История, панорама современного естествознания и тенденции его развития

Эйлер своим гением охватывал все разделы математики. Прекрасные работы выполнены им в области математической физики и гидродинамики. Он написал учебники по арифметике и элементарной алгебре, введению в математический анализ и аналитической геометрии. Его система изложения тригонометрии дошла до нас почти в неизменном виде. Много работ Эйлера посвящено и чисто прикладным наукам. Двухтомная "Морская наука" сыграла колоссальнейшую роль в развитии кораблестроения и кораблевождения в XVIII в. Его "Теория движения Луны" и составленные на ее основе таблицы, сотни лет использовались мореплавателями. На основе его трехтомной "Диоптрики" создавались улучшенные конструкции телескопов и микроскопов.

XVIII век в области механики характеризуется также поисками более общих принципов, чем законы Ньютона. В этот период создается теоретическая механика. Наибольший вклад в ее развитие внес Лагранж.

Главная работа Лагранжа "Аналитическая механика" вышла в Париже в 1788 г. В ней была решена задача, которую он сам формулировал так: "Я поставил цель свести теорию механики и методы решения связанных с нею задач к общим формулам, простое развитие которых дает все уравнения для решения каждой задачи". "Аналитическая механика" Лагранжа состоит из двух частей: статики и динамики. Ирландский математик У. Гамильтон (1805-1865), оценивая вклад Лагранжа в развитие механики, писал, что "из числа последователей этих блестящих ученых (имелись в виду Галилей и Ньютон) Лагранж, пожалуй, больше, чем кто-либо другой, сделал для расширения и придания стройности всей механике. При этом красота метода настолько соответствует достоинству результата, что эта великая работа превращается в своего рода математическую поэму".

Одним из прикладных разделов оптики, получивших развитие в XVIII в., была фотометрия. Этого требовали практические нужды освещения (многие ученые занимались вопросами освещения дворцов и улиц городов). Основоположниками фотометрии являются П. Бугер (1698-1758) и И. Ламберт (1728-1777). Работа Бугера "Опыт о градации света" вышла в 1729 г., "Фотометрия" Ламберта - в 1760 г. Именно в этих работах были введены основные фотометрические понятия: световой поток, сила света, освещенность, яркость. Главным методом фотометрии был метод сравнения освещенностей. Бугер сконструировал фотометр и открыл закон поглощения света.

Учение об электричестве и магнетизме в XVIII в. получило дальнейшее развитие. В этот период закладываются основы электростатики. Большой вклад в развитие этих разделов физики внесли Франклин, Рихман, Ломоносов, Эпинус, Кулон.

Георг Рихман, профессор Петербургской академии наук, изучал электрические явления с 1745 г. Он пытался измерить электричество с помощью весов и изобрел прибор для сравнения электрических сил. С по-мощью изобретенного указателя электричества Рихман предсказал существование электрического поля вокруг заряженного тела.

В 1759 г. вышла работа петербургского академика Эпинуса (1724-1802) "Опыт теории электричества и магнетизма", где ученый ищет не отличия, а сходства между электричеством и магнетизмом. Эпинус считал, что по аналогии с законом тяготения сила взаимодействия зарядов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними.

Закон взаимодействия электрических зарядов был заново открыт в 1784 г. французским военным инженером, членом Парижской академии наук Ш. Кулоном (1736-1806) с помощью сконструированных им крутильных весов и по праву носит его имя. Только с открытием этого закона учение об элект-ричестве было поставлено на количественную основу.

Наука о теплоте в XVIII в. делает лишь первые шаги. Одним из ее разделов была термометрия, возникшая в первой четверти века. Именно в этот период создаются термометры с двумя опорными точками. Большой вклад в развитие этой отрасли науки внесли Амонтон, Фаренгейт, Реомюр, Цельсий и другие ученые.

В XVIII в. создаются первые теории теплоты. Одна из них рассматривала теплоту как особую невесомую жидкость - теплород; другая, сторонником который был М. В. Ломоносов, утверждала, что теплота - это особый род движения "нечувствительных частиц". Ломоносов считал, что теплота обусловлена вращательным движением корпускул (молекул). Поскольку нет верхнего предела скорости движения частиц, то нет, по Ломоносову, и верхнего предела температуры. Но должна существовать "наибольшая и последняя степень холода", которая состоит "в полном прекращении вращательного движения частиц". Эти мысли были изложены Ломоносовым в работе "Размышления о причине теплоты и холода", опубли-кованной в 1750 г. и явившейся одной из основополагающих работ по кинетической теории тепла.

Период 1745-1750 гг. характеризуется большими творческими достижениями Ломоносова. Он разработал и обосновал новую отрасль знания - физическую химию, кинетическую теорию теплоты и газов, сформулировал закон сохранения материи и движения.

В следующее пятилетие (1750-1755) деятельность Ломоносова развертывается также широким фронтом. Его научная работа протекает по двум направлениям: электрические явления и химия. В этот же период Ломоносов много занимается вопросами окрашивания стекла. К 1752 г. эти опыты были в основном закончены, а в 1753 г. благодаря огромным усилиям Ломоносова был пущен первый завод мозаичного стекла (ныне это знамени-тый завод художественных изделий под Санкт-Петербургом).

