В конце прошлого и начале нынешнего веков в естествознании были сделаны крупнейшие открытия, которые коренным образом изменили наши представления о картине мира. Прежде всего это открытия, связанные со строением вещества, и открытия взаимосвязи вещества и энергии. Если раньше последними неделимыми частицами материи, своеобразными кирпичиками, из которых состоит природа, считались атомы, то в конце прошлого века были открыты электроны, входящие в состав атомов. Позднее было установлено строение ядер атомов, состоящих из протонов (положительно заряженных частиц) и нейтронов (лишенных заряда частиц).
Согласно первой модели атома, построенной английским ученым Эрнестом Резерфордом (1871-1937), атом уподоблялся миниатюрной Солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система была, однако, неустойчивой:
вращающиеся электроны, теряя свою энергию, в конце концов должны были упасть на ядро. Но опыт показывает, что атомы являются весьма устойчивыми образованиями и для их разрушения требуются огромные силы. В связи с этим прежняя модель строения атома была значительно усовершенствована выдающимся датским физиком Нильсом Бором (1885-1962), который предположил, что при вращении по так называемым стационарным орбитам электроны не излучают энергии. Такая энергия излучается или поглощается в виде кванта, или порции энергии, только при переходе электрона с одной орбиты на другую.
Значительно изменились также взгляды на энергию. Если раньше предполагалось, что энергия излучается непрерывно, то тщательно поставленные эксперименты убедили физиков, что она может испускаться отдельными квантами. Об этом свидетельствует, например, явление фотоэффекта, когда кванты видимого света вызывают электрический ток. Это явление, как известно, используется в фотоэкспонометрах, которыми пользуются в фотографии для определения выдержки при экспозиции.
В 30-е годы XX в. было сделано другое важнейшее открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Таким путем было доказано экспериментально, что между веществом и полем не существует непроходимой границы: в определенных условиях элементарные частицы вещества обнаруживают волновые свойства, а частицы поля - свойства корпускул. Это получило название дуализма волны и частицы и было представлением, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а физические поля - волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. Но под давлением неопровержимых экспериментальных результатов ученые вынуждены были признать, что микрочастицы одновременно обладают как свойствами корпускул, так и волн.
В 1925-1927 гг. для объяснения процессов, происходящих в мире мельчайших частиц материи - микромире, была создана новая волновая, или квантовая, механика. Последнее название и утвердилось за новой наукой. Впоследствии возникли и разнообразные другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения в микромире.
Другая фундаментальная теория современной физики - теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Галилеем принцип относительности в механическом движении. Согласно этому принципу во всех инерциальных системах, т.е. системах отсчета, движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно, все механические процессы происходят одинаковым образом, и поэтому их законы имеют ковариантную, или ту же самую математическую, форму. Наблюдатели в таких системах не заметят никакой разницы в протекании механических явлений. В дальнейшем принцип относительности был использован и для описания электромагнитных процессов. Точнее говоря, сама специальная теория относительности появилась в связи с преодолением трудностей, возникших при описании физических явлений.
Важный методологический урок, который был получен из специальной теории относительности, состоит в том, что она впервые ясно показала, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика.
Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся материальных тел и их пространственно-временной метрикой. Теоретические выводы из нее были экспериментально подтверждены во время наблюдения солнечного затмения. Согласно предсказаниям теории луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Более подробно эти вопросы мы рассмотрим в следующей главе. Здесь же достаточно отметить, что общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс, и структурой физического пространства - времени.
Научно-техническая революция, развернувшаяся в последние десятилетия, внесла много нового в наши представления о естественно-научной картине мира. Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий нас мир как на единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем.
С другой стороны, появление такого междисциплинарного направления исследований, как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность не только раскрыть внутренние механизмы всех эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как мир самоорганизующихся процессов. Заслуга синергетики состоит прежде всего в том, что она впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и некоторые другие). Чем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в ней процессы самоорганизации. Так, уже на предбиологическом уровне возникают автопоэтические процессы, т.е. процессы самообновления, которые в живых системах выступают в виде взаимосвязанных процессов ассимиляции и диссимиляции. Главное достижение синергетики и возникшей на ее основе новой концепции самоорганизации состоит в том, что они помогают взглянуть на природу как на мир, находящийся в процессе непрестанной эволюции и развития.
В каком отношении синергетический подход находится к общесистемному?
Прежде всего подчеркнем, что два этих подхода не исключают, а, наоборот, предполагают и дополняют друг друга. Действительно, когда рассматривают множество каких-либо объектов как систему, то обращают внимание на их взаимосвязь, взаимодействие и целостность.
Синергетический подход ориентируется на исследование процессов изменения и развития систем. Он изучает процессы возникновения и формирования новых систем в процессе самоорганизации. Чем сложнее протекают эти процессы в различных системах, тем выше находятся такие системы на эволюционной лестнице. Таким образом, эволюция систем напрямую связана с механизмами самоорганизации. Исследование конкретных механизмов самоорганизации и основанной на ней эволюции составляет задачу конкретных наук. Синергетика же выявляет и формулирует общие принципы самоорганизации любых систем, и в этом отношении она аналогична системному методу, который рассматривает общие принципы функционирования, развития и строения любых систем. В целом же системный подход имеет более общий и широкий характер, поскольку наряду с динамическими, развивающимися системами рассматривает также системы статические.
Эти новые мировоззренческие подходы к исследованию естественно-научной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы научных революций в естествознании. А ведь именно с революционными преобразованиями в естествознании связано изменение представлений о картине мира.
В наибольшей мере изменения в характере конкретного познания коснулись наук, изучающих живую природу. Переход от исследований на клеточном уровне к молекулярному ознаменовался крупнейшими открытиями в биологии, связанными с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез происхождения жизни и многого другого. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия различных естественных наук, широкого использования в биологии точных методов физики, химии, информатики и вычислительной техники.
В свою очередь, живые системы послужили для химии той природной лабораторией, опыт которой ученые стремились воплотить в своих исследованиях по синтезу сложных соединений. По-видимому, в неменьшей степени учения и принципы биологии оказали свое воздействие на физику. Действительно, как мы покажем в последующих главах, представление о закрытых системах и их эволюции в сторону беспорядка и разрушения находилось в явном противоречии с эволюционной теорией Дарвина, которая доказывала, что в живой природе происходят возникновение новых видов растений и животных, их совершенствование и адаптация к окружающей среде. Это противоречие было разрешено благодаря возникновению неравновесной термодинамики, опирающейся на новые фундаментальные понятия открытых систем и принцип необратимости.
Выдвижение на передний край естествознания биологических проблем, а также особая специфика живых систем дали повод целому ряду ученых заявить о смене лидера современного естествознания. Если раньше таким бесспорным лидером считалась физика, то теперь в таком качестве все больше выступает биология. Основой устройства окружающего мира теперь признаются не механизм и машина, а живой организм. Однако многочисленные противники такого взгляда не без основания заявляют, что поскольку живой организм состоит из тех же молекул, атомов, элементарных частиц и кварков, то по-прежнему лидером естествознания должна оставаться физика.
По-видимому, вопрос о лидерстве в естествознании зависит от множества разнообразных факторов, среди которых решающую роль играют: значение лидирующей науки для общества, точность, разработанность и общность методов ее исследования, возможность их применения в других науках. Несомненно, однако, что самыми впечатляющими для современников являются наиболее крупные открытия, сделанные в лидирующей науке, и перспективы ее дальнейшего развития. С этой точки зрения биология второй половины XX столетия может рассматриваться как лидер современного естествознания, ибо именно в ее рамках были сделаны наиболее революционные открытия.
Различение способов рассмотрения организации сферы природы приводит к формированию различных концепций описания природы, что соответствует также существованию аналогичных способов рассмотрения экономики. Так, корпускулярная и концептуальная концепции описания природы отображаются соответственно в микро- и макроэкономике посредством наличия общих алгоритмов исследования природы и экономики, либо как состоящих из отдельных элементов, либо как представляющих собой единое целое. В то же время концепции существования порядка или беспорядка в природе находят свое отражение и в сфере экономики, где различают концепцию самодостаточности экономической системы, не нуждающейся в ее упорядочении со стороны государства, и концепцию необходимости государственного регулирования экономической системы, неспособной к автоматическому установлению равновесия (порядка).
Научный метод представляет собой яркое воплощение единства всех форм знаний о мире. Тот факт, что познание в естественных, технических, социальных и гуманитарных науках в целом совершается по некоторым общим принципам, правилам и способам деятельности, свидетельствует, с одной стороны, о взаимосвязи и единстве этих наук, а с другой - об общем, едином источнике их познания, которым служит окружающий нас объективный реальный мир: природа и общество.
