История неклассической науки

Теория относительности Эйнштейна — физическая теория, рассматривающая пространственно-временные свойства физических процессов. Т. к. закономерности, устанавливаемые теорией относительности, — общие для всех физических процессов, то обычно о них говорят просто как о свойствах пространства-времени. Эти свойства зависят от полей тяготения в данной области пространства-времени. Теория, описывающая свойства пространства-времени в приближении, когда полями тяготения можно пренебречь, называется специальной или частной теорией относительности, или просто теорией относительности (создана А. Эйнштейном в 1905). Свойства пространства-времени при наличии полей тяготения исследуются в общей теории относительности, называемой также теорией тяготения Эйнштейна (создана в 1915-16). Физические явления, описываемые теорией относительности, называются релятивистскими и проявляются при скоростях v движения тел, близких к скорости света в вакууме с. В основе теории относительности лежат 2 положения:  принцип относительности, означающий равноправие всех инерциальных систем отсчета (и. с. о.), и постоянство скорости света в вакууме, ее независимость от скорости движения источника света. Эти 2 постулата определяют формулы перехода от одной инерциальной системы отсчета к другой - преобразования Лоренца, для которых характерно, что при таких переходах изменяются не только пространственные координаты, но и моменты времени (относительность времени). Из преобразований Лоренца получаются основные эффекты специальной теории относительности: существование предельной скорости передачи любых взаимодействий - максимальной скорости, до которой можно ускорить тело, совпадающей со скоростью света в вакууме; относительность одновременности (события, одновременные в одной инерциальной системе отсчета, в общем случае не одновременны в другой); замедление течения времени в быстро движущемся теле (физические процессы в теле, движущемся со скоростью v относительно некоторой инерциальной системы отсчета, протекают в раз медленнее, чем в данной инерциальной системе отсчета) и сокращение продольных - в направлении движения - размеров тел (во столько же раз) и др. масса m тела растет с увеличением его скорости v по формуле , где m0 - масса покоя тела. Полная энергия движущегося тела определяется соотношением Эйнштейна E=mc2; покоящееся тело обладает энергией E=m0c2. Все эти закономерности теории относительности надежно подтверждены на опыте. Теория относительности выявила ограниченность представлений классической физики об "абсолютных" пространстве и времени, неправомерность их обособления от движущейся материи; она дает более точное, по сравнению с классической механикой, отображение объективных процессов реальной действительности [7].

Принцип неопределенности Гейзенберга  — фундаментальное положение квантовой теории, утверждающее, что характеризующие физическую систему т. н. дополнительные физические величины (напр., координата и импульс) не могут одновременно принимать точные значения; отражает двойственную, корпускулярно-волновую природу частиц материи (электронов, протонов и т. д.) [7].

Теория  Большого взрыва — теория, выдвинутая для объяснения происхождения Вселенной. Она была разработана в 1940-е г. Джорджем Гамовым на основе идей Жоржа Леметра. Согласно этой теории, расширение Вселенной, которое продолжается до сих пор, началось примерно 10 или 20 миллиардов лет назад с гигантского взрыва. Первоначально Вселенная представляла собой скопление чрезвычайно горячего и сжатого газа с температурой свыше 10 млрд. градусов. Когда возраст Вселенной равнялся всего лишь нескольким минутам, температура составляла уже не более 1 млрд. градусов. По мере охлаждения начинались ядерные реакции, в результате которых различные вещества образовывались из огненного шара, состоявшего на 75% (по массе) из водорода и на 25% (по массе) из гелия - такой состав Вселенной мы наблюдаем и сейчас. В плотности или скорости расширения возникали локальные флюктуации. Несколько более плотные области газа, скорость расширения которых была ниже средней величины, коллапсировали и образовывали галактики, когда Вселенная достигла примерно 10% своего нынешнего возраста. Фоновая микроволновая радиация, которую обнаружили в космосе в 1965 г., считается остаточным излучением, сохранившимся от Большого взрыва [7].

Теория  катастроф — математический метод, опубликованный в 1972 г. французским математиком Рене Томом (р. 1923). Эта теория рассматривает процессы, условия которых изменяются не плавно и постепенно, а в какой-то момент подвергаются катастрофе, - т. е. событию, при котором некоторые математические параметры изменяются резким и неожиданным скачком. Метод особенно полезен для описания ситуаций, в которых небольшие изменения исходных условий (входных параметров) могут вызвать внезапную и резкую перемену в поведении системы или ее выходных параметрах [7].

Подрыву классических представлений  в естествознании способствовали некоторые  идеи, которые зародились еще в  середине XIX века, когда классическая наука находилась в зените славы.

В 1896 г. французский физик  А. Беккерель (1852-1908) открыл явление  самопроизвольного излучения урановой соли, природа которого не была понята. В поисках элементов, испускающих  подобные "беккерелевы лучи", Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934) в 1898 г. открывают полоний и радий, а само явление называют радиоактивностью. В 1897 г. английский физик Дж. Томсон (1856-1940) открывает составную часть атома - электрон, создает первую, но очень недолго просуществовавшую модель атома. В 1900 г. немецкий физик М. Планк (1858-1947) предложил новый (совершенно не отвечающий классическим представлениям) подход: рассматривать энергию электромагнитного излучения величину дискретную, которая может передаваться только отдельными, хотя и очень небольшими, порциями  — квантами. На основе этой гениальной догадки ученый не только получил уравнение теплового излучения, но она легла в основу квантовой теории.

Английский физик Э. Резерфорд (1871-1937) экспериментально устанавливает, что атомы имеют ядро, в котором  сосредоточена вся их масса, а  в 1911 г. создает планетарную модель строения атома, согласно которой электроны  движутся вокруг неподвижного ядра и  в соответствии с законами классической электродинамики непрерывно излучают электромагнитную энергию. Но ему не удается объяснить, почему электроны, двигаясь вокруг, ядра по кольцевым  орбитам и непрерывно испытывая  ускорение, следовательно, излучая  все время кинетическую энергию, не приближаются к ядру и не падают на его поверхность.

Датский физик Нильс Бор (1885-1962), исходя из модели Резерфорда и  модифицируя ее, введя постулаты (постулаты Бора), утверждающие, что  в атомах имеются стационарные орбиты, при движении по которым электроны  не излучают энергии, ее излучение происходит только в тех случаях, когда электроны  переходят с одной стационарной орбиты на другую, при этом происходит изменение энергии атома, создал квантовую модель атома. Она получила название модели Резерфорда-Бора. Это была последняя наглядная модель атома.

В 1924 г. французский физик  Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о двойственной, корпускулярно-волновой природе не только электромагнитного  излучения, но и других микрочастиц. В 1925 г. швейцарский физик-теоретик В. Паули (1900-1958) сформулировал принцип  запрета: ни в атоме, ни в молекуле не может быть двух электронов, находящихся в одинаковом состоянии.

В 1926 г. австрийский физик-теоретик Э. Шредингер (1887-1961) вывел основное уравнение волновой механики, а в 1927 г. немецкий физик В. Гейзенберг (1901-1976) — принцип неопределенности, утверждавший: значения координат и импульсов микрочастиц не могут быть названы одновременно и с высокой степенью точности. Было осознано, что "наблюдение играет решающую роль в атомном событии, и что реальность различается в зависимости от того, наблюдаем мы ее или нет... Квантовая механика уже не допускает вполне объективного описания природы" 

В 1929 г. английский физик  П. Дирак (1902-1984) заложил основы квантовой  электродинамики и квантовой  теории гравитации, разработал релятивистскую теорию движения электрона, на основе которой предсказал (1931) существование  позитрона - первой античастицы. Античастицами  назвали частицы, подобные своему двойнику, но отличающиеся от него электрическим  зарядом, магнитным моментом и др. В 1932 г. американский физик К. Андерсон (р. 1905) открыл позитрон в космических лучах.

В 1934 г. французские физики Ирен (1897-1956) и Фридерик Жолио-Кюри (1900-1958) открыли искусственную радиоактивность, а в 1932 г. английский физик Дж. Чедвик (1891- 1974) — нейтрон. Создание ускорителей заряженных частиц способствовало развитию ядерной физики, была выявлена неэлементарность элементарных частиц. Но поистине революционный переворот в физической картине мира совершил великий физик-теоретик А. Эйнштейн (1879-1955), создавший специальную (1905) и общую (1916) теорию относительности.

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 1921 г. ему  была присуждена Нобелевская премия, дал физическое истолкование геометрии  Н. Н. Лобачевского (1792-1856).