Ломоносов впервые предсказал существование абсолютного нуля температуры, объяснил исходя из кинетических соображений закон Бойля. Введя в химию весы, он доказал неправильность мнения об увеличении веса металлов при их обжигании в "заплавленных накрепко стеклянных сосудах". Он впервые высказал мысль о связи электрических и световых явлений, об электрической природе северного сияния, о вертикальных течениях как источнике атмосферного электричества. Защищая волновую теорию света, Ломоносов в оптике проделал большую работу по конструированию оптических приборов, по цветам и красителям, по преломлению света.

Глава 8. Развитие и завершение классической науки в XIX в.

Оставаясь в целом метафизической и механистической, классическая наука и особенно естествознание, готовят постепенное крушение метафизического взгляда на природу.

На первый план выдвигаются физика и химия, изучающие взаимопревра-щения энергии и видов вещества (химическая атомистика). В геологии возникает теория развития Земли (Ч. Лайель), в биологии зарождается эволюционная теория (Ж.-Б. Ламарк), развиваются такие науки, как палеонтология (Ж. Кювье), эмбриология (К.М. Бэр).

Особое значение имели революции, связанные с тремя великими открытиями второй трети XIX в. - клеточной теории Шлейденом и Шванном, закона сохранения и превращения энергии Майером и Джоулем, создание Дарвином эволюционного учения. Затем последовали открытия, продемонстрировавшие диалектику природы полнее: создание теории химического строения органических соединений (A. M. Бутлеров, 1861), периодической системы элементов (Д. И. Менделеев, 1869), химической термодинамики (Я. Х. Вант-Гофф, Дж. Гиббс), основ научной физиологии (И. М. Сеченов, 1863), электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873).

В результате этих научных открытий естествознание поднимается на качественно новую ступень и становится дисциплинарно-организованной наукой.

XIX век стал веком торжества волновой теории света, созданной и обоснованной главным образом работами Томаса Юнга (1773-1829).

Первой работой Юнга было сочинение "Наблюдение над процессом зрения", написанное в 1793 г., в котором он разработал теорию аккомодации глаза. Занимаясь вопросами оптики, Юнг в 1800 г. сформулировал принцип суперпозиции волн, объяснил явление интерференции, введя в науку этот термин. В 1801 г. вышла его "Теория света и цвета", где была изложена волновая теория света.

В этот период в области оптики шло накопление и других экспериментальных фактов, требующих создания единой теории, объясняющей всё разнообразие оптических явлений. Создателем её явился французский инженер Огюстен Жан Френель.

Из своей теории Френель сделал вывод о том, что скорость света в стекле меньше, чем скорость света в воздухе. Вывод Ньютона, основанный на корпускулярных представлениях, был противоположным. Физика вскоре подтвердила правильность вывода Френеля.

С именем Фарадея связан последний, переломный этап классической физики. В истории естествознания это был период возникновения нового метода, нового подхода к явлениям природы. Если господствующей методологией в естествознании XVIII в. был метафизический материализм, в частности механицизм, расчленяющий мир на отдельные, несвязанные области, то открытия физики XIX в. привели к необходимости отказа от такого подхода. Идея всеобщей связи явлений материального мира, идея развития, скачкообразный переход количественных изменений в новое качество и другие положения диалектического материализма постепенно становились руководящими в исследованиях ученых.

К деятелям нового типа, стихийно использующим идею всеобщей связи явлений, принадлежал и Майкл Фарадей (1791-1867).

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу "превратить магнетизм в электричество". Но только в 1831 г. М. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Эти открытия легли в основу разработки электродвигателя и электрогенератора, играющих ныне столь важную роль в технике.

С 1824 г. Фарадей - член Королевского общества. Одержимый идеями о неразрывной связи и взаимовлиянии сил природы Фарадей безуспешно пока пытается найти связь между магнетизмом и электричеством. Но раз Ампер смог с помощью электричества создать магниты, то почему нельзя с помощью магнитов создать электричество?! Фарадей ставит множество опытов, ведет педантичные записи каждого эксперимента, каждой мысли. О громадной работоспособности Фарадея говорит хотя бы тот факт, что последний параграф "Дневника" был записан под номером 16041! Следует заметить, что в 1827 г. Фарадей получил профессорскую кафедру в Королевском институте. Тщательная подготовка к лекциям тоже требовала немало времени.

Но вот упорный десятилетний труд Фарадея вознагражден: 17 октября 1831 г. триумфальный эксперимент - открыто явление электромагнитной индукции. Это был хорошо подготовленный и заранее продуманный опыт.

Вслед за открытием электромагнитной индукции Фарадей проверяет новую идею. Если движение магнита относительно проводника создает электричество, то, видимо, движение проводника относительно магнита должно приводить к такому же следствию. Значит, есть возможность создать генератор электрического тока, обеспечив непрерывное относительное движение проводника и магнита. Фарадей быстро строит и испытывает новое простое устройство: между полюсами подковообразного магнита вращается медный диск, с которого при помощи скользящих контактов (один на оси, другой на периферии) снимается напряжение. Это был первый генератор электрического тока!