Широкое распространение идей и принципов системного метода способствовало выдвижению ряда новых проблем мировоззренческого характера. Более того, некоторые западные лидеры системного подхода стали рассматривать его в качестве новой научной философии, которая в отличие от господствовавшей раньше философии позитивизма, подчеркивавшей приоритет анализа и редукции, главный упор делает на синтез и антиредукционизм. В связи с этим особую актуальность приобретает старая философская проблема о соотношении части и целого.
Многие сторонники механицизма и физикализма утверждают, что определяющую роль в этом соотношении играют части, поскольку именно из них возникает целое. Но при этом они игнорируют тот непреложный факт, что в рамках целого части не только взаимодействуют друг с другом, но и испытывают действие со стороны целого. Попытка понятъ целое путем сведения его к анализу частей оказывается несостоятельной именно потому, что она игнорирует синтез, который играет решающую роль в возникновении любой системы. Любое сложное вещество или химическое соединение по своим свойствам отличается от свойств составляющих его простых веществ или элементов. Каждый атом обладает свойствами, отличными от свойств образующих его элементарных частиц. Короче, всякая система характеризуется особыми целостными, интегральными свойствами, отсутствующими у ее компонентов.
Противоположный подход, опирающийся на приоритет целого над частью, не получил в науке широкого распространения потому, что он не может рационально объяснить процесс возникновения целого. Нередко поэтому его сторонники прибегали к допущению иррациональных сил, вроде энтелехии, жизненной силы, и других подобных факторов. В философии подобные взгляды защищают сторонники холизма (от греч. holos - целый), которые считают, что целое всегда предшествует частям и всегда важнее частей. В применении к социальным системам такие принципы обосновывают подавление личности обществом, игнорирование его стремления к свободе и самостоятельности.
На первый взгляд может показаться, что концепция холизма о приоритете целого над частью согласуется с принципами системного метода, который также подчеркивает большое значение идей целостности, интеграции и единства в познании явлений и процессов природы и общества. Но при более внимательном знакомстве оказывается, что холизм чрезмерно преувеличивает роль целого в сравнении с частью, значение синтеза по отношению к анализу. Поэтому он является такой же односторонней концепцией, как атомизм и редукционизм.
Системный подход избегает этих крайностей в познании мира. Он исходит из того, что система как целое возникает не каким-то мистическим и иррациональным путем, а в результате конкретного, специфического взаимодействия вполне определенных реальных частей. Именно вследствие такого взаимодействия частей и образуются новые интегральные свойства системы. Но вновь возникшая целостность, в свою очередь, начинает оказывать воздействие на части, подчиняя их функционирование задачам и целям единой целостной системы.
Мы видели, что не всякая совокупность или целое образуют систему, и в связи с этим ввели понятие агрегата. Но всякая система есть целое, образованное взаимосвязанными и взаимодействующими его частями. Таким образом, процесс познания природных и социальных систем может быть успешным только тогда, когда в них части и целое будут изучаться не в противопоставлении, а во взаимодействии друг с другом, а анализ сопровождаться синтезом. 1
В XIX веке естественные науки накопили огромный эмпирический материал, нуждающийся в переосмыслении и обобщении. Многие полученные в результате исследований научные факты не вписывались в устоявшиеся механические представления об окружающем мире. Во второй половине XIX века на основе исследований в области электромагнетизма сформировалась новая физическая картина мира - электромагнитная картина мира (ЭМКМ). В её формировании сыграли решающую роль исследования, проведённые выдающимися учёными М. Фарадеем, Дж. Максвеллом, Г.Герцем.
М.Фарадей , отказываясь от концепции дальнодействия (как переносчика взаимодействия), вводит понятие физического поля, которое играет значительную роль в дальнейшем развитии науки и техники (радиосвязи, телевидениие и т.д.).
Дж.Максвелл развивает теорию электромагнитного поля.
Г.Герц экспериментально открывает электромагнитные волны.
А. Попов, Маркони – реализовали в практической жизни радиосвяь.
В ЭМКМ весь мир заполнен электромагнитным эфиром, который может находиться в различных состояниях. Физические поля трактовались как состояния эфира. Эфир является средой для распространения электромагнитных волн и, в частности, света.
