1.2. История и эволюция естествознания.

Панорама современного естествознания

Многовековая история развития естествознания богата научными событиями. Остановимся только на основных этапах развития естествознания, связанных с рождением ключевых концепций естествознания.

В своем развитии естествознание прошло несколько этапов, каждому из которых присущи свои характерные особенности.

На пустом месте никогда не возникает никакая наука. У нее всегда есть предпосылки возникновения и предыстория. Зачатки будущих наук появились еще в XII–X веке до н. э. в крупнейших цивилизациях древности (в Месопотамии, Древнем Вавилоне, Древнем Египте), которые весьма сильно повлияли на формирование европейской культуры. Именно в рамках этих цивилизаций возникла письменность, были составлены более или менее точные календари, использовались простейшие арифметические действия, применялись весы и другие атрибуты будущего естествознания. Но все это еще не было наукой, так как не было нацелено на познание ради истины, а не ради пользы.

1.2.1. Естествознание в эпоху античности (VI в. до н. э – V в. н.э.). Зарождение основных физических концепций. Наука о природе зародилась как единое целое в лоне древнегреческой философии примерно 2,5 тыс. лет назад (11). Античные мыслители занимались изучением природы, движимые интересом к окружающему миру, а не ради достижения прагматических целей. Справедливости ради надо отметить, что древнегреческим ученым были доступны лишь простые наблюдения за природными явлениями, на основе которых выдвигались гипотезы и проводились логические рассуждения. Понятно, что очень часто их представления оказывались неверными. Поэтому не нужно преувеличивать достижения древней науки вообще и античной в частности. По словам Ж.И. Алферова, лауреата Нобелевской премии по физике (2000г.), естествознанию, по существу, всего 300 лет. И хотя вся история не укладывается в эти временные рамки, именно в этот период были получены все самые существенные результаты, давшие мощный импульс развитию цивилизации.

Но тем не менее заглянем в античный период развития естествознания (10). Именно в этот период наука оформилась (т. е. отстранилась от достижения выгоды в своей деятельности) и системно организовалась. Ею стали заниматься особые люди — философы (от греч. «филия» — любовь, «софия» — мудрость).

Греческая цивилизация, пришедшая на смену Вавилону и Египту, возникла в X веке до н. э. на земле Эллады (ныне это Балканский полуостров). В XIII–VI вв. до н. э. на этой земле сформировались греческие полисы: города-государства со своими правителями, гражданами, рабами, а также законами, системой образования и воспитания и т. д., то есть со своими особенностями культуры. Своего расцвета полисы достигли в VI–IVвв. до н. э. Именно этот период и вошел в историю под названием «греческого чуда», а также «золотого века науки». С VI века наука два-три последующих века развивалась гигантскими темпами, каких не знали науки во все последующие эпохи. Феномен «греческого чуда» до сих пор наукой (историей, цивилизациологией, культурологией) не разгадан, есть лишь различные гипотезы на этот счет. Часто это объясняют демократической формой государственного правления в Древней Греции.

Греки сначала переняли, а затем творчески переработали все важнейшие достижения из Вавилона и Египта. Важное место в этих достижениях занимало естествознание — наука о природе, которая функционировала исключительно в форме «натурфилософии» (от греч. «любомудрости природы»).

В

Важнейшей чертой науки как организованной системы умственного труда является существование научных школ. Бывают, конечно, и ученые-одиночки. В научной школе ученые одного или нескольких поколений придерживаются в определенной мере одинаковых научных взглядов, методов, обоснований результатов, принимаемых ими за истину. В большинстве случаев они — последователи учений основателей таких школ, но иногда развивают собственные воззрения, резко расходящиеся с «коллективным» мнением, и даже порывают со школой.

Назовем имена натурфилософов ранних этапов античного периода: Фалес Милетский, Анаксимен Милетский, Гераклит Эфесский, Ксенофан Элейский, Эмпедокл из Акраганта, Анаксимандр Милетский, Анаксагор из Клазомеи, Левкипп, Демокрит (15).

Древнегреческие философы уже на самых ранних этапах возникновения научного естествознания стали объяснять происхождение и устройство мира, исходя из него самого, а не из искусственных мифологических построений. Таким образом, уже в момент зарождения естествознания сформировался важный методический принцип: не преумножать незнание придумыванием необоснованных причинностей.

Этот принцип был переформулирован в XIV веке английским монахом и философом Уильямом Оккамом (1285–1349): «Не преумножай сущностей сверх необходимости». Сейчас этот принцип называют «бритвой Оккама».

Получается, что натурфилософы ранних этапов античного периода стояли на правильных методических позициях, что обеспечивало им получение во многом верных научных результатов. Во-первых, в античной науке возникла и укрепилась идея о материальной первооснове всех вещей (у разных мыслителей эта первооснова была разной, например, у Фалеса — вода, у Гераклита — огонь, у Анаксимена — воздух, у Ксенофана — земля, у Эмпедокла, Левкиппа — все четыре стихии). Во-вторых, важную роль играла идея вечного движения, всеобщей изменчивости вещей (Гераклит).

Гераклит Эфесский (540–470 гг. до н. э.) — представитель ионийской школы, выдающийся философ-материалист, родоначальник диалектики — учения о всеобщей связи и изменении вещей (развитии). Гераклит считал, что в основе мира лежит «огненная материя».

Вот изречения Гераклита:

1. В одну и ту же реку нельзя войти дважды: на входящего текут все новые и новые воды.

2. Солнце не только новое каждый день, но вечно и непрерывно новое.

3. Раздор есть отец всего.

4. Враждующие соединяются, из расходящихся — прекрасная гармония, и все происходит через борьбу.

5. Этот космос, один для всего сущного, не создал никто из богов, он всегда был, есть и будет вечно живым огнем, мерами разгорающимся и мерами затухающим.

П

Концепция (от лат. «понимание, система») — совокупность наиболее существенных элементов теории, система взглядов, то или иное понимание явлений и процессов, изложенная в конструктивной для понимания форме, алгоритм решения проблемы, основная точка зрения, руководящая идея (17).

Самое главное: в древнегреческой науке сложились две основные физические концепции (11):

— концепция непрерывности материи,

— атомистическая концепция.

Эти ключевые идеи античной науки явились истоком двух конкурирующих подходов в описании материального мира, которые развивались и воплощались в конкретных теориях естествознания на протяжении многих веков.

Древнегреческими натурфилософами было положено начало континуальной и корпускулярной традиций в науке о природе.

Континуальная концепция (концепция непрерывности материи) отрицала пустоту в природе, рассматривая материальный мир в виде непрерывно заполняющей все пространство субстанции, в которой совершаются движения. Предполагалось, что эта материальная субстанция беспредельно делима. Прародители этой концепции — Фалес и Анаксимандр.

Анаксимандр Милетский (610–546 гг. до н. э.) — ученик Фалеса. Философ, космолог, картограф, соорудил первые в Греции солнечные часы и астрономические инструменты. Земля, по Анаксимандру, имела вид части колонны (цилиндр), на поверхности которой, плоской или круглой живут люди. Земля парит в центре мира, ни на что не опираясь. Окружают Землю исполинские трубчатые кольца-торы, наполненные огнем. В самом близком кольце, где огня немного, имеются небольшие отверстия — планеты. Во втором кольце, где огня больше, имеется одно большое отверстие — Луна. Это отверстие может полностью или частично перекрываться (смена лунных фаз и затмений). Гигантское отверстие в дальнем третьем кольце — Солнце. Через это отверстие сияет самый сильный огонь. Это первая в истории астрономии геоцентрическая модель Вселенной с жесткими орбитами светил, охватывающими Землю, позволяла понять геометрию движений Солнца, Луны и звезд.

Но Анаксимандр стремился не только точно описать мир, но и объяснить его происхождение. Философ считал началом всего существующего апейрон — «беспредельное», некая праматериальная (предсуществующая материи) сущность. По мнению философа, из апейрона «рождаются небосводы и находящиеся в них космосы». Вселенная, по Анаксимандру, развивается сама по себе без вмешательства олимпийских богов. Заключительные штрихи этой грандиозной картины — появление живых существ. Когда огонь выкипел, обнажив сушу, они возникли из «нагретой воды с землей» и «были рождены во влаге, заключенной внутрь илистой скорлупы», т. е. естественное развитие, по Анаксимандру, включало не только возникновение мира, но и самозарождение жизни.

Философ считал Вселенную подобной живому существу. В отличие от нестареющего времени она рождалась, достигала зрелости, старела и должна была погибнуть, чтобы возродиться вновь.

Современная наука придерживается концепции праматериального происхождения мира, а также — эволюционной концепции живого. По большому счету, современное естествознание не отвергает ни одного из выводов Анаксимандра, только уточняет их.

Интересна и точка зрения Анаксагора из Клазомеи (500–428 гг. до н. э.) — философа, математика, астронома, художника.

