струирования такой модели — построение фундаментальной
гипотезы, из которой дедуктивным путем выводятся
следствия и предсказания, которые на втором
этапе могут быть проверены опытным путем. Если опыт
подтверждает предсказания, то гипотеза получает признание
в качестве теоретической модели, удовлетворительно
описывающей реальность. Основания для конструирования:
обобщение эмпирической информации и
неалгоритмическое постижение реальности, получаемое
путем интуитивного спонтанного озарения.
Рассмотрим основные методологические принципы,
используемые при построении современных научных
моделей реальности. Во-первых, это натурализм,
т. е. отрицание существования каких-либо сверхъестественных
или духовных феноменов, познание которых
невозможно посредством научных методов. Во-вторых,
это принцип, согласно которому не может существовать
картин мира, которые не опирались бы на теоретический
аппарат точных наук и в первую очередь
физики. В-третьих, это фаллибилизм — убеждение в
том, что мы не можем рассчитывать на получение абсолютно
достоверной и полностью завершенной картины
мира. Каждая конкретная теория имеет свои
границы применимости и может быть подвергнута
изменениям и усовершенствованиям. В-четвертых, это
принцип фальсификации — возможность опытного
опровержения утверждений теории. В соответствии с
этим принципом любое принципиально не фальсифицируемое
знание, например религиозные догматы,
нельзя считать научным. Пятый методологический
принцип — историзм — является, быть может, менее
строгим. Его смысл в том, что не могут существовать
модели картин мира, свободные от идеологических,
познавательных и телеологических влияний своей исторической
эпохи. Механическая картина мира Ньютона
не могла появиться в Античную эпоху, а современники
Ньютона были бы не в состоянии принять
идеи Эйнштейна. С историзмом тесно связан и следующий,
шестой методологический принцип, который мы
назовем модернизмом: построение научной картины
мира никогда не имело характера абстрактно-позна- 251
Тема S
вательного процесса, напротив, каждый раз речь шла
о процессе наиболее адекватного научного отклика на
очередной вызов истории — такого теоретического
отклика, который послужил бы базой для создания
суммы технологий, обеспечивающих модернизационное
преодоление очередной исторической бифуркации.
Из пятого и шестого эпистемологических принципов
следует, что картина мира обладает важным
фундаментальным свойством: она динамична, постоянно
находится в движении и способна к развитию.
Теория такой протоструктуры, ее основные законы
и принципы и составляют, на наш взгляд, главное
содержание любой научной картины мира. Термин «общая
научная картина мира» часто употребляется для
обозначения множества (суммы) «картин мира», даваемых
отдельными науками (физикой, химией, биологией,
географией, геологией, астрономией, социологией,
историей и др.). Однако такому суммативно-энциклопедическому
пониманию научной картины мира мы
предпочитаем ее толкование как обозначение множества
универсальных (всеобщих) законов и принципов,
действие которых распространяется на любой объект
Вселенной, независимо от специфики субстрата этого
объекта или других его особенностей. Ясно, что множество
таких фундаментальных, и, вместе с тем, всеобщих
законов и принципов дает прежде всего физика,
описывающая законы движения и взаимодействия
любых материальных объектов и систем. Констатация
того, что физическая картина мира образует по самому
своему существу фундамент любой общей научной
картины мира, отнюдь не является свидетельством
редукционизма, стремления к сведению законов поведения
более сложных по сравнению с физическими
объектов и систем (химических, биологических, социальных,
психологических, логических и др.) к законам
физики, и, в частности, механики.
Такая констатация обозначает только всеобщность
законов физики (в отличие от законов других наук,
описывающих поведение более сложных объектов) и
ничего более.
Современная научная картина мира
щ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРИ В ЕЕ РАЗВИТИИ
Модели развития научного знания
Существуют три основные концепции развития
фундаментальной науки и миропредставления. Первая
из них, радикальная, принадлежит Ф. Бэкону и
Г.Галилею.
Согласно их точке зрения, научный взгляд на мир
возник как результат революционной победы над суеверием
и предрассудками. Декарт дополнил этот подход тезисами
о существовании абсолютных истин и абсолютно достоверного
знания, которое будучи однажды научным путем
получено, ничем уже не может быть поколеблено.
П. Дюгем предположил альтернативную континуалистскую
концепцию, смысл которой состоит в том, что
каждое достижение науки может быть модифицировано.
Нельзя, например, опровергнуть теорию электромагаитизма
Максвелла, но можно видоизменить ее математический
аппарат, расширив границы применимости теории.
Если концепцию Бэкона можно назвать концепци
ей одной единственной научной революции, а концеп
цию Дюгема концепцией реформ, то третья точка зре
ния, высказанная К. Поппером, — это концепция пер
манентной революции. В другом варианте эту
концепцию предложил Т. Кун, которому принадлежат
идея развития науки на основе смены общенаучных па
радигм. Согласно его идеям, существуют периоды нор
мальной науки, когда новые исследования опираются
на прочный фундамент ранее полученных основных
достижений. Комплекс этих фундаментальных научных
достижений Кун предложил назвать парадигмой. По
мере накопления принципиально новых открытий воз
никает необходимость в пересмотре и видоизменении
парадигмы, и тогда происходит научная революция.
Парадигма в течение определенного времени служит
теоретической основой научного миропредставления.
Сопоставляя все три концепции, Дж. Агасси приходит
к выводу, что для построения наиболее адекватной
картины мира и для научного творчества наиболее
предпочтителен третий подход, соответствующий
идеологии фаллибилизма. Известный специалист по
Тема 5
космологии Дж. Уилер выразил эту идеологию в парадоксальной
форме: «Мы знаем, что все наши теории
ошибочны. Задача, следовательно, состоит в том,
чтобы делать ошибки раньше». Согласно этой точке
зрения, хорошая картина мира обязательно является
рискованной и может быть подвергнута опровержению,
уточнению и исправлению. Вместе с тем крайности
фаллибиллизма уравновешиваются реализмом,
смысл которого состоит в допущении, что теория защищена
покровом эмпирических данных.
Воспользуемся концепцией научных революций и
сменой космологических парадигм для анализа эволюции
научной картины мира.
Натурфилософская парадигма
Картина мира, соответствующая этой парадигме, возникла
в античной Греции. Первая концепция Вселенной,
доступная интеллектуалу, принадлежит Пифагору. Оценивая
его роль в формировании миропредставления, которое
можно назвать научным, Б. Рассел писал: «Пифагор
по своему влиянию как на древнюю, так и на современную
эпоху... является одним из наиболее значительных
людей, когда-либо живших на земле, — ив том случае,
когда он был мудр, и в том, когда он ошибался». Пифагору
принадлежат идеи всеобщей Гармонии Вселенной, которую
он назвал космосом (cosmos по-гречески означает
Мир, Вселенная, Гармония) и предположил, что его структура
определяется соотношениями чисел. Математический
характер имела и космогония Пифагора.
В античной философии сформировались две школы,
по-разному описывавшие структуру мироздания. Сторонники
Ионийской школы (Фалес, Анаксимандр, Гераклит)
утверждали, что существует два слоя реальности — физический,
который воспринимается нашими чувствами,
и метафизический, который лежит за пределами наших
восприятий и составляет «архэ» — скрытую сущность
вещей. По мнению представителей другой школы —
эпеатов (Парменид) абсолютно лишь вечное и неизменное,
единое. Что же касается видимых явлений, то это
химера, порожденная обманом наших чувств.
На следующем этапе развития античного миро
254 представления были оформлены две альтернативные
Современная научная картина мира
картины мира. Первая из них принадлежит Левкиппу
и Демокриту, которые считали, что в мире нет ничего,
кроме разнообразных атомов и пустоты. Отсутствует и
какая-либо свобода воли или выбор, т. к. все происходящее
однозначно предопределено движениями атомов,
в мире нет ничего случайного. Другая космологическая
модель разработана Платоном, утверждавшим,
что действительный мир —это идеи, а все видимое и
воспринимаемое чувствами лишь их отражение, однако
же — вполне реальное. Таким образом, концепция
мироздания Платона дуалистична: истинный мир совершенен,
вечен и неизменен и может быть постигнут
лишь работой ума, а материальный подлунный мир в
отличие от него подвержен изменениям и распаду.