С ноября 1831 г. Фарадей начал систематически печатать свои "Экспериментальные исследования по электричеству", составившие 30 серий более чем из 3000 параграфов. Это великолепный памятник научного творчества Фарадея. Первая серия посвящена электромагнитной индукции; последняя (тридцатая) - законам намагничивания (вышла в свет в 1855г.). В этих сериях отражена двадцатичетырехлетняя работа Фарадея, в них жизнь, мысли и воззрения ученого.

В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного пре-вращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии.

Закон сохранения и превращения энергии является одним из важнейших законов современного естествознания. Он выражает положение диалектического материализма о неуничтожимости и несотворимости материи и движения. Формулировка этого закона стала общеизвестной: сумма всех видов энергии изолированной системы есть величина постоянная. Истоки его уходят в глубокую древность. "Из ничего ничего не бывает" - так древними греками была выражена идея сохранения. Эта великая идея развивалась и постепенно расширяла сферу своего влияния. В процессе развития естествознания были открыты законы сохранения массы, электрического заряда, количества движения, а в середине XIX в. - закон сохранения и превращения энергии. Именно к этому периоду созрели необходимые условия для появления данного закона.

Многие учёные внесли свой вклад в его установление, но физика связывает, и по праву, его открытие в первую очередь с именами Р. Майера, Г. Гельмгольца, Д. Джоуля, Э. Ленца, М. Фарадея.

Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира.

В России, в XIX в. выдающимися представителями физики были Д.И. Менделеев, А.Г. Столетов, П.Н. Лебедев, А.С. Попов.

В марте 1969 г. научная общественность нашей планеты отметила 100-летие со дня открытия одного из фундаментальных законов естествознания - периодического закона химических элементов Д. И. Менделеева. Открытие этого закона Ф. Энгельс назвал "научным подвигом" Менделеева, который принес отечественной науке неувядающую славу и мировое признание. На основе этого закона Менделеев сумел предсказать физические и химические свойства элементов, открытых позднее. И сегодня этот закон, получив соответствующее обоснование в науке, является путеводной звездой в научных исканиях физиков, химиков.

Перу Д. И. Менделеева принадлежит более 500 научных работ по
различным проблемам химии, физики, метрологии, геологии,

воздухоплавания, педагогики.

Наиболее крупным исследованием А. Г. Столетова, принесшим ему мировую славу, является исследование фотоэффекта (1888-1890). В результате этой работы А.Г. Столетов предложил очень простой метод изучения данного явления: одна из пластин конденсатора - сплошная (в опытах Столетова это была полированная цинковая пластина) - соединяется через гальванометр с отрицательным полюсом батареи; другая - в виде сетки - соединяется с положительным полюсом. Внутренняя поверхность сплошной пластины освещается электрической дугой.

Исследование светового давления стало делом всей жизни П. Н. Лебедева. Из теории Максвелла следовало, что световое давление на тело равно плотности энергии электромагнитного поля. При полном отражении давление будет в два раза больше. Экспериментальная проверка этого положения представляла большую трудность. Во-первых, давление очень мало и нужен чрезвычайно тонкий эксперимент для его обнаружения, не говоря уже о его измерении. И Лебедев создает свою знаменитую установку -- систему легких и тонких дисков на закручивающемся подвесе. Это были крутильные весы с невиданной до тех пор точностью.

Во-вторых, серьезной помехой был радиометрический эффект: при падении света на тело (тонкие диски в опытах Лебедева), оно нагревается. Температура освещенной стороны будет больше, чем температура теневой. А это приведет к тому, что молекулы газа от освещенной стороны диска будут отбрасываться с бульшими скоростями, чем от теневой. Возникает дополнительная отдача, направленная в ту же сторону, что и световое давление, но во много раз превосходящая его (в 103 раза в опытах Крукса и Бартоли). Кроме того, при наличии разности температур возникают конвекционные потоки газа. Все это надо было устранить. П. Н. Лебедев с непревзойденным мастерством искуснейшего экспериментатора преодолевает эти трудности. Платиновые крылышки подвеса были взяты толщиной всего 0,1-0,01 мм, что приводило к быстрому выравниванию температуры обеих сторон. Вся установка была помещена в наивысший, достижимый, в то время вакуум (порядка 0,0001 мм рт. ст.). П. Н. Лебедев сумел сделать это очень остроумно. В стеклянном баллоне, где находилась установка, Лебедев помещал каплю ртути и слегка подогревал ее. Ртутные пары вытесняли воздух, откачиваемый насосом. А после этого температура в баллоне понижалась, и давление оставшихся ртутных паров резко уменьша-лось (ртутные пары, как говорят, замораживались).

Кропотливый труд увенчался успехом. Предварительное сообщение о давлении света было сделано П. Н. Лебедевым в 1899 г., затем о своих опытах он рассказал в 1900 г. в Париже на Всемирном конгрессе физиков, а в 1901 г. в немецком журнале "Анналы физики" была напечатана его работа "Опытное исследование светового давления". Работа получила высочайшую оценку ученых и стала новым, блестящим экспериментальным подтверждением теории Максвелла.

Кроме работ, связанных со световым давлением, П. Н. Лебедев много сделал для изучения свойств электромагнитных волн. Усовершенствовав метод Герца, он получил самые короткие в то время электромагнитные волны (А = 6 мм, в опытах Герца А = 0,5 м), доказал их двойное лучепреломление в анизотропных средах. Следует заметить, что приборы Лебедева были настолько малы, что их можно было носить в кармане. Например, генератор электромагнитных волн Лебедева состоял из двух платиновых цилиндриков, каждый по 1,3 мм длиной и 0,5 мм в диаметре. Зеркала Лебедева имели высоту 20 мм, а эбонитовая призма для исследования преломления электромагнитных волн была высотой 1,8 см, шириной 1,2 см и весила около 2 г. Напомним, что призма Герца для этой же цели весила 600 кг. Миниатюрные приборы Лебедева всегда вызывали восхи-щение физиков-экспериментаторов, а задача уменьшения размеров различных приборов и схем в настоящее время является одной из важнейших, стоящих перед учеными и конструкторами.

Электромагнитную теорию Максвелла экспериментально впервые доказал Г. Герц, открыв электромагнитные волны. Это открытие Герца привлекло к себе внимание самых широких слоёв общества. Именно в этот период многие сразу же высказали идею о возможности беспроволочной связи с помощью "лучей Герца". В списке учёных, решавших эту задачу, на первом месте стоит имя профессора А. С. Попова (1859-1905).

После открытия Герца, Попов увлекся электромагнитными волнами. Читая в 1889 г. в Минных классах цикл лекций "Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями", А.С. Попов сопровождал их демонстрациями. Это имело огромный успех, и А.С. Попову было предложено повторить этот цикл в Петербурге в Морском музее. Уже в этом цикле Попов высказывает мысль, что опыты и работы Герца представляют большой интерес не только в строго научном плане, но также и в возможности их применения для беспроволочной передачи сигналов.

7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества А.С. Попов демонстрировал сконструированный им прибор для приема и регистрации электромагнитных колебаний.

В 1899-1900 гг. радиотелеграф А.С. Попова оказался незаменимым средством и сыграл свою первую практическую роль при снятии с камней броненосца"Генерал-адмирал Апраксин", потерпевшего аварию в районе о. Гогланда. События тех дней заставили воспользоваться телеграфом А.С. Попова и еще в одном важном деле. На льдине в море были унесены рыбаки. Их жизнь зависела от оперативности спасательной службы. Приказ ледоколу "Ермак", находящемуся в море, был передан по беспроволочной связи. Рыбаки были спасены. Так всем стала очевидна огромная польза этого изобретения.

В XIX и начале XX в. наука вступила в свой золотой век. Во всех ее важнейших областях произошли удивительные открытия, широко распространилась сеть институтов и академий, организованно проводивших специальные исследования различного рода, на основе соединения науки с техникой чрезвычайно быстро расцвели прикладные области. Оптимизм этой эпохи был напрямую связан с верой в науку, ее способность до неузнаваемости преобразить состояние человеческого знания, обеспечить здоровье и благосостояние людей.

Сложившаяся ситуация в науке и мировоззрении требовала своего разрешения. Оно появилось в ходе новейшей революции в естествознании, начавшейся с 90-х гг. XIX в. и продолжавшейся до середины XX в. Это была глобальная научная революция, по своим результатам и значению сравнимая с революцией XVI-XVII вв. Она началась в физике, затем проникла в другие естественные науки, кардинально изменила философские, методологические, гносеологические, логические основания науки в целом, создав феномен современной науки.

Глава 9. Научная революция в естествознании начала XX в.

Развитие электронной теории.

Идея атомарного строения электричества вытекала из законов электролиза Фарадея, на что в свое время обратил внимание и сам Фарадей, указывая, что "атомы тел, эквивалентные друг другу в отношении их обычного химического действия, содержат равные количества электричества, естественно связанного с ними".

Максвелл в своем "Трактате об электричестве и магнетизме" тоже говорит о "молекуле электричества", но считает, что "теория молекулярных зарядов" хотя и "служит для выражения большого числа фактов электролиза", однако является временной и будет отброшена, как только на основе поля появится теория электрического тока.

В 1875 г. голландский физик Г.А. Лоренц в своей докторской диссертации "К теории отражения и преломления лучей света" объясняет изменение скорости света в среде влиянием ее заряженных частиц. Лоренц считает, что теория Максвелла нуждается в дополнении, так как в ней не учитывается структура вещества. В ней свойства тел характеризуются различными коэф-фициентами: диэлектрической и магнитной проницаемостью, проводимостью. "Но мы не можем удовлетвориться простым введением для каждого вещества этих коэффициентов, значения которых должны определяться из опыта. Мы будем принуждены обратиться к какой-нибудь гипотезе относительно механизма, лежащего в основе этих явлений. Эта необходимость и привела к представлению об электронах, т. е. крайне малых электрически заряженных частицах, которые в громадном количестве присутствуют во всех весомых телах", - писал Лоренц.

В начале XX в. работами немецкого физика П. Друде (1863-1906) и Г. Лоренца была создана электронная теория металлов, позволившая получить теоретически многие ранее открытые законы: Ома, Джоуля - Ленца и др. Эта теория была построена на следующих положениях.

1. В металле есть свободные электроны - электроны проводимости, образующие электронный газ, аналогичный по своим свойствам идеальному.

2. Остов металла образует кристаллическая решетка, в узлах которой находятся ионы.

3. При своем движении электроны сталкиваются с ионами.

4. При наличии электрического поля электроны приходят в
упорядоченное движение под действием сил поля.

В результате работ Дж. Томсона был открыт электрон и определен его удельный заряд. Однако ни заряд, ни масса электрона отдельно еще не были известны. Нужны были новые эксперименты для определения этих фундаментальных величин. Первыми наиболее точными из них следует назвать опыты американского физика Р. Милликена (1868-1953) в 1909-1914 гг. Идея этих опытов сводилась к наблюдению за падением заряженной капли масла в однородном поле плоского конденсатора (рис. 6).

В результате многочисленных экспериментов с использованием масляных капель различного веса и при разных условиях Милликен заключил, что в каждом случае заряд капли изменялся на величину, равную или кратную значению некоторого основного заряда е - заряда электрона. Эти опыты не только явно доказывали дискретность электрического заряда, но и позволили определить его наименьшую величину. Подобные опыты были проведены разными учеными, в том числе и академиком А. Ф. Иоффе. Опыт Иоффе был сходен с опытом Милликена, но вместо капель масла использовались металлические пылинки. В результате всех этих опытов в физике были установлены важнейшие физические константы: заряд электрона е = -1,60 ? 10-19 Кл, масса электрона me = 9,1 ? 10-31 кг. Еще в 1902 г., определяя отношение е /m для электрона, Кауфман обнаружил, что оно не является постоянной величиной, а зависит от скорости частиц. Работая с в-лучами (поток быстрых электронов) и действуя на них электрическим и магнитным полем, Кауфман обнаружил, что e/m уменьшается с ростом скорости. Из этого следовало, что с ростом скорости электрона либо уменьшается его заряд, либо увеличивается его масса.

Для объяснения этого и ряда других явлений в этот период создаются различные гипотезы. Справедливость одних и ошибочность других были установлены новыми экспериментами и специальной теорией относительности (СТО).

Создание А. Эйнштейном специальной теории относительности

В начале 90-х годов XIX в. Г. Лоренц на основе своей электронной теории и гипотезы о неподвижном эфире выводит уравнения электромагнитного поля для движущихся сред [6]. И делает очень важный вывод: никакие оптические и электромагнитные опыты, проведенные в равномерно и прямолинейно движущейся системе отсчета, не в состоянии обнаружить этого движения. Таким образом, Лоренц сформулировал принцип относи-тельности для электромагнитных процессов, но, к сожалению, не придал ему того большого значения, какое он заслуживал. Дальнейшее развитие электродинамики движущихся сред принадлежит французскому математику Анри Пуанкаре (1854-1912). Именно он в 1900 г. на Парижском конгрессе физиков порицал Лоренца за недооценку им принципа относительности, считая его, со своей стороны, общим законом природы. Отрицательный результат опыта Майкельсона, по мнению Пуанкаре, как раз и является выражением этого закона. В 1904 г., называя принцип относительности в числе основных принципов физики, Пуанкаре отмечает, что "законы физических явлений будут одинаковыми как для покоящегося наблюдателя, так и для наблюдателя, находящегося в состоянии равномерного прямолинейного движения, так что мы не имеем и не можем иметь никаких средств, чтобы различить, находимся мы в таком движении или нет".

Так принцип относительности, сформулированный Галилеем для механических явлений в начале XX в., был распространен на любые физические процессы. Небезынтересно отметить, что, рассматривая влияние принципа относительности на гравитацию, Пуанкаре приходит к выводу, что скорость распространения сил тяготения должна равняться скорости света.

Итак, мы видим, что предшественники А. Эйнштейна немало сделали для появления теории относительности. Однако, развивая электродинамику и стремясь объяснить опыты, они опирались на концепцию эфира. Подойдя к принципу относительности, они не смогли поставить вопрос о постоянстве и, особенно, о предельном значении скорости света. Это и было сделано А. Эйнштейном (1879-1955). Основополагающая работа Эйнштейна по теории относительности называлась "К электродинамике движущихся сред". Она поступила в редакцию журнала "Анналы физики" 30 июня 1905 г. Работа состояла из двух частей. В первой из них были изложены основы новой теории пространства и времени, во второй - применение этой теории к электродинамике движущихся сред. В основу своей теории Эйнштейн кладет два постулата.

Принцип относительности - в любых инерциальных системах все физические процессы: механические, оптические, электрические и другие -протекают одинаково.

Принцип постоянства скорости света - скорость света в вакууме не зависит от движения источника и приемника, она одинакова во всех направ-лениях, во всех инерциальных системах и равна 3 ? 108 м/с.

В 1907 г. выходит новая работа А. Эйнштейна "О принципе относительности и его следствиях". В ней автор вновь говорит о связи массы и энергии и для проверки этого соотношения обращается к радиоактивным процессам. Подсчеты показали, что для проверки формулы на известных в то время радиоактивных превращениях нужно знать атомные массы элементов с точностью до пятого знака. Эйнштейн писал: "Это, конечно, недостижимо. Однако не исключено, что будут открыты радиоактивные процессы, в которых в энергию радиоактивных излучений превращается большая часть массы исходного атома, чем в случае радия".

Очень интересна последняя часть работы, где ставится вопрос о Ч> X распространении принципа относительности на системы, движущиеся с ускорением. Именно здесь впервые появился принцип эквивалентности, согласно которому инертная масса тела равна его гравитационной массе или, что то же самое, силы гравитации физически эквивалентны силам инерции. На основе этого принципа Эйнштейн исследует влияние гравитации на ход часов и распространение света. Он делает вывод, что любой физический процесс протекает тем быстрее, чем больше гравитационный потенциал в области, где разыгрывается этот процесс, и что световые лучи искривляются в гравитационном поле. Итак, в 1907 г. Эйнштейн закладывает первые основы общей теории относительности (ОТО), над разработкой которой он неустанно работал 10 лет. Теория же, созданная им в 1905 г., в которой прин-цип относительности был сформулирован только для инерциальных систем, получила название специальной (частной) теории относительности (СТО).

В 1916 г. была опубликована общая теория относительности. Она распространила СТО на ускоренные системы. Эйнштейн ограничил применимость принципа постоянства скорости света областями, где гравитационными силами можно пренебречь. Зато он распространил принцип относительности на все движущиеся системы. Из ОТО был получен ряд важных выводов.

Свойства пространства-времени зависят от движущейся материи.

Луч света, обладающий инертной, а следовательно, и гравитационной массой, должен искривляться в поле тяготения. В частности, такое искривление должен испытывать луч, проходящий возле Солнца. Этот эффект, как указывал Эйнштейн, можно обнаружить при наблюдении положения звезд во время солнечного затмения. "Было бы крайне интересно, - пишет он, - чтобы астрономы заинтересовались поставленным здесь вопросом".

3. Частота света в результате действия поля тяготения должна
изменяться. В результате этого эффекта линии солнечного спектра под
действием гравитационного поля Солнца должны смещаться в сторону
красного света, по сравнению со спектрами соответствующих земных
источников. Этот эффект, по мнению Эйнштейна, также может быть
обнаружен экспериментально. Все это было принципиально ново, и для
утверждения ОТО нужна была ее экспериментальная проверка.

Возникновение и развитие теории квантов

14 декабря 1900 г., выступая в Берлинском физическом обществе, М. Планк для решения проблемы излучения предложил свою, как он ее скромно именовал, "рабочую гипотезу". Суть ее сводилась к тому, что энергия излучается не непрерывно, как полагали раньше, а отдельными порциями, т. е. дискретно. Это стало днем рождения квантовой физики - детища XX в. Экспериментальные же корни ее уходят глубоко в XIX в. Открытие и изучение рентгеновских и катодных лучей, радиоактивности, теплового излучения, атомных спектров, фотоэффекта и ряда других явлений с полным правом можно назвать истоками квантовой физики.

Началом фундаментальных теоретических работ по тепловому излучению является открытие Кирхгофом (1824-1887) в 1859-1861 гг. закона, согласно которому отношение испускательной способности ev нагретого тела к его поглощательной способности av не зависит от природы тела, а является одинаковой для всех тел (универсальной) функцией длины волны (частоты) и температуры. Если ввести понятие черного тела, т. е. такого, которое поглощает все падающие на него лучи, то эта универсальная функция и будет равна его испускательной способности ( e* = f(v, Т). Заметим, что в природе нет абсолютно черных тел, но есть тела, близкие к ним. Например, поглощательная способность сажи, платиновой черни, черного бархата близка к 1.

Проблема излучения не давала Планку покоя, и он постоянно думал над ней. Рассказывают, что незадолго до своего великого открытия он поднялся на самую высокую и труднодоступную в своей альпинистской практике горную вершину. Воодушевленный победой, Планк погрузился в работу. Сначала он полуэмпирическим путем нашел формулу, которая хорошо совпадала с результатами эксперимента во всем спектре. Но формуле надо было дать реальное физическое звучание и обосновать установленный закон. "После нескольких недель напряженнейшей в моей жизни работы темнота рассеялась, и наметились новые, не подозреваемые ранее дали", -вспоминал позднее Планк. А суть дела заключалась в том, что Планк вынужден был отказаться от одного из основных положений классической физики - о непрерывном (сколь угодно малыми величинами) излучении энергии и принять новую гипотезу: излучение энергии может происходить только вполне определенными (дискретными) порциями - квантами. Величина кванта энергии: е0 = hv, где h - универсальная постоянная, получившая название постоянной Планка; v - частота излучения. Так, в физике появился квант энергии и совершенно новая величина h - квант действия, которая наряду с уже известными атомизмом вещества и электричества указывала на атомизм действия и энергии, что было совершенно чуждо классическим представлениям.

Но как быть с представлениями классической физики? И Планк дрогнул. В физике сложилась, пожалуй, беспримерная ситуация: выдвинув великую идею, творец испугался масштаба ее последствий. А квантовая гипотеза тем временем пробивала себе дорогу. И первым, кто принял кванты Планка всерьез, был молодой А. Эйнштейн. Он не только принял гипотезу Планка, а пошел дальше, заявив, что свет не только излучается, но и поглощается, и распространяется квантами. Световой квант был назван позднее фотоном. Развитием этой идеи явилась фотонная теория света, возродившая на новом уровне корпускулярные представления о нем и вскоре доказанная экспериментально.

Используя гипотезу световых квантов, А. Эйнштейн получил обобщенный закон фотоэффекта, разработал квантовую теорию теплоемкости. Для этого выдающегося ученого с самого начала было ясно, что квантовая гипотеза в любой своей форме несовместима с классическими представлениями, что все попытки введения ее в электродинамику Максвелла обречены на неудачу.

Роль открытия Планка постепенно была оценена всеми физиками. Эту оценку мы подытожим словами А. Эйнштейна: "Открытие Планка стало основой всех исследований в физике XX в. и с тех пор почти полностью обусловило ее развитие. Больше того, оно разрушило остов классической механики и электродинамики и поставило перед наукой задачу: найти новую познавательную основу для всей физики". Такой основой стала квантовая механика. Но это будет значительно позже.

Атомная физика

В январе 1896 г. над Европой и Америкой прокатился тайфун газетных сообщений о сенсационном открытии профессора Вюрцбургского университета Вильгельма Конрада Рентгена (1845-1923). Казалось, не было газеты, которая бы не напечатала снимок кисти руки, принадлежащей, как выяснилось позже, Берте Рентген - жене профессора. А профессор Рентген, запершись у себя в лаборатории, продолжал усиленно изучать свойства открытых им лучей.

20 января 1896 г. американские врачи с помощью лучей Рентгена уже впервые увидели перелом руки человека. С тех пор открытие немецкого физика навсегда вошло в арсенал медицины. Росла и слава Рентгена, хотя ученый относился к ней с полнейшим равнодушием. Он не стал брать патент на свое открытие, отказался от почетной, высокооплачиваемой должности члена академии наук, от кафедры физики в Берлинском университете, от дворянского звания.

Хотя самим Рентгеном и другими учеными много было сделано по изучению свойств открытых лучей, однако природа их долгое время оставалась неясной. Но вот в июне 1912 г. в Мюнхенском университете, где с 1900 г. работал К. Рентген, М. Лауэ (1879-1960), В. Фридрихом и П. Книппингом была открыта интерференция и дифракция рентгеновских лучей. Это доказывало их волновую природу.

Дифракция рентгеновских лучей вскоре стала не просто достоянием физиков, а положила начало новому, очень сильному методу исследования структуры вещества - рентгеноструктурному анализу. В 1914 г. М. Лауэ за открытие дифракции рентгеновских лучей, а в 1915 г. отец и сын Брэгги за изучение структуры кристаллов с помощью этих лучей стали лауреатами Нобелевской премии по физике. В настоящее время мы знаем, что рентгеновские лучи - это коротковолновое электромагнитное излучение с большой проникающей способностью.

Открытие рентгеновских лучей дало толчок новым исследованиям. Их изучение привело к новым открытиям, одним из которых явилось открытие радиоактивности.

Явление радиоактивности было открыто А. Беккерелем (1862-1908) и изучено Пьером Кюри (1859-1906) и его женой Марией Кюри-Склодовской (1867-1934). 13 ноября 1903 г. супруги Кюри одновременно с Беккерелем получают телеграмму из Стокгольма, о присуждении им троим Нобелевской премии по физике за выдающиеся открытия в области радиоактивности.

Возникновение и развитие теории атома

Создатель первоначальной квантовой теории атома - крупнейший физик современности Нильс Бор (1885-1962).

Суть теории Бора была выражена в трех постулатах.

Существуют некоторые стационарные состояния атома, находясь в которых он не излучает и не поглощает энергии. Этим стационарным состояниям соответствуют вполне определенные (стационарные) орбиты.

Орбита является стационарной, если момент количества движения электрона (L = mm) кратен h/2р = И, т.е. L = mvr = nh, где n = 1, 2, 3, ... -целые числа.

3. При переходе атома из одного стационарного состояния в другое
испускается или поглощается один квант энергии hvnm=Wn-Wm где Wn, Wm -
энергия атома в двух стационарных состояниях, h - постоянная Планка, vnm
- частота излучения. При Wn > Wm происходит излучение кванта, при Wn <
Wm - его поглощение.

*¦ . Это был переворот, пусть пока не

«S*WU окончательный, во взглядах физиков на атом. "* Его дальнейшим углублением явилась квантовая механика.

Эти постулаты Бор использовал для расчета *** простейшего атома (водорода), рассматривая первоначально наиболее простую его модель: неподвижное ядро, вокруг которого по круговой орбите вращается электрон. Объяснение спектра водорода было большим успехом Рис. 7. Модель атома Бора теории Бора.

Квантовые постулаты Бора были лишь первым шагом в создании теории атома, поэтому пришлось воспользоваться следующим приемом: сначала задача решалась при помощи классической механики (заведомо неприменимой полностью к внутриатомным движениям), а затем из всего непрерывного множества состояний движения, к которым приводит классическая механика, на основе квантовых постулатов отбирались квантовые состояния. Несмотря на все несовершенство этого метода, он привел к большим успехам - позволил объяснить сложные закономерности в атомных и молекулярных спектрах, осмыслить природу химических взаимодействий и др. Такой подход, по сути, является частным случаем общего принципа, играющего важную роль в современной

теоретической физике - принципа соответствия, который гласит, что всякая неклассическая теория в соответствующем предельном случае переходит в классическую.

Важным достижением Бора и других исследователей было развитие представления о строении многоэлектронных атомов. Предпринятые шаги в развитии теории строения более сложных (чем водород) атомов и объяснении структуры их спектров принесли некоторые успехи, однако здесь исследователи столкнулись с большими трудностями. Введение четырех квантовых чисел, характеризующих состояния электрона в атоме, установление принципа Паули (согласно которому две тождественный частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном состоянии) и объяснение периодической системы Менделеева - большие успехи теории атома Бора.

Глава 10. Кризис современной науки. На пути к постнеклассической

науке XXI в.

С середины XX в. современная наука стала получать в свой адрес многочисленные критические оценки со стороны философов, культурологов, деятелей литературы и искусства. По их мнению, техника умаляет и дегуманизирует человека, окружая его сплошь искусственными предметами и приспособлениями, она отнимает его у живой природы, ввергая в безобразно унифицированный мир, где цель поглощают средства, где промышленное производство превратило человека в придаток машины, где решение всех проблем видится в дальнейших технических достижениях, а не в человеческом их решении. Под воздействием нескончаемых технических новшеств современная жизнь меняется с неслыханной быстротой.

К этой гуманистической критике вскоре присоединились более тревожные конкретные факты неблагоприятных последствий научных достижений. Опасное загрязнение воды, воздуха, почвы планеты, вредоносное воздействие на животную и растительную жизнь, вымирание бесчисленных видов, коренные нарушения в экосистеме всей планеты -- все эти серьезные проблемы, вставшие перед человеком, заявляли о себе все громче и настойчивей.

Эти факты, которые отчетливо проявляются в современной науке и мировоззрении, говорят об их кризисе, разрешить который сможет только новая глобальная мировоззренческая революция, частью которой будет и новая революция в науке.

На пороге XXI в. естествознание вступает в новую историческую фазу своего развития -- на уровень постнеклассической науки.

Для постнеклассической науки характерно выдвижение на первый план междисциплинарных, комплексных и проблемно ориентированных форм исследований. В определении познавательных целей науки все чаще начинают играть решающую роль не внутринаучные цели, а внешние для науки цели - цели экономического, социального, политического, культурного характера. Объектами современных междисциплинарных исследований становятся уникальные системы, характеризующиеся открытостью и саморазвитием. Исторически развивающиеся системы представляют собой более сложный тип объекта даже по сравнению с саморегулирующимися системами, так как с течением времени они формируют новые уровни своей организации, изменяют свою структуру, характеризуются принципиальной необратимостью процессов и т.п. Среди таких систем особое место занимают природные комплексы, в которые включен человек (объекты экологии, медико-биологические объекты, объекты биотехнологии, системы человек - машина и др.)

Постнеклассическая наука, по мнению учёных-науковедов, будет обладать следующими чертами.

Прежде всего, наука должна будет осознать свое место в общей системе человеческой культуры и мировоззрения. Всё, что создано человеком, является частью его культуры, важно и нужно для человека, выполняет свои собственные задачи, но имеет и свои границы применимости, которые должно осознавать и не переходить. Именно это должна сделать постнеклассическая наука - осознать пределы своей эффективности и плодотворности, признать равноправие таких сфер человеческой деятельности и культуры, как религия, философия, искусство, признать возможность и результативность нерациональных способов освоения действительности.

Постмодернистская наука больше интересуется образом самой себя как некоей социокультурной реальности, включает в свой предмет человека, допуская элементы субъективности в объективно-истинном знании. Это - современная тенденция гуманизании науки. Полученный образ не является застывшим, окончательным, он ориентирован на непрерывное обновление, открыт инновациям.

Важной чертой постнеклассической науки должна быть комплексность - стирание граней и перегородок между традиционно обособленными естественными, общественными и техническими науками, интенсификация междисциплинарных исследований, невозможность разрешения научных проблем, без привлечения данных других наук.

Научная деятельность будет связана с революцией в средствах хранения и получения знаний (компьютеризация науки, использование сложных и дорогостоящих приборных комплексов, приближающих науку к промышленному производству), с возрастанием роли математики.

Библиографический список

1. Бернал, Дж. Наука в истории общества / Дж. Бернал. -- М.: Мир, 1958.

2. Виргинский, B.C. Очерки истории науки и техники до середины XV в. / B.C. Виргинский, В.Ф. Хотеенков.-- М.: Просвещение, 1993.

3. Гайденко, П.П. Эволюция понятия науки / П.П. Гайденко. -- М.: Мысль, 1980.

4. Ильин, В.В. Природа науки / В.В. Ильин, А.Т. Калинкин. -- М.: Знание, 1985.

5. Петров, М.К. Социально-культурные основания развития современной науки / М.К. Петров. -- М.: Наука, 1992.

6. Тарнас, Р. История западного мышления / Р. Тарнас. -- М.: Мир, 1995.

Страницы: 1, 2, 3, 4