Концепции современного естествознания (стр. 17 )

Униформизм складывался под влиянием успехов классической механики, прежде всего небесной механики, и галактической астрономии, представлений о бесконечности и безграничности природы в пространстве и времени. Одним из его следствий была точка зрения о том, что в природе человек как субъект познания не находит признаков начала мира и в будущем тоже не видит предварительных указаний на его конец (Дж. Геттон).

269

Ядром униформизма являлся актуалистический метод, который, по замыслу его основоположников (прежде всего Ч. Лайеля, с которым молодой Ч. Дарвин был лично знаком и дружен), должен был стать ключом для познания древних геологических процессов для установления связи, преемственности космологии и геологии. Актуалистический метод предполагал преемственность прошлого и настоящего, тождественность современных и древних геологических процессов. По характеру современных геологических процессов можно с определенной степенью приближения описать закономерности древних процессов, в том числе и образование горных пород. Пропагандируя всемогущество актуалистического метода, Лайель писал, что с его помощью человек становится способным «не только исчислять миры, рассеянные за пределами нашего слабого зрения, но даже проследить события бесчисленных веков, предшествовавших созданию человека и проникнуть в сокровенные тайны океана или внутренностей земного шара» [1]. Вместе с тем сам Лайель систематически применял актуалистический метод лишь к неживой природе, а в области органических процессов он делал серьезные уступки катастрофизму, допуская возможность актов божественного творения органических форм.

1 Основные начала геологии. СПб., 1866. Ч. 1. С. 229.

К эмпирическим предпосылкам концепции униформизма следует отнести: установление того, что возраст Земли намного больше, чем предполагали катастрофисты; данные изучения латеральной смены фаций в пределах одного стратиграфического горизонта; консолидацию и превращение известковых мергелей в сцементированную породу; способность рек прорезать глубокие ущелья в пластах лавы; установление причинной связи между вулканизмом и тектоническими нарушениями; установление того, что третичное время состоит в действительности из нескольких периодов (эоцен, миоцен, ранний и поздний плиоцен) (см. 13.3.1), которые были весьма продолжительными, для того чтобы накопились мощные осадки и произошли значительные изменения в органическом мире; факты медленных, без катастроф поднятий суши (в частности, островов) и др.

Униформизм опирался на следующие теоретические принципы:

+ однообразие действующих факторов и законов природы, их неизменяемость на протяжении истории Земли;

+ непрерывность действия факторов и законов, отсутствие всяческих переворотов, скачков в истории Земли;

270

+ суммирование мелких отклонений в течение громадных периодов времени;

+ потенциальная обратимость явлений и отрицание прогресса в развитии.

Тем не менее и униформизм являлся весьма ограниченной теорией развития: сведя развитие к цикличности, он не видел в нем необратимости; с точки зрения сторонников униформизма, Земля не развивается в определенном направлении, она просто изменяется случайным, бессвязным образом.

7.4.6. Дарвиновская революция. И ламаркизм, и катастрофизм, и униформизм — гипотезы, которые были необходимыми звеньями в цепи развития предпосылок теории естественного отбора, промежуточными формами конкретизации идеи эволюции. Эти гипотезы значительно отличаются между собой и своими целевыми ориентациями, и степенью разработанности. Так, катастрофизм и униформизм ориентировались преимущественно на геологическую проблематику, и для них характерно отсутствие развернутых представлений о факторах эволюции органического мира.

Трудности создания теории эволюции были связаны со многими обстоятельствами. Прежде всего с господством среди биологов представления о том, что сущность органических форм неизменна и внеприродна и как таковая может быть изменена только Богом. Не сложились объективные критерии процесса и результата биологического исследования. Так, не было ясности, каким образом надо строить научную аргументацию и что является ее решающим основанием. Доказательством часто считали либо наглядные демонстрации (как говорил Ч. Лайель: «Покажите мне породу собак с совершенно новым органом, и я тогда поверю в эволюцию»), либо абстрактно-умозрительные соображения натурфилософского порядка. Не ясен был характер взаимосвязи теории и опыта. Долгое время, вплоть до начала XX в., многие биологи исходили из того, что одного факта, несовместимого с теорией, достаточно для ее опровержения.

