Естествознание Нового времени

В истории изучения человеком природы сложились два прямо противоположных, несовместимых метода этого изу­чения, которые приобрели статус общефизических, т.е. носящих всеобщий характер. Это –диалектический и мета­физический методы.

При метафизическом подходе объекты и явления окру­жающего мира рассматриваются изолированно друг от дру­га, без учета их взаимных связей и как бы в застывшем, фиксированном, неизменном состоянии. Диалектический подход, наоборот, предполагает изучение объектов, явле­ний со всем богатством их взаимосвязей, с учетом реальных процессов их изменения, развития.

Истоки этих противоположных подходов к осмыслению мира лежат в глубокой древности. Одним из ярких вырази­телей диалектического подхода (несмотря на всю его наив­ность) был древнегреческий мыслитель Гераклит, о кото­ром уже говорилось выше. Он обращал внимание на взаи­мосвязи и изменчивость в природе, выдвигал идею о ее бес­прерывном движении и обновлении. «Солнце не только ...новое каждый день, но и вечно и непрерывно новое. На входящего в одну и ту же реку текут все новые и новые воды». Эти и некоторые другие дошедшие до нас афоризмы Гераклита свидетельствуют о глубине его понимания окружающего природного мира.

В то же время в древнегреческой философии VI–V вв. до н. э. зародился и другой подход к познанию мира. В учениях некоторых философов этого периода (Ксенофана, Парменида, Зенона) проявились попытки доказать, что ок­ружающий мир неподвижен, неизменен, ибо всякое изме­нение представляется противоречивым, а потому невоз­можным. Подобные воззрения много веков спустя прояви­лись в науке Нового времени (во всяком случае, до середины XVIII в.), а соответствующий им метод познания получил наименование метафизического.

На определенном этапе научного познания природы метафизический метод, которым руководствовались ученые-естествоиспытатели, был вполне пригоден и даже неизбе­жен, ибо упрощал, облегчал сам процесс познания. В рамках метафизического подхода к миру учеными изучались многие объек­ты, явления природы, проводилась их классификация.

Наглядным примером этого может служить весьма пло­дотворная деятельность известного шведского ученого, ме­тафизически мыслящего натуралиста Карла Линнея (1707–1778). Будучи талантливым, неутомимым исследователем, Линней все силы своего огромного ума, обогащенного наблюдениями в многочисленных путешествиях, употребил на создание классификации растительного и животного мира. В своем основном труде «Система природы» он сформули­ровал принцип такой классификации, установив для пред­ставителей живой природы следующую градацию: класс, от­ряд, род, вид, вариация. Животный мир, организмы, на­пример, Линней разделил на б классов (млекопитающие, птицы, амфибии, рыбы, черви, насекомые), а в расти­тельном мире выделил целых 24 класса. Оригинальной иде­ей Линнея стала бинарная система обозначения растений и животных. Согласно этой системе, любое название пред­ставителя растительного или животного мира состоит из двух латинских наименований: одно из них является родовым, а второе – видовым. Но, проделав огромнуюи очень полезную классифика­ционную работу, Линней вместе с тем не вышел за рамки традиционного для науки XVIII в. метафизического метода мышления. Распределив, образно говоря, «по полочкам» разновидности представителей живой природы, располо­жив растения и животных в порядке усложненияих строе­ния, он не усмотрел в этом усложнении развития. Линней считал виды растений и животных абсолютно неизменны­ми. А самих «видов столько, сколько их создано Творцом», писал он в своей знаменитой «Системе природы».

Во всем этом нет ничего удивительного. Диалектичес­кие идеи всеобщей взаимосвязи и развития могли утвердиться в естествознании лишь после того, как был пройден этап изучения отдельных объектов, явлений природы и их классификации. Не изучив, например, отдельные разно­видности растительного и животного мира, не классифи­цировав их, невозможно было обосновать идею эволюции органической природы, другими словами, эпохальное от­крытие Чарльза Дарвина, о котором речь пойдет ниже, могло быть сделано лишь после гигантского труда Карла Линнея, в результате которого уже можно было сравнивать между собой изученные и классифицированные виды растений и животных – от простейших и до человека.

