История системного подхода в науке и технике

К тому же в течение всего времени своего формирования (условно - до середины XIX в) и господства (вторая половина XIX в.) классическое естествознание многократно подкреплялось данными практики. Вся техника и промышленность девятнадцатого, в значительной мере и двадцатого века была основана на полученном классической физикой теоретическом и экспериментальном знании, в частности, о свойствах главных для XVIII - первой половины XIX в. (пар) и для последующего периода (электричество) видах энергии.

Наука превратилась к концу XIX в. в социальный институт и неотъемлемую часть культуры всех развитых стран, стала (особенно это касается естествознания) одной из важнейших производительных сил. Отрицательные последствия науки (для экологии, в плане создания средств массового уничтожения и т.п.) еще не выглядели чет-то опасным, и сциентизм (надежда на науку как средство решения всех социальных проблем) был распространенной формой идеологии. По сравнению со всеми остальными социальными сферами и институтами, естествознание выступило как нечто наиболее прогрессивное и прогрессирующее. Казалось, что дальнейшая достройка огромного здания естественных наук будет заключаться лишь в выяснении второстепенных деталей и во все новых и новых прикладных приложениях классического естествознания, само же оно остается неоспоримым. Тем не менее на рубеже XIX и XX вв. ситуация изменилась, что привело к формированию современного естествознания, которое по отношению к классическому (или как иначе говорят, ньютоно-линнеевскому) часто называют неклассическим или постклассическим.

Двадцатый век начался с появления совершенно новой трактовки физической реальности - с создания А. Эйнштейном (1879-1955) теории относительности. Прежде всего он разработал ее применительно к кардинальным для физики категориям пространства и времени (1905). Это была так называемая специальная теория относительности (СТО). В ней пространство и время потеряли свой абсолютный характер, не подвергавшийся после Ньютона сомнению, и были заменены единым целым - “пространством-временем”, зависящим от системы отсчета, по отношению к которой оно определено. Все инерциальные системы отсчета (ИСО) равноправны в отношении всех физических явлений и процессов, причем свет распространяется относительно всех ИСО с одинаковой скоростью с, каковая представляет собой наивысшую возможную скорость (скорость света в вакууме). Относительны даже такие свойства событий, как одновременность и последовательность во времени: одновременные в одной ИСО события могут оказываться неодновременными в другой. Получила свое обоснование эквивалентность инертной и гравитационной масс, принимавшаяся в классической механике просто как факт. Понятие массы потеряло свою независимость от энергии и скорости, как было у Ньютона. Формула E=mc2 определяет энергию, связанную с данной массой m и пропорциональную ей; фиксируемые этим соотношениям количества энергии действительно освобождаются при ядерных реакциях и взрывах атомных бомб.

Предметом СТО является описание распространения света и других электромагнитных излучений (и соответствующих им полей) в ИСО. Согласно СТО, теория электромагнитного поля не требует допущения эфира или иной среды и оказывается непротиворечивой при признании независимости скорости света от системы отсчета. Эта же скорость (с) является предельной для передачи любых сигналов и взаимодействий. Электромагнитное поле в пустоте стало рассматриваться как новый вид физического объекта (ранее предполагалось, что поле нуждается в носителе - эфире). В трудах А.Х. Комптона и других ученых, начиная с 10-30-х годов, была выявлена связь релятивистских (т.е. относящихся к теории относительности) постулатов и квантовой электродинамики в рамках теории электромагнитного поля.

Согласно СТО, событие А в какой-либо ИСО, являющееся причиной события В, для наблюдателя из некоторой другой ИСО вполне может выглядеть, наоборот, как следствие этого события В. Однако такого рода парадоксы могут приобрести практическое значение только при скоростях, близких к с, а в более привычных для экспериментаторов условиях сохраняют все свое значение классические кинематика, динамика и статика.

