Сущность революции в естествознании на рубеже 19-20вв (четвертая научная революция)

В первые десятилетия 20 века физические воззрения на мир изменились коренным образом. Это было следствием каскада научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода (конец 19-начало 20 века).

В 1896 году французский физик Антуан Анри Беккерель (1852-1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Исследуя это явление, он наблюдал разряд наэлектризованных тел под действием указанного излучения и установил, что активность препаратов урана оставалась неизменной более года. Однако природа нового явления ещё не была понята.

В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Их заинтересовало, нет ли других веществ, аналогичных урану. В 1898 году были открыты новые элементы, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи», - полоний и радий. Это свойство супруги Кюри назвали радиоактивностью.

Годом раньше в 1897 году при изучении электрического разряда в газах английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную частицу - электрон. В опытах по его изучению было обнаружено совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости. Уяснив, что электроны являются составными частями атомов всех веществ, Томсон предложил в 1903 году первую (электромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отрицательно заряженные электроны располагаются определённым образом (как бы «плавают») внутри положительно заряженной сферы. Сохранение электронами определённого места в сфере есть результат равновесия между положительным равномерно распределённым её зарядом и отрицательными зарядами электронов. Но модель атома Томсона просуществовала сравнительно недолго.

В 1911 году знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил свою модель атома, которая получила название планетарной. Появлению этой новой модели атома предшествовали эксперименты Ганса Гюйгера. В результате этих экспериментов, показавших неприемлемость модели атома Томсона, было обнаружено, что в атомах существуют ядра - положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами атомов. Масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Исходя из этих новых представлений, Резерфорд и выдвинул своё понимание строения атома. По его мнению, атом подобен Солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него. Однако планетарная модель атома обнаружила серьёзный недостаток: она оказалась несовместимой с электродинамикой Максвелла. Согласно законам электродинамики любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали бы на ядро. Оставалась непонятной необычайная устойчивость атомов.

Разрешение проблемы выпало на долю датского физика Нильса Бора(1885-1962), который предположил, что при вращении электронов по так называемым стационарным орбитам, они не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.

Нильс Бор, использовав планетарную модель атома Резерфорда, разработал в 1913 году квантовую теорию строения атома. В её основе лежали следующие постулаты:

- в любом атоме существуют дискретные (стационарные) состояния, находясь в которых атом энергию не излучает;

- при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или поглощает порцию энергии. Испускание и поглощение атомом электромагнитного излучения может происходить только дискретно, конечными порциями - квантами.

Предложенная Бором модель атома, фактически явилась дополненным и исправленным вариантом планетарной модели Резерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда-Бора.

В 30-е годы 20 века было сделано другое важное открытие, которое показало, что элементарные частицы, например, электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путём было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определённых условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля - свойства корпускул. Это явление получило название дуализма волны и частицы.

Н. Бор сформулировал свой знаменитый принцип дополнительности, согласно которому некоторые эффекты и процессы можно объяснить волновой теорией, другие - квантовой. Поэтому следует использовать разные формулы для более полного описания процессов. Именно в это время возникает новая волновая, или квантовая, механика для описания процессов, происходящих в микромире. Следует заметить, что квантовая механика уже не допускала вполне объективного описания природы, поскольку измерительные приборы стали влиять на результаты измерения и участвовали в формировании изучаемого явления.

Основные положения квантовой механики:

1) каждая элементарная частица обладает как корпускулярными, так и волновыми свойствами;

2) вещество может переходить в излучение (аннигиляция частицы и античастицы дает фотон, т.е. квант света);

3) можно предсказать место и импульс элементарной частицы только с определённой вероятностью;

4) прибор, исследующий реальность, влияет на неё;

5) точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.

Наука 20 века, как видим, принесла немало сенсационных открытий, многие из которых не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале 20 века мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном (1879-1955).

В 1905 году им была создана так называемая специальная теория относительности. В целом теория Эйнштейна основывалась на том, что, в отличие от механики Ньютона, пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с материей и между собой. Когда Эйнштейна попросили выразить суть теории относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Необходимо отметить, что для обыденной жизни понятия пространства и времени являются привычными и очевидными. Когда мы наблюдаем за окружающим миром, то замечаем, что части и элементы, из которых состоят материальные объекты, определённым образом расположены друг относительно друга, что делает любые объекты протяженными. Кроме того, каждый объект занимает какое-то место среди других объектов, граничит с ними. Следовательно, пространство - это свойства объектов быть протяжёнными, занимать место среди других, граничить с другими объектами. Если эти свойства попытаться отделить от самих предметов, то можно получить представление о пространстве как таковом.

Материальные системы не только как-то расположены в пространстве, они ещё находятся в движении и развитии, которое может состоять из нескольких стадий, сменяющих друг друга. Смена стадий может наступать быстрее или медленнее, повторяться и т.д. Такие особенности процессов характеризуются понятием длительности (времени). Следовательно, время - это дление или продолжительность бытия вещей или процессов, последовательность смены их качественного состояния (или устойчивое пребывание вещи в своём бытии). Человек научился измерять время, сравнивая различные процессы с одним, выбранным за образец (эталон). Например, периодический процесс вращения Земли вокруг своей оси делит время на сутки. Движение Земли вокруг Солнца отмеряет года. В принципе можно ввести и более крупные единицы времени. Например, говорить о таких больших промежутках, как галактический год, - 200 млн. лет, за которые Земля обращается вместе с Солнцем вокруг центра галактики. Но такая единица имеет смысл только при рассмотрении очень длительных процессов.

Пространство и время являются всеобщими и необходимыми формами существования материи, поскольку бытие материальных систем вне пространства и времени невозможно.

В истории философии существовало две противоположных концепции относительно пространства и времени. Одной из них является субстанциальная концепция пространства и времени (Демокрит, Эпикур, Ньютон). Суть этой концепции состоит в том, что пространство и время - это самостоятельные субстанции, которые существуют сами по себе, т.е. независимо от материальных объектов (они абсолютны). Абсолютное пространство и время - это чистая протяженность и чистая длительность. Они неизменны и постоянны. Из пространства можно убрать все тела, и оно останется неизменным. Время течет одинаково во всей Вселенной. Время - это чистая длительность.

Реляционная концепция (является ведущей в современной науке) ут­верждает, что пространство и время – это не самостоятельные сущности, а свойства материи или формы её существования, поскольку связаны с состоянием движущейся материи и характером взаимодействия материальных объектов (систем). Это утверждение зародилось в недрах диалектической традиции и окончательно было подтверждено специальной (СТО) и общей (ОТО) теорией относительности А.Эйнштейна. Специальная теория относительности исходит из того, что при приближении скорости движения тела к скорости света линейные размеры тела уменьшаются, а ритм течения времени замедляется. Теория относительности показала также тесную связь между пространством и временем: сокращение пространственного интервала приводит к определенному увеличению временного и наоборот. Но совместное пространство-время всегда сохраняется (остается инвариантным). А изменение пространственно-временных интервалов зависит от характера движения тела или, иными словами, определяется состоянием движущейся материи. В общей теории относительности (1916) Эйнштейн показал, что вблизи больших тяготеющих масс происходит искривление пространства и замедление хода времени. Иными словами, геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения, которое определено взаимным расположением тяготеющих масс (в очень сильном гравитационном поле течение времени замедляется).

Общая теория относительности подтвердила философское положение о зависимости пространства и времени от движения материи и выявила, что пространство и время характеризуют бытие материи как пространственно-временное отношение, т.е. можно утверждать не просто о единстве пространства, времени и движущейся материи, а о за­висимости пространства и времени от движущейся материи и друг от друга.

Материальный мир неисчерпаем, поэтому неисчерпаемы и пространственно-временные формы его существования: каждый уровень организации материи (неживая природа, живая природа, общество) обладает своей пространственно-временной структурой. Поэтому можно говорить о качественном многообразии форм пространства и времени: в неживой природе; живой природе; в обществе.

Например, особенности биологического пространства и времени (живая природа) проявляются уже на уровне белковых молекул в форме ассиметрии (нарушение расположения частей целого относительно центра) «левого» и «правого» в группировках атомов. Выявлено, что живые центры образуются только из тех молекул, в которых имеется «левосторонняя» группировка атомов (объяснения этому пока нет). В неживой же природе нет различия между правым и левым: камню всё равно где лежать - слева или справа. «Левостороння» группировка, по-видимому, связана с фактом приспособления к окружающей среде. Вьющиеся растения завивают свои «спирали-усики» только справа налево.

Свою специфику имеет и временная организация живого. Все организмы имеют свои биологические часы. Растения меняют длительность протекания в них биологических и химических процессов в зависимости от времени суток, погоды и т.д. Человеку также свойственно интуитивное чувство времени, не всегда им осознаваемое. Оно основано на том, что в нашем организме существует множество периодических процессов, которые выполняют функции часов. В нас как бы встроены биологические часы. Медики открыли, что наши внутренние органы работают с разной степенью интенсивности в разное время суток. Между 2 и 4 часами ночи усиливается работа печени, в 4 часа ночи все органы снижают свою активность (установлено, что в это время чаще всего умирают люди).

Существует также понятие социального пространства-времени. Человечество, в отличие от животных, сразу начало формировать пространственную сферу своей жизнедеятельности, т.е. изготавливать орудия труда, строить жилища и целые поселения, создавать пастбища, одомашнивать диких зверей и т.д. Специфические черты и характеристики социального пространства накладывали отпечаток на мировоззрение человека: 1) в период господства мифологического мышления, т.е. на ранних стадиях существования человека пространство делилось на две сферы. Одна сфера - это упорядоченное пространство человеческого бытия, оно значимо для него (жилище, поселение и т.д.). Эта сфера противопоставлялась другой сфере или остальному пространству, которое было неизведанным, непонятным, человек его боялся и считал, что там действуют злые силы. Освоенное пространство человеку казалось центром мира. У древних египтян, например, берег Нила (освоенное пространство) было центром вселенной.

Современное представление о пространстве, где все точки и направления одинаковы, возникает в период формирования ранних буржуазных отношений, однако подготовка к нему началась в Средневековье. В Средневековье пространство выступало как система разнокачественных мест, каждое из которых наделялось определенным символическим значением. Существовало деление на мир земной (греховный) и небесный. В земном мире есть места, где можно получить исцеление (храмы). Сословная организация жизни диктовала необходимость привязанности к своему пространству. Родовое имение - не только источник доходов, но и символ его сословных привилегий.

В Новое время появляется новое восприятие пространства, в котором все точки и направления одинаковы.

Специфика социального пространства тесно связана со спецификой социального времени. Социальное время - это форма бытия общества, выражающая длительность исторических процессов, их смены, возникающих в ходе деятельности людей.

На ранних стадиях развития человечества ритмы социальных процессов были замедленными. На протяжении многих столетий (это несколько десятков тысяч лет) осуществлялось постоянное воспроизводство существующих социальных отношений. Древние цивилизации воспринимали время как повторяющийся цикл, в котором прошлое обладало особой ценностью, т.к. давало необходимые для жизни навыки, знания и опыт. Недаром в традиционных обществах понятия «древний», «добрый», и «хороший» употреблялись как синонимы. Таким образом, социальное время на ранних стадиях носило квазициклический характер. Это статическая концепция времени, когда прошлое, настоящее и будущее существуют одновременно.

В Средневековье появляется идеал направленности времени, цикл разворачивается в линию. Сильно влияние христианства, которое утверждало, что есть начало и конец мира.

Идея линейного времени проявляется наиболее отчётливо в эпоху формирования буржуазных отношений и чётко вырисовывается ориентация на будущее. Погоня за прибылью требует постоянной интенсификации труда, уплотнения событий и процессов, протекающих в единицу времени (изобретение секундной стрелки). Ускоряется ритм жизни. Начинается «бег времени», который опережает уровень и ритм протекания физиологических процессов, что неминуемо сказывается на здоровье.

Если вести речь об индивидуальной жизни человека, то она подразделяется на несколько временных периодов. На каждом из них свой ритм жизни и свои ценности. В старости человек перестает спешить, «усмеряет» бег времени, размышляет о смысле жизни, смерти.

Существует понятие психологического восприятия времени. Оно связано с субъективными переживаниями человека: напряжённое ожидание «растягивает» время, а удовольствие сокращает.

Одним словом, теория относительности доказала свою состоятельность.

Все вышеизложенные революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убеждённость в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов и т.д. Теперь уже вряд ли можно найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира.