История системного подхода в науке и технике

Долгое время (приблизительно с конца XVII в. по конец XIX в.) в естествознании господствовало механистическое воззрение на природу, основанное на вере в правомерность экстраполяции на все явления картины мира, впервые в целостном виде сформулированной Ньютоном в 1687 г. в его труде “Математические начала натуральной философии”. Такая экстраполяция основывалась на двух допущениях: на абсолютной верности ньютоновской механики и на возможности сведения к ней закономерностей всех форм движения материи. Оба допущения были в конечном счете неверны, однако с определенной степенью приближения эффективно работали долгое время и подтверждались важными открытиями. Так, на основании расхождений между реально наблюдаемыми и вытекающими из ньютоновской небесной механики данными в течение XVIII - первой трети XX в. были открыты три последние из больших планет Солнечной системы: Уран (1781), Нептун (1846) и Плутон (1930). Открытие Нептуна произвело особенно сильное впечатление в связи с тем, что за год до визуального обнаружения планеты ее наличия было предвычислено (впервые примененными для такой цели математическими приемами) на основании неправильностей в движении Урана. Это был яркий пример предсказательной силы науки, руководствовавшейся классическими принципами “Математических начал”.

Естествознание XVIII-XIX вв. в целом вслед за механикой Ньютона исходило из принципа тождества законов явлений на Земле и в космосе. XVIII столетие ознаменовалось быстрым, но в основном экстенсивным прогрессом физических и химических наук на основе ньютоновской механики и других достижений XVIII столетия. Объяснение той или иной формы движения приравнивалось к ее редукции к механическому перемещению. Ньютон интерпретировал таким образом свет, создав корпускулярную теорию света (в XIX в. она уступила место волновой теории). В XIX в. классическое естествознание обогатилось новой областью, связанной с изучением электромагнитных явлений, что однако не разрушило механистической картины мира, а лишь внесло в нее некоторые дополнения.

Неотъемлемой чертой механистической картины мира было также признание абсолютной детерминированности механистического типа для всех явлений. Такие крупные мыслители, как Г.В. Лейбниц или П.С. Лаплас столетием спустя, отстаивали возможность полного описания и даже предсказания всех явлений, включая биологические и социальные, если бы в достаточной мере были известны начальные условия - координаты и скорости всех материальных частиц для определенного момента времени. Мир, таким образом, мыслился как гигантский механизм, полное описание которого в терминах ньютоновской механики не сталкивается ни с какими сложностями, кроме чисто технических (наличие большого числа переменных).

С современной точки зрения недостатком классического естествознания было отсутствие посредствующих звеньев для объяснения взаимодействий, в силу чего воздействие одного тела на другое могло пониматься как влияние, минующее пространство: тело могло действовать там, где его нет. Ярким примером может служить ньютоновская трактовка действия одного тела на другое на любом расстоянии при явлениях тяготения.

Ньютон дедуцировал закон всемирного тяготения, рассматривая последнее в плане концепции дальнодействия, т.е. передачи силы или влияния без какой-либо посредствующей среды мгновенно на сколь угодно большие расстояния. Эта концепция в течение XVIII-XIX вв. не раз подвергалась критике, в отличие от трех основных законов, сформированных Ньютоном в “Математических началах натуральной философии" (законы инерции, связи силы с ускорением F=ma и равенства действия противодействию) и получивших всеобщее признание как основа классической физики, а в значительной мере и как образец для естествознания в целом. Современное естествознание отказалось от концепции дальнодействия, заменив ее представлением о действии полей, в свою очередь опосредованном воздействием частиц (квантов поля). Однако как раз применительно к гравитационным воздействиям механизм “близкодействия" остается еще не вполне проясненными экспериментально.

Опять можно отметить, что выбираются основные (для ученого) элементы окружающей действительности. Остальное, как опять же, первопричина всего сущего и причины возникновения силы притяжения, не принимаются в рассмотрение.