Говоря об открытии специальной  теории относительности, нельзя не вспомнить  нидерландского физика А. Лоренца (1853-1928), который в 1892 г. вывел уравнение (получившее название "преобразования Лоренца"), дающее возможность установить, что  при переходе от одной инерциальной системе к другой могут изменяться значения времени и размеры движущегося  тела в направлении скорости движения. А крупнейший французский математик  и физик Анри Пуанкаре (1854-1912), который  и ввел название "преобразование Лоренца", первым начал пользоваться термином "принцип относительности", независимо от Эйнштейна развил математическую сторону этого принципа и практически  одновременно с ним показал неразрывную  связь между энергией и массой.

Если в классической науке  универсальным способом задания  объектов теории были операции абстракции и непосредственной генерализации  наличного эмпирического материала, то в неклассической введение объектов осуществляется на пути математизации, которая выступает основным индикатором идей в науке, приводящих к созданию новых ее разделов и теорий. Математизация ведет к повышению уровня абстракции теоретического знания, что влечет за собой потерю наглядности.

Переход от классической науки  к неклассической характеризует та революционная ситуация, которая заключается во вхождении субъекта познания в "тело" знания в качестве его необходимого компонента. Изменяется понимание предмета знания: им стала теперь не реальность "в чистом виде", как она фиксируется живым созерцанием, а некоторый ее срез, заданный через призму принятых теоретических и операционных средств и способов ее освоения субъектом. Поскольку о многих характеристиках объекта невозможно говорить без учета средств их выявления, постольку порождается специфический объект науки, за пределами которого нет смысла искать подлинный его прототип. Выявление относительности объекта к научно-исследовательской деятельности повлекло за собой то, что наука стала ориентироваться не на изучение вещей как неизменных, а на изучение тех условий, попадая в которые они ведут себя тем или иным образом,

Так как исследователь  фиксирует только конкретные результаты взаимодействия объекта с прибором, то это порождает некоторый "разброс" в конечных результатах исследования. Отсюда вытекает правомерность и  равноправность различных видов  описания объекта, построение его теоретических  конструктов.

Научный факт перестал быть проверяющим. Теперь он реализуется  в пакете с иными внутритеоретическими способами апробации знаний: принцип соответствия, выявление внутреннего и когерентного совершенства теории. Факт свидетельствует, что теоретическое предположение оправдано для определенных условий и может быть реализовано в некоторых ситуациях. Принцип экспериментальной проверяемости наделяется чертами фундаментальности, т.е. имеет место не "интуитивная очевидность", а "уместная адаптированность".

Концепция монофакторного эксперимента заменилась полифакторной: отказ от изоляции предмета от окружающего воздействия якобы для "чистоты рассмотрения", признание зависимости определенности свойств предмета от динамичности и комплексности его функционирования в познавательной ситуации, динамизация представлений о сущности объекта - переход от исследования равновесных структурных организаций к анализу неравновесных, нестационарных структур, ведущих себя как открытые системы. Это ориентирует исследователя на изучение объекта как средоточия комплексных обратных связей, возникающих как результирующая действий различных агентов и контрагентов.

На основе достижений физики развивается химия, особенно в области  строения вещества. Развитие квантовой механики позволило установить природу химической связи, под последней понимается взаимодействие атомов, обусловливающее их соединение в молекулы и кристаллы. Создаются такие химические дисциплины, как физикохимия, стереохимия, химия комплексных соединений, начинается разработка методов органического синтеза.

В области биологии русским  физиологом растений и микробиологом  Д. И. Ивановским (1864-1920) был открыт вирус  и положено начало вирусологии. Получает дальнейшее развитие генетика, в основе которой лежат законы Менделя  и хромосомная теория наследственности американского биолога Т. Ханта (1866-1945). Хромосомы — структурные элементы ядра клетки, содержащие дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК), которая является носителем наследственной информации организма. При делении ДНК точно воспроизводится, обеспечивая передачу наследственных признаков от поколения к поколению. Американский биохимик Дж. Уотсон (р. 1928) и английский биофизик Ф. Крик (р. 1916) в 1953 г. создали модель структуры ДНК, что положило начало молекулярной генетике. Датским биологом В. Йогансоном (1857-1927) было введено понятие "ген" — единица наследственного материала, отвечающая за передачу некоторого наследуемого признака.