Универсальные принципы естествознания (наука в общечеловеческом измерении) (стр. 5 )

10.  В чем состояло философское, мировоззренческое значение основополагающих результатов классической химии?

11.  Чем химия как наука отличается от алхимии, магии и т. п.?

12.  Опишите место биологии в системе знаний о природе.

13.  Чем отличается живое от неживого?

14.  Какова роль клеточного строения живых объектов? Как устроена и функционирует клетка?

15.  В чем состоит сущность и значение клеточной теории строения биообъектов?

16.  Перечислите и кратко охарактеризуйте основные гипотезы происхождения жизни на Земле.

17.  Что составляет предмет биологии?

18.  Какие закономерности являются общими для живой и неживой природы?

19.  В чем сущность известных Вам эволюционных теорий?

20.  Сформулируйте и прокомментируйте основные положения теории Ч. Дарвина.

21.  В чем состоит мировоззренческое значение дарвинизма?

Литература

1.  . Философские вопросы современной физики. М. 1988.

2.  Ньютон и философские проблемы физики. 20 век. М. 1991.

3.  . Физика для философов. М. 1989.

4.  Р. Фейнман. Характер физических законов. М. 1968.

5.  Физическое знание: его генезис и развитие. М. 1993.

6.  Историзм и эволюционизм как принцип познания. Киев. 1987.

7.  Философские проблемы современной химии. М. 1971.

8.  и др. Философские вопросы химии. Л. 1976.

9.  . Философские вопросы химии. М. 1970.

10.  . Материалистическая философия и химия. М. 1980.

11.  . Эволюция основных теоретических проблем химии. М. 1971.

12.  , . Химия на перекрестке наук. М. 1989.

13.  , . Химия и мировоззрение. М. 1986.

14.  . Диалектика развития химии. М. 1973.

15.  . Философия и химия. Ростов-на-Дону. 1991.

16.  , . Химическая форма материи. М. 1983.

17.  . История химии. М. 1979.

18.  . Мир живого: системность, эволюция и управление. М. 1996.

19.  и др. Биология: общие закономерности. М. 1996.

20.  История биологии с древнейших времен до начала 20 века. М. 1972.

21.  , , . Естествознание. М. 1996.

22.  – Ресовский и др. Краткий очерк теории эволюции. М. 1969.

23.  Философские проблемы естествознания. М. 1985.

24.  . Общая теория жизни. М. 1985.

25.  Философия биологии. М. 1996.

26.  Взаимодействие методов естественных наук в познании жизни. М. 1976.

27.  . Начало и вечность жизни. М. 1989.

28.  Гуманистические аспекты биологического познания. Киев. 1991.

29.  . Биология и мировоззрение. М. 1980.

30.  Природа биологического познания. М. 1995.

31.  Пути интеграции биологического и социогуманитарного знания. М. 1991.

32.  . Живое вещество. М. 1978.

33.  . Еще раз о проблеме коэволюции // Вопросы философии. 1998, № 8.

34.  – Данильян. Возможна ли «коэволюция природы и общества»// Вопросы философии. 1998, № 8.

. Внешняя стохастизация макросистемы и дискретность состояний микрообъектов.// Вопросы философии. 1993, № 11, с. 152.

Чем дальше эксперимент от теории, тем ближе он к Нобелевской премии.

Ф. Жолио-Кюри

Модуль 6

Третья научная революция

Предпосылки. Зарождение и основные положения постклассической науки. Смена познавательных парадигм.

Успехи классического естествознания были так велики, что на время «усыпили бдительность» и здоровый скепсис, обычно свойственный крупным ученым. К концу 19-го века подавляющее большинство естествоиспытателей и философов считали, что физическая картина мира в основном построена, ничего принципиально нового и неизвестного в природе больше не осталось. Следующим поколениям предстоит лишь уточнять детали, совершенствовать интерпретации и теории. Разве что несколько экспериментальных фактов слегка омрачали безоблачное небо классической науки: результаты опытов американского физика А. Майкельсона (1887 г.) по измерению скорости света, испускаемого движущимся источником, не согласовывавшиеся с классическим правилом сложения скоростей; открытие естественной радиоактивности французским физиком А. Беккерелем (1896 г.); успешное объяснение экспериментальных законов излучения нагретых тел немецким физиком М. Планком (1900 г.) с помощью чуждой классической физике концепции прерывного, дискретного испускания энергии мельчайшими порциями, квантами (а не непрерывно, как это вытекает из классических законов). Значимость каждого из этих опытов и несоответствий была не слишком высокой в глазах современников. Во всяком случае, никто тогда не смог предвидеть масштабов последствий, к которым они привели. Но уже в начале 20-го века и Майкельсон, и Беккерель, и Планк были удостоены Нобелевских премий в полном соответствии с заключении Жолио-Кюри, вынесенным в эпиграф к этому модулю. Остановимся подробнее на этих вопросах, поскольку каждый из них сыграл очень большую роль в 3-ей научной революции и привел к созданию совершенно новых оснований естествознания и даже мировоззрения.

1. Опыты Майкельсона показали невозможность применения к распространению света и движению частиц со скоростями, сопоставимыми со скоростью света, механики Галилея-Ньютона, которая около двух веков подряд безошибочно и триумфально объясняла и предсказывала результаты любого механического движения. В гг. нидерландский физик Х. Лоренц разработал новую кинематику и электродинамику для тел, движущихся с субсветовыми скоростями. Он предположил, что размеры движущихся тел и течение времени для них отличаются от таковых для неподвижных тел. Несмотря на кажущуюся нелепость такой гипотезы, формулы, учитывающие такие эффекты при скоростях, близких к световым, согласуются с экспериментальными результатами. Однако на философскую высоту поднял эти вопросы гений А. Эйнштейна, обобщивший в 1905 г. результаты Лоренца и др. в рамках так называемой «Специальной теории относительности» (СТО). Она базируется на двух постулатах:

· все инерциальные системы отсчета равноправны (т. е. в любой из неподвижных или равномерно движущихся систем отсчета все физические процессы протекают совершенно одинаково;

· скорость света в вакууме С не зависит от движения источника света и направления его распространения и равна 3*108 м/с.

