироздания находит Солнце, а не Земля. В его модели Вселенная имела конечные размера, а внешнюю границу образовывала неподвижная сфера звезд. Вскоре Томас Диггс предложил отказаться от внешней границы, а звезды рассеять по безграничному пространству. Такую идею высказывал еще Лукреций Кар и представители школы атомистов, но мистические и религиозные аспекты затуманили вопрос и не давали возможности этой идее завоевать умы ученых.

Строгая научная точка зрения, появившаяся в 20-е годы прошлого столетия после работ астрономов Харлоу Шеппли и Эдвина Хаббла, заключается в том, что Вселенная не имеет ни внешней границы, ни центра. Вселенную нельзя считать скоп­лением галактик распределенных в пространстве и сущест­вующих во времени - скорее, Вселенная сама содержит про­странство и время. Блаженный Августин, когда его спрашивали, чем занимался Бог до того как создал Вселенную, никогда не отвечал в том духе, что Бог готовил ад для тех, кто задает подобные вопросы. Августин говорил: «Время неотъемлемое свойство, созданной Богом Вселенной и поэтому до возникновения Вселенной времени не было». Представление о том, что Вселенная конечна, но не имеет границ логически непротиворечиво и допускает надлежащее математическое описание. Граница - часть пространства, отделяющая области с различными законами существования объектов. Нам не известны пространства с иными законами природы. Поэтому, если у Вселен­ной нет границ, то вопрос «где мы находимся?» - теряет смысл.

Как и чем управляется Вселенная? Управление Вселенной в первых моделях осуществлялось духами, но по мере накопле­ния знаний, систематизирования результатов наблюдений, опы­тов, экспериментов, появились четкие определения величин характеризующих физические свойства объектов, формулировки законов, связывающих различные величины. Успешное применение известных законов привело к тому, что в начале 19-го века Лаплас сформулировал доктрину детерминизма, учения о закономерности и причинной обусловленности всех событий и явлений природы. Суть его заключается в том, что, зная положение небесных тел в какой-то мо­мент времени, можно точно сказать, как будет развиваться Все­ленная дальше.

Сейчас мы знаем, в силу квантово - механического прин­ципа неопределенности, нельзя точно измерить в один момент времени, некоторые пары величин, например, импульс и координату частицы, следовательно, изначально нельзя точно пред­сказать скорость и положение частицы в следующий момент времени, то есть, в мире с большим числом взаимодействующих частиц господствует его величество случай. («И случай - бог изобретатель»- А.С.Пушкин). Для таких систем мы можем определить вероятность того или иного состояния системы, а любое явление – это наложение случайности и необходимости.

Если возможна всего одна единая теория, то возмо­жен единственный набор правил и уравнений, которые описы­вают состояние Вселенной в любой момент времени. Воз­никают вопросы, почему должна существовать Вселенная?, по­чему Вселенная идет на все хлопоты существования?, или ей нужен создатель?, а если нужен, то оказывает ли он еще какое-нибудь влияние на Вселенную?, или он создал только законы?.

Расчеты и математический аппарат науки 19-го и 20-го ве­ков стали слишком сложны для всех кроме специалистов, но если появится полная теория Вселенной, то со временем ее ос­новные принципы станут доступны пониманию каждого и то­гда все смогут принять участие в дискуссии, почему так про­изошло, что мы существуем и существует Вселенная.

Из чего состоит Вселенная? Разнообразие форм, красок, плотно­стей, структуры окружающих тел настолько широко, что по­пытка понять природу вещей может показаться безнадежной задачей. Однако еще две с половиной тысячи лет назад грече­ские философы заложили основы понимания природы вещей. Они пытались свести все разнообразие тел к взаимодействию небольшого числа первичных частиц - элементов. Фалес Ми­летский утверждал, что первичной субстанцией является вода (624 - 547 гг. до н.э). Его современник Анаксимен считал воздух более элементарным веществом, а Гераклит в основе всех вещей видел такую субстанцию как огонь. Анаксимандр, очевидно наблюдая непрерывность некоторых тел предложил неограниченную субстанцию, заполняющую объем тела, затем Анаксагор (5-4 в. до н.э.) предполагал, что есть бесконечное число элементарных составляющих (семян) и противоположные каче­ства (светлое - темное, сухое - влажное, теплое - холодное). Совокупность семян и качеств дают разнообразие тел. Современник Анаксагора Эмпедокл считал, что элементов всего четыре - земля, вода, воздух, огонь.