271

Был неразвит и понятийный аппарат биологии. Это проявлялось, во-первых, в недифференцированности содержания многих понятий. Например, отождествлялись реальность и неизменность видов; изменяемость видов считалась равнозначной тому, что вид реально не существует, а есть результат классифицирующей деятельности мышления ученого. Во-вторых, плохо постигались диалектические взаимосвязи, например взаимосвязь видообразования и вымирания. Так, Ламарк исходил из того, что видообразование не нуждается в вымирании, а определяется только приспособляемостью и передачей приобретенных признаков по наследству. А те, кто обращал внимание на вымирание (например, униформисты), считали, что вымирание несовместимо с естественным образованием видов и предполагали участие в этом процессе Творца. Следовательно, было необходимо вырабатывать новые понятия и представления, новые закономерности, отражающие диалектический характер отношения организма и среды.

Эмпирические предпосылки эволюционной теории обусловливались всем ходом развития палеонтологии, эмбриологии, сравнительной анатомии, систематики, физиологии, биогеографии, геологии, других наук, а также достижениями селекционной практики во второй половине XVIII — первой половине XIX в. Большое значение для утверждения теории развития имела идея единства растительного и животного миров. Содержанием этой идеи являлось представление о том, что единство органического мира должно иметь свое морфологическое выражение, проявляться в определенном структурном подобии организмов. В 1830-е гг. М. Шлейден и Т. Шванн разработали клеточную теорию, в соответствии с которой образование клеток является универсальным принципом развития любого (и растительного, и животного) организма; клетка.— неотъемлемая элементарная основа любого организма (см. 8.3.2).

Чарльз Дарвине создании своей эволюционной теории опирался на колоссальный эмпирический материал, собранный как его предшественниками, так и им самим в ходе путешествий, прежде всего кругосветного путешествия на корабле «Бигль». «Путешествие на «Бигле», — писал Дарвин в автобиографии, — было самым значительным событием моей жизни, определившим весь мой дальнейший жизненный путь» [1]. Именно анализ разновозрастной фауны Южной Америки и Галапагосских островов привел его к представлению об эволюции в пространстве и во времени, открытию принципа дивергенции (расхождения признаков у потомков общего предка), нацелил на выявление движущих факторов эволюции.

1 Воспоминания о развитии моего ума и характера. Автобиография. М., 1957. С. 90.

272

Основные эмпирические обобщения, наталкивающие на идею эволюции органических форм, Дарвин привел в работе «Происхождение видов» (1859). Дарвин был с юных лет знаком с эволюционными представлениями, неоднократно сталкивался с высокими оценками эволюционных идей. В своем творчестве он опирался на представление (сформировавшееся в недрах униформизма) о полной познаваемости закономерностей развития природы, возможности их объяснения на основе доступных для наблюдения сил, факторов, процессов. Дарвину всегда были присущи антикреационистские и антителеологические воззрения; он отрицательно относился к антропоцентризму и был нацелен на рассмотрение происхождения человека как части, звена единого эволюционного процесса. Определенную конструктивную роль в выработке принципов селекционной теории эволюции сыграло утверждение (сформулированное ) о том, что имеется потенциальная возможность размножения особей каждого вида в геометрической прогрессии.

Свою теорию Дарвин строит на придании принципиального значения таким давно известным до него фактам, как наследственность и изменчивость. От них отталкивался и Ламарк, непосредственно связывая эти два понятия представлением о приспособлении. Приспособительная изменчивость передается по наследству и приводит к образованию новых видов – такова основная идея Ламарка. Дарвин понимал, что непосредственно связывать наследственность, изменчивость и приспособляемость нельзя.