Оба постулата и теория, построенная на их основе, революционным образом изменили установившиеся в эпоху Ньютона представления о пространстве и времени. В отличие от ньютоновского, эйнштейновское пространство-время оказалось не абсолютным и не безразличным к тому, что в нем происходит (есть ли в пространстве материальные тела, с какими скоростями они движутся друг относительно друга и т. п.), а относительным, изменчивым, зависящим от происходящих в нем событий.

Поправки в пространственные и временные переменные, возникающие в СТО вследствие движения тела со скоростью v, даются сомножителем . Легко видеть, что вплоть до громадных скоростей v£0,1с, т. е. до v£30000 км/с, они составляют менее 1% для любых существенных с точки зрения механики величин.

Для механических движений, известных простому человеку, (автомобилей, самолетов и даже космических ракет и спутников) эти поправки пренебрежимо малы. Таким образом, выполняется боровский принцип соответствия (см. модуль 3) – новая теория (СТО) не отрицает старую (ньютоновскую), а только лишь сводит ее к частному случаю более универсальной, пригодной и для описания движения с высокими скоростями. При низких скоростях СТО дает такие же решения, как и классическая механика.

Однако при скоростях движения, сопоставимых со скоростью света ситуация радикально меняется. Так, если вообразить себе космический корабль, летящий со скоростью 0, 99 С относительно Земли, то время на нем будет течь в 7 раз медленнее, чем на Земле, а его размер в направлении движения сократиться (с точки зрения землянина) во столько же раз. Конечно, таких ракет люди пока не научились делать, но для элементарных частиц, разгоняемых в современных ускорителях до скоростей, очень близких к световым, классическая механика Ньютона должна быть заменена на релятивистскую.

Заметим, что ни философского, ни физического осмысления феномена течения времени не осуществлено в полной мере. Это одна из наиболее сложных и загадочных проблем естествознания и философии. В чем причина и «механизм» течения времени? Почему в нашем мире время течет в одну и именно в ту сторону, которую мы ощущаем? Возможны ли миры с течением времени в обе стороны – в прошлое и будущее? Это всего лишь небольшая часть вопросов, относящихся к сущности времени, которые ждут ответов. А пока остается согласиться с В. Гюго, заметившим как-то: “Бог берет себе время и оставляет нам пространство”, или отговориться, как это сделал Св. Августин: “Я знаю, что такое пространство и время до тех пор, пока меня об этом не спрашивают”.

Релятивистские представления (от латинского relativus – относительный) в науке не сразу утвердились в сознании ученых и долгое время не принимались большинством членов научного сообщества. Казалось, что они разрушают самые основания принципов объективного описания природы, поскольку размеры тел, их форма, свойства пространства, времени оказываются зависящими от места и скорости движения наблюдателя относительно изучаемых объектов, т. е. различным наблюдателям один и тот же объект будет казаться разным.

Вместе с тем, это придало второе дыхание философскому, нравственному релятивизму и как бы «физически обосновало» их. Релятивизм, как методологический принцип, ставящий во главу угла относительность и условность познания природы, восходит к учениям древне-греческих софистов. В начале 20-го века многие видные ученые и философы придерживались той точки зрения, что любые знания о природе относительны (Мах, Петцольд) и совершенно условны (Пуанкаре). Большинство современных крупных ученых признают, что наши познания относительны, но не в смысле отрицания существования объективной истины вообще, а в смысле признания ограниченности знаний на любом достигнутом этапе развития науки, т. е. в историческом аспекте.

Релятивизм в нравственно-этическом плане приводит к утверждению полной условности моральных норм и принципов, как не имеющих абсолютной ценности. Как и в науке, релятивизм в социальной сфере в ряде случаев играл определенную положительную роль, поскольку способствовал борьбе с догматизмом, косностью, религиозными предрассудками. Однако возведенный в абсолют он легко превращается в полный аморализм, разрушающий общество.

2. После открытия А. Беккерелем таинственных лучей, самопроизвольно испускаемых солью урана, Мария и Пьер Кюри открыли еще несколько новых элементов, обладающих таким же свойством, которое они назвали радиоактивностью. За несколько лет наблюдения интенсивность излучения некоторых из них совершенно не менялась, как оставалась постоянной и их масса (в пределах точности измерений). Простой подсчет показывает, что энергия, испускаемая за гипотетический срок жизни такого вещества, несоизмеримо больше энергии, выделяемой в самой энергонасыщенной химической реакции (например, горение углерода или водорода). Природу этого явления невозможно было объяснить никакими самыми смелыми гипотезами, лежащими в рамках классической физики.

В 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу – электрон и показал, что она входит в состав любых атомов. Ученик Резерфорд установил, что практически вся масса атома сосредоточена в его ядре диаметром примерно в раз меньше, чем сам атом, а «размеры» атома определяются диаметром орбит, по которым обращаются наружные электроны вокруг ядра. Резерфорд уподобил атом миниатюрной солнечной системе, в которой на месте Солнца стояло ядро, а вместо планет вокруг него двигались электроны (рис. 6.1а). Интересно отметить, что соотношение размеров солнечной системы и диаметра Солнца примерно такое же как у размеров атома и его ядра. Эта картина в общих чертах сохранилась и по сей день, хотя потребовала для строгого количественного описания пересмотра и усложнения законов классической механики и электродинамики.