В отличие от Фалеса, полагавшего началом всего воду, или Анаксимандра, который ввел апейрон, Анаксагор считал началом Вселенной некую первичную смесь «семян» всех веществ, которая, заполняя все бесконечное пространство, мирно покоится. Но вот в какой-то ее части образовался стремительный вихрь. Причиной его появления философ называл нус (разум) — не самостоятельное божество, а некое организующее начало, которое содержит «полное знание обо всем и имеет величайшую силу». Далее, по Анаксагору, вращение начинается с малого, затем охватывает большее пространство, а в будущем охватит еще больше. Так образовалась плоская Земля. На определенной стадии от краев ее оторвались крупные куски, которые позднее стали небесными телами. Земля остановилась, а небо продолжало вращаться, причем в какой-то момент оно «наклонилось». Это важная деталь. Действительно, вокруг строго вертикальной оси небо вращается только на полюсе, а в Греции ось мира заметно наклонена: в Афинах на 38 градусов к плоскости горизонта. Поэтому система мира с плоской вертящейся Землей, где ее движением объяснялось бы видимое вращение неба, невозможна.

Анаксагор сказал: «Мир состоит из апейрона апейронов». Это утверждение полностью соответствует современной концепции физики о бесконечной простираемости материи вглубь, с максимальным усложнением ее строения.

Кроме того, Анаксагор учил: «Золотым кажется то, в чем много золотого, хотя в нем есть все».

В современной терминологии это концепция открытости природных систем, а также результат учения о химическом составе натуральных веществ. Известно, что в натуральных материалах, в том числе внутренних средах организма, присутствует почти вся таблица элементов Менделеева. Подтвердить правильность утверждения Анаксагора о составе материалов опытным путем (физико-химического анализа) наука оказалась в состоянии только в конце XIX века.

Атомистическая концепция (прародители — Левкипп и Демокрит), напротив, не допускала беспредельной делимости материи: она исходила из положения, что материя состоит из очень малых, невидимых глазу неделимых частичек — атомов (термин «атом» означает «нерассекаемый»). Приверженцы этого учения, т. е. атомисты, полагали, что мир — это, в конечном счете, пустота, в которой движутся атомы или их скопления (11).

Левкипп (ок. 500–440 гг. до н. э.) — философ-материалист, о жизни и учении которого сведений почти не сохранилось. О нем больше известно по достижениям его ученика Демокрита. Известно, что Левкипп подобно Эмпедоклу поддерживал идею множественных элементов основы мира. Левкипп считал, что мир состоит из неделимых частиц — атомов, которые разделены пустотой и находятся в непрерывном движении. Это — наиболее выдающееся достижение греческой натурфилософии.

Демокрит (460–370 гг. до н. э.) — ученик Левкиппа, философ-мате­риа­лист, ученый, обладавший энциклопедическими знаниями и широким кругом интересов: он занимался естественными и гуманитарными науками, математикой, физикой, астрономией, медициной, филологией, был музыкантом. Демокрит был убежденным атомистом. Одновременно с учением Анаксагора, предложившим гипотезу универсальной, бесконечно делимой материи, возникла противоположная теория вещества — атомистическая. Демокрит — основоположник этой теории — и все ее сторонники считали, что кроме вещества существует небытие — бесконечная пустота, в которой движутся бесчисленные неделимые частицы — атомы различных контуров, которые и обусловливают различные соединения, вследствие чего мир такой многообразный. Они сталкиваются, соединяются в разных сочетаниях, образуют разнообразные вещества и вещи. Так рождаются и миры, которых в необъятной Вселенной должно быть бесконечное множество. Получается, что миры возникают случайно? Не совсем. Атомисты, Демокрит вслед за Эмпедоклом утверждали возможность появления порядка из беспорядка. Действительно, атомы сталкиваются в случайных сочетаниях, но из них только удачные оказываются устойчивыми. Они-то и накапливаются, взаимодействуют, образуя сложные соединения. У атомистов было достаточно много противников, не соглашающихся с таким мнением (9).

Очень важно то, что пустота у Демокрита — это такая же материя, как и атомы, только предельно разреженная. Это полностью укладывается в новейшую научную гипотезу о физическом вакууме.

В

Эллинизм — период в истории стран Восточного Средиземноморья между 323 и 30 гг. до н. э. (подчинения Египта Риму). Культура эллинизма представляла синтез греческой и местных восточных культур (17).

В эпоху эллинизма мир узнал Аристарха Самосского, Евклида Александрийского, Эпикура, Архимеда, Эрастофена Киренского.

Древнеримская цивилизация (VIII в. до н. э. – V в. н. э.) в эпоху своего расцвета (IV в. до н. э. – II в.) являлась наследницей цивилизации Древней Греции. Культура греков органично влилась в культуру римлян. Тем не менее ряд элементов культуры у римлян существенно отличался от греческих. У них была другая система воспитания, другая система правления, другие законы. Демократичностью Рим не был обременен, он все время вел захватнические войны, приобретал много рабов и не был заинтересован в развитии отвлеченных наук. В области техники в Древнем Риме было сделано гораздо больше, чем в области наук. Это было время упадка культуры (закат классицизма), а вместе с нею — и науки. И все же время от времени появлялись ученые, которые наряду с прикладными разработками проникали вглубь вещей. Это Лукреций Карл, Клавдий Птолемей, Клавдий Гален.

Птолемей поставил себе трудную задачу: построить теорию видимого движения по небосводу Солнца, Луны и пяти известных тогда планет. Точность теории должна была позволить вычислять положение этих небесных светил на много лет вперед, предсказывать наступление солнечных и лунных затмений. Используя наблюдения своих предшественников, а также собственные наблюдения, Птолемей построил такую теорию. В этой теории предполагалось, что все светила движутся вокруг Земли, которая является центром мироздания и имеет шарообразную форму. Чтобы объяснить сложный характер движения планет, Птолемею пришлось ввести комбинацию двух и более круговых движений. В его системе мира вокруг Земли по большой окружности — деференту (от лат. deferens — несущий) движется не сама планета, а центр некоей другой окружности, называемой эпициклом (от греч. «эпи» — над, «киклос» — круг), а уже по нему обращается планета. В действительности движение по эпициклу является отражением реального движения Земли вокруг Солнца. Для более точного воспроизведения неравномерности движения планет на эпицикл насаживались еще меньшие эпициклы. Птолемею удалось подобрать такие размеры и скорости вращения всех «колес» своей Вселенной, что описание планетных движений достигло высокой точности. Все астрономические исследования Птолемея были им подытожены в капитальном труде, который он назвал «Мегале синтаксис» (Большое математическое построение). Но переписчики этого труда заменили слово «большое» на слово «величайшее» (мэгисте), и арабские ученые стали называть его «Аль-Мэгисте», откуда и произошло его позднейшее название «Альмагест». В течение 1500 лет это сочинение Клавдия Птолемея служило основным учебником астрономии для всего научного мира. Оно было переведено на сирийский, среднеперсидский, арабский, санскрит, латынь, а в Новое время — почти на все европейские языки, включая русский.

Необходимо отметить, что континуальная концепция получила полное оформление в трудах Аристотеля (384–322 гг. до н. э.) — одного из самых выдающихся умов античной эпохи (11).

По Аристотелю, космос ограничен, имеет форму сферы, в центре которой находится земной шар. За пределами сферы нет ничего — ни пространства, ни времени, в пределах же сферы нет пустоты — все заполняет «первичная материя». Под действием одной из пар из четырех «первичных сил» (горячего, холодного, сухого и мокрого) первичная материя приобретает вид одной из четырех «стихий»: (огня, воздуха, земли, воды). «Стихии» могут вступать в различные соединения друг с другом, образуя разнообразные «вещества». И, наконец, из веществ образуются различные тела. Аристотель различает «естественные и «насильственные» движения тел. От центра и к центру космоса, т. е. вниз и вверх происходят естественные движения земных тел, для небесных светил естественными считаются круговые движения. Всякие иные движения рассматриваются как насильственные.

Представления Аристотеля о естественных и насильственных движениях господствовали в науке вплоть до XVIII века, когда возникла механика Галилея–Ньютона.

Развитие атомистической концепции связано с именем Эпикура (см. выше Демокрит). У Эпикура атомистические взгляды отличаются большей конкретностью и физичностью. Атомы у Демокрита разнообразны по форме, они имеют зацепки, которые позволяют им при столкновениях скрепляться и образовывать различные тела. Эпикур все процессы старается объяснить как изменения сочетаний различных атомов. Не одинаково было и понимание природы случайного. Демокрит и его последователи усматривали за видимой беспорядочностью происходящего определенные непознанные закономерности. Случайность рассматривалась ими как понятие субъективное, идущее от недостаточности знания о происходящем. Эпикур, не отрицая субъективной случайности, допускал также наличие объективной случайности в поведении атомов. Таким образом, у Эпикура в наивной форме была выражена гениальная догадка о внутреннем источнике движения.