Наиболее развитым, логически обоснованным было учение Левкиппа – Демокрита - Эпикура. Демокрит и его полулегендарный соратник Левкипп в 5в. до н.э. считали, что тела отличаются друг от друга формой простейших частиц, порядком их расположения и их взаимным поворотом. Эпикур в 4 в. до н.э. развил это учение. Сочинения этих мыслителей, к сожалению, не дошли нас, но в 1в. до н.э. Лукреций Кар изложил учение Левкиппа – Демокрита - Эпикура в поэтической форме и этот труд дошел до нас. В нем содержалось утверждение, что элементы четырех видов (земля, вода, воздух, огонь) неделимы (то есть являются атомами) и движутся в телах хаотически.

Платон в своем учении " разрешил" атомам превращаться друг в друга, то есть атомы Платона это не четыре постоянных вида частиц, а четыре структурных состояния. Фигуры тел из этих четырех структурных состояний - это фигуры правильных многогранников. Из предположения о взаимопревращении структурных состояний Платон объясняет растворение, плавление, горение и т.д., причем состояния огня должны двигаться быст­рее и движутся они в пустоте.

На протяжении многих столетий атомизм греческих фило­софов имел умозрительный характер и вследствие малости и ненаблюдаемости атомов до 19 века не получил широкого раз­вития. Поэтому вплоть до 19 века существовало и альтернатив­ное представление о бесконечной делимости материи и отсутствии пустоты. «Природа не терпит пустоты». 0днако с развити­ем науки атомистическая теория подвергалась пересмотру и английский химик Джон Дальтон (1766-1844г.г.) привел свиде­тельства того, что атомы существуют, имеют различные веса и, комбинируясь в определенных пропорциях, образуют различ­ные соединения. Но прямых доказательств этому не было. Лишь в конце 19 века с открытием радиоактивности и электрона суще­ствование атомов стало общепризнанным, Сейчас нам известны более 90 природных элементов и более двадцати пяти элементов синте­зировано в лабораториях.

В 1909 г. Эрнест Резерфорд, бомбардируя металлическую фольгу альфа-частицами, выяснил особенности строения атома. Оказалось, что атомы не твердые частички материи, а сложные структуры. Основная масса атома сосредоточена в ядре, окру­женном облаком более легких электронов. Такое строение напоминает солнечную систему и, поэтому модель строения атома, пред­ложенная Резерфордом, была названа планетарной.

Строение ядра атома оставалось неясным до начала 30-х годов 20-го столетия. Как оказалось, ядро тоже сложная система, состоящая из положительно заряженных протонов и электрически нейтраль­ных нейтронов. Протоны и нейтроны, находящиеся в ядре, на­зывают нуклонами. Согласно современной точке зрения прото­ны и нейтроны в свою очередь, состоят из еще более мелких частиц - кварков. Многие физики полагают, что электроны и кварки подлинно элементарные частицы вещества, то есть не имеют внутренней структуры.

Очевидно, что материя имеет иерархическую структуру. Из кварков состоят протоны и нейтроны, которые формируют ядра атомов. Атомы, комбинируясь в молекулы и кристаллы, создают окружающие нас твердые, жидкие, газообразные тела, органические вещества и, наконец, живые организмы. Двигаясь вверх по лестнице масштабов размеров и масс (таблица 1) мы придем к планетам, к планетным системам, к звездам, звездным скоплениям и галактикам, и скоплениям галактик. Все это вместе и составляет Вселенную, конечную, но безграничную.