Но даже и в первоначальном виде она произвела переворот в умах ученых и философов. Оказалось, что атом практически «пуст» внутри, а в его центре находится вещество с непостижимо высокой плотностью. Действительно, если мысленно увеличить ядро до размеров макового зернышка (~1мм) и поставить его в центре футбольного поля, то электроны должны вращаться где-то в районе далеких трибун. И никакого вещества между ними нет! Только пустота и электромагнитное поле! Плотность материи в ядре легко оценить из следующих соображений: средний размер атомов любых химических элементов, составляет ~ 10-8 см, а средняя плотность твердых веществ, состоящих из этих атомов, поставленных «вплотную» друг к другу, - ~1 г/см3. Тогда если всю массу атома сосредоточить в ядре (что и происходит на самом деле в природе), линейные размеры которого в 105 раз меньше атомных, плотность ядерной материи будет равна 1г/см3 (105)3=1015 г/см3! Такое число трудно себе даже вообразить. В приведенном выше примере с умозрительно увеличенным атомом его ядро диаметром ~ 1мм весило бы 1015г/см3*10-3см3=1012г=106т! Миллион тонн в маковом зерне (правда, сделанном из ядерного вещества)!

Никакой материал платформы, будь то лучшая броня или даже самое твердое вещество – алмаз, не выдержали бы такого чудовищного веса и это маковое зернышко прошило бы все оболочки Земли и упало бы в ее центр. По данным современной астрофизики такое состояние реализуется в макромасштабах на отгоревших и остывающих звездах и называется «нейтронной каплей».

Рис. 6.1. Планетарная модель устройства атома по Резерфорду (а) и графический образ, отражающий современное представление (б).

Однако планетарная модель атома, как ее видел Резерфорд, оказалась несовместимой с классической физикой. Согласно электродинамике Максвелла электроны должны за малые доли секунды растерять свою кинетическую энергию вращения (на электромагнитное излучение, как всякие движущиеся с ускорением заряженные тела) и упасть на ядро. Т. е. атомы должны схлопнуться и превратиться в маленькие нейтронные шарики-«капельки» сверхплотной нейтронной материи. Ничего подобного в условиях Земли не происходит. Следовательно, для движения мельчайших заряженных частиц – электронов – внутри атома ни механика Ньютона, ни электродинамика Максвелла – непригодны.

Для того, чтобы усовершенствовать творения гениев, должен был прийти новый гений. И он пришел. Это был датский физик Н. Бор, предложивший в 1913 г. квантовую теорию строения атома. В ее основе лежат два постулата (самым очевидным образом противоречащие принципам классической физики):

· Электрон может находиться на стационарных орбитах сколь угодно долго, не испуская и не поглощая энергии;

· При переходе с одной стационарной орбиты на другую электрон испускает или поглощает строго определенную порцию – квант энергии.

Нетрудно видеть, что здесь использованы (но очень творчески!) идеи М. Планка о дискретном испускании энергии атомами и элементы планетарной модели атома Резерфорда. Несмотря на всю экстравагантность, теория Бора устранила все противоречия с экспериментальными результатами, имевшимися к тому времени. Тем не менее, она не была принята сразу научным сообществом и долгое время дискутировалась и совершенствовалась. Даже Планк и Эйнштейн, использовавшие понятие квант энергии задолго до Бора, с трудом принимали его аргументацию. Хотя позже А. Эйнштейн охарактеризовал статью Н. Бора «О строении атомов и молекул», опубликованную в 1913 г., так: «Высшая музыкальность теоретической мысли».

Дальнейшее развитие квантовомеханические представления получили в работах французского физика Луи де Бройля, который в 1924 году выдвинул идею о наличии волновых свойств у частиц. Он рассуждал примерно так: если электромагнитным волнам, испускаемым атомами (в частности, световым), присущи свойства частиц (корпускул), то почему бы частицам не обладать и волновыми свойствами. На современном языке такая двойственность проявлений материи называется корпускулярно-волновым дуализмом. Через насколько лет были получены убедительные доказательства наличия у электронов (а в последствии и других элементарных частиц) волновых свойств.

Таким образом, многовековой спор философов, восходящий еще ко временам Древней Греции, о том, непрерывна или дискретна природа и материя, или в более позднее время: свет – это поток частиц (как считал Ньютон) или колебания эфира (как думали Гюйгенс, Гельмгольц и многие другие известные ученые), закончился «вничью». Материя одновременно и непрерывна и дискретна! В одних ситуациях ярче проявляются корпускулярные свойства, в других (теми же объектами!) – волновые.

Более сложное поведение микрочастиц (по сравнению с макротелами) не дает возможности описывать их движение уравнениями Ньютона. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал количественно принцип неопределенности, ограничивающий применение к макрообъектам классических понятий и законов. В общих словах он заключается в том, что принципиально невозможно точно знать одновременно положение и скорость микрочастицы. Квантовая механика допускает лишь определенный коридор значений для них, причем, чем точнее вы захотите определить координату частицы, тем менее точно будете знать ее скорость. Произведение этих двух неопределенностей – есть величина постоянная. Это положение в равной мере распространяется как на теоретический аппарат, так и на процедуру измерений. Последнее обстоятельство особенно сильно взволновало и физиков и философов. Получалось так, что мы в принципе не можем ничего точно знать о природе. Многие считали (включая и А. Эйнштейна), что это временное состояние недоразвитой теории, недостаток знаний, а не свойство природы, и со временем более совершенные теории устранят эту неопределенность. Однако вся совокупность опытных результатов, накопленных к настоящему времени, свидетельствует об обратном: в самом фундаменте мироздания существуют запреты на абсолютный детерминизм в духе Ньютона-Лапласа.