Больше того, некоторые положения классической физики получили в СТО дополнительное и более общее обоснование. Основоположения СТО подразумевают, как и классическая физика, что пространство является евклидовым; вместе с тем физика освобождается от постулатов об абсолютном характере пространства и времени, а все измерения привязываются к чисто эмпирически данным ИСО.

3.10 Теория гравитационного поля (общая теория относительности) Эйнштейна

Значительно дальше (про сравнению со СТО) отошла от классической физики созданная Эйнштейном на более позднем этапе его деятельности общая теория относительности (ОТО). В ней пространство уже не является евклидовым, т.е. пространством нулевой кривизны, но связывается с распределением и движением масс показателем кривизны: структура пространства - времени определяются, согласно ОТО, перемещением масс материи, включает в себя поле тяготения и этим отличается от однородной структуры пространства и времени в СТО. Тело, движущееся по инерции, искривляет свое движение под влиянием других (удаленных от него) тел: согласно классической физике, это влияние есть воздействие сил тяготения. Согласно ОТО, напротив, оно есть результат неоднородности, “неевклидовости" пространства - времени, гипотеза же дальнодействия оказывается излишней, а поле тяготения отождествляется с геометрическими свойствами пространства. До создания ОТО закон тяготения никак не был связан с законами механики: например, у Ньютона он, как известно, формируется вне связи с тремя его началами (принципами, законами Ньютона - об инерционном движении, о силе F=ma и о противодействии) и как нечто взятое из опыта и не выводимое из этих начал. Астрономические наблюдения подтвердили большую точность ОТО по сравнению с ньютоновским законом тяготения; в частности, подтвердилось требуемое ОТО влияние тяготения на частоту и распространение световых лучей (вспомним, что факт такого влияния, обнаруживаемого вблизи Солнца, был одной из аномалий, ослабивших в конце XIX в. позиции классического естествознания). Сила тяготения, согласно ОТО, есть определенное состояние пространства - времени, а гравитационные волны - “волны пространства-времени” или “волны в пространстве-времени”. ОТО фиксирует отличие априорной, математической геометрии от геометрии физических тел, всегда нуждающейся в экспериментальной проверке. В контексте теории относительности по-новому поставлен и решен вопрос о соотношении инертной и гравитационной массы.

3.11 Эквивалентность инертной и гравитационной массы

Как видно из сказанного, теория относительности поставила перед естествознанием новые задачи, в частности, проблему реальности гравитационного излучения, несущего энергию, и соответственно гравитационных волн (волн тяготения). Намечаются также задачи истолковать в геометризованном духе не только гравитационное, но и другие виды полей; разработать ОТО применительно к миру элементарных частиц; и т.д. Экспериментально давно было установлено, что обе массы эквивалентны друг другу с точностью до некоторого постоянного соотношения между измеряющими их единицами. В плане ОТО эта эквивалентность означает эквивалентность инерционных и гравитационных полей.

Инертная масса m определяется ньютоновским соотношением F=mа и служит мерой инерции тела: чем больше инертная масса тела, тем меньше ускорение (под действием одной и той же силы) оно приобретает, иными словами, тем больше его инерция. Но вместе с тем масса выступает как источник поля тяготения и с этой точки зрения определяется уже рассмотренной нами в разделе 2.2.1 формулой где r - расстояние между двумя взаимно притягивающимися телами, m1 и m2 - их массы, G - гравитационная постоянная. В этом смысле, т.е. как источник тяготения массу называют гравитационной.

