Становление неклассической науки

Вторая половина XIX века ознаменовалась коренными изменениями как в общей картине мира, так и в научной методологии. Первым таким кардинальным сдвигом стало утверждение в науки эволюционной парадигмы, которая связывается, в первую очередь, с трудами Чарльза Дарвина (1809 – 1882) по теории биологической эволюции. Однако Дарвин был, конечно, не одинок. Как уже упоминалось выше, о постепенном изменении живых видов говорил уже Ж. Ламарк, а точнее – он вообще отрицал реальное существование стабильных видов, предполагая постоянное «упражнение или неупражнение» органов индивидуального организма и передачу по наследству приобретённых в индивидуальной жизни признаков. Идея эволюционизма высказывалась не только в биологической науке, но и в более широком применении, – как общий принцип развития мира от простого к сложному. За семь лет до публикации книги Ч. Дарвина «Происхождение видов» Герберт Спенсер, например, опубликовал статью «Гипотеза развития» (1852), в которой представлял историю Вселенной как эволюцию материи, как «приспособление» вещей друг к другу.

В отличие от Ламарка, который предполагал в живых организмах внутреннее изначально заложенное стремление к совершенствованию, которое трудно объяснить с научных позиций, Дарвин строит свою теорию на принципе естественного отбора. Действие внешних по отношению к организму факторов и закономерностей обуславливает сохранение жизнеспособности вида, его совершенствование и превращение одного вида в другой. Таких факторов Дарвин называет три: наследственность, изменчивость и борьба за выживание. Изменчивость имеет чисто случайный характер и эти случайно возникшие признаки могут давать некоторым организмам преимущества в борьбе за выживание, поэтому потомство дают именно эти более приспособленные к окружающей среде особи, случайно появившийся признак закрепляется. Книга Ч. Дарвина «Происхождение видов путём естественного отбора, или Сохранение благоприятствуемых пород в борьбе за жизнь» (1859) открыла новую эпоху в биологии, а ещё одна книга «Происхождение человека и половой отбор» стала наиболее известным научным обоснованием эволюции человека из обезьяноподобного животного. Сама идея происхождения человека от обезьяны высказывалась некоторыми и раньше, но Дарвин предлагает научное объяснение этого процесса через механизм «полового подбора», то есть конкуренции самцов за внимание самок и закрепление, таким образом, полезных для выживания признаков.

Кардинальные сдвиги происходят в течение XIX века и в химии. В начале века Амедео Авогадро (1776-1856) ввёл представление о молекуле, состоящей из соединенных между собой химическими силами атомов. В двадцатых годах XIX века как самостоятельная отрасль химии формируется органическая химия, изучающая химическую основу жизни, – у истоков её стоят Жан Дюма (1800-1884) и Юстус Либих (1803-1873), а также великий русский химик Александр Михайлович Бутлеров (1828-1886). Особую роль в развитии химического знания сыграло открытие Дмитрием Ивановичем Менделеевым (1834-1907) периодического закона химических элементов (1869). Речь шла не просто об удобной классификации известных химических элементов, а о принципиальной основе различных химических свойств этих элементов. Полностью понять эту основу на том уровне развития физики (именно физики, а не химии) было невозможно, – она стала ясна только в рамках квантовой механики с открытием сложной структуры атомов и законов их строения. Однако Менделеев гениально уловил общий принцип периодического изменения свойств с увеличением атомной массы (как выяснилось позже, важна не сама масса атома, а заряд его ядра, определяемый количеством протонов) и, основываясь на этом законе, сумел предсказать открытие ещё неизвестных элементов, для которых оставил пустые клетки в таблице. Таким образом, к началу ХХ века химия представляла собой уже сформировавшуюся фундаментальную науку.

В физике XIX век отмечен переходом от механической картины мира к электромагнитной. И электрические явления (статическое электричество на янтаре, натёртом шерстью), и магнитные (магнитный железняк) были известны людям с древности, однако между собой их никогда не связывали. В 1820 году датский физик Ханс Эрстед (1777-1851) и французский физик Андрэ Ампер (1775-1836) обнаружили действие электрического тока на магнитную стрелку, вызванное тем, что электрический ток создает магнитное поле. Достаточно быстро был сконструирован электромагнит: катушка, при пропускании тока через которую продуцировалось магнитное поле тем более сильное, чем больше витков в катушке и чем сильнее ток. Электричество порождает магнетизм, таков был вывод. Однако английский физик Майкл Фарадей поставил себе задачу осуществить обратный процесс, – «превратить магнетизм в электричество»: если катушка при пропускании тока рождает магнитную силу, то воздействие магнитной силы на катушку должно порождать в ней электрический ток.

Фарадей начал свои исследования в 1921 году и его опыты в течении десяти лет были безуспешны, а сама идея вызывала насмешки, в том числе среди коллег по научным исследованиям. Однако, будучи чрезвычайно религиозным человеком, он был непоколебимо убеждён, что мир сотворён гармонично и симметрично по единому плану, а потому упорно продолжал свои попытки. Как выяснилось, его неудачи объяснялись отчасти повышенной строгостью проведения экспериментов: операции с катушкой и магнитом он производил в одном помещении, а измерительную аппаратуру разместил в другом. Ассистентов у него не было, и, вставив магнит в катушку, он сам шёл снимать показания приборов. Амперметр не показывал ничего до тех пор, пока Фарадей случайно не обнаружил, что его стрелка отклоняется при движении магнита, в те секунды, пока вставляешь его в катушку или вынимаешь. Электрический ток в катушке возникает при изменении магнитного потока. На этом открытом Фарадеем явлении электромагнитной индукции основан принцип работы всех электрических генераторов всех электростанций, – вся выработка электроэнергии в современном мире.

В 1831 году Фарадей печатает свой главный труд «Экспериментальное исследование по электричеству». Ему принадлежит разработка понятия «электромагнитного поля» как единой основы как электрических, так и магнитных процессов, как новой формы материи, которая имеет определенную скорость распространения в пространстве и взаимодействует с веществом.

Тем временем в 1826 году немецкий физик Георг Ом (1787-1854) сформулировал базовый закон электрического тока в проводнике, связывающий три величины: разность электрических потенциалов, электрическое сопротивление проводника и силу тока в нём, то есть количество электричества, протекающее через сечении за единицу времени.

Результаты исследований Фарадея в области электромагнетизма были обобщены и математически ёмко выражены выдающимся английским математиком и физиком Джеймсом Максвеллом (1831-1879) в единой теории электромагнитного поля. Четыре базовых уравнения в векторной форме связывают между собой напряжённость электрического поля с магнитной индукцией, а напряжённость магнитного поля с электрической индукцией. Таким образом, была создана математическая модель электромагнитного поля как физической реальности, имеющей собственную энергию и конечное время распространения. Меняющееся во времени электрическое поле порождает магнитное поле, а изменения магнитного поля снова порождают электрическое, благодаря чему в вакууме распространяется электромагнитная волна. Из уравнений Максвелла следовало, что скорость распространения этой волны равна скорости света, что позволило сделать вывод об электромагнитной природе света.

Часть физиков не согласились с предложенной Максвеллом теорией и предложили альтернативные варианты, однако проверка в 1888 году этих альтернативных теорий немецким физиком Генрихом Герцем (1857-1894) экспериментально подтвердила справедливость теории Максвелла и доказала доказал существование электромагнитных волн.

Голландский физик Хендрик Лоренц (1853-1928) для объяснения изменения скорости света в среде предположил существование крайне малых по массе заряженных частиц, которые назвал электронами, а в 1897 году английским физиком Джоном Томсоном (1856-1940) электрон был открыт экспериментально.

Таким образом, к концу XIX века электромагнитная картина мира становится основой научного познания природы. К основным идеям электромагнитной картины мира следует отнести: 1) идею непрерывности материи; 2) идею материальности электромагнитного поля. В рамках этой картины мира материя существует в двух видах: как вещество и поле. Таким образом, само понятие материи претерпевает радикальные изменения, – это уже не та аристотелевская материя, которая, получая форму, образует вещь. Материя отныне – это объективная реальность, свойства которой и законы существования которой порой не укладываются в привычные представления о реальности и в рациональную логику.

Параллельно с разработкой теории электромагнетизма в XIX веке получила развитие термодинамика. Был сформулирован закон сохранения энергии: сначала к его формулировке подошёл французский физик и инженер Сади Карно (1796-1832), а затем в 1834 году французский физик Бенуа Клапейрон (1799-1864) придал этим идеям стройную математическую форму. На основе этих исследований было сформулировано первое начало термодинамики, устанавливающее соответствие между изменением внутренней энергии системы и суммой выделяемой теплоты и совершаемой работы. Второе начало термодинамики также возникло первоначально в связи с теорией тепловых двигателей, однако в результате последовательного раскрытия заложенного в нём смысла превратилось в один из наиболее фундаментальных принципов природы.

В первоначальных своих формулировках второе начало термодинамики говорит о невозможности передачи тепловой энергии от тела с низкой температурой к телу с более высокой; или о невозможности полного превращения тепловой энергии в работу. В строгой математической форме второе начало термодинамики утверждает, во-первых, существование энтропии, а во-вторых, – её возрастание как результат любых процессов в изолированной системе. Понятие энтропии является одним из наиболее фундаментальных и абстрактных понятий, её физический смысл не поддаётся простому интуитивному восприятию. С физической точки зрения энтропия характеризует степень необратимости реального термодинамического процесса. Она является мерой диссипации (рассеивания) энергии, а также мерой оценки энергии в плане её пригодности (или эффективности) использования для превращения теплоты в работу.

В 1847 году немецкий ученый Герман Гельмгольц (1821-1894) дал математическое выражение закона сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону все виды энергии – механическая, тепловая, химическая, свет, электричество, магнетизм – переходят друг в друга. Понятие энтропии и второе начало термодинамики ставят в этом ряду тепловую энергию в особое положение, её отношения с другими видами энергии несимметричны: все виды энергии могут полностью переходить друг в друга и в тепловую, а тепловая энергия без остатка перейти в другой вид не может. Более того, тепловая энергия «берёт налог в свою пользу» почти с любого перехода одного вида энергии в другой.

Далее: Неклассическая наука 20 века

Если Вы заметили какие-то погрешности в тексте, опечатки,

если Вас заинтересовала какая-то тема или конкретная статья, напишите пожалуйста.

Я буду благодарен Вам за отзыв по любым содержательным или техническим вопросам.

С уважением

Автор