Кризис классического естествознания на рубеже ХIХ-ХХ веков

Введение 

     Познание  единичных вещей и процессов  невозможно без одновременного познания всеобщего, а последнее в свою очередь познается только через  первое. Сегодня это должно быть ясно каждому образованному уму. Точно также и целое постижимо  лишь в органическом единстве с его  частями, а часть может быть понята лишь в рамках целого. И любой  открытый нами "частный" закон - если он действительно закон, а не эмпирическое правило - есть конкретное проявление всеобщности. Нет такой науки, предметом  которой было бы исключительно всеобщее без познания единичного, как невозможна и наука, ограничивающая себя лишь познанием  особенного.

     Всеобщая  связь явлений - наиболее общая закономерность существования мира, представляющая собой результат и проявление универсального взаимодействия всех предметов  и явлений и воплощающаяся  в качестве научного отражения в  единстве и взаимосвязи наук. Она  выражает внутреннее единство всех элементов  структуры и свойств любой  целостной системы, а также бесконечное  разнообразие отношений данной системы  с другими окружающими ее системами  или явлениями. Без понимания  принципа всеобщей связи не может  быть истинного знания. Осознание  универсальной идеи единства всего  живого со всем мирозданием входит в науку, хотя уже более полувека назад в своих лекциях, читанных в Сорбонне, В.И.Вернадский отмечал, что ни один живой организм в свободном  состоянии на Земле не находится, но неразрывно связан с материальноэнергетической  средой. "В нашем столетии биосфера получает совершенно новое понимание. Она выявляется как планетное  явление космического характера".

     Естественнонаучное миропонимание (ЕНМП) - система знаний о природе, образующаяся в сознании учащихся в процессе изучения естественнонаучных предметов, и мыслительная деятельность по созданию этой системы.

     Понятие "картина мира" является одним  из фундаментальных понятий философии  и естествознания и выражает общие  научные представления об окружающей действительности в их целостности. Понятие "картина мира" отражает мир в целом как единую систему, то есть "связное целое", познание которого предполагает "познание всей природы и истории..." (Маркс  К., Энгельс Ф., собр. соч., 2-е изд. том 20, с.630).

     В основе построения научной картины  мира лежит принцип единства природы  и принцип единства знания. Общий  смысл последнего заключается в  том, что знание не только бесконечно многообразно, но оно вместе с тем  обладает чертами общности и целостности. Если принцип единства природы выступает  в качестве общей философской  основы построения картины мира, то принцип единства знаний, реализованный  в системности представлений  о мире, является методологическим инструментом, способом выражения целостности  природы.

     Система знаний в научной картине мира не строится как система равноправных партнеров. В результате неравномерного развития отдельных отраслей знания одна из них всегда выдвигается в  качестве ведущей, стимулирующей развитие других. В классической научной картине  мира такой ведущей дисциплиной  являлась физика с ее совершенным  теоретическим аппаратом, математической насыщенностью, четкостью принципов  и научной строгостью представлений. Эти обстоятельства сделали ее лидером  классического естествознания, а  методология сведения придала всей научной картине мира явственную физическую окраску. Однако острота  этих проблем несколько сгладилась в связи с глубоким органическим взаимодействием методов этих наук и пониманию соотнесённости установления того или иного их соотношения. 

1. Кризис классического естествознания на рубеже ХIХ-ХХ веков.

     Вторая  половина ХIХ века в развитии естествознания занимает особое место. Это - период, который  представляет собой одновременно и  завершение старого, классического  естествознания и зарождение нового, неклассического. С одной стороны, великое научное достижение, заложенное гением Ньютона, - классическая механика - получает в это время возможность  в полной мере развернуть свои потенциальные  возможности. А, с другой стороны, в  недрах классического естествознания уже зреют предпосылки новой  научной революции; механистическая (метафизическая) методология оказывается  совершенно недостаточной для объяснения сложных объектов, которые попали в поле зрения науки второй половины ХIХ века. Лидером естествознания по прежнему является физика.