Атомистическая концепция древних греков удивляет исследователей XX–XXI веков предвидением многих сторон современной научной картины мира. Однако в свое время эта фундаментальная идея не получила признания и долгие столетия преобладала континуальная традиция, заложенная Фалесом и Анаксимандром, развитая Эпикуром.

1.2.2. Естествознание в эпоху Средневековья (V–XV вв. н. э.) (10). В экономическом плане эпоха Средневековья является феодальной, в идеологическом плане в ней господствует религиозное (христианское) мировоззрение в Европе. Наука попадает в подчинение к религиозному компоненту культуры. Догматы христианства о сотворении мира Богом в течение 6 дней, о неизменности мира с момента сотворения, о неподвластности божественного промысла уму человека и, следовательно, о невозможности познания человеком Вселенной и самого себя — все это противоречило научным достижениям и мировоззрению античных ученых и имело печальные последствия для науки. В научном плане эпоха Средневековья получила название «Сон разума». На тысячу лет (сер.V – сер. XV в.) развитие естествознания практически остановилось. Но этот период в научном и культурном плане не был однородным. В нем четко различаются два периода:

1-й период — с V по XIII в.,

2-й период — с XIII по XV в.

Для первого периода остановка в развитии естествознания абсолютно справедлива. Во втором периоде накопившиеся между религией и античной наукой противоречия частью разрешились, а развитие торговли, обмен знаниями и идеями между Европой и Востоком, главным образом — арабским миром, привели к утверждению в Европе некоторых достижений античной науки, ранее возрожденных и развитых арабами.

Д

Но естествознание все же развивалось в этот период, иногда в уродливых формах. Многие ученые обслуживали богословие и неплохо существовали. Некоторые спорили о том, на каком языке говорил Адам, какого пола были ангелы. Один, несомненно, «выдающийся» математик, точно подсчитал число чертей в мире: их оказалось 44 635509! (10).

В эпоху Средневековья утвердилась алхимия — часть естествознания, которая, развиваясь весьма успешно, во многом предопределила будущие успехи химии. Средневековые алхимики ставили перед собой две главные цели: найти «философский камень», превращающий дешевые металлы в золото, и создать «эликсир бессмертия» — средство, делающее людей бессмертными или хотя бы многократно продлевающее их жизнь. Алхимики в течение тысячелетия колоссально развили химическую технологию: научились перегонке, выпариванию, фильтрации веществ и другим лабораторным приемам, изготовили ценные эмали, металлические сплавы, краски, лекарства. Продвинулись они и в фундаментальных вопросах химии: в знании свойств и состава кислот, щелочей, солей, понимании механизмов простейших химических реакций и др. Все это вошло в арсенал будущей химии. В плане методологии алхимики тоже достигли немалого — ввели в научный оборот опыт эксперимента, хотя он и был пока в зачаточном состоянии.

Я

В основных научных трактатах Бэкона «Зеркало алхимии» и «Могущество алхимии» больше всего удивляет современных науковедов технические пророчества Р. Бэкона: «Можно делать орудия плавания, идущие без гребцов, суда морские и речные, плывущие под управлением одного человека быстрее, чем если бы они были наполнены людьми. Также могут быть сделаны колесницы без коней, движущиеся с необычайной скоростью. Можно сделать летательные аппараты, сидя в которых, человек может приводить в движение крылья, ударяющие по воздуху, подобно птичьим … Можно сделать аппараты, чтобы безопасно ходить по дну морей и рек. Прозрачные тела могут быть так отделаны, что отдаленные предметы покажутся приближенными, так что на невероятном расстоянии будем различать маленькие вещи, а также будем в состоянии рассматривать звезды, как пожелаем».

В научных спорах ссылка на Аристотеля (от лат. Ipse dixit — сам сказал) вела к немедленному прекращению спора и утверждению «окончательной истины».

Но в устройстве мира церковь провозгласила истинной более прогрессивную теорию эпициклов Птолемея (см. выше). Правда, церковь добавила к системе Птолемея еще одну, самую дальнюю «сферу небесного рая».

В период XIII–XV веков возник томизм — учение итальянского католического богослова и монаха Фомы Аквинского (1226–1274), который провозгласил непротиворечивость религиозной веры и научного разума. Он нацеливал ученых на познание божественного промысла и творений Бога.

Арабская линия в средневековой науке. В VII веке н. э. на Ближнем и Среднем Востоке возник ислам — новая мировая религия. Основал ислам Магомет — выдающийся религиозный идеолог и государственный деятель. Магомет объединил кочевые арабские племена и основал крупное государство — Арабский халифат. Расцвет халифата пришелся на VIII–IX века, а в X веке он распался на отдельные княжества. Арабы давно имели тесные связи с Индией, от которой они переняли многие научные достижения, например позиционную десятичную систему счисления (основную в наше время).

Но главное внимание арабы обратили на труды античных и последующих натурфилософов, а также на достижения греков. Очень многие труды древних греков в оригиналах не сохранились и дошли до нас именно в арабских переводах. Арабы возродили у себя древнегреческие и римские учебные заведения (академии, музеумы), поощряли развитие науки искусств (меценатство). Как и европейцы, арабы занимались алхимией (термин «алхимия» арабского происхождения), но интересовались ею меньше европейцев (главным образом с целью создания лекарств) и гораздо менее преуспели.

Хорезми (783–850) — выдающийся среднеазиатский математик, астроном, географ. Является создателем алгебры (арабский термин «ал джебр» означает математическую операцию переноса величины из одной части равенства в другую с изменением знака), предтечей программирования (слово «алгоритм» произошло от его имени: аль-Хорезми), обосновал тригонометрию (создал математические таблицы синусов и тангенсов), составил астрономические таблицы, географические карты с сеткой.

Бируни (973–1050) — выдающийся энциклопедист из Средней Азии, астроном, математик, физик, географ, геолог, ботаник, фармаколог, историк, этнограф. Является отцом геодезии, впервые применившим метод триангуляции (от греч. «треугольничанья» ) для получения координат земной поверхности. Предсказал (за 6 веков до Ньютона) действие силы тяготения.

Аль-Газен (Ибн аль-Хайсам) (965–1039) — каирский математик, физик, астроном, физиолог. Первым догадался о небесном происхождении метеоритов (новейшая наука доказала это только в XIX веке), догадался, что атмосфера обладает весом ( за шесть веков до Торричелли), что плотность воздуха убывает с высотой. Аль-Газен был выдающимся оптиком — обнаружил недостатки (аберрации) линз, выявил физиологический механизм зрения, полностью совпадающий с современными данными. За семь веков до Ньютона Аль-Газен открыл закон всемирного тяготения, правда, при этом ошибся в зависимости силы тяготения от расстояния.

А

Клерикализм — реакционное политическое направление, добивающееся первенствующей роли церкви и духовенства в политической и культурной жизни. Наиболее активен католический клерикализм. Использует в политических целях клерикальные политические партии, женские, молодежные и другие организации (17).

О

Гедонизм (от греческого — «удо­вольствие») — направление в этике, утверждающее удовольствие как высшую цель и основной мотив человеческого поведения (17).

Улугбек — правитель Самарканда, внук Тимура (Тамерлана), выдающийся астроном, математик, поэт. Он построил астрономическую обсерваторию, разработал весьма точные методы астрономических измерений и расчетов движения планет. Его «планетные таблицы» сохраняли непревзойденную точность примерно 150 лет. Жизнь Улугбека закончилась трагически — он был убит реакционерами, а его обсерватория разрушена.

В заключение следует отметить, что наука в период Средневековья не переставала работать, были спасены достижения натурфилософов древности, а в заключительный период Средневековья — спасенные знания были вызваны к новой жизни и развиты. Это подготовило почву для их буйного расцвета в эпоху Возрождения, которая пришла на смену средним векам. Центр научной мысли в эпоху Средневековья переместился из Европы на Восток, в Арабский Халифат и оставшиеся после его распада княжества.

В области научной методологии очень важны методические разработки алхимиков, которые хотя и вдохновлялись ненаучными идеями, сделали очень много в эмпирическом и прикладном научном плане (10).

1.2.3. Естествознание в эпоху Возрождения (сер. XV – сер. XVII в.). Эпоха Возрождения, которая пришла на смену Средневековью, стала во всех отношениях переходным периодом: от феодализма к капитализму, от господства религиозной схоластики к торжеству разума, от старой науки к науке современной. Это было невозможно без возрождения роли античной науки и культуры, поэтому эта эпоха и получила такое название.

В эпоху Возрождения произошел взрыв научной мысли, который был обусловлен:

— новой идеологией — уважением к личности человека и верой в его разум,

— материально-техническими достижениями периода Средневековья.

Леонардо да Винчи (1452–1519) — универсальный гений эпохи Возрождения. Выдающийся художник, скульптор, архитектор, ученый (математик, механик, оптик, ботаник, анатом, физиолог, геолог, астроном), инженер (гидротехник, оружейник, проектировщик воздухоплавания). К сожалению, все его инженерные труды и большинство научных стали известны только через три века после смерти. Поэтому они практически не оказали влияния на развитие науки и техники. В наше время инженеры-энтузиасты сооружают по чертежам Леонардо летательные аппараты (простейшие самолеты и вертолеты) и успешно испытывают их.

Достижения естествознания эпохи Возрождения в области астрономии — самые впечатляющие, так как после длительных церковных запретов ученые робко, с оглядкой, но стали интересоваться небом.

Николай Коперник (1473–1543) — польский астроном, математик, врач, поэт-переводчик. Основное дело — астрономия, основной труд «Об обращении небесных сфер». В этом труде Н. Коперник утвердил гелиоцентрическую систему мироздания. Коперник использовал принципы Птолемея, но поменял местами Солнце и Землю с обращающейся вокруг Земли Луной. Книга Коперника была запрещена церковью через 73 года после выхода ее в свет, а снят запрет был только через 212 лет, в 1828 г. Учение Коперника было по науковедческим меркам первой научной революцией в естествознании.

Джордано Бруно (1548–1600) — итальянский ученый (астроном, математик), философ, писатель и поэт, выдающийся университетский педагог. Он отстаивал не птолемееву, а коперникову систему мира, но добавлял, что солнечная система не единственная во Вселенной, а имеется бесконечное множество подобных миров. Это полностью соответствует данным современной науки о полицентрическом устройстве мира. За свои убеждения, отличающиеся от канонизированных церковью (аристотелевско-птолемеевские), Д. Бруно был сожжен на костре в Риме на Площади Цветов в 1666 г.

Галилео Галилей (1564–1642) — великий итальянский ученый (физик, механик, астроном, математик). Открыл четыре спутника Юпитера (сейчас их известно 14), кратеры на Луне, фазы Венеры, пятна на Солнце, которые вращаются с ним, много неизвестных звезд, обнаружил структуру Млечного Пути. Этим он обязан сконструированной им самим зрительной трубе, которую использовал в качестве телескопа. Все его опытные результаты (в частности открытия спутников не только у Земли, но и у других планет) привели его к убеждению правильности теории Коперника. Его подвергли суду инквизиции в 1633 г., и он под угрозой смерти отказался от учения Коперника.

Галилео Галилей по праву считается отцом механики и физики. Именно он ввел в науку принцип относительности, носящий его имя. Этот принцип вошел составной частью в современную теорию относительности. Открыл Галилей и закон инерции. Весьма успешно он занимался и определением центра тяжести тел и удельного веса материалов, т. е. теорией прочности и теорией колебаний.

Иоганн Кеплер (1571–1630) — крупнейший немецкий астроном, математик, оптик, писатель-фантаст. Обработав огромное число результатов измерений движений планет, выполненных другими астрономами, пришел к выводу, что планеты вокруг Солнца вращаются не по окружности, а по эллипсам, в одном из фокусов которого находится Солнце. Вращение это не равномерное, а ускоряющееся вблизи Солнца и замедляющееся вдали от него. Написал 30 томов научных работ, из которых 7 томов — вычислений. Галилей не разделял мнение Кеплера.

Андреас Везалий (1514–1564) — по происхождению бельгиец, работал в разных странах Европы (Швейцария, Франция, Италия). Считается отцом анатомии. Широко применял секционные исследования (вскрытия тел умерших людей).

У

В XVII–XVIII веках среди биологов господствовали неверные представления о содержании в сперме (в сперматозоидах) миниатюрных зародышей («гомункулусов») будущих людей, которые в материнской утробе просто увеличиваются в размерах. Эти представления получили название преформизма (17).

Бурное развитие естествознания в эпоху Возрождения стимулировало совершенствование естественнонаучной методологии. Ее развитием занимались многие ученые — философы и естествоиспытатели: Ф. Бэкон, Р. Декарт, Т. Гоббс, П. Гассенди, Б. Спиноза и др.

В эпоху Возрождения произошел скачок научного развития, обусловленный благоприятной культурной ситуацией. Резко упала роль схоластики и авторитетных мнений. Научное общество лихорадочно наверстывало все упущения, произошедшие за «тысячелетний сон». Развивалась научная методология, материально-техническая база науки, были получены важные научные результаты. Но вместе с тем начали проявляться начальные признаки разделения и углубления естественных наук.

1.2.4. Естествознание в Новое время (сер. XVII – конец XVIII в.) (10). Это было время полной победы капитализма над феодализмом. Большинство буржуазных революций произошло именно в XVII веке. Цеховое производство сменила мануфактура с разделением трудовых операций, специализацией работников и резким увеличением производительности труда. Все это требовало и новой науки. Капитализм был заинтересован в научно-техническом прогрессе, в овладении точными знаниями, которые можно использовать в развитии производства и получении прибыли. Поэтому именно в новое время возникли многие прикладные науки: химическая технология, прикладная термодинамика, станкостроение, металлообработка и др. Развивались и фундаментальные (теоретические) направления, преимущественно обслуживающие производство. Это такие науки, как теория тепловых процессов, гидростатика, химия металлов, механика и др. Развивалась астрономия для целей навигации.

Но универсальный подход к изучению природы оставался в силе, то есть натурфилософы еще не изжили себя, это произойдет позже.

Таким образом, Новое время в научном отношении противоречиво: наряду с традиционной натурфилософией зарождалась новая, специализированная современная наука.

Натурфилософская (энциклопедическая наука) Нового времени. Исаак Ньютон (1643–1727) — английский математик, механик, оптик, астроном, один из величайших ученых человечества. Ньютон считал себя натурфилософом, и свой главный труд назвал «Математические начала натуральной философии». В области математики Ньютон независимо от Лейбница создал дифференциальное и интегральное исчисление — основу современной высшей математики, теорию рядов. В области физики (механики и оптики) достиг значительных результатов. Обнаружил такие явления, как интерференция, дифракция и дисперсия света. Механику Ньютон довел до уровня математической теории, наивысшего в науке. Открыл закон всемирного тяготения. Чтобы объяснить, каким образом в пространстве происходит гравитационное взаимодействие, Ньютон ввел принцип дальнодействия.

Готфрид Вильгельм Лейбниц (1646–1716) — великий немецкий философ, математик, физик, логик, биолог, психолог, лингвист, методолог. Современник Ньютона. В математике, независимо от Ньютона, разработал дифференциальное и интегральное исчисление. В физике развил учение об относительности пространства, времени и движения, ввел формулу кинетической энергии, развил после Галилея теории колебаний, упругости и прочности. В биологии ввел идею целостности органических систем за два с половиной века до современной теории систем, возродил эволюционную концепцию древних натуралистов, но в отличие от них распространил ее действие не только на живые, но и на неживые, что полностью подтверждается современной наукой.

Леонард Эйлер (1707–1783) — по происхождению швейцарец, основную часть жизни жил и работал в России и Германии. Физик, математик, механик, астроном, географ. Написал 850 работ (из них 250 — будучи слепым). Создал математический аппарат ньютоновской механики, именно в таком виде она используется в настоящее время. Создал многие важные разделы современной математики. В механике он разработал важнейшие разделы о движении жидкостей, движении кораблей, движении Луны. В оптике Эйлер вывел формулу двояковыпуклой линзы и др. Часть теорем, формул, методов из многих, выведенных Эйлером, носят его имя.

Михаил Васильевич Ломоносов (1711–1765) — великий русский ученый-энциклопедист, основоположник отечественного естествознания, организатор первого русского университета, физик, химик, геолог, астроном, историк, лингвист, поэт. В физике разработал молекулярно-кинетическую теорию, вместе с Г.В. Рихманом изучал атмосферное электричество. Главное естественнонаучное достижение Ломоносова — открытие первого из ныне известных законов сохранения материи и движения.

Дени Дидро (1713–1784) — выдающийся французский философ-материалист, писатель, глава энциклопедистов — французских ученых и писателей, создавших первую в Новое время «Энциклопедию, или Толковый словарь наук, искусств и ремесел».

Иммануил Кант (1724–1804) — выдающийся немецкий философ-идеалист, математик, механик, физик, астроном, географ, историк, антрополог, моралист. Основной труд по естествознанию — «Всеобщая естественная история и теория неба». В нем он обосновывает идею о происхождении Солнечной системы из холодной газопылевой туманности. Эта идея и сейчас является одной из основных гипотез о происхождении Солнечной системы. Кант первым отверг идею Ньютона о «первотолчке», которым «Бог запустил мировые часы». Кант заявил, что мир произошел из хаотического состояния. Все живые существа, по Канту, были созданы Богом, но затем в дело вступила естественная эволюция, которая их видоизменяла.

Пьер Симон Лаплас (1749–1827) — выдающийся французский математик, физик, астроном. В высшей математике положил начало новому разделу — операционному анализу, ввел интегральное преобразование, носящее его имя. Много сделал в таких разделах математики, как математический анализ, теория вероятностей. В физике его основные работы связаны с поверхностными свойствами жидкостей (давление Лапласа). Основные достижения Лапласа относятся к области небесной механики.