Однако причинно-следственная связь и предсказуемость не пропадают вовсе. Они переходят на более сложный уровень и требуют более развитых средств математического описания – статистически-вероятностных. Гейзенберг и Э. Шредингер создали два равноценных и эквивалентных (по конечному результату) математических аппарата квантовой механики, позволяющих в вероятностных терминах рассчитывать поведение микрочастиц. Естественно, при большом числе частиц, движущихся в одних и тех же условиях или составляющих макротело, уравнения квантовой механики вырождаются в привычные уравнения Ньютона, что находится в полном согласии с принципом соответствия (см. модуль 3). Другими словами, если мы интересуемся только макротелами и макропроцессами, с которыми сталкиваемся в повседневной жизни, то мы никогда не заметим никаких проявлений квантовомеханических неопределенностей и всегда будет достаточно теории Ньютона.

Такое впечатление, что Творец, создавая мир, был озабочен не только тем, чтобы он был пригоден для жизни человека, но и понятен ему. Причем понятен на определенную глубину, соответствующую уровню развития мышления. На начальной стадии развития культуры, науки самые простые предположения и постулируемые законы дают правильные решения и ответы для простых проблем, имеющих важное значение. По мере развития науки возникают все более сложные представления и теории, которые позволяют понять все больше и больше об окружающем мире. Т. е. сложные универсальные закономерности могут быть редуцированы к очень простым, но пригодным ограниченно. Разумеется, не всякое сложное построение можно упрощать без разрушения, без потери существа предмета.

Редукционизм как методический прием во многих случаях оказался плодотворным, однако, его абсолютизация, возведение в общеметодологический принцип неприемлемо. Особенно ясно это стало после многочисленных безуспешных попыток редуцировать положения квантовой механики, сведя их к усложненной, но классической механике. В результате, Н. Бор сформулировал физический принцип дополнительности, переросший затем в общефилософский, согласно которому в рамках одного языка принципиально невозможно описать сколь-нибудь сложное явление. Один способ, интерпретация должна дополнять другую.

Отсутствие наглядности, визуальной представимости основных понятий и положений новой физики конечно сильно затрудняют ее восприятие. Однако этот психологический барьер был вскоре преодолен, и это перестало мешать количественному анализу и правильному предсказанию природы. Как сказал однажды Нобелевский лауреат по физике : “Величайшим достижением человеческого гения является то, что человек может понять вещи, которые он уже не в силах вообразить”.

Таким образом, создание квантовой механики и СТО окончательно сокрушило механистическую, строго детерминированную картину мира, сменило фундаментальную парадигму, характер и стиль научно-исследовательских программ естествознания. А это и есть основные признаки революционного переворота сознания. К этому можно добавить еще несколько штрихов, важных для осознания состояния науки в начале 20-го века.

3. Дальнейшее развитие получило эволюционное учение Ч. Дарвина, особенно глубокое в тех местах, где ощущалась слабость аргументации, а именно, в отношении механизмов наследственности и изменчивости видов. Законы наследственности Г. Менделя, обнаружение хранилищ этой наследственной информации – хромосом (на уровне структурных элементов ядра клетки), наконец выделение и исследование молекул – носителей наследственной программы – дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и отдельных единиц наследственной информации – генов, выдвинули биологию на передний край науки, а к концу 20-го века сделали ее лидером естествознания. Более подробно с современной генетикой мы познакомимся в следующем модуле.

4. Нельзя не затронуть здесь еще одну важную тему. Ни одна глобальная научная революция не обходилась без пересмотра картины мира в мега-масштабе. Со времен Коперника-Ньютона она не претерпевала никаких принципиальных изменений, а лишь последовательно доказывала свою справедливость по отношению к телам Солнечной системы. Так, были открыты и предсказаны траектории многих комет, Нептуна, рассчитаны графики солнечных и лунных затмений на многие годы вперед и т. д.

Но в 1922 г. российский физик и математик А. Фридман, анализируя следствия теории относительности А. Эйнштейна, установил, что Вселенная, заполненная тяготеющим веществом, не может находиться в стационарном (т. е. неизменном во времени) состоянии. Она должна расширяться или сжиматься к центру. В 1929 году американский астроном Э. Хаббл установил, что спектр излучения, испускаемый далекими звездами (в частности, света) сдвинут в область длинных волн (по отношению, например, к излучению ближайшей к нам звезды – Солнца). В области видимого света длинноволновому участку спектра соответствует красный цвет, из-за чего обнаруженный Хабблом эффект впоследствии стали называть «красным смещением». Задолго до Хаббла австрийский физик и астроном Х. Доплер теоретически обосновал зависимость частоты звуковых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от относительной скорости его движения по отношению к источнику (что справедливо и для света – электромагнитных волн). При удалении источника от наблюдателя воспринимаемая длина волны увеличивается (спектр «краснеет»), а при приближении – уменьшается.

Причем эти изменения пропорциональны скорости относительного перемещения источника и наблюдателя vi. (рис.6.2).Эти выводы теории были многократно подтверждены экспериментально. Сотрудники ГИБДД используют для измерения скорости автомобилей на дороге прибор, работающий на эффекте Доплера. Так что Хабблу не пришлось долго думать о смысле полученного результата, он очевиден: галактики во Вселенной удаляются от нас! Причем это справедливо для всех галактик, независимо от их положения на звездном небе. Из этого неотвратимо следует вывод: мы живем в расширяющейся Вселенной. Некоторые дополнительные данные о расстоянии до наблюдаемых галактик Ri дают возможность определить время разлета Т как отношение . С учетом не очень большой точности знания значений Ri получаются практически одинаковые величины Т для всех галактик – 10-15 млрд. лет. Из этого вытекает следующий глобальный вывод: видимая нами Вселенная зародилась около 15 млрд. лет тому назад из одной единственной точки в результате гигантского взрыва и продолжает расширяться до сих пор. Такой вывод подтверждается также и другими независимыми наблюдениями (наличие так называемого «реликтового» излучения во Вселенной и др.).

Все видимые нами звезды принадлежат к одному скоплению, которое называется галактикой и имеет свое имя (в отличие от большинства других) – «Млечный путь» или по-английски – Milky Way (да - да, это не только название широко рекламируемого шоколадного батончика, как думают многие, а еще и место нашего проживания во Вселенной!). Наша галактика состоит из ядра и нескольких

Рис. 6.2. Схемы, поясняющие модель расширяющейся Вселенной.

а) вид Вселенной с позиции условного неподвижного наблюдателя, находящегося за ее пределами;

б) то же самое, но оставлены только те звезды, которые в данный момент лежат на одной оси Z (точки 1, 2, 3);

в) картина относительных скоростей звезд №1 и №3 относительно звезды №2 (эффект «разбегания» всех звезд относительно избранной – очевиден)

Рис. 6.3. Примерно так выглядит наша галактика Млечный путь для наблюдателя, находящегося в ближайшей к нам другой галактике “Туманность Андромеды”, которая удалена от нас на 2 млн. световых лет

спиральных ветвей. Толщина условного диска в котором находится большинство звезд галактики (а всего их около 100 млрд. т. е. примерно по 20 на каждого жителя Земли) составляет «всего» 1,5 – 2 тыс. световых лет, размах ветвей-крыльев - около 100 тыс. световых лет (рис.6.3). Наше Солнце – вполне заурядное светило. Оно относится к звездам –карликам спектрального класса G 2, каких только в нашей Галактике – миллионы, расположено примерно в 30 тыс. световых лет от центра галактики.

На диаграмме «спектр-светимость» (широко известной как диаграмма Герцшпрунга – Рессела) Солнце находится в средней части главной последовательности, которую образуют звезды, практически не изменяющие своей светимости в течение миллиардов лет. На 68% оно состоит из водорода (основное «топливо» для непрерывно идущей термоядерной реакции), на 30% - из гелия (конечный продукт этой реакции). Оставшиеся 2% приходятся на другие элементы. В 1917 году был открыт первый внегалактический объект –«Туманность Андромеды» (по имени созвездия, через которое проходит линия, соединяющая нас и эту туманность). Ее принадлежность не к нашей галактике установил все тот же Э. Хаббл в 1923 г. Она находится от нас на расстоянии 2 млн. световых лет. Затем было обнаружено большое число других галактик, самая удаленная из которых находится на краю видимой нами Вселенной на расстоянии порядка 1 млрд. световых лет.

Таким образом, в ходе третьей научной революции картина мира не только в микромасштабе, но и в глобальном, изменилась еще раз. Никакой неподвижной сферы звезд, как считал Коперник, не существует. Сами звезды не вечны. Имеются надежные свидетельства и данные об их зарождении и умирании и в настоящее время. Все они находятся в непрерывном движении. Их положение на звездном небе за время жизни одного или нескольких поколений людей существенно не меняется, что и создает иллюзию их постоянства и неподвижности. Но люди каменного века, безусловно, видели над головой совершенно непохожую на нынешнюю картину звездного неба.

Наука о зарождении и эволюции Вселенной называется космологией. К сожалению, к ней невозможно применить все методологические принципы естествознания, о которых шла речь в модуле 3. Мы не можем воспроизвести по своей воле эксперимент по созданию Вселенной и тем более управлять этим процессом. Вселенная единственна и уникальна (насколько мы сейчас знаем), а наука имеет дело с универсальными законами множества подобных объектов и т. д. Поэтому в космологии предпочитают использовать вместо термина «теория» осторожное слово «модели» происхождения и развития Вселенной.

И, тем не менее, во многих результатах и выводах сомневаться не приходится: мы живем в очень нестабильном мире, не в центре и не на окраине раздувающейся Вселенной, на относительно «холодной» планете (по сравнению с подавляющей массой вещества во Вселенной: звезды, межзвездная плазма), вращающейся около постепенно остывающего светила. Чтобы не заканчивать на столь пессимистической ноте, заметим, планета наша хоть и «мало для веселья оборудована», как утверждал поэт, но все-таки вполне гостеприимна и уютна, а Солнцу светить по всем законам физики еще миллиарды лет.

В завершении темы научных революций хотелось бы отметить еще несколько их общих особенностей. Все они зародились в культурном слое своей эпохи как некоторый ее интеллектуальный результат, духовный продукт. Роль технических средств, денег, политических и др. моментов была при этом минимальна. Так было и во времена Ньютона, и Дарвина, и Эйнштейна.

Летом 2001 года автору этих строк посчастливилось побывать в знаменитой Кавендишской лаборатории Кембриджского университета в Англии. На рубеже 19 и 20 веков в ней было сделано множество выдающихся открытий, собственно и осуществивших переворот в науке и во многом определивших лицо 20 века. Всего за несколько лет сотрудниками этой лаборатории были открыты первая элементарная частица – электрон, атомное ядро, возможность его искусственного расщепления, изотопы многих атомов, нейтрон, молекулярная структура ДНК и многое другое. Одна эта лаборатория дала миру в несколько раз больше Нобелевских лауреатов, чем вся наука России за 100 лет. И что более всего потрясает – это простота установок, на которых были сделаны выдающиеся открытия. Максимум на что тянут выставленные в музее этой уникальной лаборатории отработавшие свое оригинальные приборы – это на лабораторный практикум для студентов физического факультета не очень богатого университета. Лишний раз убеждаешься, что деньги, штаты, лабораторные площади и прочее в науке - это далеко не главное. Высокая научная культура, свобода творчества, искусство эксперимента, научная смелость - вот главные слагаемые успеха. Вспомнились строки того же :

На чешуе жестяной рыбы

Прочел я зовы новых губ.