Дарвин разграничивает два вида изменчивости — определенная и неопределенная.

Определенная изменчивость (в современной терминологии — адаптивная модификация) – способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, пищу и др.). По современным представлениям, адаптивные модификации не наследуются и потому не могут поставлять материал для органической эволюции. (Дарвин допускал, что определенная изменчивость в некоторых исключительных случаях может такой материал поставлять.)

273

Неопределенная изменчивость (в современной терминологии - мутация) предполагает существование изменений в организме, которые происходят в самых различных направлениях. Неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер, и незначительные отличия в первом поколении усиливаются в последующих. Неопределенная изменчивость тоже связана с изменениями окружающей среды, но уже не непосредственно, что характерно для адаптивных модификаций, а опосредованно. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения.

Сейчас мы понимаем, что неопределенная изменчивость связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые в определенных условиях оказываются перспективными, способствуют органическому прогрессу. Дарвин не ставил вопроса о конкретной природе неопределенной изменчивости. В этом проявилась его интуиция гениального исследователя, осознающего, что еще не пришло время для понимания этого феномена [1].

1 Высказанные им соображения о «пангенезисе» носили откровенно натурфилософский характер, что было ясно и самому Дарвину.

Кроме того, в цепь наследственность – изменчивость Дарвин вводил два посредствующих звена.

Первое звено связано с понятием «борьба за существование». Оно отражает то обстоятельство, что каждый вид производит больше особей, чем их выживает до взрослого состояния; среднее количество взрослых особей находится примерно на одном уровне; каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает в множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды (отношения между организмами в популяции, между популяциями в биогеоценозах, с абиотическими факторами среды и др.).

Второе посредствующее звено, отличающее теорию эволюции Дарвина от ламаркизма, состоит в представлении о естественном отборе как механизме, который позволяет выбраковывать ненужные формы и образовывать новые виды. Борьба за существование неизбежно приводит к гибели определенного числа особей в каждом поколении и выборочному участию особей в размножении. В результате размножаются наиболее приспособленные особи каждого вида, передающие из поколения в поколение новые

274

свойства. Накопление новых свойств приводит к видообразованию и прогрессивной эволюции органического мира. Таким образом, естественный отбор — творческая сила; он является движущим фактором эволюции, причиной ее протекания. Тезис о естественном отборе является ведущим принципом дарвиновской теории, который позволяет разграничить дарвинистские и недарвинистские трактовки эволюционного процесса.

Успехи селекционной практики (главной стороной которой является сохранение особей с полезными, с точки зрения человека, свойствами, усиление этих свойств из поколения в поколение, осуществлявшееся в процессе ведущегося человеком искусственного отбора) послужили той эмпирической базой, которая привела Дарвина к идее естественного отбора. Прямых доказательств естественного отбора у Дарвина не было, такие доказательства были получены позже; вывод о существовании естественного отбора он делал по аналогии с отбором искусственным.

Таким образом, дарвиновская теории эволюции опирается на следующие принципы:

+ борьбы за существование;

+ наследственности и изменчивости;

+ естественного отбора.

Эти принципы являются краеугольным основанием научной биологии.

Э. Геккель называл Дарвина «Ньютоном органического мира». Символично, что в Вестминстерском аббатстве Дарвин похоронен рядом с И. Ньютоном. В этом сближении имен двух великих ученых есть большой смысл. Как Ньютон завершил труды своих предшественников созданием первой фундаментальной физической теории — классической механики, так Дарвин довел до завершения процесс поиска форм конкретизации идеи эволюции, создал первую фундаментальную теорию в биологии — теорию естественного отбора и заложил основания способа познания исторического аспекта органических систем.

7.4.7. Методологические установки классической биологии. Методологические установки классической биологии развивались медленно, начиная с середины XVIII в. вплоть до начала XX в. В общих чертах содержание методологических установок классической биологии состоит в следующем.

275

+ Признание объективного, не зависящего от сознания и воли человека, существования органических форм — главная мировоззренческая посылка биологического познания. При всем различии мировоззренческих позиций, биологи исходили из того, что органический мир существует независимо от сознания его исследователей; субъективно-идеалистические представления не играли существенной роли в биологическом познании.

Вместе с тем единство в вопросе об объективном существовании органических форм не исключало различий взглядов на роль материальных и идеальных факторов в происхождении и функционировании органических форм. В биологии гораздо дольше, чем в других отраслях естествознания, сосуществовали объективно-идеалистическая и материалистическая трактовки природы объекта. По мере развития биологии стихийная материалистическая ориентация ученых становилась все более весомой; радикальный перелом произошел в середине XVIII в., хотя еще вплоть до XX в. появлялись рецидивы витализма. В XIX в. укреплялось представление о том, что мир органических форм, мир живого образовался естественным образом, порожден материальной природой без прямого либо косвенного вмешательства потусторонних сил. Формирование такой установки было важнейшей предпосылкой преобразования биологического познания в науку.

+ Классическая биология исходила из того, что мир живого, органических форм имеет определенные объективные закономерности, порядок, структуру; эти закономерности познаваемы средствами науки. Классическое биологическое познание концентрировалось лишь на одном качественно определенном уровне организации живого (организменном либо клеточном, реже — тканевом), который одновременно считался и первичным. Все надорганизменные уровни (колонии, популяции, вид, биоценоз, биосфера) рассматривались как производные, вторичные, для которых характерны лишь аддитивные, а не интегративные свойства. Это — ориентация на моносистемность.

+ Важную методологическую роль играло представление о том, что органический мир есть, с одной стороны, некое многообразие форм, явлений, процессов, а с другой стороны, одновременно должен представлять собой и некоторое единство. С середины XVIII в. пробивала себе дорогу мысль, что материалистическое понимание такого единства может лежать только в истории орга-

276

нического мира. Поэтому методологической установкой классической биологии, рубежом, разделявшим донаучный и научный этапы ее развития, выступало представление о том, что органический мир имеет свою историю, его нынешнее состояние есть результат предшествующей исторической естественной эволюции. Однако понимание историзма в методологии классической биологии было ограниченным. Это проявлялось, в частности, в том, что историзм, развитие, эволюция рассматривались как полностью обращенные в прошлое, исключительно ретроспективно, не доводились до настоящего, до современности. Такая установка сыграла негативную роль в истории дарвинизма, задержав экспериментальное исследование естественного отбора. Тем не менее важнейшим достижением классической биологии явилось представление о том, что природа живого может быть понята и объяснена только через знание его истории. История органического мира может и должна получить научно-рационалистическое и материалистическое объяснение.

+ На основе синтеза представлений о единстве (взаимосвязи) и историзме органического мира формируется принцип системности. Системное воспроизведение объекта предполагает выявление единства в предметном многообразии живого. Можно сказать, что научная биология начинается там, где на смену предметоцентризму приходит системоцентризм. Теория Дарвина, по сути, есть результат системного исследования.

+ В вопросе о характере познания методологические установки классической биологии формулируют в основном те же представления, что и методологические установки других естественных наук этого периода.

Познание — это обобщение фактов в несколько этапов, уровней (наблюдение, суждение, умозаключение, принципы, теория). Основой познания является наблюдение. Начинаясь с наблюдения, оно продолжается на уровне мыслительных процедур. К ним относятся: описание (как с помощью терминов языка (естественного), так и наглядным образом — с помощью рисунков, схем и др.); систематизация на основе определенных выделенных признаков объектов (высшей формой систематизации является классификация, когда выбор признаков связан с выделением существенных сторон объекта); сравнение, позволяющее выявлять законы объекта путем сопоставления существенных характеристик объекта (высокая эффективность метода сравнения вызвала к жизни такие науки, как сравнительная анатомия, сравнительная морфология, сравнительная физиология, сравнительная систематика и др.).

277

Содержательным является только первый уровень — уровень наблюдения как формы непосредственного чувственного контакта объекта с объектом. Мыслительные процедуры, акты деятельности разума не вносят в содержание биологического знания новых моментов, они лишь перерабатывают то, что получено в процессе наблюдения. Наблюдение как бы «переливает» содержание объекта в сознание субъекта. Таким образом, классическая биология (как и классические физика и астрономия) в своих методологических установках исходила преимущественно из эмпирического обоснования знания (единственной содержательной основой знания признавался чувственный опыт в виде наблюдения). В классической биологии эксперимент еще не рассматривался как важный метод эмпирического познания органических объектов. Классическая биология — это биология по преимуществу наблюдательная. Внедрение метода эксперимента в основные отрасли биологии, в том числе и в теорию эволюции,— заслуга XX в.

+ Факт нарушения реальной картины объекта в процессе микроскопического исследования осознавался, но при этом биологи исходили из того, что внесенными в ходе подготовки к наблюдению и самого наблюдения изменениями картины объекта можно либо пренебречь, либо внести на них поправку и тем самым свести их к нулю. Методологические установки классической биологии допускали следующие отношения между знанием и объектом познания: однозначное соответствие каждого элемента теории определенному элементу объекта (органического мира); наглядность биологических образов и представлений, понятий; отсутствие ссылки на условия познания в результате исследования.

+ Одним из важнейших методологических затруднений являлось непонимание диалектического пути развития теории, ее взаимосвязи с опытом, того обстоятельства, что на ранних этапах своего развития теория может не объяснить все факты ее предметной области. Потому господствовало представление, что один-единственный факт, противоречащий теории, может ее полностью опровергнуть. На основании такого методологического «стандарта» строились почти все попытки «закрыть» теорию эволюции Дарвина и попытаться заменить ее другой концепцией.

278

+ Методологические установки классической биологии в своей основе были метафизическими и поэтому неспособными выразить тождество противоположных сторон целостного системного объекта. Это отражалось в том, что всеобщие характеристики системной организации воспроизводились в противоположных методологических регулятивах.

Во-первых, по вопросу о природе целостности и способах ее отражения в познании существовали две противоположные методологические установки — редукционизм и целостный подход, которые в мировоззренческом плане воплощались в двух противостоящих друг другу позициях — механицизма и витализма. Редукционизм исходил из того, что органическая целостность может быть сведена к простой аддитивной сумме свойств составляющих ее (механических, физических и химических) частей, а целостный подход (в разных своих вариантах — холизм, органицизм и др.), подчеркивая качественное своеобразие целого по сравнению с его частями, считал таким основанием целостности некую супранатуральную субстанцию.

Во-вторых, в качестве противоположных методологических установок выступали механистический детерминизм и телеология. Первый игнорировал функциональное единство органических систем, а второй усматривал в целесообразности таких систем проявление идеалистической основы. Материалистическое преодоление телеологизма в биологии началось с учения Ч. Дарвина, который нанес смертельный удар телеологии в естествознании и объяснил ее рациональный смысл.

В-третьих, для методологических позиций классической биологии характерно противопоставление структурно-инвариантного и генетинеско-исторического подходов, ориентация на неизменность факторов эволюции, господство организмоцентрического мышления (исходной «клеточкой» рассмотрения органической эволюции выступал отдельный организм; организмоцентризм — конкретная биологическая форма предметоцентризма).

+ И наконец, классическая биология исходила из того, что структура познавательной деятельности в биологии неизменна, методологические принципы биологического познания исторически не развиваются.

8. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ ВТОРОЙ ПОЛОВИНЫ XIX в.: НА ПУТИ К НОВОЙ НАУЧНОЙ РЕВОЛЮЦИИ

Вторая половина XIX в. в развитии естествознания занимает особое место. Этот период знаменует одновременно и завершение старого, классического естествознания, и зарождение нового, неклассического. С одной стороны, великое научное достижение, заложенное гением Ньютона, — классическая механика — получает в это время возможность в полной мере развернуть свои потенциальные возможности. А с другой стороны, в недрах классического естествознания уже зреют предпосылки новой научной революции: механистической методологии недостаточно для объяснения сложных объектов, которые попали в поле зрения науки.

Лидером естествознания по-прежнему оставалась физика.

8.1. Физика

8.1.1. Основные черты. Вторая половина XIX в. характеризуется высокими темпами развития всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты разрабатывается в двух направлениях: совершенствование термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой, и развитие кинетической теории газов, которое привело к возникновению статистической физики. В области электродинамики важнейшим событием явилось создание теории электромагнитного поля.

Характерная особенность физики этого периода — усиливающиеся противоречия между старыми механистическими методологическими установками и новым содержанием физической науки. Закон сохранения и превращения энергии, понятия теории электромагнитного поля, кинетической теории теплоты для своей интерпретации нуждались в новой методологии. Но физики в основном продолжают оставаться в плену старой механистической методологии. И теория электромагнитного поля, и кинетическая теория теплоты развиваются на основе механистических

280

представлений. Господствует мнение, что до окончательного создания абсолютной механистической картины мира осталось совсем немного. И поэтому у многих физиков крепнет надежда на построение механистической теории теплоты, механистической теории электрических и магнитных явлений и т. п.

Развитие физики во второй половине XIX в. связано с материальным производством, промышленностью, индустрией еще более тесно, чем в первой половине XIX в. Результаты физических исследований все чаще становятся условием дальнейшего технического прогресса. Причем не только развитие уже существующих, но и возникновение новых отраслей техники было невозможно без предварительных научных исследований, научных открытий. Так, без исследований по термодинамике не могло быть и речи о совершенствовании паровой машины или создании новых типов тепловых двигателей – двигателя внутреннего сгорания, паровой турбины. Только на основе результатов научных исследований в области электричества и магнетизма могла возникнуть электротехника.

8.1.2. Принципы термодинамики. От термодинамики к статистической физике: изучение необратимых систем. Для нас совершенно очевидно представление об однонаправленности времени, его необратимости и невозвратности. Это представление формируется на основе отражения большинства процессов, систем живой и неживой природы, с которыми человек повсеместно сталкивается в своей жизненной практике. И только очень небольшое количество механических систем (и то со значительной долей идеализации) относится к обратимым системам.

Соотношение обратимых и необратимых процессов можно проиллюстрировать на примере фильма о движении паровоза. Если мы будем смотреть такой фильм в обратном порядке и увидим, что поезд «пошел назад», то нам это не покажется неправдоподобным. Паровоз просто дал задний ход, и в этом нет ничего необычного: механические системы обратимы. Но вот в кадре дым паровоза: он образуется в пространстве и втягивается в паровозную трубу. Такое событие (и совершенно справедливо) кажется абсолютно невозможным – оно равносильно признанию возможности времени двигаться вспять. В данном случае речь идет о тепловом необратимом процессе, который принципиально отличается от механических обратимых процессов.

281

Классическая механика долгое время занималась исключительно моделированием обратимых систем. Механические процессы обратимы: уравнения механики, в которые входит время t, симметричны по отношению к этому параметру, т. е. возможна замена t на - t. Только с возникновением термодинамики, с изучением теории теплоты и молекулярных процессов физика перешла к познанию закономерностей необратимых систем.

В XIX в. термодинамика развивается как теоретическая база теплотехники и как важная отрасль теоретической физики, объясняющая сущность тепловой энергии. Основы термодинамики закладывались еще в начале XIX в., когда конструкторов паровых машин интересовал важный в теории тепловых двигателей вопрос: существует ли предел последовательного улучшения двигателей? Многочисленные конструкции нужно было сопоставить с идеальным двигателем, экономичность которого рассматривалась как максимальная. От чего же зависит экономичность такого идеального двигателя? Ограничена ли она? Эти и ряд других вопросов поставил перед собой французский инженер Сади Карно, старший сын выдающегося деятеля Французской революции 1789 г., организатора ее побед Лазара Карно.

С. Карно показал, что теплота создает механическую работу только при тепловом «перепаде», т. е. наличии разности температур нагревателя (T1) и холодильника (T2). Справедлива и обратная теорема: затрачивая механическую энергию, можно создать разность температур (T1-T2), которая определяет коэффициент полезного действия (кпд) тепловых машин. Максимально возможный кпд не зависит от природы рабочего вещества и конструкции идеального теплового двигателя; он определятся только температурами нагревателя и холодильника: кпд = (Т1-Т2)/Т1. Свои теоретические соображения Карно в конечном счете обосновывает невозможностью вечного двигателя, рассматривая это положение в качестве исходной аксиомы физики – первого начала термодинамики.

В соответствии с первым началом термодинамики термодинамическая система может совершать работу только за счет своей внутренней энергии или каких-либо внешних источников энергии; иначе говоря, невозможен двигатель, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника. Первое начало термодинамики вытекает из закона сохранения энергии: в замкнутой системе энергия сохраняется, хотя и может приобретать различные формы.

282

В свете закона сохранения и превращения энергии в середине XIX в. стало ясно, что теория Карно требует серьезной перестройки и дополнительного исследования. На это обратили внимание Р. Клаузиус и У. Томсон (барон Кельвин). Карно объяснял работу не потреблением теплоты, а ее падением; он считал, что теплота неуничтожаема. Карно сопоставляет работу с теплотой, перешедшей от нагревателя к холодильнику. Клаузиус же сопоставляет работу с пропорциональной ей теплотой, исчезнувшей при таком переходе.

Клаузиус ставит задачу связать переход теплоты от одного тела к другому с превращением теплоты в работу и установить количественные соотношения между этими процессами. В реальных тепловых двигателях процесс превращения теплоты в работу неизбежно сопровождается передачей определенного количества теплоты внешней среде. В результате нагреватель охлаждается, внешняя среда нагревается. Это значит, что термодинамические процессы носят необратимый характер, т. е. могут протекать только в одном направлении. Иначе говоря, невозможен процесс, при котором теплота переходила бы самопроизвольно от холодных тел к телам нагретым. Это и есть одна из формулировок второго начала термодинамики. Решая эту задачу, Клаузиус вводит понятие энтропии – функции состояния системы.

Понятие энтропии является центральным в термодинамике. Оно относится к закрытым системам, находящимся в тепловом равновесии, которое можно охарактеризовать температурой Т. Изменение энтропии определяется формулой dE ≤ dQ/T, где dQ – количество теплоты, подведенное к системе или отведенное от нее. Энтропия — это мера способности теплоты к превращению. В обратимых системах энтропия неизменна dE = dQ/T, а в необратимых – постоянно меняется (dE > dQ/T). Второе начало термодинамики гласит, что в замкнутой системе энтропия не может убывать, а лишь возрастает до тех пор, пока не достигнет максимума.

283

Уже в начале XX в. (В. Нернст, 1906) было сформулировано третье начало термодинамики, согласно которому при стремлении температуры Т к абсолютному нулю энтропия (Е) любой системы стремится к конечному пределу, не зависящему от давления, плотности или фазы (при Т —> 0 ∆Е —> 0). Иначе говоря, ни в каком конечном процессе, связанном с изменением энтропии, достижение абсолютного нуля невозможно; к нему можно лишь бесконечно приближаться.

Но раз теплота есть движение, то закономерно возникает задача исследовать природу и закономерности этого движения. Решение этой задачи привело к возникновению и развитию кинетической теории газов, которая в дальнейшем преобразовалась в новую отрасль физики – статистическую физику. В рамках кинетической теории газов были получены важные результаты: разработана кинетическая модель идеального газа (Р. Клаузиус), закон распределения скоростей молекул газа (Дж. К. Максвелл), теория реальных газов (-дер-Ваальс), определены реальные размеры молекул, найдено число молекул в единице объема газа при нормальных условиях (число Лошмидта), число молекул в одной грамм-молекуле (число Авогадро) и др.

Если система состоит из небольшого числа частиц, для которых в определенный момент времени известны их координаты, скорости, законы взаимодействия, то поведение такой системы можно описать уравнениями классической механики. Но если система состоит из громадного числа частиц и получить информацию об их координатах и скоростях в некий момент времени невозможно, то описание поведения такой системы уравнениями классической механики также невозможно. Необходим принципиально иной подход – статистический. Он описывает в поведении таких систем статистические закономерности, которые не зависят от конкретных начальных условий (координат, скоростей частиц). Так зарождались принципы статистической физики, прежде всего статистической термодинамики.

Здесь наиболее интересные и значительные результаты были получены Л. Больцманом, который показал, что идеальный газ, находящийся первоначально в нестационарном состоянии, с течением времени сам собой должен переходить в состояние статистического равновесия. Эту теорему Больцман истолковал как доказательство статистического характера второго начала термодинамики. Из принципов статистической термодинамики Больцман непосредственно выводит идею необратимости молекулярных

284

процессов. Энергия переходит из менее вероятной формы в более вероятную. Если первоначальное распределение энергии в телах было менее вероятным, то в дальнейшем вероятность распределения увеличится. Больцман формулирует и новую интерпретацию энтропии. В соответствии с ней энтропия есть логарифм вероятности состояния системы: Е = к lnW. Эта формула высечена на памятнике Больцману на венском кладбище.

Статистическая термодинамика находит свое развитие в работах Дж. Г и б б с а, в его статистической механике (1902). Гиббс рассматривает статистическую механику как теорию ансамблей (мысленная совокупность невзаимодействующих систем), не зависящих от конкретного состава и строения тех систем, из которых они составлены. Статистическая механика Гиббса оказалась способна обосновать все три принципа термодинамики, вычислять термодинамические величины для конкретных систем, решать любую задачу относительно равновесной системы, состоящей из произвольного числа независимых компонентов и сосуществующих фаз. Но вопрос о соотношении обратимости и необратимости Гиббсом был по сути обойден. В 1906 г. М. Смолуховский разрабатывает теорию флуктуаций (беспорядочных колебаний относительно некоторого среднего значения) и применяет ее к анализу явлений, в которых может непосредственно наблюдаться антиэнтропийное поведение. Смолуховский приходит к идее относительности обратимости и необратимости, их зависимости от времени, в течение которого наблюдается процесс.

Новый этап в развитии исследований необратимых систем наступил только в конце XX в., с созданием теории самоорганизации (синергетики) (см. 15.1).

8.1.3. Развитие представлений о пространстве и времени. Во второй половине XIX в. физики все чаще анализируют фундаментальные основания классической механики. Прежде всего это касается понятий пространства и времени, их ньютоновской трактовки. Предпринимаются попытки придать понятию абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета новое содержание взамен старого, которое им придал еще Ньютон. Так, в 1870-е гг. было введено понятие a-тела – такого тела во Вселенной, которое можно считать неподвижным и принять за начало абсолютной системы отсчета. Некоторые физики предлагали принять за а-тело центр тяжести всех тел во Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно считать находящимся в абсолютном покое.

285

Вместе с тем рядом физиков высказывалось и противоположное мнение, что само понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения как движения относительно некоего абсолютного пространства лишено всякого научного содержания, как и понятие абсолютной системы отсчета. Вместо понятия абсолютной системы отсчета они предлагали более общее понятие инерциальной системы отсчета (координат), не связанное с понятием абсолютного пространства. Из этого следовало, что понятие абсолютной системы координат также становится бессодержательным. Иначе говоря, все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны.