Коллектив авторов - Концепции современного естествознания. Учебное пособие
Итальянский физик и астроном Г. Галилей (1564–1642) впервые объединил эксперимент с математикой, рассматривал математические абстракции как законы, управляющие физическими процессами в мире опыта, всячески развивал идею систематического применения двух взаимосвязанных методов – аналитического и синтетического (он называл их резолютивным и композитивным). Главным достижением в механике было установление им закона инерции, принципа относительности, согласно которому равномерное и прямолинейное движение системы тел не отражается на процессах, происходящих в этой системе. Галилей усовершенствовал и изобрел множество технических приборов – линзу, телескоп, микроскоп, магнит, воздушный термометр, барометр и др. Основное его сочинение «Диалог о двух главнейших системах мира – птолемеевой и коперниковой» (1632).
Великий английский физик И. Ньютон (1643–1727 гг.) завершил коперниковскую революцию. Он доказал существование тяготения как универсальной силы – силы, которая одновременно заставляла камни падать на Землю и была причиной замкнутых орбит, по которым планеты вращались вокруг Солнца. Заслуга И. Ньютона была в том, что он соединил механистическую философию Р. Декарта, законы И. Кеплера о движении планет и законы Г. Галилея о земном движении, сведя их в единую всеобъемлющую теорию. После целого ряда математических открытий И. Ньютон установил следующее: для того чтобы планеты удерживались на устойчивых орбитах с соответствующими скоростями и на соответствующих расстояниях, определяющихся третьим законом И. Кеплера, их должна притягивать к Солнцу некая сила, обратно пропорциональная квадрату расстояния до Солнца; этому же закону подчиняются и тела, падающие на Землю.
Главным трудом И. Ньютона явилась книга «Математические начала натуральной философии», опубликованная в 1687 г. Известно, что И. Ньютон создал свой вариант дифференциального и интегрального исчисления непосредственно для решения основных проблем механики: определения мгновенной скорости как производной от пути по времени движения и ускорения как производной от скорости по времени или второй производной от пути по времени. Благодаря этому ему удалось точно сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения.
И. Ньютон был убежден в объективном существовании материи, пространства и времени, в существовании объективных законов мира, доступных человеческому познанию. Своим стремлением свести все к механике И. Ньютон поддерживал механистический материализм (механицизм). Несмотря на свои огромные достижения в области естествознания, Ньютон глубоко верил в Бога, очень серьезно относился к религии. Он был автором «Толкования на книгу пророка Даниила», «Апокалипсиса», «Хронологии». Это приводит к выводу, что для И. Ньютона не было конфликта между наукой и религией, в его мировоззрении уживалось и то и другое.
Отдавая дань столь великому вкладу ученого в становление и развитие научной картины мира, научную парадигму этого периода или научную революцию XVI–XVII вв. называют ньютоновской. И это вторая в истории европейской науки картина мира после аристотелевской. Ее основными достижениями можно считать:
1) натурализм – идею самодостаточности природы, управляемой естественными, объективными законами;
2) механицизм – представление мира в качестве машины, состоящей из элементов разной степени важности и общности;
3) квантитативизм – универсальный метод количественного сопоставления и оценки всех предметов и явлений мира, отказ от качественного мышления античности и Средневековья;
4) причинно-следственный автоматизм – жесткую детерминацию всех явлений и процессов в мире естественными причинами, описываемыми с помощью законов механики;
5) аналитизм – примат аналитической деятельности над синтетической в мышлении ученых, отказ от абстрактных спекуляций, характерных для античности и Средневековья;
6) геометризм – утверждение картины безграничного однородного, описываемого геометрией Евклида и управляемого едиными законами космического универсума. Еще одним важнейшим итогом научной революции Нового времени стало соединение умозрительной натурфилософской традиции античности и средневековой науки с ремесленно-технической деятельностью, с производством. Кроме того, в результате этой революции в науке утвердился гипотетико-дедуктивный метод познания.
В прошлом веке физики дополнили механистическую картину мира электромагнитной. Электрические и магнитные явления были известны давно, но изучались обособленно друг от друга. Дальнейшее их изучение показало, что между ними существует глубокая взаимосвязь, что заставило ученых искать эту связь и создать единую электромагнитную теорию. Наибольший вклад в создание этой теории внесли датский физик X. Эрстед (1777–1851), английские физики М. Фарадей (1791–1867) и Д. Максвелл (1831–1879) и др. В результате их открытий было показано, что в мире существует не только вещество в виде тел, но и разнообразные физические поля.
В конце XIX – начале XX вв. в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили представления о существующей на тот момент картине мира. Прежде всего это были открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии.
Если раньше последними неделимыми частицами материи, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Электрон открыл в 1895 г. английский физик Д. Томсон (1856–1940). Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).
Первую модель строения атома предложил английский ученый Э. Резерфорд (1871–1937). Согласно этой модели атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой: вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов должны были упасть на ядро. Но опыт показал, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и что для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована в 1913 г. выдающимся датским физиком Н. Бором (1885–1962), который предположил, что при вращении по т. н. стационарным орбитам электроны не излучают энергию. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.
В 30-е гг. XX в. было сделано другое важное открытие, которое показало, что элементарные частицы, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путем было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных 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 и из волновой, и из квантовой теорий для более полного описания процессов. Именно в это время возникает новая волновая, или квантовая, механика для описания процессов, происходящих в мире мельчайших частиц – микромире.
По словам великого немецкого физика В. Гейзенберга(1901–1976), в квантовой механике неимоверно возросло значение эксперимента: «Наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет»[1]. Из данного обстоятельства, заключающегося в том, что сам измерительный прибор влияет на результаты измерения и участвует в формировании изучаемого явления, следовало, во-первых, представление об особой «физической реальности», которой присущ данный феномен, а во-вторых, представление о субъектно-объектном единстве как единстве измерительного прибора и изучаемой реальности. «Квантовая теория уже не допускает вполне объективного описания природы»[2].
Итак, принципиально новыми моментами в исследовании микромира с позиций квантовой механики стали следующие:
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 определенной вероятностью;
4) прибор, исследующий реальность, влияет на нее;
5) точное измерение возможно только при потоке частиц, но не одной частицы.
Другая фундаментальная теория современной физики – теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Г. Галилеем принцип относительности в механическом движении. Также эта теория впервые ясно показала, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика.