Специальные естественные науки Нового времени. В Новое время формировали современную науку о природе именно узкие специальные научные направления, позволяющие глубоко анализировать изучаемые явления. Эти достижения в большинстве случаев были не связаны между собой.

В области механики стали известны имена итальянца Эванжелисты Торричелли (1608–1647) , француза Блеза Паскаля (1623–1662) (оба занимались гидростатикой), англичанина Роберта Бойля (1627–1691), француза Эдмона Мариотта (1620–1684) (теория газов), англичанина Роберта Гука (1635–1703)(растяжение тел), голландца Христиана Гюйгенса (1629–1695) и француза Огюста Френеля (1788–1827) (теория колебаний).

В области оптики конкурировали две концепции о природе света: континуальная (волновая) и дискретная (корпускулярная). Сейчас мы знаем, что и волновые, и корпускулярные свойства света находятся в единстве, а тогда считалась предпочтительной корпускулярная концепция. Именно Христиан Гюйгенс и Огюст Френель экспериментально доказали и теоретически обосновали волновые свойства света. Физиологической оптикой занимался Э. Мариотт, а технической — Х. Гюйгенс.

В области электродинамики американский ученый Бенджамен Франклин (1706–1790) установил электрическую природу молнии, французский физик Шарль Огюст Кулон (1736–1806) открыл основной закон электростатики, носящий его имя. Итальянские ученые Луиджи Гальвани (1737–1798) и Александро Вольта (1745–1827) первыми открыли движение электрических зарядов — то есть электрический ток, причем в экспериментах использовали икроножные мышцы недавно убитых лягушек. Английский физик Хемфи Дэви (1778–1829) основал электрохимию, датский физик Ганс Христиан Эрстед (1777–1851) впервые в эксперименте доказал связь электричества и магнетизма. Это позволило французскому физику Андре Мари Амперу (1775–1836) построить первую мыслительную модель магнетизма, кроме того, Ампер провел много опытов с электротоками, вывел ряд правил и законов, носящих его имя, построил первые приборы для измерения токов и по праву считается отцом электродинамики. Немецкий физик Георг Ом (1787–1854) установил основной закон электротока, носящий его имя.

В области химии Р. Бойль (см. выше) ввел в химию методы анализа вещества, то есть превратил химию в строгую экспериментальную науку. Французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743–1794) строго экспериментально изучил процесс горения, установил его химическую природу (окисление), разделил вещества на кислоты, основания и соли. Англичанин Джон Дальтон (1766–1844) изучал химические и физические свойства смесей газов, открыл физический закон Дальтона и другие законы, ввел в химию понятия атома и тем самым возродил атомизм.

В области биологии, геологии Карл Линней (1707–1778) впервые после Платона успешно классифицировал известных в его времена животных, растения, минералы. Предложенная им бинарная классификация (объединяет в латинском названии род и вид живого организма) успешно используется и в современной биологии, но Линней утверждал, что виды организмов неизменны, то есть эволюция отсутствует. Французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744–1829) утверждал, что виды эволюционируют по «причине стремления к совершенству». Его соотечественник Жорж Кювье (1769–1832) также допускал изменения видов с течением времени, но причину объяснял не постепенной эволюцией, а катастрофами в истории Земли, в результате которых одни виды исчезают и заменяются другими, и происходит это по воле Бога. Современник Линнея французский естествоиспытатель Жорж Луи Бюффон (1707–1788) обосновывал эволюцию видов влиянием питания, условий среды и т. д. Он впервые ввел положение о единстве животного и растительного мира. Бюффон ввел концепцию геологической эволюции Земли в целом и ее поверхности в частности.

Итак, в эту эпоху (XVII–XVIII вв.) развитие наук существенно продвинулось, возникли новые, специальные науки, обладающие всеми признаками современных. Четкой границы между натурфилософами и узкими специалистами пока не образовалось, и процесс интеграции наук проходил продуктивно, сразу возникли физическая химия, биофизика, универсальная систематика, электродинамика и другие гибридные направления.

Но наиболее важным итогом развития естествознания в этот период стала возникшая на основе достижений физики (точнее, механики) первая физическая картина мира (10):

1. Все тела состоят из материальных частиц, жестких, обладающих весом образований, пренебрежимо малых в сравнении с масштабами пространства, где они рассматриваются (атомы, молекулы, планеты и т. д.).

2. Между материальными частицами действуют силы притяжения, подчиняющиеся закону всемирного тяготения Ньютона, и силы отталкивания, проявляющиеся при упругом ударении. Все силы действуют мгновенно (дальнодействие).

3. Материальные частицы в своем движении подчиняются законам динамики Ньютона (1, 2, 3-й законы).

4. Пространство и время являются абсолютными, т. е. существуют независимо от материи.

Все природные процессы и объекты объяснялись с позиций механики, механическая (по философской терминологии механистическая) концепция проникла во все без исключения естественные науки.

Механическая картина мира просуществовала с конца XVII века до середины XIX века.

1.2.5. Естествознание в XIX веке. Капитализм продолжал развиваться, образовывались транснациональные корпорации, максимально использовались сырьевые, трудовые, финансовые ресурсы общества. Производительность труда резко повышалась за счет использования машинного производства. В естествознании усиленно развивались специальные науки, происходила их дифференциация, интеграция, но все это было в рамках отраслевых наук. Появились общая физика, общая химия, общая биология, общая геология, общая космология. Единый натурфилософский подход к исследованию природы практически утратил свое значение из-за объективных трудностей охвата большого объема знаний. Ученые-энциклопедисты стали встречаться как редкое исключение. Их влияние на развитие естествознания в целом сказывалось в малой степени.

Но физика продолжала оказывать решающее влияние на развитие естествознания. Ее самая развитая часть — механика, достигшая уровня математической теории, стимулировала развитие других разделов физики и других отраслей естествознания. Но ученые в XIX веке уже понимали, что одной механики в перспективе станет недостаточно для объяснения природных явлений.

Основные трудности появились при исследовании причин и законов тепловых процессов. Напомним, что в конце XVII и даже начале XVIII века господствовала концепция теплоты как следствия хаотического движения мельчайших частиц вещества — атомов и молекул. В середине XVIII века все тепловые явления объяснялись передачей от тела к телу тепловой жидкости — теплорода (см. выше механическую картину мира). В большинстве случаев такое объяснение давало правильные результаты расчетов. Именно тогда возникли понятия «количество теплоты в теле», «теплоемкость», «теплообмен» и др. Но к середине XIX века по этим воззрениям некоторыми естествоиспытателями были нанесены мощные разрушающие удары (10).

Так, английский ботаник Роберт Броун (1773–1858) обнаружил с помощью микроскопа хаотическое движение мельчайших частиц (пыльца), взвешенных в воде.

Бенджамен Румфорд (1753–1814) — английский ученый и военный (артиллерист) — обратил внимание, что при сверлении пушечных дул одним и тем же сверлом выделяется такое количество теплоты, которое нагревает и дуло, и воду, необходимую при сверлении, до температуры кипения. Румфорд усомнился, что маленькое сверло содержит такой большой запас теплорода, в итоге он отверг теорию теплорода. Еще раньше Лавуазье отверг флогистон.

Юлиус Роберт Майер (1814–1878) — немецкий врач и натуралист — установил глубинное единство механического движения и теплоты и переход первого во вторую в эквивалентных количествах. Проводил лабораторные эксперименты по превращению механического движения в теплоту.

Джеймс Прескотт Джоуль (1818–1889) — английский натуралист, по профессии пивовар, проводил эксперименты, похожие на майеровские, но более точные.

Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1892) — немецкий врач‑оф­тальмолог, физик, физиолог, математик. Проводил опыты по взаимосвязи и превращениям механических, тепловых, химических, электрических и магнитных явлений. Первым ввел строгое понятие «энергии» и точную формулировку закона сохранения и превращения энергии.

Отказ от концепции теплорода автоматически возродил молекулярно-кинетические представления о хаотическом движении молекул. Их описанием и исследованием занялась новая наука — статистическая физика.

Представителями новой науки стали следующие ученые:

Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) — английский физик и математик, один из основоположников второй физической картины мира;

Джозайн Уиллард Гиббс (1839–1903) — американский физик-теоретик, основоположник химической термодинамики, завершивший формирование статистической физики;

Людвиг Больцман (1844–1879) — австрийский физик, один из основателей статистической физики, его основная заслуга — установление связи между статистическими параметрами и термодинамическими параметрами.

Одновременно развивалась наука термодинамика. Вот наиболее яркие представители этой науки:

Никола Сади Карно (1796–1832) — французский физик и инженер, сформулировал второй закон и разработал теорию тепловых машин;

Бенуа Поль Клапейрон (1799–1864) — француз, предложил геометрическую интерпретацию формулировки Карно, а также составил уравнение состояния идеального газа, носящее его имя (уравнение Клапейрона);

Уильям Томсон (лорд Кельвин) (1824–1907) — английский физик и математик, дал одну из формулировок второго закона термодинамики, ввел абсолютную шкалу температур (К);

Рудольф Юлиус Эммануэль Клаузиус (1822–1888) — немецкий физик, дал одну из формулировок второго закона термодинамики, ввел понятие энтропии.