Вообще говоря, теоретически (в рамках классической физики) можно представить себе, что инертная и гравитационная массы не находятся ни в каком определенном соотношении и даже не взаимосвязаны. Однако опыт с очень высокой степенью точности показывает, что они эквивалентны, т.е. при соответствующем подборе единиц измерения оказываются равными. Собственно именно благодаря этой эквивалентности мы и можем определять массу тела взвешиванием. Если в рамках классической механики эквивалентность гравитационной и инертной масс выглядит чисто эмпирическим фактором, то в теории относительности этот факт получил теоретическое объяснение. Оно заключается в “распространении принципа относительности на системы координат, движущиеся неравномерно друг относительно друга. Действительно, такая концепция приводит нас к признанию единства инерции и тяготения; в зависимости от того, каким образом мы их рассматриваем, одни и те же силы могут представляться находящимися под действием только сил инерции или под совместным действием как сил инерции, так и тяготения … Возможность объяснить численное равенство между инерцией и тяготением на основе единства их природы доставляет общей теории относительности столь большое превосходство над представлениями классической механики, что все трудности, с которыми она сталкивается в своем развитии, следует по сравнению с этим считать незначительными" (А. Эйнштейн. Сущность теории относительности. М., 1955, с.54-55).

3.12 Открытие элементарных частиц

Одним из отличий постклассических представлений от более ранней физики является изменившаяся картина материи. В основе этой картины в XX в. лежит идея элементарной частицы как далее неделимой структуры. К концу столетия стало общепризнанным, что самое свойство “неделимости” не так очевидно, как думали ранее. Если элементарные частицы и не делятся на части, то они в очень широких пределах друг в друга превращаются. Но в течение большей части XX в. в сознании ученых элементарные частицы были носителями свойства “неделимости” подобно тому, как раньше это свойство приписывали атомам. Что же касается атомов элементов, то они конечно, уже не были в понимании XX в., как для античных мыслителей или для ученых XVII-XIX вв., чем-то неделимым, но мыслилась как состоящая из частей: из электронов и ядра, которое в свою очередь включает в свой состав ряд элементарных частиц.

Открытие античастиц явилолсь одним из примеров введения постклассическим естествознанием правил, не могущих быть понятыми или интерпретированными в рамках классической физики.

За последние десятилетия был открыт (точнее, вычислен, предположен на основе убедительных математических соображений) еще целый ряд “виртуальных”, существующих по-видимому, но не обнаруживаемых в эксперименте частиц, для которых не выполняются обычные соотношения между массой, импульсом и энергией. С другой стороны, много непривычных свойств (например, дробность электрического заряда и т.д.) постулировано для таких ненаблюдаемых, но необходимых для обоснования многих процессов в микромире, как кварки и актикварки (см.2.4.1). В особую категорию выделены, начиная с 1950-х годов (работы Э. Ферми) короткоживущие возбужденные состояния адронов - “резонансы”. В конечном счете нет уверенности, что известные сейчас элементарные частицы являются подлинно элементарными в смысле неразложимости. Однако существенно, в частности в плане концепции корпускулярно-волнового дуализма (см.2.4.2), что каждой частице ставится в соответствие определенный вид поля. Из всех элементарных частиц выделяется группа частиц, возможно, “элементарных" в полном смысле слова, которые определяют всю специфику процессов в микромире. Это кварки и лептоны (частицы со спином 1/2); бозоны, фотоны, глюоны - частицы, “склеивающие” кварки в нуклоне (спин 1/2); а также гипотетические гравитоны.

В настоящее время решается задача объяснить на основе известных и предполагаемых свойств элементарных частиц важнейшее свойство атома - его устойчивости в течение огромных промежутков времени. В первом приближении объяснение этого было достигнуто уже Планком с помощью его гипотезы об элементарном кванте действия (синоним: постоянная Планка, см.2.4.1). Как писал Н. Бор, “… только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжелую частицу, практически бесконечно малого размера. Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояние с испусканием освобождаемой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения … Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания” (цит. по: В.И. Кузнецов и др., 1996, с.138). В самом деле, учение о жесткой детерминированности благодаря квантовой механике и другим отраслям постклассической физики все больше уступает место принципу неопределенности, а также статистическому и другим более гибким подходам. И в первую очередь этот сдвиг в подходе реализовался благодаря исследованиям мира элементарных частиц.