1.1. Кризис в физике  на рубеже веков

     Вторая  половина XIX в. характеризуется быстрым  развитием всех сложившихся ранее  и возникновением новых разделов физики. Однако особенно быстро развиваются  теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты развивается по двум направлениям. Во-первых, это развитие термодинамики, непосредственно связанной  с теплотехникой. Во-вторых, развитие кинетической теории газов и теплоты, приведшее к возникновению нового раздела физики – статистической физики. Что касается электродинамики, то здесь важнейшими событиями явились: создание теории электромагнитного  поля, и возникновение нового раздела  физики – теории электронов.

     Величайшим  достижение физики второй половины ХIХ  века является создание теории электромагнитного  поля. К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические  и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован  целый ряд важных закономерностей. Так, были открыты важнейшие законы: закон Кулона, закон Ампера, закон  электромагнитной индукции, законы постоянного  тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Полного теоретического единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Однако к середине XIX в. потребность в качественном совершенствовании теоретического базиса учений о об электрических и магнитных процессах стала совершенно очевидной. Появляются отдельные попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была теория Максвелла, которая произвела подлинный революционный переворот в физике.

     Максвелл  и поставил перед собой задачу перевести идеи и взгляды Фарадея  на строгий математический язык, или, говоря другими словами, интерпретировать известные законы электрических  и магнитных явлений с точки  зрения взглядов Фарадея. Будучи блестящим  теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл справился  с этой сложнейшей задачей. Результатом  его трудов оказалось построение теории электромагнитного поля, которая  была изложена в работе “Динамическая  теория электромагнитного поля”, опубликованной в 1864 г.

     Эта теория существенно изменяла представления  о картине электрических и  магнитных явлений. Она их объединяла в единое целое. Основные положения  и выводы этой теории следующие.

     Электромагнитное  поле - реально и существует независимо от того, имеются проводники и магнитные  полюса, обнаруживающие его, или нет. Максвелл определял это поле следующим  образом: “... электромагнитное поле –  это та часть пространства, которая  содержит в себе, и окружает тела, находящиеся в электрическом  или магнитном состоянии”.

     Изменение электрического поля ведет к появлению  магнитного поля, и наоборот.

     Векторы напряжений электрического и магнитного полей - перпендикулярны. Это и объясняло, почему электромагнитная волна исключительно  поперечна.

     Теория  электромагнитного поля исходила из того, что передача энергии происходит с конечной скоростью. И таким  образом она обосновывала принцип  близкодействия.

     Скорость  передачи электромагнитных колебаний  равна скорости света (с). Из этого  следовала принципиальная тождественность  электромагнитных и оптических явлений. Оказалось, что различия между ними только в частоте колебаний электромагнитного  поля.

     Экспериментальное подтверждение теории Максвелла  в 1887 г. в опытах Г. Герца (1857-1894) произвело  большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла  получает признание подавляющего большинства  ученых.

     Во  второй половине ХIХ века предпринимаются  попытки придать понятию абсолютного  пространства и абсолютной системы  отсчета новое научное содержание, очистив их от того метафизического  смысла, который был придан им Ньютоном. В 1870 г. К. Нейман ввел понятие a -тела, как  такого тела во Вселенной, которое является неподвижным и которое можно  считать за начало абсолютной системы  отсчета. Некоторые физики предлагали принять за a -тело такое тело, которое  совпадает с центром тяжести  всех тел во всей Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно  считать находящимся в абсолютном покое.

     Комплекс  вопросов об абсолютном пространстве и абсолютном движении приобрел новый  смысл в связи с развитием  электронной теории и возникновением гипотезы об электромагнитной природе  материи. Согласно электронной теории существует неподвижный всюду эфир и движущиеся в нем заряды. Неподвижный  эфир заполняет все пространство и с ним можно связать систему  отсчета, которая является инерциальной и, более того, выделенной из всех инерциальных систем отсчета. Движение относительно эфира можно рассматривать как абсолютное. Таким образом, на смену абсолютному пространству Ньютона пришел неподвижный эфир, который можно рассматривать как своего рода абсолютную и к тому же инерциальную систему отсчета.

     Однако  такая точка зрения уже с самого начала испытывала принципиальные затруднения. Об абсолютном движении тела, т. е. движении относительно эфира, можно говорить и представить, но определить это  движение невозможно. Целый ряд опытов (Майкельсона и другие), поставленные с целью обнаружения такого движения, дали отрицательные результаты. Таким  образом, хотя абсолютная система отсчета  и была, как казалось, найдена, тем  не менее, она, как и абсолютное пространство Ньютона, оказалась ненаблюдаемой. Лоренц для объяснения результатов, полученных в этих опытах, вынужден был ввести специальные гипотезы, из которых следовало, что, несмотря на существование эфира, движение относительно него определить невозможно.

     В 1886 г. Л. Ланге, проводя исторический анализ развития механики, и утверждая  бессодержательность понятия абсолютного  пространства, предложил определение  инерциальной системе координат: инерциальные системы - это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу. Переход от одной инерциальной системы к  другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея.

     Преобразования  Галилея в течение столетий считались  само собой разумеющимися и не нуждающимися ни в каком обосновании. Но время показало, что это далеко не так.

     В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновского  представления об абсолютном пространстве выступил немецкий физик, позитивист Э. Мах. В основе представлений Маха как физика лежало убеждение в  том, что “движение может быть равномерным относительно другого  движения. Вопрос, равномерно ли движение само по себе, не имеет никакого смысла”.  В связи с этим Мах рассматривал системы Птолемея и Коперника  как равноправные, считая последнюю более предпочтительной из-за простоты.) Это представление он переносит не только на скорость, но и на ускорение. В ньютоновской механике ускорение (в отличие от скорости) рассматривалось как абсолютная величина. Согласно классической механике, для того чтобы судить об ускорении, достаточно самого тела, испытывающего ускорения. Иначе говоря, ускорение – величина абсолютная и может рассматриваться относительно абсолютного пространства, а не относительно других тел. (Ньютон аргументировал это положение примером с вращающимся ведром, в котором налита вода. Этот опыт показывал, что относительное движение воды по отношению к ведру не вызывает центробежных сил и можно говорить о его вращении самом по себе, безотносительно к другим телам, т.е. остается лишь отношение к абсолютному пространству.) Этот вывод и оспаривал Мах.

     С точки зрения Маха всякое движение относительно пространства не имеет  никакого смысла. О движении, по Маху, можно говорить только по отношению  к телам. Поэтому все величины, определяющие состояние движения, являются относительными. Значит, и ускорение  – также чисто относительная  величина. К тому же опыт никогда  не может дать сведений об абсолютном пространстве. Он обвинил Ньютона  в отступлении от принципа, согласно которому в теорию должны вводиться  только те величины, которые непосредственно  выводятся из опыта.

     Конец XIX в. в истории физики отмечен  рядом принципиальных открытий, которые  непосредственно привели к научной  революции на рубеже ХIХ-ХХ веков. Важнейшие  из них: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности, фотоэффекта  и его законов и др.

     В 1895 г. Вильгельм Рентген (1845 – 1923) открыл необычные лучи, которые впоследствии получили название рентгеновских. Открытие этих лучей заинтересовало физиков  и буквально сразу вызвало  чрезвычайно широкую дискуссию  о природе этих лучей. В течение  короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей: способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и др. Но природа самих лучей оставалась неясной. Рентген высказал гипотезу о том, что лучи представляют собой продольные электромагнитные волны. Существовала гипотеза о корпускулярной природе этих лучей. Однако все попытки обнаружить волновые свойства лучей Рентгена, например, наблюдать их дифракцию, долгое время были безуспешными. (Только в 1925 г. немецкому физику Лауэ удалось обнаружить дифракцию рентгеновских лучей от кристаллической решетки).

     Открытие  рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей.

     Важнейшим открытием в физике конца XIX в. было открытие радиоактивности, которое  помимо своего общего принципиального  значения сыграло важную роль в развитии представлений об электроне. Все  началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической  пластинки, оставшейся в ящике письменного  стола рядом с кристаллами  сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные  атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались  летящими с большой скоростью  электронами.