Единственной причиной космоса является Демиург,
творец. Основной принцип космологии Платона —
математическая Гармония, порядок, красота.
Вершиной античной натурфилософии явилась космология
Аристотеля. Если у Платона субстанцией, т. е.
истинной реальностью, считались эйдосы, идеи, то в
учении Аристотеля роль субстанции отводилась видимому
миру. Учение Аристотеля о мироздании изложено
в двух книгах — «Метафизике» и «Физике». Первая
посвящена исследованию высших причин космоса, т. е.
всего вечного, бестелесного, неподвижного. Предметом
второй является природа, материальный мир — видимый,
текучий, подверженный законам случая.
Как снять фундаментальное противоречие между
обоими пластами реальности? Чтобы решить эту проблему,
Аристотель вводит два рода бытия — возможное и
действительное. Первое — это материя, которая в первозданном
состоянии напоминает хаос, второе — форма, ее
воздействие на материю сообщает ей предметное бытие,
движение, доступное опыту. Таким образом, потенциально
возможное превращается в актуальную реальность
под причинным воздействием формы. Механизм этого
воздействия Аристотель называл энтелехией. Придуманную
им концепцию мироздания называют гилеоморфизмом
(от греческих слов hyle — материя, morphe — форма).
Природа, понимаемая как совокупность вещей и
энтелехии, — это уже не хаос, а гармоничный космос.
Космография Античности практически полностью
гелиоцентрична, единственным исключением явилось 255
Тема 5
учение Аристарха Самосского, который поместил в
центр мира не Землю, а Солнце. Однако греческая
натурфилософия не восприняла его идей, в частности
потому, что в его гелиоцентрической системе оказалось
затруднительным объяснить обратное движение планет.
Кроме того, гелиоцентрическая система противоречила
физике Аристотеля. С этой задачей, с помощью введения
эпициклов, легко справился Клавдий Птолемей в
своей геоцентрической системе мироздания.
Механическая картина мира
Натурфилософская система Аристотеля оставалась
основой общепризнанной картины мира на протяжении
почти двух тысяч лет, до XVI в. Фома Аквинский объединил
систему Аристотеля с христианской философией.
И лишь в эпоху Возрождения большинство философов
стало отдавать пальму первенства Платону.
Наступившая в XVI — XVII вв. новая историческая
эпоха поставила в центр научных интересов астрономию
и астрологию. В развитии первой нуждались мореплаватели,
требовалось также уточнить календарь —
расчет дней равноденствия, пасхалий, разобраться с
вопросом об угловых размерах Луны и т. п. Что касается
астрологии, то в этот век, когда все были суеверны,
ее услуги пользовались большим спросом.
За решение первой задачи взялся Н. Коперник,
который в своей книге «De Revolutionibus orbium
coelestium» («Об обращении небесных сфер») обосновал
гелиоцентрическую систему мира. «В таком великолепнейшем
храме, — писал он, — кто мог бы поместить
этот светильник в другом лучшем месте, как не
в том, откуда он может одновременно все освещать.
Конечно, именно так Солнце, как бы восседая на царском
троне, правит обходящей вокруг него семьей
светил». Сформулированные Коперником постулаты о
движении небесных светил вокруг Солнца потребовали
внести серьезные изменения в физику Аристотеля,
где признавалась потенциальная бесконечность (бесконечная
делимость), но была неприемлема бесконечность
актуальная («бесконечность большого тела»).
Современная научная картина мира
«"Великий круг", орбита Земли,— писал Коперник,—
по отношению к звездной сфере подобен точке.
До каких пор распространяется эта необъяснимость,
неизвестно»,—уточнял свой вывод Коперник.
В расхождении с физикой Аристотеля современники
увидели слабость системы мира Коперника. Позже
эта слабость обернулась силой, т. к. послужила одной из
предпосылок смены физической парадигмы. В мировоззренческом
смысле система Коперника знаменовала
освобождение науки от теологии, а также означала возврат
от Аристотеля к Пифагору и Платону.
Над развитием идей Коперника о бесконечности
Вселенной думали Николай Кузанский и Джордано
Бруно. «У Вселенной нет центра, — писал Кузанский,
— она потенциально бесконечна». Дж. Бруно сделал
следующий шаг и заявил, что Вселенная бесконечна
актуально, а мир и Бог — это одно и тоже. Не нужна,
согласно Бруно, и гипотеза Аристотеля о различии
материи и формы — это также одно и то же. Но прославила
Бруно на века другая идея — концепция множественности
обитаемых миров.
Ученый мир долго не мог принять систему Коперника.
Тихо де Браге придумал собственную систему мира,
поместив в центр Вселенной Землю и заставив крутиться
вокруг нее Луну и Солнце, вокруг которого вращались
все остальные планеты. Стремясь опровергнуть
Коперника, Браге полжизни потратил на то, чтобы составить
новые звездные таблицы, более точные, чем у Птолемея.
Уже после его смерти И. Кеплер, используя эти
таблицы, открыл свои законы движения планет вокруг
Солнца. Это было очередное торжество идей Коперника.
Галилео Галилей был первым ученым, который
посмотрел на небо через телескоп, или perspicilium,
подзорную трубу, как он его называл. Это позволило
ему сделать много открытий, обогативших астрономию:
спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце,
кольца Сатурна. Млечный путь оказался множеством
звезд. В 1572 г. Галилей наблюдал вспышку сверхновой
звезды и тем самым доказал, что звезды не вечны.
Рождение философии Нового времени связывают
с именем Рене Декарта. 25/
9 Лебедев С. А.
Тема 5
Фундаментальный принцип научного познания
мира, согласно Декарту, состоит в том, что наука должна
не просто устанавливать законы реального мира, но
и находить причины всех явлений природы. Весь мир,
по Декарту, — machina mundi, это сложнейший механизм,
созданный величайшим мастером — Богом. Познание
мира сводится поэтому к конструированию его
подобия на основе умозрительных гипотез и с помощью
математической теории. Если Платон утверждал, что
точную науку о природе создать невозможно, то Декарт
провозгласил прямо противоположное: математика —
самая достоверная из наук, она — основа физики.
Образ мира у Декарта дуалистичен: существует
протяженный мир вещей и предметов, res extensa и res
cogitans — непротяженный и неделимый мир духа,
сознания. Источником движения в мире является Бог.
Вершина механистического мировоззрения — система
мира, построенная Исааком Ньютоном и описанная
в его главной книге «Philosophia Naturalis
Principia Mathematica» («Математические начала натуральной
философии»), опубликованной в 1686 г.
В основе концепции мироздания Декарта лежала гипотетическая
физика, иными словами, предположения,
которые не следовали непосредственно из опыта.
Отказавшись от такого подхода, Ньютон провозгласил:
«Hypotheses non fingo» («гипотез не измышляю»). Его
научный метод — это физика принципов, или аксиом,
которые хотя и не могут быть получены логическим
путем из опыта, но обосновываются непосредственным
опытом. Космология Ньютона основана на законе всемирного
тяготения.
R2 (1)
где F— сила тяготения, G— гравитационная константа,
т\,т2— массы взаимодействующих тел, R — расстояние
между ними,
а также на трех механических законах движения.
Используя математический аппарат своей теории,
Ньютон теоретически объяснил законы Кеплера, разработал
теорию движения Луны и комет, объяснил
258 механику возникновения приливов, предложил тео
щременная научная картина мира
рию искусственного спутника Земли, предсказал приплюснутую
форму Земли. Космология Ньютона стала
первой в истории науки подлинно всеобъемлющей гипотетико-
дедуктивной системой мироздания.