Все исследования перечисленных выше ученых и законы, ими установленные, доказали, что явления тепловых процессов выпадают из механической картины мира, но доступны для физического познания. В этот раз механическая картина мира еще устояла, но конец ее был близок из-за развивающейся электродинамики.

Еще в XVIII веке опытных фактов и различных теоретических соображений об электричестве и магнетизме было достаточно много, но фундаментальной теории в этой области, сравнимой по степени разработанности с механикой, не было даже в середине XIX века. Но именно тогда, в середине XIX века, она была создана за очень короткие сроки — всего в среднем за четверть века. Степень проработанности ее была такова, что затмила механику полностью. Это было сделано Майклом Фарадеем и Д.К. Максвеллом (10).

Майкл Фарадей (1791–1867) — английский физик и химик (ученик Дэви, см. выше), экспериментатор. Сначала он, как и его учитель, занимался электролизом растворов, открыл законы электролиза, носящие его имя. Позже и до конца жизни Фарадей занимался электродинамикой. В результате 16 041 проведенного опыта Фарадей установил закон электромагнитной индукции. Позже Фарадеем была утверждена одна из важнейших концепций современной физики — концепция поля.

Д.К. Максвелл (см. выше) выполнил строгое математическое оформление концепции электрического поля, при этом он ввел понятие напряженности, потенциала поля и др. Все теоретические построения Максвелла были доведены им до высшего научного уровня — математической теории и не уступали в этом вопросе достижениям Ньютона. Основных уравнений электродинамики — уравнений Максвелла — было столько же, сколько и основных уравнений механики Ньютона —четыре.

Генрих Рудольф Герц (1857–1894) — немецкий физик, ученик Гельмгольца, в 1856 г. он получил в опыте электромагнитные волны, исследовал их свойства и доказал, что природа света — тоже электромагнитные волны.

Петр Николаевич Лебедев (1866–1912) — выдающийся русский физик, в 1899 г. экспериментально обнаружил и измерил давление света.

Одновременно развивалась и химия.

Дмитрий Иванович Менделеев (1834–1907) — великий русский химик и метролог. В 1869 г. им был открыт «периодический закон химических элементов». Этот закон систематизировал все химические элементы по их химическим свойствам, а также устанавливает связь между физическими свойствами элементов (атомные массы) и химическими свойствами (валентность, степень окисляемости и др.).

Александр Михайлович Бутлеров (1828–1886) — выдающийся русский химик и агротехник, основоположник теории химического строения вещества, создатель первой научной школы химиков. Кроме того, Бутлеров открыл явление изомерии — одинаковость химического состава молекул, но различие их свойств из-за разного строения.

Герман Иванович Гесс (1802–1850) — русский химик немецкого происхождения. В 1840 г. открыл закон, носящий его имя. Закон Гесса — не что иное, как закон сохранения и превращения энергии при химических реакциях.

В XIX веке достаточно глубоко развивалась и биология. Успехи биологии выходили далеко за рамки биологических наук. Была обоснована клеточная теория строения организмов. Было принято эволюционное учение — концепция об исторической изменчивости материальных объектов.

Роберт Гук — английский физик — обнаружил на тонком срезе дерева пустотелые поры, или ячейки, как он их назвал. Позже многие ученые занимались микроскопическим наблюдением срезов растений и других живых организмов.

Чарльз Роберт Дарвин (1809–1882) — великий английский натуралист. Дарвин в результате своей работы сформулировал основные движущие силы эволюции: наследственность, изменчивость, борьба за существование, естественный отбор.

Грегор Иоганн Мендель (1822–1884) — чешский священник. Вывел строгие математические закономерности наследования признаков (законы Менделя), но его открытия не произвели впечатления на современников и остались забытыми на 35 лет. По праву считается отцом генетики — современной науки о закономерностях наследственности и изменчивости организмов.

Именно в XIX веке все более стало обнаруживаться характерное единство природных процессов, замаскированное развитием в двух предыдущих веках специальных наук. Эволюционная теория была распространена почти на все природные объекты: в астрономии, в геологии, биологии, не охваченной оставались только физика и химия.

Но важным достижением физики было утверждение второй физической картины мира (10):

1. Все тела природы состоят из материальных частиц, обладающих кроме массы, электрическим зарядом (положительным, отрицательным или нейтральным).

2. Между заряженными частицами действуют силы электромагнитного взаимодействия, подчиняющиеся законам электродинамики, переносчиком этого взаимодействия является электромагнитное поле, обладающее энергией.

3. Материальные частицы в своем движении подчиняются законам механики Ньютона

4. Пространство и время являются абсолютными, не зависящими от материи.

Из сопоставления первой и второй картин мира видно, что вторая картина (электродинамическая) включает в себя первую (механическую) в чем-то явно, в чем-то скрыто. Она не отменяет законов Ньютона (в том числе и закона всемирного тяготения), но основной упор в ней делается на закономерности электромагнитного взаимодействия. Срок жизни этой картины оказался всего полвека из-за ускорения естественнонаучного развития (сер. XIX – нач. XX века). Это очень небольшой срок в сравнении с первой картиной мира, которая продержалась полтора столетия.

1.2.6. Естествознание в первой половине XX века (10). Вторая (электродинамическая) картина мира не противоречит, а совпадает с первой картиной мира (механической). Но начался XX век и его опытные открытия вошли в противоречия с механической картиной мира. Началось все с того, что американский физик Альберт Абрахам Майкельсон (1852–1931) в 1881 г. изготовил высокоточный оптический прибор — интерферометр собственной конструкции и измерил скорость света. Оказалось, что скорость света одинакова во всех направлениях (т. е. неважно, совпадало направление распространение света с направлением движения Земли или было ей прямо противоположно). Это было явное противоречие и электродинамике, и механике. Дело в том, что в электродинамике основополагающее место занимала идея эфира. Так называли ненаблюдаемую среду, заполняющую мировое пространство и неподвижную относительно далеких звезд. В этой-то среде и происходят все физические процессы, в частности электромагнитные колебания. Земля, двигаясь по орбите со скоростью 30 км в секунду, перемещается относительно удаленных звезд, а значит, и относительно эфира. Это должно неминуемо сказаться на электромагнитных явлениях, наблюдаемых на Земле. Поскольку считали, что наша планета движется сквозь эфир, то ей навстречу должен дуть эфирный ветер и сносить свет, испускаемый земным источником, в направлении обратном движению Земли. По закону сложения скоростей (это соответствовало и первой и второй картине мира) скорость света, излученного в направлении движения Земли, должна уменьшится на 30 км в сек., а в обратном направлении — на столько же увеличиться.

Получалось, что электродинамика никак не вяжется с классической механикой. Многие теоретики пытались разрешить это противоречие, одни предлагали отказаться от принципа относительности (т. е. не надо складывать скорости), другие говорили, что эфир частично вовлекается в движение материальным телом и т. д.

Решение нашел Альберт Эйнштейн (1879–1955), живший в то время в Швейцарии. Он отверг идею эфира и постулировал скорость света одинаковой во всех системах отсчета. В результате осмысления этого, а также результатов других ученых — своих современников А. Эйнштейн создал специальную теорию относительности (СТО), первая публикация которой была в 1905 г. СТО привела к парадоксальным выводам и формулам в сравнении с классической механикой.

Вот самые простые выводы:

— при скоростях тел, близких к скорости света, законы механики Ньютона не выполняются;

— скорость любого тела не может быть выше скорости света в вакууме;

— формулы механики Ньютона являются предельными для СТО и приблизительно выполняются для тел, движущихся со скоростями, намного меньшими скорости света в вакууме.

Был еще ряд выводов относительно связи массы тел и его энергии. Все теоретические результаты СТО были подтверждены в экспериментах до конца 30-х годов XX века.

Это был первый удар по электродинамической картине мира. Второй удар был нанесен теоретическими выводами Макса Планка (1858–1947) — немецкого физика. Он в 1900 г. ввел понятие кванта электромагнитного поля (квант в переводе с латинского — количество, порция). Планк предложил считать, что свет испускается и поглощается дискретно, квантами (соответственно, и энергию поля и волн надо считать «зернистой») и предложил формулу (знаменитая формула Планка) для определения энергии кванта. Благодаря этому стали решаемы многие физические задачи, ставившие ученых в тупик расхождением теории и экспериментальных данных (например, опыты с абсолютно черным телом).

Планк вообще считал это не открытием, а изобретением для решения задачи. Но Эйнштейн распространил это понятие на все виды электромагнитных волн и смог теоретически обосновать многие опытные законы фотоэффекта, за что был удостоен Нобелевской премии в 1921 г.

Третий удар по электродинамической картине мира был нанесен английским физиком Джозефом Джоном Томсоном (1856–1940). В 1897г. он экспериментально открыл электроны — мельчайшие частицы вещества, несущие отрицательный минимальный заряд. Дело в том, что атом до той поры считался неделимым (еще со времен Демокрита). Томсон сам был обескуражен своим открытием, доказавшим, что атомы делимы: в его состав входят еще более мелкие частицы — электроны. Томсон предложил свою модель строения атомов.

Антуан Анри Беккерель (1852–1908), французский физик, в 1896 г. открыл явление радиоактивности солей урана, которые в темноте испускали лучи, засвечивающие фотопленку. Это стало вторым доказательством существования электронов.

На основании открытия ученика Томсона Эрнеста Резерфорда, выдающегося английского физика-экспериментатора, явления излучения радиоактивными атомами положительных альфа-частиц, отрицательных бэта-частиц и нейтральных гамма-лучей, стало понятно, что в атомах имеются небольшие области, где сосредоточена почти вся атомная масса. Они были названы ядрами атомов. Резерфордом в 1911 г. была предложена другая модель строения атома — планетарная. В 1919 г. Резерфордом был открыт протон.

В 1932 г. учеником Резерфорда англичанином Джеймсом Чедвиком (1891–1974) был открыт нейтрон.

В 1913 г. немецкими физиками Джеймсом Франком (1882–1964) и Густавом Герцем (1887–1978) были обнаружены фотоны — незаряженные частицы.

Все это позволило разработать более или менее правильную и наглядную планетарную модель атома. Его ядро состоит из протонов (+ заряд), нейтронов (ноль заряда), вокруг вращаются электроны (– заряд), которые поглощают и излучают фотоны (ноль заряда). Однако здесь выявилось явное противоречие с электродинамической картиной мира, согласно которой электрон, как материальное тело, вращаясь по орбите, должен терять энергию и скорость и упасть на ядро, т. е. этот атом перестал бы существовать. А опыты показывали, что атомы, если они не радиоактивны, достаточно стабильные образования.

Для преодоления указанного противоречия Нильс Бор (1885–1962), великий датский физик, в 1913 г. наложил на модель атома два ограничения — постулаты Бора:

1. Атомы в стационарном (устойчивом) состоянии не поглощают и не излучают энергии, при этом электроны вращаются по стационарным орбитам, которые соответствуют определенным значениям энергии.

2. Поглощение или излучение энергии происходит только при переходе электронов с одной стационарной орбиты на другую, при этом один электрон поглощает один фотон и переходит на орбиту с большей энергией, при обратном переходе он излучает фотон.

Четвертый удар по электродинамической картине мира был нанесен опять А. Эйнштейном, который создал общую теорию относительности (ОТО). Эта теория устанавливала взаимосвязь пространства, времени и тяготения. Согласно ОТО тяготение объяснялось не с помощью гравитационного поля, а путем искривления пространства в окрестности тяготеющих масс. Более подробно мы будем говорить об этом позже.

В это же время, в начале XX века Луи де Бройль (1892–1987), выдающийся французский физик, выдвинул одну из самых захватывающих гипотез. Согласно его концепции, любое тело массой m, движущееся со скоростью V, является одновременно волной, имеющей длину, рассчитываемую по специальной формуле, предложенной Бройлем. Но вы скажете, где же волны вокруг нас, мы ничего не видим. Правильно, потому что для макроскопических тел длины их волн по этой формуле очень малы. Например, чемпион в беге со скоростью 10 м в секунду и массой 50 кг является волной с длиной 1,33 × 10^-36 м, что на много порядков меньше размеров атома, и даже электрона, и даже кванта пространства! Поэтому волновые свойства тел выражено проявляются только для элементарных частиц: протонов, электронов и других, имеющих малую массу.

Гипотеза де Бройля в 1927 г. была экспериментально подтверждена в опытах американских физиков Клинтона Дэвисона (1881–1958) и Лестера Альберта Джермера (1896–1971). Таким образом, гипотеза де Бройля перешла в ранг теории.

Значение этой теории для науки очень значимо: она впервые подтвердила корпускулярно-волновой дуализм (двойственность) волн-частиц. Оказалось, что дискретность (корпускулярность) и континуальность (волны) — две конкурирующие концепции о глубинном строении материи еще со времен античности — на самом деле друг другу не противоречат, а теоретически отражают две стороны единого корпускулярно-волнового строения материи. Просто корпускулярные свойства частиц проявляются в одних условиях, а волновые — в других.

В этой теории элементарные частицы являются одновременно и корпускулами, и волнами, их поведение нельзя описывать с помощью классической механики, для которой волны и частицы несовместимы. Для описания и исследования микрообъектов была разработана квантовая механика. В ней отсутствует классическое понятие траектории частицы или направления волнового движения, а рассматривается так называемая волновая функция, которая задает вероятность нахождения микрочастицы в конкретной точке пространства в конкретный момент времени. Сама эта волновая функция определяется из решения волнового уравнения Шредингера.

Эрвин Шредингер (1857–1961) — австрийский физик, один из основоположников квантовой механики наряду с Вернером Гейзенбергом (1901–1976) — немецким физиком-теоретиком.

Приблизительно одновременно с вышеизложенным стало понятно, что в природе кроме гравитационных и электромагнитных сил действуют еще и ядерные силы, действующие на малых расстояниях и связывающие между собой в ядре протоны (ведь они должны бы были отталкиваться из-за положительных одноименных зарядов) и нейтроны, не имеющие вообще заряда.

Первая теория ядерных сил была создана в 1935г. японским физиком Хидэки Юкавой, получившим за нее Нобелевскую премию в 1949 г. Юкава предсказал, что ядерные силы должны передаваться с помощью элементарных частиц промежуточной массы, названных мезонами. Они были обнаружены в 1947 г.

Вольфганг Паули (1900–1958) — швейцарский физик, который высказал предположение о существовании частицы, впоследствии названной нейтрино («маленький нейтрон»), она была зарегистрирована в 1956 г. Эта частица излучается при бета-распаде и уносит часть энергии.

Энрико Ферми (1901–1954) — итальянский физик, построивший математическую теорию бэта-распада, в которой вводился четвертый вид фундаментальных сил, так называемые слабые взаимодействия.

К концу 30-х годов XX века физическая электродинамическая картина мира была заменена на квантово-полевую картину мира:

1. Все тела природы состоят из элементарных частиц и физических полей. Частицы являются одновременно и корпускулами, и волнами, в разных условиях проявляются либо корпускулярные, либо волновые свойства. Все физические характеристики частиц и полей являются дискретными, то есть квантуются.

2. Между телами природы и внутри них действуют 4 фундаментальных взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое.

3. Материальные объекты в своем движении подчиняются законам квантовой физики (механики и электродинамики), включая их релятивистские варианты: для сверхбольших скоростей и сверхтяжелых масс.

4. Пространство и время являются относительными, их характеристики изменяются в зависимости от материального наполнения, а в отсутствии материи пространство и время не могут существовать.

Рассмотрим достижения биологии в первой половине XX века. В этот период биологи, вооружившись достижениями физики, химии и техники, взялись за штурм самых глубинных структур, входящих в состав живых организмов.

Раньше отмечалось, что открытия Менделем законов наследственности в 1865 г. не произвели впечатления на современников и остались забытыми на 35 лет. В 1900 г. опыты Менделя были независимо повторены голландским ботаником Хуго де Фризом (1848–1935) и немецким ботаником Карлом Корренсом (1864–1933). С этого времени к Менделю пришла посмертная слава, он был провозглашен отцом генетики, началось бурное развитие этой науки.

Скоро в генетике возникла научная проблема выяснения состава и структуры наследственных факторов. В 1909 г. датский биолог и селекционер Вильгельм Людвиг Иогансен (1857–1927) вместо «наследственного фактора», «задатка» ввел краткое и емкое понятие «ген» (от греч. «генос» — род, происхождение — структурная единица наследственности).

Но это понятие оставалось отвлеченным, пока в 1911 г. американский биолог Томас Хант Морган (1866–1945) вместе со своими учениками не установил, что гены содержатся в хромосомах — мельчайших бороздчатых нитях, всегда присутствующих в ядрах животных и растительных клеток. После этого возникла хромосомная теория наследственности.

Николай Константинович Кольцов (1872–1940) — отечественный биолог и генетик, основатель московской школы генетиков, известной на весь мир, пришел к выводу, что методы классической генетики не позволяют вскрыть химическую природу генов, поэтому необходимо переходить к изучению механизмов наследственности на молекулярном уровне.

Очень долго, вплоть до середины XX века, природа генов оставалась загадкой, пока в 1944 г. американский генетик О.Т. Эйверн не установил, что гены встроены в другие гигантские биологические молекулы — нуклеиновые кислоты (от лат. «нуклеус» — ядро). Они были названы дезоксирибонунлеиновой (ДНК) и рибонуклеиновой (РНК) кислотами. Нуклеиновые кислоты входили в состав ядер всех живых клеток. Но детальный состав этих кислот очень долго не удавалось расшифровать из-за их колоссальной сложности.

Эту задачу удалось решить двум ученым: английскому физику и биологу Френсису Крику (1916–2004) и американскому биохимику Джеймсу Уотсону (р. 1928). Им помогали английские физики, владеющие методами рентгено-структурного анализа вещества. В результате удалось точно определить пространственное строение ДНК и даже создать ее модель. Молекула ДНК имеет вид как бы скрученной веревочной лестницы с перекладинами, закрученной по длине в правую спираль. Сразу же после успехов Крика и Уотсона в естествознании возникло новое научное направление, названное молекулярной биологией, которая занимается изучением биологических проблем (не только генетических) на молекулярном уровне, а затем и молекулярная генетика.

1.2.7. Панорама современного естествознания (6). Достижения естествознания, накопленные к концу XX века, грандиозны. По оценке Роберта Оппенгеймера (1904–1967) — американского физика, «отца атомной бомбы», «90% ученых всех стран и народов являются нашими современниками. Ими добыто 99% всех знаний, которыми располагает человечество».

Современные естественные науки сконцентрированы на трех основных направлениях:

1. Изучение очень большого — работают ученые в области наук о Вселенной: астрономия, астрофизика, космология и др.

2. Изучение очень малого — работают ученые в области наук о микромире: атомной и ядерной физики, физики элементарных частиц, физики космических лучей, физики низких температур, высоких давлений и т. д.

3. Изучение очень сложного — работают биологи: генетики, биофизики, биохимики, молекулярные биологи, эволюционисты и т. д.

Рассмотрим актуальные научные проблемы ведущих направлений современного естествознания.

Науки о Вселенной

1. Происхождение Вселенной. На сегодняшний день ответа на этот вопрос, сформулированный еще в эпоху античности, естествознанием не дано.

2. Эволюция Вселенной (прошлое, настоящее и будущее Вселенной).

3. Современный состав, структура и состояние Вселенной. Ответ дан лишь частично.

4. Происхождение Солнечной системы, Земли и других планет. Окончательного ответа нет, есть лишь отдельные гипотезы.

Науки, изучающие глубинное строение материи

1. Раскрытие понятия «элементарная частица». Число частиц все увеличивается, оно уже превысило число химических элементов.

2. Структура элементарных частиц. По современным представлениям, элементарные частицы все же являются комплексами субэлементарных частиц, которые не существуют в свободном состоянии. Выяснение этих субструктур — задача современной науки.

3. Взаимодействие элементарных частиц. Это особенно касается поведения частиц в экстремальных условиях: высоких и низких температурах, высоких давлениях, в сильных полях, при высокой концентрации материи.

4. Закономерности физического вакуума. Физический вакуум — это относительно новое понятие в современной науке и представляет новую, третью гипотетическую форму материи. Теория физического вакуума еще не завершена, его существование опытом не подтверждено.

5. Построение единой теории поля. У современных ученых возникло предположение, что четыре известных науке фундаментальных взаимодействия (четыре силы природы) являются проявлениями одной универсальной силы (так называемой «суперсилы») в тех физических условиях, которые существуют на поверхности нашей планеты, а также в ближнем космосе. Значит, в других экстремальных условиях эти силы должны объединяться (например, как в наших условиях объединены электрическая и магнитная силы в единое электромагнитное взаимодействие).

Исследования в области биологии

1. Строение и функции биомакромолекул (БММ). Успехи молекулярной биологии (молекулярное строение белков, механизм синтеза белка в клетке с участием нуклеиновых кислот, искусственный синтез белков и др.) позволили вплотную подойти к расшифровке генома — важнейшей проблеме генетики (геном — совокупность генов в ДНК). В 2000 г. усилиями ученых из США, России, Великобритании был расшифрован геном человека. Оказалось, что генов у человека 30–35 тысяч (меньше, чем предполагалось), причем из них 99,8% — единые для всех людей, а только 0,2% — индивидуальные. Таким образом, в биологическом отношении все мы друг от друга почти неотличимы. Работы в этом направлении усиленно продолжаются: не только с фундаментальными, но и с прикладными целями: лечить наследственные болезни, производить полезные микроорганизмы, биологическим способом — ценные лекарства, управлять селекционными процессами и т. д.

2. Регуляции функций клетки. Этим занимается наука «Биология клетки». Механизм протекающих в клетках процессов сегодня во многом еще не познан.

3. Индивидуальное развитие организма. Развитие организма на протяжении жизни одного поколения, от зарождения до смерти, называется онтогенезом (от греч. «онтос» — сущее, «генезис» — происхождение, образование). Механизмы онтогенеза очень сложны, во многом неясны. Неясно, как в деталях реализуется генная программа будущего организма, как возникают организменные структуры, как изменяются, отмирают, заменяются на новые и т. д.

4. Историческое развитие организма. Такое развитие, происходящее на протяжении жизни очень многих поколений и проявляющееся в изменении их видовых признаков, называется филогенезом (от греч. «филё» — племя). Теоретической основой изучения филогенеза является эволюционное учение о происхождении видов растений и животных. Однако в настоящее время эволюционное учение Дарвина в определенной мере уточнено и дополнено достижениями генетики, их сращение сформировало синтетическую теорию эволюции.

5. Происхождение жизни на Земле. Это проблема биогенеза, которая до настоящего времени наукой не решена. Она требует привлечения усилий специалистов из практически всех областей естествознания: биологии, химии, физики, геологии, космологии.

6. Происхождение земного разума (интеллекта). Это еще более сложная проблема. Пока точного ответа наука не дает, есть лишь гипотезы и предположения.

7. Биосфера и человек. Человеческий род наносит ощутимый урон биосфере, который бумерангом воздействует на самого человека. Это проблема требует немедленного решения.

8. Будущее Земли, жизни, разума. Эта проблема наукой также не решена.

Современная естественнонаучная картина мира

Мы живем в мире, состоящем из различных открытых систем, развитие которых подчиняется некоторым общим закономерностям. Этот мир имеет свою долгую историю, которая в общих чертах известна современной науке.

Вот краткая история развития нашего мира (см. табл. 1) (9).

Таблица 1

Краткая история развития нашего мира

Современной науке удалось во второй половине XX века «узнать» не только даты, но и многие механизмы эволюции Вселенной от Большого взрыва до наших дней. Предложена и обоснована концепция Большого взрыва, построена кварковая модель атома, установлены типы фундаментальных взаимодействий, сформулированы первые теории их объединений и т. д. Именно успехи фундаментальных наук физики и космологии формируют общие контуры научной картины мира. Эта картина и сложная и простая одновременно.

Сложная, потому что не всегда согласуется со здравым смыслом человека, привыкшего к классическим научным представлениям. Немножко «безумными» кажутся идеи корпускулярно-волнового дуализма квантовых объектов, внутренней структуры вакуума, способной рождать виртуальные частицы и др. Но ведь и мысль о шарообразности Земли казалась когда-то «безумной».

Но одновременно современная картина мира проста и даже элегантна. Такие качества ей придают ведущие принципы построения и организации современного научного знания (9):

• системность,

• глобальный эволюционизм,

• самоорганизация,

• историчность.

Системность означает, что Вселенная предстает как наиболее крупная из всех известных нам систем, состоящая из огромного множества элементов (подсистем) разного уровня сложности и упорядоченности (галактик, планетных систем, звезд, планет, внутренних систем звезд или планет до сегодня известных мельчайших элементарных частиц). Важное свойство системной организации — иерархичность, субординация, нижние системы включаются в системы более высоких уровней.

Глобальный эволюционизм — мы уже говорили, что это признание невозможности существования Вселенной и всех порождаемых ею менее масштабных систем вне развития, эволюции. Каждая составная часть нашего мира есть историческое следствие глобального эволюционного процесса, начатого Большим взрывом.

Самоорганизация — это наблюдаемая способность материи к самоусложнению и созданию все более упорядоченных структур в ходе эволюции. Это касается и неживой и живой природы, причем механизм перехода материальных систем в более сложное и упорядоченное состояние, по-видимому, сходен для систем всех уровней.

Историчность — признание принципиальной незавершенности настоящей, да и любой другой картины мира. Современная картина мира порождена предшествующей историей и специфическими социокультурными особенностями нашего времени. Развитие общества, изменение его ценностных ориентаций, осознание важности исследования уникальных природных систем, в которые включен сам человек, меняет стратегию научного поиска, само отношение человека к миру. Однако развивается и Вселенная. Но развитие Вселенной и развитие общества идет в разных темпоритмах. Поэтому их взаимное наложение делает мысль о построении окончательной, завершенной, абсолютной научной картины мира практически неосуществимой.

Все вышеизложенное — только общая панорама современной естественнонаучной картины мира. Теперь можно приступить к более детальному ее изучению.