А вы

Ноктюрн сыграть

Могли бы

На флейте водосточных труб?

Вопросы и темы к семинару

1.  Чем отличаются представления Ньютона и Эйнштейна о пространстве и времени?

2.  Каковы экспериментальные основания специальной теории относительности?

3.  В каком соотношении находятся законы Ньютона и СТО?

4.  Где и когда возможно проявление релятивистских эффектов?

5.  Что такое релятивизм в общефилософском смысле?

6.  Как вы понимаете термин «квантование»?

7.  Где в быту и повседневной жизни мы встречаемся с квантованием?

8.  Опишите устройство атома по Бору.

9.  В чем физическая и философская сущность принципа неопределенности Гейзенберга?

10.  В чем состоит корпускулярно-волновой дуализм?

11.  Когда и как зародилась наша Вселенная?

12.  Что ожидает Солнце и Землю в конце эволюции?

13.  Назовите и прокомментируйте основные моменты научной революции начала 20-го века.

Литература

1.  Философские основания физики. М., 1971

2.  Философские вопросы естествознания. М., 1985

3.  Философский энциклопедический словарь. М. 1985

4.  Физическая энциклопедия. тт. 1-5, М., 1988

5.  Новиков Вселенной. М., 1990

6.  Готт вопросы современной физики. М., 1988

7.  Современный детерминизм. М., 1973

8.  Характер физических законов. М., 1968

9.  Логика и рост научного знания. М., 1983

10.  Научные революции в динамике культуры. Минск, 1987

11.  Ровинский Вселенная. М., 1995

. Сверхсветовые скорости, принцип причинности и направление времени.// Вопросы философии, 1998, № 8, с. 153.

Быть может, эти электроны –

миры, где пять материков,

Искусства, знанья, войны, троны

И память сорока веков!

Еще, быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет

Там все, что здесь в объеме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

В. Брюсов

Модуль 7

Панорама современного естествознания

Основные концепции, свершения, нерешенные проблемы

В одной главе невозможно даже перечислить все достижения, важнейшие результаты и их последствия для общества, явившиеся следствием бурного развития науки в 20 веке. Поэтому остановимся лишь на ключевых, концептуальных положениях, сгруппировав их в три больших класса, сообразно масштабу объектов и рассматриваемых процессов: микро-, макро - и мега - .

1. Микрофизика. Основными предметами этого раздела естествознания являются элементарные частицы, фундаментальные физические поля, пространство-время и их взаимодействия. Синонимом микрофизики являются «физика высоких энергий» или «физика элементарных частиц». В предыдущем модуле мы уже кратко обсуждали краеугольные камни этого фундаментального раздела современной науки. После открытий Бора, Резерфорда, Эйнштейна и др. квантовая механика продолжала развиваться и к середине 30-х годов 20-го века выросла в мощную, сильно математизированную теорию микромира. Было открыто множество «элементарных» частиц и реакций между ними, в результате которых они превращались друг в друга или рождали новые, неизвестные до той поры частицы. Помимо гравитационного и электромагнитного полей, которые безуспешно пытался объединить в рамках одной теории Эйнштейн, обнаружились еще два фундаментальных физических поля: ядерное (сильное) и слабое, которые по своим свойствам отличались от двух предыдущих. Были открыты ядерные реакции, приводившие к синтезу или распаду ядер на более мелкие осколки, увеличению или уменьшению их электрического заряда на один или два элементарных, что по существу, означает перемещение по таблице Менделеева на один или два шага влево или вправо от исходного положения. Т. е. открылась новая отрасль науки - ядерная химия. Фактически на новом витке развития науки осуществилась вековая мечта полузабытых алхимиков о превращении одного химического элемента в другой. Несколько хорошо оснащенных лабораторий мира продолжают «удлинять» таблицу Менделеева в сторону с большим атомным номером. В природе не существует элементов тяжелее урана, т. к. они нестабильны и относительно быстро распадаются, если их даже получить искусственно путем ядерной реакции. Причем, чем дальше они отстоят в таблице Менделеева от урана, тем период полураспада делается меньше, уменьшаясь до малых долей секунды. Но в области атомных номеров 114-116 (уран имеет атомный номер 92) теория предсказывает «остров стабильности», где могут существовать химические элементы с совершенно удивительными свойствами. Первые атомы (да-да, не удивляйтесь, в экспериментах по созданию новых химических элементов счет идет буквально на атомы) с такими высокими номерами уже в 21 веке получили российские ученые из Объединенного института ядерных исследований в подмосковном городе Дубна.

Росло и число вновь открываемых «элементарных» частиц. Современные справочники содержат сейчас уже около 400 таких частиц (вместе с античастицами, у которых все свойства, кроме электрического заряда тождественны соответствующим частицам). По всеобщему мнению - это слишком много, для того чтобы образовывать основу, фундамент нашего мира. Да и большинство из них не являются в буквальном смысле «элементарными«, т. е. не состоящими из более мелких частиц. Напротив, о многих из них известно, что в их составе имеются более мелкие образования. Таковы, например, основные частицы атомного ядра - нейтроны, протоны, пи-мезоны. Сейчас твердо установлено, что они состоят из трех (первые две) или двух (пи-мезоны) частиц, получивших название «кварки». Есть подозрения, что и кварки могут оказаться не вполне элементарными. До каких же пор ученые будут разбирать эту «матрешку» природы? На это никто пока не может дать ответа. Проблема установления полного набора истинно элементарных частиц во Вселенной - одна из наиболее принципиальных нерешенных в современной науке (в физике элементарных частиц она называется проблемой «спектра масс»).

Помимо чисто познавательного интереса, работы в этой области подогреваются еще и тем, что опускаясь все ниже по ступенькам структуры материи вглубь, мы сталкиваемся и овладеваем все большими и большими силами и энергиями в Природе. Так, например, если в самой энергонасыщенной химической реакции (это фактически реакция между наружными, слабоудерживаемым валентными электронами в атомах, не затрагивающая ни глубоких электронных орбиталей, ни тем более атомных ядер), может выделиться несколько электронвольт энергии в расчете на реагирующий атом, то в ядерной реакции, когда происходят изменения в составе реагирующих ядер, может выделиться около 10 миллионов электронвольт энергии на каждое реагирующее ядро (Рис. 7.1). Напомним, что в мире атомов электронвольт является удобной единицей измерения энергии, которая равна дополнительной энергии, приобретаемой электроном в электрическом поле с разностью потенциалов в 1 Вольт. Если уподобить электрон-вольт рублю, то можно сказать, что в мире химических реакций (будь то горение угля, бензина, газа, пороха, взрыв детонирующего взрывчатого вещества и т. п.) расчет всяких обменов и продаж ведется рублями, а в мире ядерных реакций - сразу десятками миллионов рублей. Причем, заметьте, эти силы заключены в одном и том же атоме, только химические - в электрических полях атома и валентных электронах, а ядерные - глубже, в ядре, в поле неизмеримо более мощных ядерных сил. При переходе на еще более глубокий, более тонкий уровень строения материи мы можем получить доступ к еще более мощным источникам энергии. Пока это, правда, только лишь задача будущего. Парадокс заключается в том, что для исследований все более мелких частиц необходимо строить все более крупные и дорогие исследовательские приборы – детекторы и ускорители, и разгонять в них частицы до все более больших энергий, чтобы пре

Рис. 7.1. Сравнение масштабов характерных энергий химических и ядерных реакций (логарифмическая шкала), приходящихся на одну взаимодействующую пару частиц.

одолеть все более мощные силы природы, связывающие элементарные частицы в известные нам более крупные образования.

2. Макрофизика. Это наиболее обширная, “густо заселенная” учеными и наиболее понятная публике область естествознания. Поскольку она стоит ближе к практике, чем многие другие направления фундаментальной науки, ей больше уделяют внимание общественность, пресса и органы, финансирующие исследования. Однако идеологическая нагрузка этого большого раздела современной науки не так велика, как ее количественные характеристики. Поэтому остановимся лишь на тех проблемах, которые имеют очевидный междисциплинарный или мировоззренческий характер.

2.1. Системы с малой и дробной размерностью. В обычной жизни мы привыкли к трехмерным, евклидовым объектам (рис. 7.2), имеющим три измерения и простую форму (сфера, куб, призма, параллелепипед, конус и т. д.). Однако в природе существуют и такие объекты, которые характеризуются меньшим числом измерений. Так, например, тонкие пленки или поверхностные слои атомов жидкости, твердого тела или границ между ними являются квазидвумерными системами. После создания так называемых “планарных” технологий изготовления современной полупроводниковой техники внимание к ним сильно возросло. Выяснилось, что свойства таких объектов могут радикально отличаться от таковых в объемных трехмерных телах, составленных из тех же атомов. Можно себе представить и квазиодномерные объекты в виде тонкой нити, для которых существенной является только одна координата - вдоль длины (таковы, например, органические полимерные молекулы, из которых состоит все живое и мы с вами). Физика низкоразмерных систем выделилась в самостоятельную интересную дисциплину, а ее приложения уже сейчас дали много очень полезных результатов.

В отличие от человека, который создает искусственно в основном предметы с целым числом размерностей, природа более изощрена и часто порождает объекты с дробной или, как еще говорят, фрактальной размерностью, т. е. не целым числом, например, 3, 2 или 1, а имеющими значение между единицей и двойкой, или двойкой и тройкой. Таковы с точки зрения геометрии контуры облаков, деревьев, береговых линий морского побережья, снежинок и много другого. Введение в широкий научный оборот понятия фрактала дает возможность посмотреть на окружающий мир под новым углом зре

Рис. 7.2. Объекты различной размерности.

а) египетская пирамида, б) небоскреб, в) ракета, г) лист бумаги, д) атомный монослой на поверхности тела, е) мембрана биологической клетки, ж) тонкая нить, з) молекула полиэтилена, и) облако, к) дерево, л) снежинка, м) береговая линия океана.

ния, найти в нем некоторые новые “универсалии”, обобщения. Например, рассматривая кучевые или перистые облака на небе, скорее всего, вы не найдете и двух похожих друг на друга по своей геометрии. Но оказывается, что фрактальные размерности облаков определенного типа (или, скажем, деревьев определенного вида в лесу) есть величина неизменная для них и характеризующая их всего одним числом. Это позволяет сильно “свертывать “ информацию об объекте, если его потом нужно просто распознавать и классифицировать, а не изучать в мельчайших подробностях.

2.2. Генетика (от греческого - происхождение, рождение).

Генетика - важнейшая и сейчас ведущая часть современных биологических знаний. Она охватывает широкий круг явлений наследственности и изменчивости всех живых организмов, начиная с фагов и вирусов и заканчивая человеком. Генетика ставит своей задачей не только изучение механизмов наследственности и изменчивости, но и сознательное управление ими с целью выведения новых организмов, лечения болезней и направление развития в желательную сторону.

Генетика прошла в своем развитии несколько этапов. Австрийский монах Г. Мендель, скрещивая разные сорта гороха, открыл в середине 19 века феноменологические законы наследственности. А. Вейсман показал в конце 19-го века, что половые клетки обособлены от остального организма и не подвержены влияниям, действующим на соматические клетки. Голландец Гуго де Фриз в начале 20-го века открыл существование наследственных мутаций, составляющих основу дискретной изменчивости. Мутации - это своеобразные опечатки, возникающие под действием естественных флуктуаций (подробнее смотрите следующий пункт этого модуля) и внешних причин (химических, радиационных) в переиздающейся программе жизни следующего поколения. В результате мутаций наследственные признаки не являются постоянными, а могут скачкообразно изменяться, меняя в конечном итоге свойства белков, синтезируемых организмом. Перед 2-ой мировой войной Дж. Бидл и Э. Татум выявили генетическую основу процесса биосинтеза (Нобелевская премия 1952 г.). К концу сороковых годов стало ясно, что материальными носителями наследственной информации являются макромолекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) и через несколько лет Ф. Крик и Дж. Уотсон предложили модель двойной спирали молекулярной структуры ДНК (Рис. 7.3) и механизм ее репликации, за что и получили Нобелевскую премию в 1962 г.

Российские ученые до начала 40-х годов занимали ведущие позиции в генетике (Н. Кольцов, Н. Тимофеев-Ресовский, В. Сахаров, И. Раппопорт, Н. Дубинин, Н. Вавилов и др.). Однако политические репрессии и известная сессия ВАСХНИЛ, проведенная под идеологическим руководством “народного академика” Лысенко в 1948 году, надолго отбросила российскую генетику в положение догоняющей.

По своей значимости открытие законов наследственности и ее молекулярных механизмов стоит в одном ряду с самыми выдающимися достижениями естествознания. Началась новая эра в биологии, связанная с бурным развитием молекулярной биологии, т. е. рассмотрением основ жизни на молекулярном уровне.

Каковы же ее успехи, перспективы, проблемы? После того как было твердо установлено, что основной функцией ДНК является кодирование будущего синтеза белков, и эта информация заключена в определенной последовательности всего четырех букв, роль которых выполняют азотные основания (гуанин, аденин, тимин и цитазин) - открылись принципиальные возможности сознательного управления наследственностью. Однако до практической реализации этой идеи в полном объеме - путь не близкий. Конечно, уже сейчас методами генной инженерии созданы десятки новых штаммов полезных микроорганизмов, сортов высокоурожайных растений и т. д. Однако для работы не вслепую, а по “чертежам”, необходимо выяснить не только генотип каждого организма, с которым начинается работа, т. е. последовательность всех “букв” длинного текста - генов, но и их конкретные функции. Учитывая, что молекула ДНК - это практически самая большая молекула в организме (да и в природе вообще), даже при наличии очень производительной техники анализа требуются многие годы, чтобы проделать секвенирование (от латинского – «последовательность», т. е. установление последовательности генов в конкретной молекуле ДНК) даже для простейших организмов. Так, за несколько лет непрерывной работы в нескольких лабораториях,

Рис. 7.3. Молекулярная структура носительницы наследственной информации – макромолекулы ДНК.

(C-G) и (А-Т) – комплиментарные пары азотистых оснований цитазина и гуанина и аденина и тимина.

оснащенных по последнему слову техники, была проделана работа по секвенированию ДНК знаменитого биологического объекта - плодовой мушки дрозофилы, в работе с которой ранее было выяснено большое число законов генетики. В ее ДНК содержится 1,8 млрд. букв - азотных оснований, что ненамного уступает ДНК человека (около 3,5 млрд. оснований). Близки к завершению исследования генома риса (вероятно, работа потребует еще двух-трех лет). Начаты исследования геномов пшеницы, кукурузы и других видов, составляющих основу продовольственной базы человека. Практически закончена работа и по секвенированию ДНК человека (какого именно - большой секрет для общества!). Его опубликование будет заметной вехой в культурной истории человека. Однако работа с геномом человека, по большому счету, только начинается. Мало знать последовательность букв и слов в книге, надо еще ее прочесть и понять смысл. Пока бóльшая часть этого текста остается непонятной. Для чего она нужна? Каковы функции так называемых спящих генов, никак себя не проявляющих? Рано или поздно это конечно будет выяснено. Ответы на эти вопросы дадут возможность бороться с тяжелыми наследственными заболеваниями (эпилепсия, шизофрения, гемофилия и т. д.), возможно, с онкологическими болезнями, выращивать искусственные органы для пересадки, бороться с мутациями, вызванными неблагоприятными условиями (например, радиацией), точно идентифицировать личность по очень малым количествам биоматериала и т. д. А пока разрабатываются методы удаления или замены отдельных участков ДНК различных организмов, что дает возможность изменять их наследственную природу и свойства уже в следующем поколении, а не через десятки-сотни, как при обычной селекции.

Нет сомнения, что все сложные научные проблемы будут решены в ближайшие годы, но уже сейчас возникли небывалые юридические и морально-этические вопросы. Вправе ли мы так сильно вмешиваться в природу живого, тем более человека? Можем ли мы представить и потом управлять всеми последствиями, выпуская этого джина из бутылки? Где проходит граница между правами индивидуума на тайну личной жизни и интересами общества? Список подобных вопросов очень велик. Они составляют предмет возникших совсем недавно дисциплин - биоэтика и биоправо, которые пытаются выработать моральные и юридические нормы поведения человека, разрешения конфликтов, ограничений в новых условиях. Важно, чтобы их разработка и принятие обществом не отставали от научно-технических возможностей.