Естествознания и соответствующих научных картин мира

Натурфилософская картина мира. В истории изучения природы можно выделить несколько этапов, каждому из которых соответствует не только свои представления о сути основных естественнонаучных понятий (таких как материя, движение, пространство, время), но и свое миропонимание (свои картины мира). Естественнонаучная картина мира – это система представлений о наиболее общих закономерностях в природе.

Первый этап в развитии естествознания охватывает достаточно протяженный временной интервал – от античных времен (начиная с VII в. до н.э.) до окончания эпохи Возрождения (XVI – XVII вв.). Этот этап часто называют натурфилософским, что вполне оправдано, т.к. процесс разделения накопленных знаний о природе на множество естественнонаучных дисциплин находился в зачаточном состоянии, а различные природные явления объяснялись главным образом на основе умозрительных философских рассуждений и принципов.

Основы современного естествознания были заложены в Древней Греции, в первую очередь, необходимо отметить заслуги ионийских философов (Фалес Милетский, Анаксимандр, Анаксагор, Анаксимен, Гераклит и другие). Величайшей заслугой ионийцев следует считать то, что, пытаясь познать и объяснить мир, они не прибегали к гипотезам о богах, а в поисках доказательств тех или иных своих предположений использовали не только мысленные, но и реальные физические эксперименты.

Появление принципиально иных традиций и иных методов познания в античной натурфилософии связано с именами Пифагора и Платона. Пифагору и его ученикам наука обязана, в первую очередь, возникновением традиции использования математических методов и математических доказательств, без которых современное естествознание представить невозможно. Пифагором и его последователями, в частности, созданы учения о подобии и о пропорциях, введены понятия средних величин, установлены правила суммирования членов простейших арифметических прогрессий.

В отличие от ионийцев, веривших, что мир можно и нужно изучать, используя в качестве методов наблюдение и эксперимент, Пифагор учил, что законы природы можно вывести исключительно из умозаключений. Его метод, по сути, можно назвать «антиэмпирическим». Неприязнь пифагорейцев к эксперименту, без которого невозможно установить, какая из альтернативных гипотез ближе к истине, привело к тому, что свободное столкновение противоборствующих точек зрения перестало поощряться, неудобные факты стали замалчиваться, началось сближение науки с мистицизмом. К сожалению, эти негативные тенденции впоследствии под влиянием таких авторитетов как Платон и Аристотель только усилились.

Творчество Аристотеля (384 – 322 до н.э.) поражает разнообразием затронутых проблем и является своего рода вершиной натурфилософского этапа развития естествознания. С Аристотеля начинается дифференциация натурфилософии, его многочисленные труды положили начало таким наукам, как физика и механика, космология и метеорология, биология и зоология, логика и психология. Аристотель соединил в единое целое основные идеи античности и создал систему понятий и принципов, считавшихся фундаментальными в течение двух тысячелетий. Круг вопросов, которые удалось осветить Аристотелю, был столь широк, что вполне правомерно говорить о создании им картины мира.

Понятия материи, пространства и времени в аристотелевской картине мира связаны между собой, при этом трактовка материи такова, что существование пустоты не допускается. Равномерное движение может быть только насильственным, т.е. возможным только при наличии внешнего действия (силы), а падение тела на Землю Аристотель относил к естественным движениям, при этом скорость падения тем больше, чем больше масса тела. Он считал, что пространство космоса ограниченно, Земля расположена в его центре, а звезды и планеты закреплены на твердых прозрачных средах. Источником движения и энергии, согласно Аристотелю, является разум мирового масштаба, т.е. бог.

Несмотря на противоречивость и ошибочность многих положений, аристотелевская картина мира благодаря своей цельности и многогранности стала широко пропагандироваться. Постепенно авторитет Аристотеля стал непререкаемым, а его учение стало считаться единственно верным учением о природе, что существенно тормозило развитие естествознания в Средние века. Однако ближайшие после смерти Аристотеля несколько столетий оказались весьма плодотворными для развития науки, имена, достижения и открытия древнегреческих ученых этого периода (Евклида, Архимеда и многих других) навечно вписаны в историю науки.