Новые научные идеи и открытия второй половины XVIII – первой половины XIX вв. вскрыли диалектический ха­рактер явлений природы. Достижения естествознания это­го периода опровергали метафизический взгляд на приро­ду, демонстрировали ограниченность метафизики, которая все более и более тормозила дальнейший прогресс науки. Только диалектика могла помочь естествознанию выбраться из теоретических трудностей.

 

3.11. Третья научная революция

Начало процессу стихийной диалектизации естествен­ных наук, составившему суть третьей революции в естество­знании, положила работа немецкого ученого и философа Иммануила Канта (1724–1804) «Всеобщая естественная история и теория неба». В этом труде, опубликованном в 1755 г., была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы. С появлением данной работы Земля и вся Солнечная система предстали как не­что ставшее во времени.

Гипотезу Канта принято именовать небулярной, по­скольку в ней утверждалось, что Солнце, планеты и их спут­ники возникли из некоторой первоначальной, бесформен­ной туманной массы, некогда равномерно заполнявшей мировое пространство. Кант пытался объяснить процесс возникновения Солнечной системы действием сил притя­жения, которые присущи частицам материи, составлявшим эту огромную туманность. Под влиянием притяжения из этих частиц образовывались отдельные скопления, сгуще­ния, становившиеся центрами притяжения. Из одного та­кого крупного центра притяжения образовалось Солнце, вокруг него расположились частицы в виде туманностей, которые начали двигаться по кругу. В круговых туманнос­тях образовались зародыши планет, которые начали вращать­ся также вокруг своей оси. Солнце и планеты сначала ра­зогрелись вследствие трения слагающих их частиц, затем начали остывать.

Хотя Кант в своей работе опирался на классическую механику XVII в., он сумел со­здать развивающуюся картину мира, которая не соответство­вала философии Ньютона, враждебной эволюции. Идеи Канта о возникновении и развитии небесных тел были не­сомненным завоеванием науки середины XVIII века. Его космогоническая гипотеза пробила первую брешь в мета­физическом взглядена мир. Однако научная общественность того временине обра­тила должного внимания на гениальную идею Канта (тогда еще 30-летнего приват-доцента из Кенигсберга). Его труд, опубликованный первоначально без указания имени авто­ра, дошел до публики в очень малом числе экземпляров (из-за банкротства издателя) и оставался практически не извест­ным до конца XVIII века.

Более сорока лет спустя французский математик и аст­роном Пьер Симон Лаплас(1749-1827), совершенно неза­висимо от Канта и двигаясь своим путем, высказал идеи, развившие и дополнявшие кантовское космогоническое уче­ние. В своем труде «Изложение системы мира», опубли­кованном в 1796 г., Лаплас предположил, что первоначально вокруг Солнца существовала газовая масса, нечто вроде ат­мосферы. Эта «атмосфера» была так велика, что простира­лась за орбиты всех планет. Вся эта масса вращалась вместе с Солнцем (о причине вращения Лаплас не говорил). За­тем, вследствие охлаждения, в плоскости солнечного эква­тора образовались газовые кольца, которые распались на не­сколько сфероидальных частей – зародышей будущих пла­нет, вращающихся по направлению своего обращения вок­руг Солнца. При дальнейшем охлаждении внутри каждой такой части образовалось ядро, и планеты перешли из газообразного в жидкое состояние, а затем начали затвердевать с поверхности.

Имена создателей двух рассмотренных гипотез были объе­динены, а сами гипотезы довольно долго (почти столетие) просуществовали в науке в обобщенном виде – как космо­гоническая гипотеза Канта - Лапласа.

В первой половине XIX века произошла острая борьба двух концепций – катастрофизма и эволюционизма, кото­рые по-разному объясняли историю нашей планеты. Уро­вень развития науки этого периода делал уже невозможным сочетать библейское учение о кратковременности истории Земли с накопленными данными о смене геологических фор­маций и смене фаун, ископаемые остатки которых находили в земных слоях. Это несоответствие некоторые ученые пыта­лись объяснить идеей о катастрофах, которые время от вре­мени случались на нашей планете.

Именно такое объяснение было предложено француз­ским естествоиспытателем в своей работе «Рассуждения о переворотах на поверхности Земли», опубликованной в 1812 г. Кювье утверждал, что каждый период в истории Земли завершался мировой ката­строфой – поднятием и опусканием материков, наводне­ниями, разрывами слоев и т. д. В результате этих катаст­роф гибли животные и растения, и в новых условиях по­явились новые их виды. Поэтому, считал Кювье, совре­менные геологические условия и представители живой при­роды совершенно не похожи на то, что было прежде. При­чины катастроф и возникновение новых видов раститель­ного и животного мира Кювье не объяснял.

Катастрофизму Кювье и его сторонников противостоя­ло эволюционное учение, которое в области биологии от­стаивал крупный французский естествоиспытатель Жан Ба­тист Ламарк (1744–1829). В 1809 г. вышла его работа «Философия зоологии». Ламарк видел в изменяющихся условиях окружающей среды движущую силу эволюции орга­нического мира. Согласно Ламарку, изменения в окружа­ющей среде вели к изменениям в потребностях животных, следствием чего было изменение их жизнедеятельности. В течение одного поколения, считал он, в случае перемен в функционировании того или иного органа появляются на­следственные изменения в этом органе. При этом усилен­ное упражнение органов укрепляет их, а отсутствие упраж­нений ослабляет. На этой основе возникают новые орга­ны, а старые исчезают. Таким образом Ламарк полагал, что приобретенные под влиянием внешней среды измене­ния в живых организмах становятся наследственными и слу­жат причиной образования новых видов. Но передача по наследству этих приобретенных изменений ни Ламарком, ни кем-либо из его последователей доказана не была. По­этому взгляды Ламарка на эволюцию живой природы не получили должного обоснования. Однако это не умаляет его заслуги как создателя первого в истории науки целост­ного, систематического эволюционного учения.

Геологический эволюционизм оказал немалое влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения в биологии. В предисловии к своей знаменитой книге «Про­исхождение видов в результате естественного отбора Чарлз Роберт Дарвин (1809–1882) писал: «Тот, кто прочтет вели­кий труд Чарлза Лайеля о принципах геологии и все-таки не усвоит, как непостижимо огромны были прошлые периоды времени, может сразу же закрыть эту книгу».

Главный труд Дарвина «Происхождение видов» был опубликован в 1859 г. В нем Дарвин, опираясь на огром­ный естественнонаучный материал из области палеологии, эмбриологии, сравнительной анатомии, географии живот­ных и растений, изложил факты и причины биологической эволюции. Он показал, что вне саморазвития органический мир не существует, и поэтому органическая эволюция не мо­жет прекратиться. Развитие – это условие существования вида, условие его приспособления к окружающей среде. Каж­дый вид, считал Дарвин, всегда находится на пути недости­жимой гармонии с его жизненными условиями. Принципи­ально важной в учении Дарвина является теория естествен­ного отбора. Согласно этой теории, виды сих относительно целесообразной организацией возникли и возникают в ре­зультате отбора и накопления качеств, полезных для орга­низмов в их борьбе за существование в данных условиях.

Отзывы на учение Дарвина были многочисленны и раз­нообразны: от сугубо положительных, даже восторженных, до крайне негативных. Весьма резко реагировали на идею Дарвина о том, что человек произошел от общего с обезьяной существа, представители церковных кругов, усматри­вая в этой идее черты атеизма. Но большинство ученых-естествоиспытателей сразу же стали сторонниками дарвинизма.

Наряду с фундаментальными работами, раскрывающи­ми процесс эволюции, развития природы, появились но­вые естественнонаучные открытия, подтверждавшие нали­чие всеобщих связей в природе. Еще более широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире были продемонстрированы благодаря открытию закона сохранения и превращения энергии. Этот закон имел значительно большую «сферу охвата», чем уче­ние о клеточном строении животных и растений: последнее целиком и полностью принадлежит биологии, а закон сохра­нения и превращения энергии имеет универсальное значе­ние, т. е. охватывает все науки о природе.

Экспериментальными и теоретическими исследованиями, проведенными в 40-х годах XIX века рядом ученых, было доказано, что «...все так называемые физические силы – механическая сила, теплота, свет, электричество, магне­тизм и даже так называемая химическая сила – переходят при известных условиях друг в друга без какой бы то ни было потери силы...» Другими словами, речь шла о превраще­нии одной формы энергии в другую.

К этой идее первоначально пришел немецкий врач Юли­ус Роберт Майер (1814–1878) во время своего путешествия в Ост-Индию в 1840 г. Он обнаружил, что венозная кровь больных в тропиках была краснее, чем в Европе, и объяс­нил это явление более высоким содержанием кислорода в крови. Последнее, полагал Майер, обусловлено тем, что при высоких температурах в организме человека сгорает мень­ше пищи, поскольку тело в этих условиях требует меньше тепла, получаемого за счет питания. Поэтому в венозной крови остается больше кислорода. Таким образом, Майер фактически высказал мысль, что химическая энергия, со­держащаяся в пище, превращается в теплоту (подобно тому как это происходит с механической энергией мышц).

Только в 1842 г., после некоторых неудач, Майеру уда­лось опубликовать свою идею в статье «О количественном и качественном определении сил», а в 1845 г. вышла его книга «Органическое движение в его связи с обменом веществ, вклад в естествознание». В этих работах Майер показал, что химическая, тепловая и механическая энергии могут пре­вращаться друг в друга и являются равноценными.

Выводы Майера с недоверием были восприняты в на­учных кругах того времени как недостаточно обоснованные. Но опыты, проведенные одновременно и независимо от Майера английским исследователем Джеймсом Прескоттом Джоулем(1818–1889), подвели под идеи Майера прочную экспериментальную основу. Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. На основе хорошо по­ставленного эксперимента он пришел к выводу, что тепло­ту можно создавать с помощью механической работы, ис­пользуя магнитоэлектричество (электромагнитную индук­цию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы инду­цированного тока. Вращая электромагнит индукционной машины с помощью падающего груза. Джоуль определил соотношение между работой этого груза и теплотой, выде­ляемой в цепи. В работе «О тепловом эффекте магнитоэлектричества и механическом эффекте теплоты» (1843г.)Джоуль в качестве среднего результата своих измерений ука­зывал, что «количество тепла, которое в состоянии нагреть один фунт воды на один градус Фаренгейта, может быть превращено в механическую силу, которая в состоянии под­нять 838 фунтов на вертикальную высоту в один фут».

Результаты, полученные в экспериментах, привели Джоуля к следующему обобщенному выводу: «... Во всех слу­чаях, когда затрачивается механическая сила, получается точное эквивалентное количество теплоты». В работе 1843 г. Джоуль также утверждал, что животная теплота воз­никает в результате химических превращений в организме, т. е. фактически делал те же выводы, к которым несколько ранее пришел Майер.

В отстаивании данного закона и его широком призна­нии в научном мире большую роль сыграл один из наиболее знаменитых физиков XIX в. Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821–1894). Будучи, подобно Майеру, врачом, Гельмгольц, так же как и он, пришел от физиологии к закону сохранения энергии. Признавая приоритет Майера и Джо­уля, Гельмгольц пошел дальше и увязал этот закон с прин­ципом невозможности вечного двигателя. Доказательство сохранения и превращения энергии ут­верждало идею единства, взаимосвязанности материально­го мира. Вся природа отныне предстала как непрерывный процесс превращения универсального движения материи из одной формы в другую.

Еще одним поистине эпохальным событием в химичес­кой науке, внесшим большой вклад в процесс диалектизации естествознания, стало откры тие периодического закона химических элементов. 1 марта 1869 г. выдающийся уче­ный-химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) ра­зослал русским и иностранным химикам сообщение, кото­рое он озаглавил «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». В этом сообщении было изложено великое открытие Менделеева: существует за­кономерная связь между химическими элементами, которая заключается в том, что свойства элементов изменяются в пе­риодической зависимости от их атомных весов. Качествен­ные свойства элементов зависят от их количественных свойств, причем это отношение меняется периодически, скачками. Обнаружив эту закономерную связь, Менделеев расположил элементы в естественную систему в зависимос­ти от их родства.

В результате появилась также возможность предвидеть свойства ряда новых, еще не открытых элементов, для ко­торых Д. И. Менделеев оставил в таблице пустые места. Первым элементом из предсказанных Менделеевым был эле­мент галлий, открытый в 1875 г. За этим последовали от­крытия и других элементов. В 1954 г. был открыт «эле­мент 101», названный «менделеевиумом» в честь великого русского химика.

Из всего вышесказанного следует, что основополагаю­щие принципы диалектики – принцип развития и принцип всеобщей взаимосвязи – получили во второй половинеXVIII и особенно в XIX вв. мощное естественнонаучное обосно­вание.

 

3.12. Создание электромагнитной картины мира

Механистические взгляды на материальный мир господ­ствовали в естествознании не только XVII и XVIII вв., но и почти всего XIX в. В целом природа понималась как гиган­тская механическая система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу неумолимой необходимости, действующей в природе, судьба даже отдель­ной материальной частицы заранее предрешена на все време­на. Ученые-естествоиспытатели видели в классической ме­ханике прочную и окончательную основу естествознания.

Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном стара­лись объяснить исходя из начал механики самые различные явления природы. При этом они неправомерно экстрапо­лировали законы, установленные лишь для механической сферы явлений, на все процессы окружающего мира. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и уни­версальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике,химии.

Длительное время теории, объяснявшие закономерно­сти соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами. Уже упоминавшийся выше фран­цузский математик и астроном Пьер Симон Лаплас был убеж­ден, что к закону всемирного тяготения сводятся все явле­ния, известные ученым. Исходя из этого, он работал над созданием – в дополнение к механике небесной, создан­ной Ньютоном, – новой, молекулярной механики, кото­рая, по его мнению, была призвана объяснить химические реакции, капиллярные явления, феномен кристаллизации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяжении между молекулами, которое, счи­тал он, есть только «видоизменение всемирного тяготения».

Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально воспринято физиками открытие, которое сделал французский военный инженер, впоследствии член Парижской Академии наук Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положи­тельный и отрицательный электрические заряды притягива­ются друг к другу прямо пропорционально величине зарядов и обратно пропорционально квадрату расстояния между ними. Создавалось впечатление о новой демонстрации права закона всемирного тяготения служить своего рода образцом, уни­версальным ответом на любые задачи. Лишь впоследствии стало ясно: впервые появился в науке один из законов элек­тромагнетизма. После Кулона открылась возможность пост­роения математической теории электрических и магнитных явлений.

Механистическая картина мира знала только один вид материи – вещество, состоящее из частиц, имеющих массу. В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять элект­рический заряд. И хотя масса, как считалось, была у всех частиц, а заряд – только у некоторых, обладание электри­ческим зарядом было признано таким же фундаментальным, важнейшим их свойством,как и масса.

Английский химик и физик Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и элект­ричеством существует прямая связь. Тем са­мым он впервые объединил электричество и магнетизм, при­знал их одной и той же силой природы. В результате в ес­тествознании начало утверждаться понимание того, что, кро­ме вещества, в природе существует еще и поле. Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл(1831–879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 г. Введение Фа радеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в урав­нениях Максвелла, явились самыми крупными событиями в физике со времен Галилея и Ньютона.

Но потребовались новые результаты, чтобы теория Мак­свелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе максвелловской теории сыграл немецкий физик Генрих Ру­дольф Герц (1857–1894). Именно ему по поручению Гельмгольца (Герц был его любимым учеником) довелось прове­рить экспериментально теоретические выводы Максвелла. В 1886 г. Герц продемонстрировал «беспроволочное рас­пространение» электромагнитных волн.Он смог также до­казать принципиальную тождественность полученных им электромагнитных переменных полей и световых волн.

С тех пор механистические представления о мире были существенно поколеблены. Ведь любые попытки распрост­ранить механические принципы на электрические и магнит­ные явления оказались несостоятельными. Механисти­ческая картина мира начала сходить с исторической сцены, уступая место новой физической реальности.