Классический, неклассический и постнеклассический этапы развития науки

Галилей предположил, что, если допустить существование абсолютно горизонтальной поверхности, убрать трение, то движение тела будет продолжаться. В этом предположении заключен закон инерции, сформулированный позже И. Ньютоном. Галилей был одним из первых мыслителей, кто показал, что непосредственное данные опыта не являются исходным материалом познания, что они всегда нуждаются в определенных теоретических предпосылках, другими словами, опыт "теоретически нагружен".

Идеи закона инерции и примененный Галилеем метод заложили основы классической физики. К его научным достижениям относятся: установление того, что скорость свободного падения тела не зависит от его массы, а пройденный путь пропорционален квадрату времени падения; создание теории параболического движения, теории прочности и сопротивления материалов, создание телескопа, открытие закона колебания маятника, экспериментальное установление того, что воздух обладает весом. В области астрономических исследований Галилей обосновал гелиоцентрическую систему Коперника в работе "Диалог о двух системах мира - Птолемеевской и Коперниковой", дополнив ее своими открытиями, что Солнце вращается вокруг своей оси, что на его поверхности есть пятна, обнаружил у Юпитера 4 спутника (сейчас их известно 13), что Млечный путь состоит из звезд.

Принцип относительности Галилея, преобразования Галилея, принцип инерции и другие понятия непосредственно вошли в механику Ньютона, с которой и началось классическое естествознание. Наконец, нельзя не отметить важность создания огромного объема экспериментальной информации, накопленной к XVII веку, особенно в области астрономии, а также предварительной эмпирической обработки этой информации.

Начало первого - классического - периода в истории науки обычно связывают с именем И. Ньютона. Велик вклад Ньютона и в математику, и в оптику, однако, фундаментом классического естествознания стала созданная им механика, которая не только навела порядок в огромном эмпирическом материале, накопленном многими поколениями ученых, но и дала в руки людей мощный инструмент однозначного предсказания будущего в широкой области объектов и явлений природы. Причины перемещения тел в пространстве, закономерности этих перемещений, способы их адекватного описания всегда были в центре внимания человека, так как непосредственно касались наиболее близкой религиозному сознанию области естествознания, а именно - движения небесных тел. Поиск закономерностей этих движений был для человека не столько связан с удовлетворением научной любознательности, сколько преследовал глубокую религиозно-философскую цель: познать смысл бытия. Поэтому такое значение во все времена уделялось астрономическим наблюдениям, тщательной фиксации мельчайших подробностей в поведении небесных тел, интерпретации повторяющихся событий.

Одним из величайших достижений на этом поприще стали эмпирические законы И. Кеплера, которые убедительно показали существование порядка в движении планет Солнечной системы. Решающий же шаг в понимании причин этого порядка был сделан И. Ньютоном. Созданная им классическая механика в чрезвычайно лаконичной форме обобщила весь предшествующий опыт человечества в изучении движений. Оказалось, что все многообразие перемещений макроскопических тел в пространстве может быть описано всего лишь двумя законами: законом инерции (F = ma) и законом всемирного тяготения (F = Gm1m2 / r2). И не только законы Кеплера, относящиеся к Солнечной системе, оказались следствием законов Ньютона, но и все наблюдаемые человеком в естественных условиях перемещения тел стали доступными аналитическому расчету. Точность, с которой такие расчеты позволяли делать предсказания, удовлетворяли любые запросы. Сильнейшее впечатление на людей произвело обнаружение в 1846 году ранее неизвестной планеты Нептун, положение которой было рассчитано заранее на основании уравнений Ньютона (Адамс и Леверье).

В Новое время сложилась механическая картина мира, утверждающая: вся Вселенная - совокупность большого числа неизменных и неделимых частиц, перемещающихся в абсолютном пространстве и времени, связанных силами тяготения, подчиненных законам классической механики; природа выступает в роли простой машины, части которой жестко детерминированы; все процессы в ней сведены к механическим.

Механическая картина мира сыграла во многом положительную роль, дав естественнонаучное понимание многих явлений природы. Таких представлений придерживались практически все выдающиеся мыслители XVII в. - Галилей, Ньютон, Лейбниц, Декарт. Для их творчества характерно построение целостной картины мироздания. Учеными не просто ставились отдельные опыты, они создавали натурфилософские системы, в которых соотносили полученные опытным путем знания с существующей картиной мира, внося в последнюю необходимые изменения. Без обращения к фундаментальным научным основаниям считалось невозможным дать полное объяснение частным физическим явлениям. Именно с этих позиций начинало формироваться теоретическое естествознание, и в первую очередь - физика.

В основе механистической картины мира лежит метафизический подход к изучаемым явлениям природы как не связанным между собой, неизменным и не развивающимся.

К середине XIX века авторитет классической механики возрос настолько, что она стала считаться эталоном научного подхода в естествознании. Широта охвата явлений природы, однозначная определенность (детерминизм) выводов, характерные для механики Ньютона, были настолько убедительны, что сформировалось своеобразное мировоззрение, в соответствии с которым механистический подход следует применять ко всем явлениям природы, включая физиологические и социальные, и что надо только определить начальные условия, чтобы проследить эволюцию природы во всем ее многообразии. Это мировоззрение часто называют "детерминизмом Лапласа", в память о великом французском ученом П-С. Лапласе, внесшем большой вклад в небесную механику, физику и математику.

Очень образно об этом сказал сам Лаплас: "Ум, которому были бы известны для какого-либо момента времени все силы, одушевляющие природу, обнял бы в одной формуле движение величайших тел Вселенной наравне с движением атомов. И будущее, также как и прошедшее предстало бы перед его взором".

Однако, эта программа - сведение всех природных явлений к механическому движению под действием сил - оказалась не реализованной, прежде всего, из-за проблем с описанием световых, электрических и магнитных явлений. Во второй половине XIX века стало ясно, что материальный мир не сводится только к механическим перемещениям вещества. Еще одной формой существования материи было признано электромагнитное поле, наиболее полную теорию, которого создал Дж.К. Максвелл.

После этого, в конце XIX в., большинство ученых считало, что создание полной и окончательной естественнонаучной картины мира практически завершено. Все явления природы, в соответствии с этой картиной мира, являются следствием электромагнитных и гравитационных взаимодействий между зарядами и массами, которые приводят к однозначному, полностью определенному начальными условиями поведению тел (концепция детерминизма). Критериями истинности в такой картине мира являются, с одной стороны, эксперимент ("практика - критерий истины"), а с другой стороны - однозначный логический вывод (с XVII века, как правило, математический) из более общих посылок (дедукция). Отметим здесь также, что одним из главных методологических принципов классического естествознания являлась независимость объективных процессов в природе от субъекта познания, отделенность объекта от средств познания.

Дальнейшее развитие науки вносит существенные отклонения от классических ее канонов.

Неклассическая наука

Подрыву классических представлений в естествознании способствовали некоторые идеи, которые зародились еще в середине XIX века, когда классическая наука находилась в зените славы. Среди этих первых неклассических идей, в первую очередь, следует отметить эволюционную теорию Ч. Дарвина. Как известно, в соответствии с этой теорией биологические процессы в природе протекают сложным, необратимым, зигзагообразным путем, который на индивидуальном уровне совершенно непредсказуем. Явно не вписывались в рамки классического детерминизма и первые попытки Дж. Максвелла и Л. Больцмана применить вероятностно-статистические методы к исследованию тепловых явлений. Г. Лоренц, А. Пуанкаре и Г. Минковский еще в конце XIX века начали развивать идеи релятивизма, подвергая критике устоявшиеся представления об абсолютном характере пространства и времени. Эти и другие революционные с точки зрения классической науки идеи привели в самом начале XX века к кризису естествознания, коренной переоценке ценностей, доставшихся от классического наследия.

Научная революция, ознаменовавшая переход к неклассическому этапу в истории естествознания, в первую очередь, связана с именами двух великих ученых XX века - М. Планком и А. Эйнштейном. Первый ввел в науку представление о квантах электромагнитного поля, но по истине революционный переворот в физической картине мира совершил великий физик-теоретик А. Эйнштейн (1879-1955), создавший специальную (1905) и общую (1916) теорию относительности.

Как мы помним из предыдущего раздела, в механике Ньютона существуют две абсолютные величины - пространство и время. Пространство неизменно и не связано с материей. Время - абсолютно и никак не связано ни с пространством, ни с материей. Эйнштейн отвергает эти положения, считая, что пространство и время органически связаны с материей и между собой. Тем самым задачей теории относительности становится определение законов четырехмерного пространства, где четвертая координата - время. Эйнштейн, приступая к разработке своей теории, принял в качестве исходных два положения: скорость света в вакууме неизменна и одинакова во всех системах, движущихся прямолинейно и равномерно друг относительно друга, и для всех инерциальных систем все законы природы одинаковы, а понятие абсолютной скорости теряет значение, так как нет возможности ее обнаружить.