3.5 Универсальный закон сохранения количества вещества, открытий М.В. Ломоносовым

Законы механики Ньютона касались тяготения, движения и равновесия тел и оставляли в здании классического естествознания важный пробел, связанный с закономерностями сохранения в природе в целом и в замкнутых системах постоянного количества вещества. Этот пробел в 1756 г. восполнил пробел русский ученый-энциклопедист М.В. Ломоносов (1711-1765). Исходя из своих представлений о всеобщей взаимосвязи в природе, Ломоносов сделал вывод о том, что изменения массы вещества в одном месте обязательно влекут за собой изменения в другом, причем ничто не возникает из ничего. Этот вывод он подтвердил экспериментально, прокалывая металл в сосуде без доступа воздуха и измеряя вес сосуда до и после нагревания (вес оказался неизменным).

3.6 Феномен электричества и его истолкование в классическом естествознании

Одной из заслуг Ломоносова является, помимо всего перечисленного, разработка теории образования атмосферного электричества под действием восходящих и нисходящих токов воздуха. Исследования русского ученого по этой проблематике лежали в русле одной из важнейших тенденций науки эпохи Просвещения, стремившейся вписать обширный круг уже известных тогда феноменов статического электричества в механистическую картину мира. Отдельные сведения об электричестве накоплялись уже в древнем мире; у римского ученого Плиния Старшего (I в. н.э.) имеется даже сближение по свойствам янтаря и магнита, т.е. зачаток представления об общности электрических и магнитных явлений. К XVIII в. накопилось уже немало сведений об электростатических явлениях: о наличии положительных и отрицательных зарядов, о конденсаторах (“лейденская банка”), о возникновении электричества при трении и о его участии в физиологических процессах. Ломоносов совместно с Г.В. Рихманом количественно исследовали электричество, используя изобретенный Рихманом первый электрический измерительный прибор (“электрический указатель”). Рихман открыл явления электростатической индукции, затем проводил опыты по усовершенствованию молнеотвода, изобретенного незадолго перед тем в США Б. Франклином. Во время этих опытов Рихман трагически погиб от удара молнии (6 августа 1753 г.). В конце XVIII в.Ш. Кулон заложил основы электро- и магнитостатики.

Все эти исследования вряд ли были бы возможны без радикального прорыва в области учения об электричестве и магнетизме, осуществленного на рубеже XVII и XVIII вв. английским физиком У. Гилбертом (1544-1603 гг.).

Свое сочинение “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”, где описаны результаты более 600 опытов, Гилберт опубликовал в 1600 г. Здесь он впервые подробно описал поведение магнитной стрелки, установил нераздельность северного и южного полюсов магнита и невозможность получить магнит с одним лишь полюсом. Путем изучения с помощью магнитной стрелки свойств намагниченного шара, Гилберт открыл их соответствие магнитным свойствам Земли, установив таким образом, что последнюю можно рассматривать как “большой магнит”. Он открыл также несоответствие магнитных полюсов Земли географическим северному и южному полюсов.

В течение XIX в. к первичным сведениям относительно статического электричества, накопленным со времен Гилберта, Ломоносова и Кулона, добавился ряд разделов научного и технического знания, выросших на основе понятия электрического тока. Английский физик М. Фарадей (1791-1867) показал взаимосвязь между электрическими и магнитными явлениями, а также между светом и магнетизмом (на примере вращения скорости поляризации света в магнитном поле). Он ввел в 1852 г. и самое понятие поля, в том числе электромагнитного, и усовершенствовал существовавшую и ранее, но не всеми признаваемую теорию волновой природы света, высказав идею об электромагнитной природе света. Эта идея хорошо согласовалась с волновой концепцией света О.Ж. Френеля - Т. Юнга, но противоречила более традиционной корпускулярной концепции света как потока частиц (И. Ньютон). Волновая концепция, хорошо объяснявшая дифракцию и интерференцию, а также электромагнитная концепция света Фарадея послужили для другого английского физика, Дж.К. Максвелла (1831-1879), стимулом к созданию в 1860-1865 гг. теории электромагнитного поля, которая придала завершенный характер классической физике: область электрических явлений благодаря этой теории стала частью предмета физики и оказалось вписанной в механистическую картину мира в таком же смысле, как ранее это можно было сказать о собственно механических явлениях. Свою теорию электромагнитного поля Максвелл сформулировал в виде системы дифференциальных уравнений; убедительно подтвердил то, что у Фарадея оставалось догадкой - что свет есть один из видов электромагнитного излучения; вычислил, что таковое должно распространяться в пустоте со скоростью света. Экспериментальное доказательство существования электромагнитных волн было дано в 1888 г. немецким физиком Г.Р. Герцем (1857-1894), наблюдавшим их интерференцию, поляризацию, преломление и т.д. Отметим, что в том же году (1888) опыты Герца повторил А.С. Попов (1859-1906) и затем высказал идею о возможности их использования для передачи сигналов на расстоянии - мысль, легшая в основу изобретенного им же в 1895 г. радиоприемника и его же открытия эффекта радиолокации (1897).

Математически углубив электродинамику, Герц придал ей форму, полностью демонстрировавшую симметрию между электрическими и магнитными явлениями (“электродинамика Максвелла - Герца”).

Синтезу классического естествознания способствовала точка зрения Максвелла на электрическую и на любой вид энергии как на эквивалент механической. Объединению теории электрического поля с ньютоновской механикой содействовало также признание Максвеллом существования эфира - абсолютно однородной среды, заполняющей все мировое пространство и служащей субстратом для распространения электромагнитных волн всех диапазонов. Гипотеза эфира впоследствии оказалась ложной, но на данном этапе только с ее помощью можно было обойтись без концепции дальнодействия. Теория электромагнитного поля, разработанная Максвеллом и ставшая затем общепризнанной, в конечном счете не нуждалась в допущении эфира.

Управления Максвелла, позволившие определять основные параметры электромагнитного поля в зависимости от пространственного распространения зарядов и токов, легли в основу классической электродинамики. Однако они оказали неприложимыми к электромагнитным волнам малой длины и большой частоты: для этого случая оказалось необходимым разработать иные закономерности, относящиеся уже к области квантовой электродинамики.

3.7 Основные достижения постклассической физики

Квантовая электродинамика возникла в рамках квантовой теории поля и до настоящего времени остается наиболее разработанной частью этой теории, основе которой лежит тезис, что поле (в частности электромагнитное) обладает не только непрерывными свойствами, как это предполагалось классической максвелловской электродинамикой, но и прерывными (дискретными) свойствами. Носителями последних являются кванты поля, точнее, соответствующих ему излучений. В случае света и других электромагнитных излучений эти кванты называются фотонами.

Начало XX столетия совпало с началом квантовой механики - теории, ставящей целью объяснить свойства и движение элементарных микрочастиц - дискретных частиц чрезвычайно малой (вплоть до нулевой) массы, к которым относятся как элементарные частицы, так и более сложные объекты микромира, например, атомные ядра и атомы в целом. Первыми экспериментальными предвестниками нового подхода были открытие рентгеновских лучей и радиоактивности, а также первой из ставших известными элементарных частиц - электрона. Все эти события произошли в 1895-1897 гг. Однако непосредственно начало квантовой механике положила лишь в 1900 г. работа немецкого физика Планка (1856-1947). В 1900 г. он выдвинул предположение, что атом изучает световую или вообще электромагнитную энергию лишь определенными порциями - квантами.

Гипотеза Планка на новом уровне возродила корпускулярную теорию светаПредпосылками квантовой концепции Планка-Эйнштейна было открытие фотоэффекта Герцем в 1887 г., электрона Дж. Дж. Томсоном в 1898 г. и объяснение фотоэффекта как испускания электронов Ф. Ленардом в 1899 г. На этом примере видна тесная преемственность классического естествознания с современным, постклассическим: переход от первого ко второму в ряде случаев совершается с такой непрерывностью, что граница не всегда сразу видна. В данном случае ее образуют публикации Планка и Эйнштейна 1900-1905 гг., знаменовавшие переход к новому, квантовому образу мышления.

Исходя их этого образа мышления, датский физик Н. Х.Д. Бор (1885-1962) усовершенствовал созданную в 1911 г.Э. Резерфордом (1871-1937) планетарную модель атома, согласно которой почти вся масса атома сосредоточена в ядре, а вокруг ядра по круговым орбитам вращаются электроны. Однако по законам классической механики такая система не могла быть устойчивой: все электроны давно должны были упасть на ядра. Согласно внесенному в 1913 г. Бором уточнению, электроны, вращаясь вокруг ядра атома по орбитам стационарным орбитам, не излучают энергии, но переходя с одной из своих “допустимых" орбит на другую, излучают в каждом случае квант энергии. Позже Бором была разработана “копенгагенская интерпретация" квантовой механики, исходящая из того, что о самом существовании микрочастиц, тем более об их свойствах и движениях, можно судить только в контексте наблюдения.

Квантовая механика совершенно по-новому осветила микромир и его закономерности, о которых ранее имелись лишь смутные догадки. Эйнштейн в 1905 г., развивая идею Планка о квантованности электромагнитного излучения, предположил, что это излучение и в том числе видимый свет не только испускается порциями, но и вообще состоит из таковых, т.е. из квантов света (фотонов), энергия которых пропорциональна частоте световых волн. Фотон может превращаться в электрон и позитрон - под последним имеется в виду положительно заряженный “двойник” электрона. Позитрон был открыт сначала теоретически, затем уже экспериментально, в космических лучах, и это открытие вызвало к жизни идею, что и у других элементарных частиц есть двойники-античастицы; каждая частица при становлении со своей античастицей аннигилирует. Помимо позитронов, были затем обнаружены антипротоны, антинейтроны и многие другие античастицы. Массы и спины частиц и соответствующих им античастиц равны, что же касается электрических зарядов и магнитных моментов, то и те и другие у частиц и их античастиц равны по величине и противоположны по знаку. Однако нет точных данных, насколько античастицы распространены во Вселенной: нет ли, в частности, таких крупных областей, которые были бы заполнены состоящим из одних античастиц “антивеществом” (проблема антимиров).

Сейчас известно уже довольно много видов элементарных частиц. Многое в классификации элементарных частиц остается пока гипотетическим и условным; например, не дали еще общезначимых результатов поиска гравитона - частицы, соответствующей гравитационному полю, как фотоны соответствуют электромагнитному.

3.8 Корпускулярно-волновой дуализм (волны де Бройля)

В основе квантовой механики лежит парадоксальное с точки зрения классической (неквантовой) физики положение о том, что в поведении микрочастиц проявляются как корпускулярные, так и волновые черты. Это положение не является чисто теоретическим тезисом с целью построить законченную картину мира, но получило прежде всего экспериментальным путем. Показано, например, что пучок электронов, падающих на кристалл, дает дифракционную картину, объясняемую только при волновой трактовке электронов, в то время как в других случаях они ведут себя явно как частицы.

Концепция Планка - Эйнштейна основывалась на том, что свет представляет собой поток частиц - фотонов. Но это противоречило важной предпосылке самой этой концепции, идее Максвелла о свете как электромагнитных волнах. Эйнштейн предположил, что противоречие это является реальным: свет является в одно и то же время и волнами и потоком частиц. Например, при соударении с металлами фотоны, действуя как частицы, выбирают (при определенной частоте света и следователь, энергии фотонов) из металла электроны; в других случаях, например, при интерференции и дифракции, свет ведет себя как волна. В 1924 г.Л. де Бройль распространил этот корпускулярно-волновой дуализм, т.е. концепцию двоякой (корпускулярной и волновой) природы одного и того же объекта, на вещество, предположив, что вообще поток материальных частиц должен обладать и волновыми свойствами, однозначно соответствующими массе и энергии частиц. При всей непривычности для сознания физики того времени идеи тождества на микроуровне таких разных объектов, как частица и волна, принятие корпускулярно-волнового дуализма в конечном счете оказалось единственным разумным выходом из противоречия между в равной мере обоснованными волновой и корпускулярной природой света. Обобщение дуализма на всю материю явилось одним из первых и наиболее резких признаков совершившегося перехода к неклассическому мышлению в естествознании. Уже в 20-е годы гипотеза де Бройля получила широкое признание, в том числе и тот ее момент, что количественное соотношение между волновыми и корпускулярными свойствами для всех частиц то же, что было ранее предположено Планком для фотонов.

Э. Шредингер, используя бройлевское обобщение, создал в 1926 г. волновую механику - теорию движения микрочастиц, в которой для описания состояния микрочастиц введена волновая функция. Опыт подтвердил, что все микрочастицы обладают также и волновыми свойствами, а волновым процессам и следовательно, полям присуща дискретность. Таким образом, благодаря корпускулярно-волновому дуализму, вопреки буквальному смыслу слова “дуализм”, была преодолена противоположность между двумя ранее признававшимися формами существования материи: веществом и полем.

Ярким примером проявления корпускулярно-волнового дуализма служат опыты с электронами, в которых у последних наблюдаются, с одной стороны, типичные корпускулярные свойства (электроны) обнаруживают при столкновениях определенную энергию и импульс, имеют траекторию движения и сместе с тем волновые свойства (подтверждаются диффракции; дают интерференционную картину). В отличие от движения классических (более крупных) частиц для движения, микрочастицы не могут быть одновременно определены координата и импульс: это так называемый “принцип неопределенности”. Он тесно связан с другим, более широким принципом: с принципом дополнительности, согласно которому для познания явлений в их целостности необходимо применение взаимоисключающих (взаимно “дополнительных”) классов понятий. Для микрочастиц такими дополнительными понятиями как раз и являются понятия импульса и координаты, или понятия волны и частицы. Идея дополнительности далеко выходит за пределы физики: например, в концепции естественного отбора дополнительны друг другу внутренние (изменчивость генома) и внешние (влияние среды) факторы, в психологии - детерминизм и свобода.

3.9 Специальная теория относительности Эйнштейна (теория электромагнитного поля)

К концу XIX столетия классическое естествознание, которое как раз к этому времени сложилось в целостную и относительную законченную систему знаний о природе и ее законах, давшую возможность описывать и объяснять, казалось бы, любые феномены на основе принципов (1) детерминизма (учения о всеобщей детерминированности), (2) единства закономерностей поведения объектов микро - и макромира, а также (3) сведения высших уровней организации к низшим. Считалось, например, что биологические и даже психологические явления со временем будут сведены к химическим и физическим, а поведение любой сколь угодно сложной системы можно будет вычислить на будущее, если заданы начальные условия.

В основе сложившегося, таким образом, к концу XIX в. классического естествознания - и прежде всего, его наиболее законченной части, механики и физики, - лежала, как было сказано, механистическая жестко детерминистская картина мира и редукционизм (учение о всеобщем значении принципа редукции) как ее важная предпосылка. Осталось несколько аномалий, т.е. фактов несомненных, но не поддававшихся объяснению при имевшемся концептуальном аппарате: прежде всего, несогласованность электродинамики Максвелла с ньютоновской механикой, - несогласованность, которую пытались устранить допущением единой мировой среды, эфира, но эта гипотеза вела к еще большим трудностям и противоречила экспериментальным данным. Далее, не удавалось объяснить отклонение лучей света от прямой траектории при их прохождении около Солнца и некоторые неправильности (по сравнению с тем, что должно было следовать из вычислений), наблюдаемые в годичных смещениях перигелия Меркурия.

Однако по сравнению с бесчисленным множеством явлений, вполне удовлетворительно разъясненных классическим естествознанием, оставшиеся аномалии (заметим, что в XX в. они были разъяснены теорией относительности А. Эйнштейна, см.2.4.3 и 2.4.4) не представлялись особенно важными. Не угасала надежда на их устранение в ходе дальнейшего прогресса классического естествознания.