Периоды научных революций
Познавая окружающий мир, человек стремится создать в своем сознании его определенную модель или, как говорят картину мира. На каждом историческом этапе развития представления о мире различны, т. е. картина мира изменяется (эволюционирует) по мере познания окружающей реальности. Картину мира можно понимать как парадигму миропонимания – совокупность идей, теорий, методов, концепций, описывающих известный человеку природный мир. В период господства какой-либо парадигмы происходит «мирное» развитие науки, т. е. количественное накопление знаний о природе. Такое развитие естествознания было характерно, например, для натурфилософии античности. Смена научных парадигм представляет собой революцию в естествознании. Революция – это переворот. Научная революция – это коренные изменения в научных знаниях, радикально меняющие прежнее видение мира.
В истории науки выделяют три глобальные научные революции.
В VI−IV вв. до н. э. произошла первая революция в познании мира, в результате которой и начинается зарождение самой науки. Она связана с именем Аристотеля, который создал формальную логику – главный инструмент выведения и систематизации знания. Научное знание было предметно дифференцировано, науки о природе отделены от метафизики, математики. Аристотелем были определены нормы научности знания, даны образцы объяснения, описания и обоснования в науке, многими из которых пользуются и сейчас.
Вторая глобальная научная революция произошла в эпоху перехода от средневековья к Новому времени. Исходным моментом этой революции является появление гелиоцентрического учения великого польского астронома Н. Коперника. Однако одно только это учение не отражает суть перемен, происходящих в этот период в науке. Научная революция XVI−XVIII вв. привела к становлению классического естествознания. Основоположниками его были Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, И. Ньютон. Итогом работы этих ученых стало создание механистической научной картины мира (МКМ) на базе экспериментально-математического естествознания. Основополагающими идеями МКМ являются классический атомизм и механицизм, а ее ядром – механика Ньютона. Фундаментальные понятия этой картины мира: материя, движение, пространство, время, взаимодействие.
Материя – это вещество, состоящее из неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц.
Пространство, по Ньютону, может быть относительным и абсолютным. Производя измерения пространственных отношений между телами, люди знакомятся с относительным пространством. Абсолютное пространство – это вместилище тел, никак не связанное со временем. Свойства абсолютного пространства не зависят от того, имеются в нем тела или нет. Оно является трехмерным, бесконечным, однородным, изотропным, непрерывным. Пространственные отношения описываются геометрией Евклида.
Время также бывает относительным и абсолютным. Относительное время познается людьми в процессе измерений. Абсолютное время (истинное, математическое) Ньютон иначе называл длительностью. Время – это пустое вместилище событий, не зависящее ни от чего. Оно течет равномерно, в одном направлении (от прошлого к будущему), непрерывно, бесконечно, однородно (везде одинаково).
Для изучения материальных объектов в абсолютном пространстве и времени необходима система отсчета, т. е система координат и часы. Система отсчета, жестко связанная с абсолютным пространством, является инерциальной.
Движение в МКМ признавалось только механическое. Это изменение положения тела в пространстве с течением времени. Любое сложное движение можно представить как сумму пространственных перемещений (принцип суперпозиции). Движение тел объяснялось с точки зрения трех законов Ньютона, при этом пользовались понятиями силы и массы. Сила – это количественная мера действия одних тел на другие, причина движения и деформации тел. Масса являлась мерой инертных и гравитационных свойств тела.
Действие тел друг на друга не является односторонним, тела оказывают взаимное действие друг на друга. Механика стремилась свести все явления природы к действию сил притяжения и отталкивания, встретив на этом пути непреодолимые трудности. Силы притяжения между телами Вселенной были названы гравитационными. Величина этих сил определяется из закона всемирного тяготения, открытого Ньютоном. Сущность закона: все тела во Вселенной притягиваются друг к другу с силой, прямо пропорциональной произведению их масс и обратно пропорциональной квадрату расстояния между ними. Математическая формула закона
,
где G – гравитационная постоянная, 
– массы взаимодействующих тел, r – расстояние между телами; G = 6,67∙10-11 Н∙м2/кг2.
Масса, найденная из закона всемирного тяготения, получила название гравитационной.
Гравитационные силы являются универсальными. Это значит, что они действуют всегда и между всеми телами. Эти силы сообщают всем телам одинаковое ускорение. Для поверхности Земли среднее значение ускорения g = 9,81 м/с2.
Важнейшие принципы механики: принцип относительности Галилея (о нем уже говорилось выше), принцип дальнодействия и принцип причинности.
Принцип дальнодействия заключался в том, что взаимодействие тел осуществляется мгновенно и промежуточная среда участия в передаче взаимодействия не принимает.
Согласно принципу причинности, всякое изменение в состоянии материального тела может быть вызвано только материальным воздействием, определенным материальным процессом. Беспричинных явлений нет, всегда можно выделить причину и следствие. Они взаимосвязаны, влияют друг на друга. Французский ученый П. Лаплас писал: «Никакой предмет не может начать быть без причины, которая его произвела». Лаплас полагал, что связи между явлениями и телами осуществляются на основании однозначных законов. Это учение о взаимообусловленности явлений, об их однозначной закономерной связи вошло в физику как лапласовский детерминизм. С точки зрения механики природа представляет собой гигантскую систему, в которой все последующие состояния точно и однозначно определяются предыдущим состоянием, так как все механические явления подчиняются лапласовскому детерминизму. Дальнейшее развитие естествознания показало ошибочность абсолютизации этого принципа и его ограниченность. Было выяснено, что поведение макрообъектов определяется законами квантовой механики, описывающей движение микрочастиц, составляющих макроскопический мир. В микромире действуют вероятностные законы, что приводит к нарушению принципа определенности или принципа детерминизма. Из этого не следует, однако, что нужно совсем отказаться от этого принципа, он сосуществует с принципом случайности, но используется при рассмотрении движения тел со скоростями, много меньшими скорости света.
Механическая картина мира оказалась далека от совершенства, по мере развития физики становилось ясно, что не все явления и процессы могут быть объяснены с помощью классической механики. Изучение тепловых явлений показало, например, что скорость, кинетическая энергия, импульс отдельной частицы изменяются без изменения параметров, характеризующих систему в целом. Значит состояние системы не определяется движением отдельных частиц. Количественные изменения в числе частиц приводят к качественно новым особенностям в их движении, которые описываются статистическими законами, носящими вероятностный характер. Однако, несмотря на ограниченность и недостатки классической механики, развитие физики вплоть до середины
XIX в. шло в рамках ньютоновских воззрений. За это время было сделано много выдающихся открытий, но они только дополняли и усложняли сложившуюся картину мира, не затрагивая ее основы.
Конец XIX – начало XX в. ознаменовались целой серией блестящих открытий в физике (открытие сложного строения атома, открытие явления радиоативности, рентгеновских лучей, дискретного характера электромагнитного излучения и др.), возникновением в химии и биологии генетики на основе законов Г. Менделя. Их общим итогом явился сокрушительный удар по механистической картине мира, смена старой парадигмы. С середины 90-х годов XIX в. началась третья глобальная научная революция.
Наиболее значимыми теориями, положенными в основу новой научной парадигмы, стали теория относительности Эйнштейна и квантовая механика. С появлением этих теорий изменилась и естественно-научная картина мира. Рассмотрим, какие принципиальные изменения произошли в представлениях об окружающем мире.
Теория относительности Эйнштейна привела к отказу от представлений о существовании центра Вселенной. Согласно Эйнштейну, в мире нет особых, привилегированных систем отсчета, все они равноправны. Наши представления об объектах окружающего мира имеют смысл только в том случае, если они связаны с какой-либо системой отсчета. Иначе говоря, наши знания о мире относительны.
Изучение микромира привело к переосмысливанию многих понятий классического естествознания (траектория, одновременность событий, абсолютный характер пространства и времени, причинность, непрерывность и т. д.). Например, описывая движение микрочастицы, мы уже не можем пользоваться тем определением траектории, которое давалось в механике Ньютона (траектория – линия, вдоль которой движется частица). Связано это с тем, что в микромире действуют вероятностные законы, следовательно, местоположение частицы в пространстве может быть указано только с той или иной долей вероятности.
Новая парадигма изменила представления об отношениях субъекта и объекта познания. Объект познания перестал восприниматься как существующий «сам по себе». Оказалось, что его описание зависит от условий познания. Так, например, получаемые экспериментально характеристики объектов зависят от класса точности приборов, описание поведения объектов составляется с учетом состояния системы отсчета.
Создание новой научной теории предполагает получение объективных истинных знаний о мире. Абсолютная истина постигается в бесконечном процессе познания. Новые теории показали, что абсолютной истины достичь невозможно, абсолютно точную картину мира не удастся нарисовать никогда. Любая картина мира может обладать лишь относительной истинностью. Например, мыслители древности считали, что мельчайшей частицей вещества является атом. В конце XIX в. выяснили сложное строение атома: он состоит из протонов, нейтронов и электронов. В настоящее время уже доказано, что протон также является сложной частицей, состоящей из кварков. На каждом этапе познания утверждения о строении вещества являются относительной истиной, но последнее утверждение ближе к абсолютной истине.
Таким образом, третья научная революция привела к смене теоретических и методологических установок во всем естествознании. Отличительной особенностью этого этапа научного познания является то, что наряду с физикой теперь в естествознании лидирует целая группа отраслей: химия, биология, кибернетика, космонавтика и др. Уже в рамках новой, неклассической картины мира произошли мини-революции в биологии (развитие генетики), космологии (концепция нестационарной Вселенной) и т. д.
Научные революции – это необходимый этап в развитии науки, так как именно во время революционных сдвигов определяются основные контуры научной картины мира на длительный период. Однако нельзя думать, что смена парадигмы приводит к отрицанию старой системы знаний, напротив, научная революция предполагает преемственность в развитии научного знания. Согласно принципу соответствия, сформулированному Н. Бором, всякая новая научная теория не отвергает предшествующую, а включает ее в себя как частный случай, т. е. ограничивает сферу ее действия. Так, релятивистская механика (механика больших скоростей) Эйнштейна не отвергает механику Ньютона, а показывает, что ее законы действуют только при малых скоростях, намного меньших скорости света.
Итак, три глобальные научные революции предопределили три длительные стадии развития науки, каждой из которых соответствует своя научная картина мира. Естественные науки формируют естественно-научную картину мира, которая содержит в себе частные картины мира отдельных естественных наук (физическую, химическую, биологическую, астрономическую и др.). Самое широкое представление об окружающей нас действительности дает общая научная картина мира. Сегодня можно лишь говорить об основной идее, на которой строится эта картина – идее единства эволюции Вселенной и человека как космического, биологического и социального существа. Тенденции развития современной науки указывают пути реализации этой идеи.
Паради́гма (от греч. παράδειγμα, «пример, модель, образец») — совокупность фундаментальных научных установок, представлений и терминов, принимаемая и разделяемая научным сообществом и объединяющая большинство его членов. Обеспечивает преемственность развития науки и научного творчества.
Проблема роли cлучайности в истории научных открытий принадлежит к числе наиболее широко освещенных в методологическом отношении проблем.
В 985 г. норманнский мореплаватель Бьярни отплыл от исландского берега и направился к побережью Гренландии, сбился с пути из-за туманов и заметил неизвестную Землю. Этим было положено норманнскому открытию Америки. Это классический пример случайности.
В плавании Колумба через Атлантический океан случайности также сыграли немалую роль. Колумб направлялся на поиски западного пути в Индию. Колумб считал, что он достиг Азии.
Совершенно случайным оказалось португальское открытие Ю. Америки в 1500 г. Португальские каравеллы под начальство Кабрала направлялись в Индию по пути уже проторенному Васко да Гаммой, но потеряли ориентировку. Морское течение отнесло корабли на запад и буря прибила их к неизвестной Земле. Это было побережье Южной Америки. Португальцы сочли вновь открытую Землю островом и присвоили этому острову название Санта-Крус (Святой Крест). К вновь открытой земле была снаряжена в Португалии экспедиция, которая выяснила, что Санта-Крус – материк. Америго Веспучи сообщил об этом в Европу.
Открытие Америки – наглядный пример диалектической взаимосвязи случайности и необходимости в истории территориальных открытий. Норманнское открытие Америки оказалось преждевременным, не имело значительных общеисторических последствий и не оставило сколько-нибудь заметного следа в истории средневековой науки. Спустя 5 веков в иных исторических условиях, на ином уровне развития науки о Земле, Америку открывают одновременно Колумб, Кабрал, Америго, Кабот и др. европейские мореплаватели. Но Экспедиции Колумба оказались наиболее важными по своим общеисторическим следствиям. Не будь этих экспедиций открытие Америки было бы отсрочено лишь на немногие годы.
Русский мореплаватель Ф.П. Литке писал:
«Большая часть важнейших географических открытий сделана была случайно. Сбитый с пути своего норманнский морской разбойник доставил первое сведение об Исландии. Колумб, искавший ближайшего пути в Восточную Индию открыл Новый Свет, последователи его, искавшие того же, открыли мириады островов, рассеянных по пространству Великого океана».
Литке предложил различать понятие «открытие» от понятия «отыскание»: «Колумб отыскал, а не открыл Америку, Кук отыскал острова Маркиза Мендозы (Маркизские острова), Новые Гибриды».
Н.Н. Зубов предложил следующее подразделение «отысканий»:
1. отыскание объектов уже открытых, но нанесенных на карту неверно. Примером может служить отыскание Маркизских островов Д. Куком. Ранее они в 1595 г. были открыты.
2. отыскание объекта, основанное на некоторых расчетах. Например, остров Визе. Положение его было предвычислено В.Ю. Визе в 1924 г., о отыскан остров в 1930 г.
3. отыскание объекта по рассказам местных жителей. Так, Литке открыл Каролинские острова.