Окончательное оформление эта система мира получила
к концу XVIII в. в результате трудов блестящей
плеяды французских и немецких ученых А. Клеро,
М. Эйлера, Ж. Лагранжа, П. Лапласа. И. Канту и Лапласу
принадлежит заслуга создания динамической
модели мироздания.
Термодинамика и электромагнетизм
К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество пришло
к мысли, что механистическая теория практически
полностью сняла все проблемы научной картины
мира. Казалось, оправдываются слова, сказанные об
авторе «Начал»: «Ньютон был не только величайшим,
но и счастливейшим из смертных, ибо систему мира
можно создать только один раз».
Явления переноса теплоты объясняли с помощью
механической субстанции — теплорода, были придуманы
и другие такие жидкости — электрические и
магнитные субстанции.
Положение начало меняться в связи с успехами
термодинамики. В середине XIX в. Р. Майер, Дж. Джоуль
и Г. Гельмгольц открыли закон сохранения энергии.
Используя этот закон, А. Эддингтон предложил
первую научную теорию, объясняющую, почему горят
звезды. Согласно его теории, источник энергии звезд —
превращение в тепло энергии гравитационного сжатия.
В XX в. стало ясно, что этот механизм недостаточен,
необходимо учитывать поступление в недрах звезд
энергии, выделяющейся при термоядерной реакции
превращения протонов в ядра гелия.
В 1824 г. Сади Карно открыл второе начало термодинамики,
т. е. закон возрастания энтропии — меры неупорядоченности
систем — во всех необратимых процессах.
Используя этот закон, А. Эддингтон сформулировал
критерий, определяющий направление времени во
Вселенной: стрела времени есть свойство энтропии и
только ее одной.
Q*
Тема 5
Другое следствие из второго начала термодинамики
сформулировал Р. Клаузиус, выдвинув гипотезу «тепловой
смерти» Вселенной: история мира завершится,
когда вследствие непрерывно продолжающегося роста
энтропии он достигнет состояния термодинамического
равновесия, т. е. абсолютного покоя. И тогда стрелка на
часах времени упадет — добавил к этому Эддингтон.
Поскольку после работ Канта и Лапласа стало
ясно, что мир никогда не был сотворен, то возникал
естественный вопрос, почему этого уже не случилось.
Л. Больцман — один из основоположников статистической
физики — попытался снять этот парадокс, предположив,
что наш мир — это не более чем гигантская
флуктуация в необъятной Вселенной, которая в целом
давно уже мертва. Действительное решение проблемы
удалось получить много позже, используя идеи теорий
самоорганизующихся систем.
Все эти открытия существенно обогатили картину
мира, но не привели к смене механистической парадигмы.
По словам Гельмгольца, научное познание мира
будет завершено «по мере того, как будет выполнено
сведение явлений природы к простым силам и будет
доказано, что это единственно возможное сведение,
которое допускают явления». i
Не изменилась эта точка зрения и после того, как
Джеймс Кларк Максвелл, обобщая открытия А. Ампера,
К. Эрстеда и М. Фарадея, сформулировал законы
электромагнетизма. Из уравнений Максвелла следовало
важное предсказание: в пустоте должны распространяться
электромагнитные волны. В 1888 г., спустя 20
лет после опубликования теории Максвелла, Г. Герц
экспериментально доказал существование этого фундаментального
физического явления.
Возникал вопрос, что является носителем электромагнитного
поля. Сам Максвелл считал, что эту функцию
выполняет эфир. «Не может быть сомнений, —
писал он, — что межпланетное и межзвездное пространство
не является пустым, а заполнено некоторой
материальной субстанцией или телом, несомненно
наиболее крупным и, возможно, самым однородным из
260 всех других тел».
Современная научная картина мира
Эта загадочная субстанция — эфирное море — должна
была обладать парадоксальными свойствами: она
должна быть почти абсолютно твердой, т. к. скорость
света очень велика, но одновременно не должна оказывать
никакого сопротивления движению небесных тел.
