Неклассическая наука XX века

Начало XX века ознаменовалось революционными изменениями в физике. Развитие теории электромагнитного поля и установление электромагнитной природы света подвело учёных к следующей проблеме. Согласно классическому принципу относительности Галилея изнутри инерциальной системы отсчёта никакими механическими экспериментами невозможно установить, движется ли она равномерно и прямолинейно или покоится, а потому инерциальные системы отсчёта равноправны. Однако представлялось, что оптические эксперименты, например, измерение скорости света, распространяющегося в разных направлениях, должны обнаружить движение системы отсчёта: свет ведь «не привязан» к вещам, он является электромагнитной волной, распространяющейся в пространстве. Если пространство представляет собой некую абсолютную реальность, имеющую абсолютные координаты, то свет, «привязанный» к нему, должен иметь разную скорость в системах отсчёта, по-разному движущихся относительно этих координат. Подобные представления имели место в науке, начиная с XVII века: свет мыслился как колебания «мирового эфира», всепроникающей невесомой субстанции.

Однако неоднократные и всё более точные опыты по измерению зависимости скорости света от движения Земли относительно эфира привели к мысли о том, что скорость света никак не зависит от движения ни его источника, ни его приёмника. Некоторые положения будущей теории относительности были высказаны ещё в конце XIX века французским математиком и физиков Анри Пуанкаре (1854 – 1912), в частности обобщение принципа относительности на все физические явления. Однако настоящий прорыв к новому пониманию мира был осуществлён Альбертом Эйнштейном (1879 – 1955). В 1905 году (вошедшем по этой причине в историю физики как «год чудес») он опубликовал три научные статьи, положившие начало новой научной революции.

Статья «К электродинамике движущихся тел» положила начало специальной теории относительности.

Статья «Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света» закладывала фундамент квантовой теории.

Статья «О движении взвешенных в покоящейся жидкости частиц, требуемом молекулярно-кинетической теорией теплоты» была посвящена броуновскому движению и существенно продвинула исследования статистических закономерностей применительно к физической реальности.

Специальная теория относительности в статье Эйнштейна покоилась всего на двух аксиомах: принцип относительности, предполагающей, что законы изменения физических систем не зависят от системы координат, и принцип постоянства скорости света. Последовательное раскрытие этих принципов позволило Эйнштейну достаточно просто математически вывести те эмпирические закономерности, которые были уже к тому времени сформулированы. Однако это потребовало радикального переосмысления сущности пространства и времени, которые лишались статуса абсолютных координат и ставились в зависимость от скорости движения. Изнутри движущейся системы отсчёта по-прежнему невозможно заметить никакой разницы между её движением и покоем, но для внешнего неподвижного наблюдателя этой системы при скоростях движения системы, приближающихся к скорости света, возникают релятивистские эффекты: время замедляется, пространство сокращается, масса увеличивается (всё это относительно неподвижной системы отсчёта).

Общая теория относительности, опубликованная Эйнштейном десятилетие спустя, решала проблему гравитации. Необходимо было ответить на вопрос, почему гравитация действует даже через пустое пространство, без посредников и действует мгновенно, тогда как никакое взаимодействие не может осуществляться быстрее скорости света. Эйнштейн предположил, что природой гравитационных эффектов является не взаимное силовое воздействие находящихся в пространстве физических тел или даже полей, а деформация самого пространства (точнее – пространственно-временного континуума). Четырёхмерное пространство-время искривляется присутствием материи, и чем больше её энергия, тем искривление сильнее. Общая теория относительности предсказала некоторые неизвестные ранее физические эффекты, а также смогла объяснить прецессию (смещение) орбиты Меркурия, необъяснимую с позиций ньютоновской физики. В настоящее время общая теория относительности является наиболее успешной теорией гравитации.

Углубление знаний о микромире элементарных частиц привело к формированию квантовой теории, утверждающей корпускулярно-волновой дуализм материи. У истоков квантовой теории стоит Макс Планк (1858 – 1947), предположивший квантовое («порционное») существование энергии. Это предположение было подтверждено А. Эйнштейном при исследовании фотоэффекта и развито Нильсом Бором (1885 – 1962) в виде концепции о стационарных состояниях атома. Выход на новый уровень понимания физической реальности микромира связан с деятельностью Вернера Гейзенберга (1901 – 1976), в корне пересмотревшего базовые понятия классической физики и показавшего, что применительно к микромиру они теряют привычный смысл. Наиболее ярко это проявляется в «принципе неопределённости», который Гейзенберг сформулировал в статье 1927 года: чем точнее определены координаты частицы, тем менее точно может быть определён её импульс. И речь не идёт о погрешностях измерения, речь о том, что ни координаты, ни импульс частицы не существуют сами по себе: они реальны только как результат нашего измерения.

Классическая физика, как и классическая наука вообще, исходила из того, что нужно (в идеале) познать мир как он есть сам по себе, познать его объективно, так, как если бы нас не было. Неклассическая физика на определённом этапе развития квантовой механики приходит к тому, что изучаем мы не объект, как он есть сам по себе, а процесс нашего с ним взаимодействия. Вне нашего наблюдения движущийся электрон существует как некое «облако вероятностей» и получает какую-либо определённость только в момент, когда мы «обращаем на него взгляд». Перенести эту логику на макромир привычный нам невозможно, как невозможно и применить логику нашего мира к существованию и свойствам элементарных частиц.

В понимании мегамира (звёзды, галактики и галактические скопления) наука XX века также сделала ряд удивительных открытий. Прежде всего, нужно упомянуть теорию расширяющейся Вселенной и Большого Взрыва. Всюду, где речь идёт о распространении волн, существует так называемый «эффект Доплера»: если источник волн удаляется от нас, то частота воспринимаемой нами волны уменьшается, и наоборот. Такие изменения, смещения спектра, причём, как правило, в красную сторону, то есть в сторону уменьшения частоты электромагнитной, волны учёные заметили и для астрономических объектов. Это произошло во втором десятилетии XX века и дало основания сформулировать гипотезу о расширении Вселенной: космические объекты удаляются от нас, причём чем дальше от нас они расположены, тем выше скорость их удаления. Закон, описывающий «разбегание галактик» впервые был установлен экспериментально бельгийским католическим священником, математиком и астрономом Жоржем Леметром (1894 – 1966) в 1927 году, а позже, в 1929 году – американским исследователем Эдвином Хабблом (1889 – 1953), одним из наиболее влиятельных астрономов и космологов XX века, который внес решающий вклад в понимание структуры космоса. В теории расширяющейся Вселенной есть свои нерешённые вопросы, в частности:

– закон Хаббла плохо выполняется или вовсе не выполняется для астрономических объектов ближе 10-15 млн. световых лет;

– для астрономических объектов, расстояние до которых оценивается в миллиарды световых лет, этот закон тоже практически не работает;

– ряд астрономических объектов имеет не красное, а синее смещение (в частности туманность Андромеды, один из первых космических объектов, для которых спектрально смещение было обнаружено), а это по логике закона Хаббла должно означать, что они не удаляются от нас, а, наоборот, к нам приближаются;

– скорость света есть величина непостоянная, – как утверждается целым рядом современных учёных, за время жизни Вселенной она снизилась, возможно, в миллионы раз, – если это так, то опираться на величину красного смещения как на достоверный критерий становится трудно;

– нерешённым до конца остаётся вопрос о соотношении «разбегания галактик» в пространстве и расширением самого пространства, которое также предполагается этой теорией.

Тем не менее, теория расширения Вселенной является в настоящее время наиболее принимаемой в учёном мире. По крайней мере, нестационарность Вселенной в современной науке имеет статус факта. Впервые теорию нестационарной Вселенной предложил российский и советский математик и физик Александр Александрович Фридман (1888 – 1925) в качестве теоретического развития общей теории относительности Эйнштейна (сам Эйнштейн первоначально выводы Фридмана не принял, но впоследствии признал их правоту). Расширение Вселенной в работах Фридмана предсказывалось теоретически как одно из следствий общей математической модели.

С теорией расширения связана и гипотеза о начальной точке истории Вселенной: если она, действительно, расширяется, то «отматывая время назад» мы приходим к признанию того, что около 15 миллиардов лет назад вся Вселенная должна была быть собрана в одной точке. Эта «космологическая сингулярность» (точка без размеров с бесконечной плотностью и бесконечной температурой) как-то существовала в отсутствии пространства и времени (которых и быть не могло) и вдруг «взорвалась». Эта теория Ж. Леметра об эволюции Вселенной из «первоатома» была иронично названа «Большим взрывом» (по-английски «Big Bang» звучит, скорее, смешно, чем угрожающе, – что-то вроде «Большой Бабах»), однако название прижилось всерьёз.

Новый облик принимает в XX веке эволюционная теория Дарвина благодаря синтезу с генетикой, существенно изменившей представления о механизмах наследственности. Большую роль в этом сыграли исследования российских советских учёных: труды Сергея Сергеевича Четверикова (1880 – 1959) положили начало синтетической теории эволюции, а Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900 – 1981) продолжил исследования по эволюционной и популяционной генетике, открыв и обосновав её фундаментальные положения.

Далее: Постнеклассическая наука