В Средние века вследствие значительного усиления влияния церкви на общество развитие науки практически остановилось. Догматическое следование каким-либо канонам и нормам всегда приводит к торможению развития, это правило справедливо для любой области человеческой деятельности, но к науке относится в первую очередь. За тысячу лет в Европе не было сделано ни одного заслуживающего внимания научного открытия. Некоторое развитие науки наблюдалось лишь на Востоке, где религиозное давление на нее было не таким сильным, как в Европе (учение о двойственности истины – религиозной и научно-философской – позволило арабской цивилизации, по крайней мере, избавиться от инквизиции). Благодаря усилиям арабских ученых возникает алгебра, разрабатываются учения о прецизионных измерениях, в том числе об очень точном взвешивании, алхимия становится все более похожей на химию.

Механистическая картина мира. Эпоха Нового времени начинается с XVII века, к этому веку относят начало второго этапа в развитии естествознания, с этим веком связано создание классической механики и первой научной картины мира. Свой вклад в процесс очищения естествознания от метафизических натурфилософских представлений внесли Леонардо да Винчи, Коперник, Галилей, Гюйгенс, Кеплер и многие другие выдающиеся ученые XVI-XVII вв.

Ньютон, которому по праву принадлежит основная заслуга в становлении нового мировоззрения, не только внес решающий вклад в разработку классической механики, ему удалось создать первую научную картину мира, которую называют механической или механистической картиной мира (МКМ).

В рамках МКМ гравитационные силы (силы взаимного притяжения) связывают все существующие тела, но заметными эти силы становятся лишь в мегамире. В частности, эти силы связывают в единую систему все планеты, обращающиеся вокруг Солнца. В качестве универсальных принципов взаимодействия тел в МКМ используются принцип суперпозиции (результирующее действие на тело определяется векторной суммой всех приложенных к нему сил) и принцип дальнодействия (действие передается с бесконечно большой скоростью, т.е. мгновенно). При движении тела под действием приложенных сил изменяются его импульс (количество движения) и механическая энергия. К основным законам, имеющим в рамках МКМ универсальный характер, помимо закона всемирного тяготения и законов механики, относятся законы сохранения энергии, импульса и момента количества движения.

Работы Ньютона (не только физические открытия, но и развитый им совместно с Лейбницем и другими учеными математический аппарат) предопределили дальнейшее развитие физики и всего естествознания, незыблемым основанием которого стала считаться классическая механика. Ньютон, а вслед за ним и другие ученые считали возможным вывести из законов механики все остальные законы природы. Обусловленное таким подходом механистическое мировоззрение господствовало в естествознании вплоть до ХХ века. В рамках этого мировоззрения материальный мир рассматривался как огромная механическая система, поведение которой (включая движение всех ее частей) полностью определяется законами классической механики. Отсюда следовал вывод о том, что в природе действует неумолимая необходимость, позволяющая рассчитать как прошлое, так и будущее любой материальной частицы.

Успехи классической механики привели к закреплению представлений об универсальности причинной обусловленности и об исключительно детерминистском характере любых закономерностей в природе. Становление концепции механистического детерминизма в значительной степени связано с усилиями французского математика, философа и астронома П. Лапласа. Преобладающей в этой концепции стала идея о том, что любое состояние Вселенной есть следствие предыдущих и причина последующих ее состояний. В рамках МКМ отсутствуют представления о развитии, в ней нет места каком-либо качественным преобразованиям, а суть всех наблюдаемых явлений сводится к чисто количественным изменениям.

В XVIII-XIX вв. были обнаружены и исследованы явления (тепловые, электрические, магнитные и др.), теоретическая интерпретация которых в рамках МКМ оказалась невозможной. Законы механики не могли дать ответа на многие вопросы, в частности, на вопросы о природе необратимости тепловых процессов, тем более, о природе света и электромагнитного поля. Постоянство скорости света, вытекающее из теории электромагнитного поля и подтвержденное эмпирически, противоречило классическому принципу относительности и механическому принципу сложения скоростей. В конечном итоге, ученым пришлось признать несостоятельными попытки использовать механистический подход для описания электромагнитных, химических и др. явлений и процессов и отказаться от признания универсальной роли механики в естествознании.

Электромагнитная картина мира. Существенные изменения в представлениях о сути многих фундаментальных понятий естествознания, произошедшие в начале ХХ века, связаны, в первую очередь, с обнаружением электромагнитного поля. Понятие «поле» ввел в научный оборот английский физик М. Фарадей, основоположник учения об электромагнетизме. В 1831 г. Фарадей, исходя из идеи о взаимной связи явлений природы, открыл явление электромагнитной индукции. В 1845 г. он первым высказал смелое предположение о наличии глубокого родства электричества и света. Считая, что электрические и магнитные воздействия передаются промежуточной средой, Фарадей внес свой вклад в возрождение натурфилософских представлений о существовании светоносного эфира.

«Поле сил» Фарадея первоначально рассматривалось как абстрактное математическое понятие, но очень скоро другой выдающийся английский физик Дж. К. Максвелл придал этому понятию конкретный физический смысл. Им была создана исключительно стройная теория электромагнитного поля. В 1888 г. немецкий физик Г. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, а также высказанную Фарадеем и теоретически обоснованную Максвеллом гипотезу о единой физической сущности света и электричества. Герцу впервые удалось осуществить беспроводную передачу электромагнитной энергии и экспериментально измерить длину (а значит, и скорость распространения) электромагнитной волны. Так было уставлено существование качественно нового вида материи – электромагнитного поля.

Исследования в области электромагнетизма очертили пределы применимости механистического подхода при описании природы. С середины ХIХ века МКМ рассматривается уже только как часть физической картины мира, хотя механистические представления оставались главенствующей концептуальной базой естествознания вплоть до ХХ века. Тем не менее, МКМ начала постепенно уступать свои позиции новой – электромагнитной картине мира (ЭКМ).

В рамках МКМ все явления природы физики, как уже отмечалось, стремились свести к механическим. Точно так же в рамках новой картины мира наблюдается стремление свести все явления (включая и механические) к электромагнетизму. Концепция дальнодействия Ньютона в ЭКМ заменяется концепцией близкодействия Фарадея. С появлением ЭКМ в познании окружающего мира был сделан существенный шаг вперед, ученым удалось объяснить многие природные явления, не подававшиеся ранее объяснению. В то же время необходимо отметить, что в ЭКМ, точно так же, как в МКМ, все происходящее в природе оставалось жестко предопределенным.

В начале ХХ века создание физической картины мира представлялось ученым практически завершенным. После грандиозных успехов классической теории казалось, что в этой картине остается уточнить лишь несколько не очень существенных деталей. Некоторое смущение, например, вызывало наличие статистических закономерностей, обнаруженных и исследованных Максвеллом и Больцманом, приходилось выводить эти закономерности за рамки картины мира, отказывая им в фундаментальности.

Вскоре после создания электродинамики выяснилось, что вид уравнений Максвелла не сохраняется при переходе от одной инерциальной системы к другой, т.е. был выявлен различный характер движения вещества и поля. Разрешить возникшее противоречие удалось выдающемуся ученому А. Эйнштейну, создавшему в 1905 г. специальную теорию относительности (СТО). Найденное Эйнштейном решение потребовало радикального пересмотра всех фундаментальных понятий естествознания – пространства, времени, материи и движения. Отдав предпочтение в описании свойств природы законам электродинамики, Эйнштейн дополнил ЭКМ идеей относительности пространства-времени, сформулировал новый принцип сложения скоростей, установил взаимосвязь между массой тела и его энергией.

Квантово-полевая (неклассическая) картина мира. С созданием СТО классическая механика Ньютона стала рассматриваться как частный случай релятивистской (от лат. relativus – относительный) механики. Необходимость учета релятивистских поправок при определении массы тела, длины отрезка или промежутка времени возникает лишь при очень высоких (приближающихся к скорости света) скоростях движения тел, а в мире обычных скоростей (в макромире) законы классической механики остаются справедливыми.

С открытием электронов и явления радиоактивного распада стало ясно, что необходимо отказаться от представлений о неизменности и неделимости атомов. Для объяснения законов фотоэффекта и некоторых свойств электромагнитного излучения (спектральное распределение излучения абсолютно черного тела, линейчатый характер спектра излучения и поглощения атомов) также потребовались новые идеи, появление которых тесно связано с выявлением сложной структуры атомов. Все эти идеи легли затем в основу новой (неклассической) механики, создание которой ознаменовало начало нового этапа в развитии физики и всего естествознания. Соответствующую этому этапу естественнонаучную картину мира называют неклассической или квантово-полевой.

Первые квантовые идеи были высказаны в 1900 г. немецким физиком Планком, которому удалось теоретически рассчитать зависимость спектральной плотности мощности излучения абсолютно черного тела от частоты. Для решения этой задачи ему пришлось выдвинуть поразительную по тем временам гипотезу, согласно которой энергия при излучении испускается не непрерывно, а дискретными порциями (квантами). В соответствии с этой гипотезой энергия одного кванта пропорциональна частоте излучения:

Е = hν,

коэффициент пропорциональности h = 6, 626·10^-34 Дж·с в этом выражении, получивший впоследствии название постоянная Планка, пополнил перечень универсальных мировых констант.

Планк выдвинул свою гипотезу только для частного случая – с целью объяснения спектра теплового излучения. Через 5 лет А. Эйнштейн, используя данную гипотезу, объяснил, почему энергия электронов, вырываемых из вещества падающим светом(фотоэлектронов) зависит только от частоты света и не зависит от его интенсивности. Для обозначения кванта света Эйнштейн ввел понятие фотон (от греч. fotos - свет), подчеркнув тем самым, что дискретную порцию света следует рассматривать как частицу квантовой природы.

Эйнштейновская теория фотоэффекта положила начало развитию представлений о двойственной (корпускулярно-волновой) природе света. Развивая эти представления, французский физик Луи де Бройль в 1924 г. выдвинул гипотезу о наличии волновых свойств у частиц материи, и вскоре после этого была обнаружена дифракция электронов.

Современная картина мира. В настоящее время близок к завершению процесс формирования новой (современной) естественнонаучной картины мира, которую чаще всего характеризуют как эволюционно-синергетическую.

В рамках классического естествознания мир устроен просто и подчиняется детерминистским и обратимым во времени фундаментальным законам. Научную рациональность было принято усматривать лишь в вечных и неизменных законах, а все временное и преходящее рассматривалось как иллюзия. Современное естествознание отличается от классического, в первую очередь, отказом от сформулированных предпосылок. Было выяснено, что обратимость и жесткий детерминизм в окружающем нас мире применимы только в простых предельных случаях, а существующие в природе не иллюзорные, а вполне реальные случайность и необратимость необходимо рассматривать скорее как общее правило, чем как исключение. Одним из принципиальных отличий современной картины мира от МКМ и ЭКМ является признание идей необратимости времени и глобального эволюционизма, в соответствии с которыми материя и Вселенная в целом не могут существовать вне развития.

Предпосылки проникновения эволюционных идей в физику появились еще в начале XIX века – в 1811 г. французский физик и математик Ж.Б. Фурье установил, что теплота самопроизвольно может передаваться только от более нагретых тел к менее нагретым. Другими словами, было установлено, что тепловые процессы являются принципиально необратимыми, и, строго говоря, с этого времени физика уже не укладывалась в рамки классической механики Ньютона и в рамки концепции детерминизма. Тем не менее, вплоть до середины XX в. эволюционное учение интенсивно развивалось лишь в рамках его прародительницы – биологии. В научных дисциплинах биологического профиля современный эволюционизм предстает как многоплановое учение, ведущее поиск закономерностей и механизмов эволюции сразу на многих уровнях организации живой материи: молекулярном, клеточном, организменном, популяционном и даже биогеоценотическом. Наиболее выдающиеся успехи достигнуты на молекулярно-генетическом уровне: расшифрован генетический механизм передачи наследуемой информации, выяснены роль и структура нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), найдены методы определения последовательностей нуклеотидов в них и т.п.

Несмотря на то, что на уровне живой материи и, тем более, на социальном уровне эволюционные изменения и их необратимость вполне очевидны, в физике долгое время сохранялась иллюзия обратимости времени. Причина заключалась в том, что классическая механика – это механика обратимых процессов, способных протекать как в прямом, так и в обратном направлении, и, соответственно, обратимых систем, способных возвращаться в исходное состояние. Пропасть, отделявшая в XIX в. науки о живом от наук о неорганическом мире была столь глубокой, что перебраться через нее ученые в то время так и не смогли. Естественные науки, прежде всего физика и астрономия, долгое время оставались в стороне от эволюционных идей. Вселенная в целом представлялась ученым равновесной и неизменяемой, и, поскольку время ее существования считалось бесконечным, то вполне вероятным представлялось появление (в результате случайных локальных возмущений) наблюдаемых неравновесных образований (галактик, звезд, планетных систем и т. д.). Противоестественным явлением, или артефактом (лат. arte — искусственно + factus. — сделанный), выглядело и появление жизни на нашей планете. Считалось, что такого рода «отклонения» в существовании Вселенной — явления временные, с остальным космосом не связанные.

«Антиэволюционные» убеждения физиков впервые были поколеблены в 20-х гг. ХХ века после открытия нестационарности Вселенной и появления затем гипотезы Большого Взрыва. Зарождение Вселенной, согласно этой гипотезе, выводится из некоего исходного сверхплотного состояния (сингулярности) с последующей эволюцией, приведшей в конечном счете к ныне наблюдаемому облику. Таким образом, в середине ХХ в. идея эволюции завладела космологией, а затем физикой и естествознанием в целом. Эволюционную концепцию современного естествознания можно сформулировать следующим образом: «Все существующее есть результат эволюции», а представление о всеобщем характере эволюции является одной из главных отличительных черт современной научной картины мира.

Вторая отличительная черта современной картины мира связана с возникновением в 70-х гг. прошлого века нового междисциплинарного направления – синергетики, претендующей на описание движущих сил эволюции любых объектов нашего мира. Появление синергетики (другое название – теория самоорганизации) связано со стремлением ученых понять причины существенной асимметрии процессов деградации и развития в живой и неживой природе. В классической науке XIX в. господствовало сформировавшееся под воздействием равновесной термодинамики убеждение, что материи изначально присуща тенденция к разрушению всякой упорядоченности, стремление к исходному равновесию (в энергетическом смысле это и означало неупорядоченность или хаос). В основе этой тенденции лежит тот факт, работа может полностью превратиться в тепло трением или другими способами, а вот тепло полностью превратить в работу принципиально невозможно. Другими словами, во взаимопереходах одних видов энергии в другие существует направленность, выделенная самой природой.

«Знаменитое второе начало (закон) термодинамики в формулировке немецкого физика Р. Клаузиуса звучит так: «Теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему». Для отражения направленности перераспределения энергии в замкнутых системах Клаузиус ввел в термодинамику новое понятие — «энтропия» (от греч. entropia – превращение, поворот). В последствии под энтропией стали понимать меру беспорядка системы), а более точная формулировка второго начала термодинамики приняла такой вид: «При самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает».

В соответствии со вторым началом термодинамики любая изолированная система со временем должна перейти в наиболее простое состояние – состояние термодинамического равновесия. Максимальная энтропия означает полное термодинамическое равновесие, что и эквивалентно хаосу. Вывод, неизбежно следующий из 2-го начала, достаточно печален: необратимая направленность процессов преобразования энергии в изолированных системах рано или поздно приведет к превращению всех ее видов в тепловую энергию, которая рассеется, т.е. равномерно распределится между всеми элементами системы. Если Вселенная замкнута, то и ее ждет именно такая незавидная участь (это состояние Вселенной получило название «Тепловая смерть»).

Примеров, подтверждающих справедливость второго закона термодинамики, на уровне неживой материи более чем достаточно. Однако, живая природа почему-то вовсе не стремилась к термодинамическому равновесию и хаосу. Более того, процесс развития растительного и животного мира (в полном соответствии с дарвиновской теорией эволюции) характеризовался непрерывным усложнением этого мира, возрастанием уровня организации и порядка живых систем. Налицо была явная нестыковка законов развития неживой и живой природы.

После замены модели стационарной Вселенной на модель развивающейся Вселенной, в которой ясно просматривалось нарастающее усложнение организации материальных объектов, стало ясно, что принцип возрастания энтропии не столь универсален, как казалось поначалу, и что для сохранения непротиворечивости общей картины мира в развитии материи должна существовать не только разрушительная, но и созидательная тенденция. На этой волне и возникла синергетика — теория самоорганизации.

Общий смысл комплекса синергетических идей заключается в том, что процессы разрушения и созидания во Вселенной равноправны, а процессы созидания (нарастания сложности и упорядоченности) имеют единый алгоритм, независимо от природы систем, в которых они осуществляются. Под самоорганизацией при этом понимается спонтанный переход открытой неравновесной системы от менее сложных и упорядоченных форм организации к более сложным и упорядоченным формам.