Передавая свет и другие электромагнитные волны, она
в то же время должна быть абсолютно прозрачной. Все
это изрядно запутывало физическую картину мира. «Мы
не знаем источник механических процессов,— писал
Гельмгольц,— в нашем распоряжении лишь символы,
лишь названия переменных, входящих в уравнения».
Чтобы внести ясность в эти вопросы, надо было
опытным путем обнаружить существование эфира.
Решить эту задачу можно было воспользовавшись тем
обстоятельством, что уравнения Максвелла в отличие
от законов механики Ньютона неинвариантны относительно
системы отсчета. Эту идею использовали А. Майкельсон
и Э. Морли, осуществившие в 1887 г. интерферометрическое
сравнение пучков света, распространявшихся
поперек движения Земли и вдоль него.
Итог опытов сформулирован Майкельсоном в следующих
словах: «Было продемонстрировано, что результат,
предсказываемый теорией неподвижного эфира, не
наблюдается, откуда с необходимостью следует вывод
об ошибочности данной гипотезы».
X. Лоренц и Дж. Фицджеральд предположили гипотезу
сокращения длины тел, в том числе и интерферометра
вдоль направления:
lo to
j, —
г
f i (2), (3)
где с — скорость света, a v — скорость движения.
Как видно из этих преобразований, должен меняться
и темп хода времени. Эта гипотеза снимала проблему,
но ценой ее замены другой, не менее трудной.
На этом проблемы механистической картины мира
не закончились. Из термодинамики и законов электромагнетизма
следовало, что максимальная интенсивность
излучения черного тела должна приходиться на
Тема 5
коротковолновую область спектра. Эксперимент дал
прямо противоположный результат: в этой области
наблюдался минимум излучения. Столь резкое расхождение
теории с экспериментом получило название
«ультрафиолетовой катастрофы».
Однако все эти неудачи теории мало повлияли на
веру большинства ученых во всесилие механической
картины мира.
Лорд Кельвин (У. Томсон), встречая новый XX в.,
произнес тост за успехи теоретической физики, на
ясном небосводе которой осталось лишь два облачка —
неудача опыта Майкельсона —Морли и «ультрафиолетовая
катастрофа».
Произнося эти слова, сэр Уильям показал себя не
только неисправимым оптимистом, но и провидцем: из
первого упомянутого им «облачка» очень скоро родилась
теория относительности, а из второго — квантовая
механика.
Кванты и относительность
Сначала была решена проблема «ультрафиолетовой
катастрофы». И привело это к радикальному пересмотру
фундаментальных понятий материи и поля.
Первый шаг в этом направлении в 1900 г. сделал Макс
Планк, выдвинувший гипотезу о квантах электромагнитного
излучения. Согласно этой гипотезе, излучение
испускается в виде отдельных порций энергии (квантов),
величина которых пропорциональна частоте излучения:
Е= hv,
где h — фундаментальная постоянная, имеющая размерность
действия (эрг • с) и впоследствии названная планковской.
Используя эту гипотезу, Планк получил выражение
для распределения энергии в спектре излучения
черного тела, совпадающее с экспериментом.
Следующий шаг в 1905 г. сделал Альберт Эйнштейн,
который показал, что свет не только испускается, но и
поглощается в форме квантов энергии. После этого такие
262 квантованные порции электромагнитного излучения ста
Современная научная картина мира
ли называть фотонами. Стало ясно, что электромагнитное
излучение обладает парадоксальными свойствами: в некоторых
опытах оно проявляет свои волновые свойства, в
других оно напоминает поток корпускул, фотонов.
А вскоре де Бройль выдвинул гипотезу, что этот
дуализм корпускулярных и волновых свойств присущ
не только свету, но и веществу, элементарным частицам.
Через несколько лет К. Дэвидсон исследовал рассеяние
пучка электронов на монокристаллической мишени
и показал, что этот процесс идет в точном соответствии
с формулой де Бройля, определяющей
волновые свойства электронов.
Становилось все более ясно, что физические свой
Дата добавления: 2015-10-21; просмотров: 36 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |