11026 (Концепции современного естествознания), страница 3

Тит Лукреций Кар (I в. до н.э.) Поэма “О природе вещей” был в нашем понимании популяризатором науки. Тем не менее его роль в развитии атомистики трудно переоценить. Может быть здесь сказывается сила искусства, его условность, столь отличная от научных абстракций и аналогий, но Лукреций во все эпохи звучит одинаково современно.

“...Платье сыреет всегда, а на солнце вися, оно сохнет, Видеть, однако, нельзя, как влага на нем оседает, Как и не видно того, как она исчезает от зноя. Значит, дробится вода на такие мельчайшие части, Что недоступны они совершенно для нашего глаза”. Небольшой отрывок из поэмы показывает не столько то, что думали древние, а как они думали. Это образец ясной логики, приводящей к однозначному выводу.

Идеи поэмы: Все тела природы состоят из атомов и подвержены изменениям. Вселенная бесконечна - “Стрела, пущенная луком, может лететь века и быть все так же далеко от конца Вселенной, как в первое мгновение, когда она была пущена”.

Жизнь возможна на других мирах -

“А потому непременно ты должен со мной согласиться, Что существуют иные земные миры во вселенной, Как и иной род людей и иные породы животных...”

Природа никем не создана и управляется присущими ей самой законами - Из ничего даже волей богов ничего не творится. Люди приписывать склонны божественной воле те вещи, В коих не могут рассудком своим доискаться причины. Если усвоил ты это, должна пред тобою природа Вечно свободной предстать, не подвластной властителям гордым, Движимой волей своей, от богов независимой вовсе.

Птоломеем (70-147) заканчивается античный период истории естествознания.

В тринадцати книгах Птоломей собрал и обобщил все достижения древней астрономии. Но принципиально птоломеевская система мира с неподвижной Землей в центре Вселенной мало чем обогатила науку.

Авторитет его был признан единодушно и держался долее всего. Греки, римляне, арабы и христиане одинаково чтили его. Не один еретик сгорел на костре за посягательство на птоломеевский “Общий обзор”. Несколько столетий католическая церковь отстаивала учение Птоломея всеми принятыми на вооружение средствами.

Большую роль в развитии естествознания сыграли Фрэнсис Бэкон (1561-1626) и Рене Декарт (1596-1650).

Бэкон: природу нельзя познать без опыта - самого ценного источника знаний.

Декарт ключом к истинному знанию считает разум, умело нацеленный на исследование опять-таки данных опыта. Опыт, опыт и еще раз опыт. Это звучало как заклинание мрачных теней средневековья.

Природа Декарта сплошь заполнена материальными частичками. Духовное начало ее не зависит от материального. Основное свойство материи -протяженность. Пустого пространства не существует. Материальный мир находится в вечном движении, совершающемся в полном соответствии с законами механики. Отсюда и все процессы в природе можно свести к простому перемещению частиц в пространстве. Декарт выдвигает идею первончального толчка, который привел в движение бесконечную непрерывную протяженность.

Барух Спиноза (1632-77) отверг дуализм Декарта. Природа сама есть бог. Она ни в духовном начале, ни в творце не нуждается. Природа - это вечная субстанция в бесконечном пространстве. Она “причина самой себя” (causa sui). Это важнейшее свойство субстанции - самой быть причиной существования и сущности всех вещей. Это свойство встречается в одной из самых интересных гипотез двадцатого века - нелинейной теории поля Гейзенберга.

Естествознание пошло именно по этому пути. Самые фундаментальные представления о строении материи и свойствах времени и пространства базируются на принципе “natur causa sui”.

Первым исследователем, который всерьез обратился к идеям греческих атомистов, был французский философ-материалист Гассенди (1592-1655).

Он не только изложил древнюю атомистику, но и развил ее на основе накопленных за два тысячелетия фактов. Подобно Эпикуру, он считал важнейшими свойствами атомов не только величину и форму, но и тяжесть, которую определял как “внутреннее стремление к движению”, служащее источником всех изменений в природе.

Интересно, что именно Гассенди впервые выдвигает идею о различных прерывистых дискретных ступенях строения материи. Он ввел понятие молекулы - механического соединения группы атомов.

Разрабатывая учение греческих атомистов, Гассенди пришел к мысли, что при помощи атомной теории физические явления можно объяснить конкретным, даже банальным способом. Смесь воды и вина сравнивается им со смесью двух сортов песка.

Англичанин Роберт Бойл (1627-1691) был физиком и химиком в самом современном понимании этих слов. Его девизом было “ничего со слов”. Он обрушился с критикой на алхимиков и их методы, показав, что их достижения случайны. На самом деле они ничего не знают и не могут знать о природе вещей.

Бойль впервые обосновал понятие “химический элемент”. У Бойля это понятие строго связано только с химическим процессом. Исходя из химического взаимопревращения веществ, Бойль задался вопросом: из каких кирпичей можно построить все бесконечное многообразие однородных веществ? Вопрос этот до сих пор не снят с повестки дня.

Он хотел найти те элементы, которые уже не могут быть превращены один в другой и из которых каким-то образом построен весь окружающий мир.

Сама постановка задачи выросла из основной проблемы алхимии. Алхимия исходила из того, что все вещества могут быть сведены к одному, основному. Но все попытки алхимиков осуществить подобное превращение терпели крах. С помощью химических методов оно, очевидно, не достигалось. Отсюда напрашивался вывод, что материя не единообразна на химическом уровне, а напротив, существуют вещества, которых никакие химические процессы не заставят взаимопревращаться. В отличие от Демокрита Бойль называл частички, из которых построена материя, не атомами, а корпускулами (Энгельс: “Бойль делает из химии науку”).

Одним из самых важных моментов в становлении современной науки надо признать установления законов движения планет - законов Кеплера. Ближайший предшественник Кеплера, Николай Коперник блестяще завершил работу по созданию гелиоцентрической модели солнечной системы, начатую еще греками (Аристарх Самосский). В модели Коперника оказались установленными все естественные кинематические масштабы - эталоны длин и времени. Это и стало исходным пунктом новой науки. Коперник оставил два столбца чисел - периоды и расстояния и нужно было только спросить, а что связывает числа в этих столбцах?

Такой вопрос задал себе Кеплер, который поставил перед собой цель раскрыть секреты движения планет и научиться вычислять их движения. Он смог установить свой третий закон, в котором содержалась по существу динамика системы, т.е. связь между временем и изменением координации.

Кеплер, впервые для естествоиспытателя, поставил вопрос об общей закономерности в данных эксперимента и, что самое важное, вопрос о том, в чем причина таких закономерностей. До Кеплера большинство естествоиспытателей считало свою роль законченной, если сформулированы правила, описывающие явления. Только Кеплера не удовлетворяли открытые им законы. Он мучительно спрашивал себя: почему? В чем состоит общая причина движения планет? Размышления привели его к заключению, что эту причину надо искать в том, что движением планет управляет Солнце. Этим Кеплер ниспровергал установившуюся картину близкодействия и впервые выдвинул идею дальнодействия. Но полный ответ вопросы Кеплера получили лишь у Ньютона, который звершил создание новой картины мира, основанной на уравнениях механики.

На памятнике Ньютона (1643-1727) в Кембридже выбиты слова: “Разумом он превосходил род человеческий”.

Ньютон открыл закон всемирного тяготения и три основных закона механики, создал теорию движения небесных тел и теорию цветов.

Конечная цель физики по Ньютону: ”Вывести из начал механики и остальные явления природы”.

Понятие массы - гениальный и не подлежащий пересмотру вклад Ньютона в построение основ современной физики. Все материальные тела обладают собственной массой. Материальные частички наделены силами притяжения и отталкивания, присущими всем видимым телам во Вселенной.

Учение Ньютона о массе и силе положило конец метафизике вообще. Поэтому “отцом физики” следовало бы считать именно Ньютона, разработавшего научные основы мироздания вместо фантастических домыслов и спекулятивных гипотез о строении мира.

Три гиганта - Коперник, Кеплер и Ньютон построили новую науку - механику. Механика стала первым лидером только что возникшего в качестве самостоятельной науки естествознания.

Успехи механики в XVII-XVIII вв. были связаны с тем, что она изучала реальную сторону реальных процессов природы. Средневековая схоластика, провозгласившая учение о скрытых качествах, о всякого рода таинственных и неуловимых субстанциях, мешала изучать действительные вещи и их свойства, не давала возможности двигаться вперед в познании природы. Механика впервые поставила естественнонаучное познание на научную основу.

Однако механическая атомистика не объясняла химических взаимодействий, тепловых процессов и других явлений, с которыми химики сталкивались буквально ежечасно.

Немецкий врач Эрнст Шталь постулировал существование “флогистона”, некоего неведомого вещества без цвета и запаха, который соединял бойлевские корпускулы и осуществлял все химические превращения.

Теория флогистона заворожила современников. Она была принята сразу и безоговорочно. В том, что флогистон действительно существует, никто не сомневался. Когда появились первые убедительные факты, ставящие под сомнение теорию флогистона, ее самоотверженно пытались спасти. Теорию флогистона опроверг А.Лавуазье (1743-1794).

Ломоносов (1711-1765) также исключал флогистон из числа химических агентов.

Самым крупным по своему значению достижением Ломоносова было экспериментальное доказательство “закона сохранения материи” (опыт по нагреванию в запаянном сосуде свинцовых пластинок).

Ломоносов связывал нагрев тела с увеличением поступательного и вращательного движения корпускул, что делало совершенно излишним предположение о существовании флогистона.

Ломоносов вплотную подошел к понятию абсолютного нуля, как о “высшей возможной степени холода, вызванной полным покоем частичек, прекращением всякого движения их”. Частички различны по массе и им присуще движение, отсюда причина всех качественных изменений в физике и химии - движение.

Английский материалист XVII века Дж. Толанд предложил считать движение неотделимым от материи внутренним первичным свойством: “Материя по необходимости столь же активна, сколь и протяженна”.

Взгляды Толанда во многом определили эволюцию представления о пространстве, времени и движении. Так, у французских материалистов XVIII века движение тоже выступает непреложным свойством самой материи. Гольбах: “Движение - это способ существования”. Дидро выдвигает чисто релятивистскую идею об абсолютности движения и относительности покоя.

В 1815 г. Проут заявил, что атомы делимы. Он указал на то, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Отсюда вытекал неизбежный вывод, что все элементы построены из водорода, атомы которого являются “первыми и последними строительными камнями” Вселенной.

В 1865 г. Лошмидт определил в самом первом приближении размеры атома. Атомы оказались несравненно меньше тех солнечных пылинок, с которыми их сравнивал Демокрит.

Новый этап атомистики начался с Майкла Фарадея (1791-1867), связавшего атомную теорию с электричеством. Электричество, как и вещество, тоже обладает атомной структурой. Каждый атом или каждая молекула связаны с одним или несколькими атомами электричества, хотя в то время трудно было сказать, как такая связь осуществляется.

Честь открытия свободных атомов электричества, не связанных с атомами вещества, выпала Гитторфу. По предложению Стонея мы назваем теперь свободные атомы электричества электронами. Так была открыта первая элементарная частица.

Описывая обмен энергией между нагретым телом и окружающим пространством, Макс Планк предположил, что такой процесс может быть не непрерывным, а дискретным. Он открыл кванты.

Говорят, что Планк долгое время пребывал в растерянности от своего открытия. Идея дискретности подрывала основы классической физики. Он не спешил с опубликованием своей работы. В разговоре с коллегами он как-то обмолвился, что либо полностью провалился, либо сделал открытие, равное по масштабам законам Ньютона.

В 1905 г. Эйнштейн выдвинул теорию, согласно которой свет не только излучается и поглощается, но и состоит из неделимых квантов. Кванты света представляют собой частицы, которые движутся в вакууме со скоростью 300000 км в секунду. В двадцатые годы эти частицы получили название фотонов. Корпускулярная природа света может быть продемонстрирована рядом классических экспериментов, но особенно ярко существование фотонов показывает фотоэлектрический эффект.

Существование электромагнитных волн и волновая природа света не могут быть опровергнуты. Но нельзя отказаться и от корпускулярной природы света. Не с Планком, а именно с Эйнштейном вошла в науку противоречивая двойственность, изначально присущая природе. И естественно, что современники видели в этой двойственности не лик мироздания, а всего лишь необъяснимое противоречие.

Через два десятилетия Луи де Бройль, распространив представления Эйнштейна на все элементарные частицы вообще, построил волновую механику.

Новое мировоззрение включало отказ от эфира, что означало капитуляцию благополучной Вселенной, похожей несколько на сложный часовой механизм с его иерархией зубчатых колесиков.

Понятие эфира зародилось в то время, когда ученые попытались осмыслить природу света.

Автором первой эфирной теории света был голландский математик, астроном и физик Христиан Гюйгенс. Согласно его теории всякое светящееся тело порождает волны, которые, распространяясь во все стороны, достигают глаз наблюдателя. Подобно колебаниям, вызванным звоном колокола. Но если ударить в колокол, находящийся в пустоте, звона не будет. Тогда как свет, в отличие от звука, отлично распространяется в вакууме, несмотря на отсутствие среды, способной передавать колебания. Это обстоятельство заставило Гюйгенса наполнить пустоту неким гипотетическим эфиром, способным передавать волны света.

Эфир означает по-гречески “воздух”, “небо”, “верхние сферы”. Работники радио и телевидения до сих пор говорят о том, что они готовят передачи для “вещания в эфир”. Древнее слово оказалось живучим.

Ньютон безоговорочно принял понятие эфира, считая идею воздействия одного тела на другое на расстоянии в вакууме абсурдной.

Какова бы ни была его природа, эфир, по убеждению ученых, наполнял собой все пространство, пронизывал все вещество, проникая между всеми атомами.

Свойства света и в самом деле были таковы, что их нельзя было объяснить, не прибегая к среде, способной передавать волновое излучение на миллионы километров, не ослабляя его энергию. Но существует ли эта среда на самом деле? А если существует, то покоится ли он неподвижно или находится в непрерывном движении?