Кроме того, он построил математическую теорию броуновского движения, разработал квантовую концепцию света, а за открытие фотоэффекта в 1921г. ему была присуждена Нобелевская премия, дал физическое истолкование геометрии Н. Н. Лобачевского (1792-1856).

Буквально в течение первой четверти века был полностью перестроен весь фундамент естествознания, который в целом остается достаточно прочным и в настоящее время.

Что же принципиально нового в понимании природы принесло с собой неклассическое естествознание?

1. Прежде всего, следует  иметь в виду, что решающие  шаги в становлении новых представлений  были сделаны в области атомной  и субатомной физики, где человек  попал в совершенно новую познавательную  ситуацию. Те понятия (положение  в пространстве, скорость, сила, траектория  движения и т.п.), которые с успехом  работали при объяснении поведения  макроскопических природных тел, оказались неадекватными и, следовательно, непригодными для отображения  явлений микромира. И причина  этого заключалась в том, что  исследователь непосредственно  имел дело не с микрообъектами  самими по себе, как он к  этому привык в рамках представлений  классической науки, а лишь с "проекциями" микрообъектов на макроскопические "приборы". В связи с этим  в теоретический аппарат естествознания  были введены понятия, которые  не являются наблюдаемыми в  эксперименте величинами, а лишь  позволяют определить вероятность  того, что соответствующие наблюдаемые  величины будут иметь те или  иные значения в тех или  иных ситуациях. Более того, эти  ненаблюдаемые теоретические объекты (например, y - функция Шредингера  в квантовой механике или кварки  в современной теории адронов) становятся ядром естественнонаучных  представлений, именно для них  записываются базовые соотношения  теории.

2. Второй особенностью  неклассического естествознания  является преобладание же упомянутого  вероятностно-статистического подхода  к природным явлениям и объектам, что фактически означает отказ  от концепции детерминизма. Переход  к статистическому описанию движения  индивидуальных микрообъектов было, наверное, самым драматичным моментом  в истории науки, ибо даже основоположники  новой физики так и не смогли  смириться с онтологической природой такого описания ("Бог не играет в кости", - говорил А. Эйнштейн), считая его лишь временным, промежуточным этапом естествознания.

3. Далеко за рамки естествознания  вышла сформулированная Н. Бором  и ставшая основой в неклассической  физике идея дополнительности. В  соответствии с этим принципом, получение экспериментальной информации  об одних физических величинах, описывающих микрообъект, неизбежно  связано с потерей информации  о некоторых других величинах, дополнительных к первым. Такими  взаимно дополнительными величинами  являются, например, координаты и  импульсы, кинетическая и потенциальная  энергия, напряженность электромагнитного  поля и число фотонов и т.п. Таким образом, с точки зрения  неклассического естествознания  невозможно не только однозначное, но и всеобъемлющее предсказание  поведения всех физических параметров, характеризующих динамику микрообъектов.

4. Для неклассического  естествознания характерно объединение  противоположных классических понятий  и категорий. Например, в современной  науке идеи непрерывности и  дискретности уже не являются  взаимоисключающими, а могут быть  применены к одному и тому  же объекту, в частности, к физическому  полю или к микрочастице (корпускулярно-волновой  дуализм). Другим примером может  служить относительность одновременности: события, одновременные в одной  системе отсчета, оказываются неодновременными  в другой системе отсчета, движущейся  относительно первой.

5. Произошла в неклассической  науке и переоценка роли опыта  и теоретического мышления в  движении к новым результатам. Прежде всего, была зафиксирована  и осознана парадоксальность  новых решений с точки зрения "здравого смысла". В классической  науке такого резкого расхождения  науки со здравым смыслом не  было. Основным средством движения  к новому знанию стало не  его построение снизу, отталкиваясь  от фактической, эмпирической стороны  дела, а сверху. Явное предпочтение  методу математической гипотезы, усложнение математической символики  все чаще стали выступать средствами  создания новых теоретических  конструкций, связь которых с  опытом оказывается не прямой  и не тривиальной.