Интенсивное развитие физики микромира привело к выделению в качестве особой дисциплины ядерной физики

Теория относительности, хотя в принципе и универсальная по своему применению, все же находит приложение и проверку чаще всего на мегауровне, в связи с явлениями масштаба Галактики и Метагалактики (см. ниже). Напротив, квантовая механика исследует прежде всего явления, развертывающиеся на уровне элементарных частиц и вообще индивидуальных микрочастиц. Более приближенные к человеческому уровню восприятия системы, системы мезоуровня продолжают изучаться с одной стороны, средствами классической ньютоновской механики, а с другой, статистически. Примером глубокого проникновения статистических методов в современное естествознание может служить термодинамика. Третье из ее основных начал, принцип недостижимости абсолютного нуля, было установлено В.Ф.Г. Нернстом в 1906 г., в то время как два остальных начала термодинамики - закон сохранения энергии и принцип неубывания энтропии, т.е. меры вероятности состояния системы (микросистема может без внешних влияний переходить лишь от менее к более вероятным состояниям: от порядка к беспорядку, от определенной температуры к более низкой и т.д.), были известны ранее. Из второго начала делался вывод, что мировой процесс должен привести к максимизации энтропии и “тепловой смерти” Вселенной. Однако ОТО показала, что энтропия космических терподинамических систем может сколь угодно долго возрастать без достижения ими равновесного состояния с максимальным значением энтропии. По крайней мере в этом отношении постклассическое естествознание внесло ноту оптимизма в научное миросозерцание, поскольку вопрос о тепловой смерти перестал быть актуальной темой мировоззренческих дискуссий.

3.13 Физика и космология

Современные астрономия и космология перестали быть сочетанием чисто наблюдательного и умозрительного подхода, как это имело место до конца XIX в., и стали дисциплинами, опирающимися на точное физическое знание, в особенности на теорию относительности и квантовую механику

Классическое естествознание рассматривало Вселенную как стационарную систему, которая всегда была более или менее такой, как сейчас. Это допущение отражало более общие постулаты об однородности и абсолютности пространства и времени, отвергнутые, как мы видели, теорией относительности. На базе ОТО советский физик и математик А.А. Фридман (1888-1925) в 1922 г. теоретически предсказал, что вселенная может расширяться и сужаться. Согласно уравнениям Фридмана, существуют разные возможности: если средняя плотность вещества Вселенной равна или меньше некоторой критической величины, Вселенная неограниченно расширяется (видимо, эта возможность на данном этапе и соответствует реальности, что подтверждается методами спектроскопии: в спектрах галактик красные линии смещены таким образом, что создают картину удаления галактик от нас во все стороны со скоростью, пропорциональной квадрату расстояния. Это “красное смещение”, поразительным образом подтвердившее гипотезу Фридмана, было открыто через несколько лет после опубликования его работы). Если же плотность больше критической, Вселенная сжимается. При модели расширяющейся Вселенной, Вселенная первоначально имела точечный вид как бы шарика размером подобного электрону, а плотность ее была около 10100 г/см3. Температура ее была трудно представима, порядка миллиона миллионов градусов. После первичного так называемого Большого взрыва размер Вселенной стал увеличиваться, а температура - снижаться, пока тот и другая не достигли величин, о которых мы можем более или менее непосредственно судить, поскольку от них осталось нечто доступное измерению, а именно реликтовое радиоизлучение - излучение сохранившихся в межзвездных пространствах скоплений водородно-гелиевой плазмы, которые остались неизменными со времени до образования звезд. Все величины, относящиеся к более раннему периоду, получены путем простой экстраполяции более поздних процессов на самые ранние этапы образования Вселенной и потому не столь достоверны и уже неоднократно пересматривались. В частности, удаленность от нас Большого взрыва принималась равной 4-5 миллиардов лет, сейчас - 20-25 миллиардов лет, но и эти цифры не окончательны.

В период, от которого осталось реликтовое радиоизлучение, т.е. приблизительно 3-4 миллиарда лет тому назад, Вселенная состояла из более или менее однородной смеси водорода с гелием, со сравнительно “низкой" температурой - 4-5 тысяч градусов. Позднейшая сверхвысокая температура в недрах звезд возникла вторично в результате, скорее всего, термоядерных реакций. Радиус Вселенной в эпоху формирования реликтового излучения составлял около 15 миллионов световых лет.

3.14 Концепции современной химии и их формирование в ходе великих химических открытий

Вплоть до XVIII столетия в химии удерживались чисто умозрительные представления о том, что вещество состоит из “стихий" типа постулированных еще средневековыми алхимиками “ртути”, “серы" и др. или из “начал” наподобие невесомого “теплорода” (“флогистона”), якобы служащего причиной теплоты. Однако уже в 1660-х годах английский ученый Р. Бойль (1627-1691) ввел научное определение химического элемента как простого тела, которое не может быть получено из других тел и веществ. Он ввел в химию экспериментальный метод и измерение, положил начало исследованию закономерностей связи между объемом и давлением газов. Однако лишь в XVIII в. химия стала приобретать характер науки, основанной на выявлении системы объективных закономерностей. Впрочем, этому продолжало мешать господство концепции флогистона и недостаточность надежных количественных данных.

3.15 Закон сохранения массы Ломоносова

Выступив против концепции флогистона, Ломоносов пришел к гораздо более правдоподобному предположению, что теплота обусловлена вращательными движениями “корпускул”. Он выдвинул ставшую впоследствии известной формулировку закона сохранения массы: “Все перемены, в натуре случающиеся, такова суть состояния, что сколько у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому”. Если Бойль еще доказывал существование флогистона тем, что металл после прокалывания увеличивает свой вес, то Ломоносов в 1756 г. опроверг эти опыты (точнее, их ложную трактовку Бойлем) тем, что при прокалывании без доступа воздуха прибавки веса не получается. Этот факт был подтвержден в 1774 г. французским химиком А.Л. Лавуазье (1743-1794), показавшего затем, что прибавка веса является результатом присоединения особого элемента - кислорода.

3.16 Закон постоянства состава веществ Пруста

Для развития химии необходима была фиксация предмета этой науки как чего-то характеризуемого постоянными и устойчивыми признаками. В этом отношении важнейшую роль сыграли работы французского химика Ж.Л. Пруста (1754-1826). Исследовав состав многочисленных хлоридов, сульфидов, а также окислив металлов, он на рубеже XVIII и XIX вв. открыл закон постоянства химических соединений, гласящий, что каждое химическое соединение, независимо от способа, каким оно было получено, состоит из одних и тех же элементов, притом стоящих друг к другу в одних и тех же весовых отношениях. Без этого закона не удалось бы подвести базу под классическое атомно-молекулярное учение (см.1.3.4 и 1.3.5).

3.17 Закон эквивалентов Рихтера

Немецкий химик И.В. Рихтер (1762-1807) стремился отыскать в химических реакциях математические закономерности. В 1793 г. ему удалось показать, что в любой реакции, ведущей к образованию определенного соединения, элементы взаимодействуют в строго определенных пропорциях. Эти пропорции получили впоследствии название эквивалентов, а закон эквивалентов нашел выражение в виде таблиц, ставших основой количественного описания всех известных тогда реакций. Закон эквивалентов Рихтера стал одной из предпосылок химической атомистики.

3.18 Закон кратных отношений Дальтона

Первые определения атомных весов элементов были выполнены в первые годы XIX в. английским химиком и физиком Дж. Дальтоном (1766-1844). Обоснованием химической атомистики послужил также его закон кратных отношений для случая, когда два химических элемента образуют друг с другом несколько соединений: весовые количества одного из элементов, поделенные на таковые другого, относятся между собой, как простые целые числа.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8