Материя считается непрерывной. Все законы природы сводятся к уравнениям Максвелла, описывающим непрерывную субстанцию: природа не делает скачков. Вещество состоит из электрически заряженных частиц, взаимодействующих между собой посредством полей.
На основе электромагнитных взаимодействий объясняются все известные механические, электрические, магнитные, химические, тепловые, оптические явления.
Трактовка явлений на основе электромагнетизма кажется изящной и законченной. Всё многообразие явлений природы сведено к нескольким математически соотношениям.
Понятие эфира (как переносчика света и электромагнитных волн) медленно эволюционирует - вплоть до полного отказа в конечном итоге от самой концепции эфира.
ЭМКМ расширяется, уточняется и углубляется. Учёные строят всё новые и новые модели атома, стремясь узнать, какая из них все-таки ближе всего к истине.
Наиболее красивой и точной стала планетарная модель атома, созданная Э.Резерфордом . Именно она и стала отправной точкой при появлении совершенно новых взглядов на строение окружающего нас мира.
Уже на рубеже XIX…XX веков экспериментальные данные, полученные при изучении микро- и мегамира, резко расходились с предсказаниями существующих естественно-научных теорий, требовали разработки новых, более точных и адекватных сущности многих явлений.
Эпоха электромагнитной картины мира завершалась. Несмотря на это, электромагнитная картина мира создала такую науку, без которой трудно представить современную жизнь - способы получения и использования электрической энергии (электрического освещения и отопления, электромагнитные средства связи (радио, телефон, телевидение) и т.д.
Квантово-полевая картина мира
Практические потребности людей, их постоянный интерес к вопросу об устройстве мира и неудовлетворенность в решении фундаментальных научных закономерностей привели к созданию совершенно новой теории - квантовой теории поля и на её основе - квантово-полевой картины мира (КПКМ).
В КПКМ возникает новая концепция - квантовое волновое поле, которое является наиболее фундаментальной и универсальной формой материи, лежащей в основе всех ее проявлений, как волновых, так и корпускулярных. На смену классическим полям типа электромагнитного поля Фарадея-Максвелла и классическим частицам приходят единые объекты - квантовые поля.
Основоположниками новой физической картины мира стали Макс Планк, Нильс Бор, Луи де Бройль, Эрвин Шрёдингер, Поль Дирак, Вернер Гейзенберг и другие известные учёные.
Центральными понятиями новой картины мира стали понятия “квант энергии”, “дискретные состояния”, “корпускулярно-волновой дуализм”.
У частиц обнаружили волновые свойства (дифракция электронов), у электромагнитных волн - корпускулярные. Оказалось, что законы макромира отличаются от законов микромира.
На первое место в изучении явлений природы выдвинулись квантовая механика и квантовая электродинамика. В КПКМ выясняется обменный характер взаимодействия, описываются четыре вида фундаментальных силовых взаимодействий, возникают новые представления о материи, движении, силовом взаимодействии, масса приравнивается энергии.
Благодаря экспериментам и теоретическим изысканиям у физиков ХХ века появилось ощущение необыкновенного могущества, когда наука существенно продвинулась в изучении строения атома и атомного ядра, природы элементарных частиц. Не случайно основоположниками молекулярной биологии считаются в том числе и известные физики (Эрвин Шрёдингер, Макс Дельбрюк).
Это чувство подкрепилось в середине и во второй половине ХХ века, когда законы современной физики оказалось возможным применить к явлениям жизни, особенно в конфликтных и кризисных ситуациях.
В квантово-полевой картине мира рассматриваются, изучаются и объясняются явления, остававшиеся загадочными в картинах мира, возникших на более ранних этапах развития науки, решаются задачи, неразрешимые для мыслителей древности, представителей механической и электромагнитной картин мира.
Изучение микромира до расстояний 10 -17 м и мегамира до расстояний 10 27 м было бы невозможно в рамках электромагнитной картины мира. И электрический ток в полупроводниках (исследование которого обеспечило нас современными компактными радио-, телевизионными и светогенераторными устройствами, компактными мобильными средствами связи, быстродействующими компьютерами); явления сверхпроводимости и новые конструкционные материалы - все это рассматривается и объясняется квантово-полевой картиной мира.
При этом, развитие квантово-полевой картины мира еще раз продемонстрировало нам важность и преемственность механической и электромагнитной картин мира, указав на то, что они верно отражали многие объективные свойства окружающего мира.
Как и остальные картины мира, за время своего существования в XX веке КПКМ претерпевало существенное развитие. Полное и целостное рассмотрение квантово-полевой картины мира является очень сложной задачей и на данном этапе практически не завершено.
Перечислим научные направления последнего времени, разработка которых привела к появлению современной квантовой парадигмы мира:
Теория относительности радикально изменила понимание пространственно-временных отношений (особенно, в экстремальных областях скоростей и размеров);
Квантовая механика способствовала установлению новых причинно-следственных связей в материальном мире;
Космология как развитие квантовой механики открыла путь в системную историю эволюции Космоса и особенно близкой нам темы – Солнечной системы, начавшейся около 15 млрд лет назад, раскрыла единство и целостность космоса, взаимосвязи фундаментальных физических взаимодействий;
Синергетика продемонстрировала, что процессы самоорганизации могут происходить не только в мире живого, но и в неживой природе.
Основной принцип холизма утверждает, что целое всегда есть нечто большее, чем сумма его частей. С позиции холизма весь мир - это единое целое, а выделяемые в науках отдельные явления и объекты имеют смысл только как часть общности.
Холизм господствовал в истории философской мысли с древности. Пример холистического утверждения из трудов Гиппократа: “человек есть универсальная и единая часть от окружающего мира”, или же “микрокосм в макрокосме”. Представитель классического немецкого идеализма Г. В. Ф. Гегель (1770…1831) говорил: “только целое имеет смысл”.
Однако с развитием в XVIII-XIX веках науки и распространением в философии и естествознании близких между собой механистических и редукционистских идей возобладал взгляд на любую систему как на производное частей, окрепло убеждение, что свойства любого объекта могут быть выведены из анализа его составляющих элементов. Соответственно, холистический принцип стал восприниматься как не имеющая практической ценности философская концепция и пользоваться этой идеологией надо с осторожностью.
Интерес к идеям холизма снова возрос в первой половине двадцатого века в связи с кризисом классической естественно-научной картины мира. В это время и появился философское направление - “философия целостности ”, разработанное южноафриканским философом и политическим деятелем Я. Смэтсом (1870…1950) , который ввёл в философский обиход термин “холизм ” опираясь на утверждение раннего философа - Аристотеля : “целое больше, чем сумма его частей”. Смэтс считал, что в основе эволюционных процессов лежит активность нематериальных и непознаваемых целостностей, усматривая в них источник высших моральных ценностей человечества.
Холистический принцип в современной философии – это верховенство целостностей перед суммой отдельных элементов и объяснение отдельных феноменов только в их связи с целостностями. Из холистических представлений исходит понятие синергии.
Синергизм – это сложное взаимодействие каких-либо компонентов, при котором суммарный эффект превышает действие каждого отдельного компонента. В физиологии синергия - совместное, сочетанное действие каких-либо органов или систем; в фармакологии – это совместное действие лекарственных веществ, взаимно усиливающее эффект действия каждого из них. Практическим воплощением идеи холизма в синергетике понятие эмерджентности, то есть возникновения в системе нового системного качества, не сводимого к сумме качеств элементов системы.
Понятие “система” родилось в философии как свойство упорядоченности и целостности бытия. Идея системности возникла в древнегреческой философии в трудах Платона, Аристотеля, философов-стоиков. Разрабатывалась в немецкой классической философии Кантом, Гегелем. В новом времени – системность познания – основной методологический научный принцип.
Зачем же нам необходимы знания о картинах мира? Все дело в том, что именно эти знания описывают свойства таких категорий, как материя, вещество, система и время. А эти базовые знания лежат в основе проектирования, создания и применения медицинских изделий.
Физики в течение XIX века пытались объяснить электромагнитные явления в механической картины мира. Но эти попытки были провальными, так как электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов. М. Фарадей и Дж. Максвелл внесли существенный вклад в формирование электромагнитной картины мира. Созданная Дж. Максвеллом теория электромагнитного поля стала причиной появление электромагнитной картины мира.
Максвелл разработал теорию в основе которой было явление, которое называлось явлением электромагнитной индукции. Фарадей проводил эксперименты при помощи магнитной стрелы, стремясь объяснить природу магнитных и электрических явлений. После проведенного эксперимента он пришел к выводу, что вращение магнитной стрелки зависит не от электрических зарядов, которые находятся в проводнике, а от особого состояния окружающей среды, которое появлялось рядом с магнитной стрелкой. Это означало, что ток взаимодействует с магнитной стрелкой с помощью окружающей проводник среды. Так было введено такое понятие поля как совокупность магнитных силовых линий, пересекающих пространство и индуцировать электрический ток. Это открытие дало Фарадею понять, что представления о материи являются континуальными, непрерывными, а не корпускулярными.
Теория электромагнитного поля Максвелла заключается в том, что при изменении магнитного поля не только в окружающих телах, но и в вакууме приводит к возникновению электрического поля, которое, способствует появлению магнитного поля. Так в физике возникла новая реальность - электромагнитное поле. В физикетеория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало совершенно нового этапа. В соответствии с данной теорией мир это единая электродинамическая система, которая включает в себя электрически заряженные частицы, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.
Проводя анализ состояния физики в период возникновения самых первых гипотез о строении атома можно увидеть, что постановка такой цели ближайшим образом была связана с разработкой электромагнитной картины мира. Согласно постулатам электромагнитной картины мира, все процессы природы и мира могут быть рассмотрены как взаимодействие вещества и эфира. Предполагалось, что все силы природы можно унифицировать, сводя абсолютно разные типы сил к изменениям состояния самого эфира (“Один эфир для света, теплоты и электричества”, - в конце XIX века писал Кельвин). Можно считать, что и ньютоновский закон всемирного тяготения сводился к передаче сил со временем с конечной скоростью в эфире. Взаимодействие атомов вещества и эфира рассматривалось как метод (источник) возникновения зарядов.
В первую очередь, согласно программе Максвелла и его последователей (например, Герца, Ленарда), можно предположить, что заряды представляются как некие процессы возмущения эфира (на основании ключевой идеи максвелловской теории электромагнитного поля о тождественности тока проводимости и тока смещения, что и позволило представить плотности зарядов-токов в форме потока электромагнитного поля). Только вот под влиянием идей атомистики в физике множество раз высказывались гипотезы о возможности перенести принцип атомизма и на заряды. Такие идеи нашли теоретическое и эмпирическое подтверждения после первого открытия электронов и разработки электродинамики Лоренца, которая основывалась на представлении о зарядах-токах как о некой системе электронов, взаимодействующих с электромагнитным полем. После в картину мира уже точно вошло новое представление о зарядах. Они уже рассматривались в качестве особых частиц - электронов (атомов электричества), взаимодействие их с эфиром (электромагнитным полем) представлялось как глубокое основание всех физических процессов. Тогда в физической картине мира кроме “эфира” и “атомов вещества” появился совершенно новый элемент - так называемые “атомы электричества”, и тогда же возникла проблема их взаимоотношения с атомами “обычного” вещества. Большой интерес к вопросам о строении вещества, который возник в конце XIX - начале XX века в физике, во многом был продиктован как раз этой проблемой. Рассуждая на эту тему, ученые, в первую очередь задали вопрос: не входят ли электроны в состав атома? Хотя сама формулировка данного вопроса была достаточно смелым шагом, так как она приводила к совершенно новым представлениям в картине мира (нужно было согласится со сложным строением атомов вещества). Именно поэтому конкретизация вопроса соотношения электронов и атомов была связана с выходом в сферу философского анализа, что происходит при радикальных скачках в картине мира (приведем пример, Дж. Дж. Томсон, он был одним из инициаторов постановки задачи о связи атомов и электронов вещества, он искал опору в идеях атомистики Босковича, чтобы доказать саму необходимость перехода в картине мира “атомов вещества” к “атомам электричества”). Но так или иначе можно сказать, что проблема соотношения атомов и электронов и ее анализ под углом зрения сложности атома была рассмотрена при помощи развития физической картины мира.
С эволюцией физики, по мере возникновения новых данных, полученных с помощью эксперимента, и теоретических представлений (особенно после создания теории радиоактивного распада и его открытия) конструирование разных моделей строения атома стало обычным явлением у физиков. Однако само построение данных моделей началось немного раньше, под влиянием проблемы электрона, который был введен в качестве особого элемента в картину физической реальности.
Таким образом, мы можем сделать вывод, что к построению гипотетических схем структуры атома импульс был создан электромагнитной картиной мира, включившей в состав теоретического и эмпирического материала физики под влиянием предшествующего развития и при участии философских идей совершенно новые элементы .
Механическую картину мира во многом изменили новые физические и философские взгляды на материю, силы, пространство и время. Эти изменения не были революционными, так как они и осуществились в пределах классической науки. При помощи соединения новых идей и старых механистических представлений о природе электромагнитная картина мира является промежуточной. Существенно изменились лишь представления о материи: корпускулярные идеи заменились континуальными (полевыми). Материя уже не являлась совокупностью неделимых атомов, которые переставали быть конечным пределом делимости материи. Пределом делимости принималось абсолютно непрерывное бесконечное поле с волновыми движениями в нем и электрическими зарядами. Согласно электромагнитной картине мира, материя может существовать лишь в двух видах - поле и вещество. Превращения друг в друга невозможно в электромагнитной картине мира. Поле обладает приоритетом относительно вещества, а значит, главным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Поперечные электромагнитные волны являются способом распространения электромагнитного поля, которые захватывают постоянно новые области пространства. Законы Ньютона не в состоянии описать заполнение пространства электромагнитным полем, потому что механика не воспринимает этот механизм. В механике одно материальное явление не может зависеть от изменения другого, и в совокупности они не могут создавать единой сущности.
Изменения коснулись и понятия движения. Движение могло рассматриваться не только как обычное механическое перемещение, но и как распределение колебаний в поле. Соответственно законы электродинамики Максвелла потеснили законы механики Ньютона.
Решение такой проблемы физического взаимодействия должно было удовлетворять новой физической картине мира. Фарадеевским принципом близкого действия потеснил ньютоновский принцип дальнодействия, что привело к пониманию взаимодействия как непрерывного от точки к точке и с конечной скоростью.
Поля не имеют точно очерченных границ и тем самым перекрывают друг друга. Этот факт означал, что концепция абсолютного времени и абсолютного пространства Ньютона не соответствовала новым полевым представлениям о материи.
В первую очередь в самом понимании времени и пространства электромагнитная картина мира происходила из убеждения, что абсолютное пустое пространство заполнено мировым эфиром. С неподвижным эфиром физики пытались согласовать абсолютную систему отсчета. При этом для понимания большинства материальных явлений эфиру приходилось давать необычные свойства, иногда и противоречащие друг другу. Однако само создание специальной теории относительности вынудило физиков отказаться от идеи эфира, так как эта теория исходила из относительности массы, времени и длины, т.е. из зависимости их от системы отсчета. При рассмотрении электромагнитной картины мира материя, время и пространство могут существовать только вместе, и полностью зависят друг от друга. При этом время и пространство являются свойствами материальных тел.
Характерные свойства электромагнитной картины мира:
1. В пределах электромагнитной картины мира сложилась непрерывная (континуальная), полевая модель реальности. А сама материя рассматривалась как одно непрерывное поле с силовыми точечными центрами - волновыми движениями в нем и электрическими зарядами. Мир рассматривался как электродинамическая система, которая была построена из электрически заряженных частиц, которые взаимодействовали посредством электромагнитного поля.
2. Концепция Ньютона заменяется фарадеевским принципом. Фарадей утверждал, что каждые взаимодействия передаются полем от одной точки к другой, непрерывно и с конечной скоростью.
3. Кинетическая теория газов или статистическая механика появившаяся в середине XIX века, была основана на теории вероятности. Вероятность, случайность с этого промежутка времени нашли свое место в физике и были указаны в форме статистических законов. Статистический закон – это такой закон, который управляет поведением огромных совокупностей и в отношении отдельного объекта, он позволяет делать лишь выводы на основе вероятности о его поведении. Этот закон отражает диалектическую связь случайности и необходимости. И не исключает случайность, а рассматривает ее как форму проявления необходимости.
4. Игнорирование атомистической, дискретной природы вещества привело электродинамику Максвелла к целому ряду несоответствий, которые не возникают в созданной Лоренцом электронной теории или микроскопической электродинамики. Данная теория восстанавливает в правах электрические дискретные заряды и сохраняет поле как объективную реальность.
Электромагнитная картина мира может объяснить достаточно большой круг физических явлений, которые в той или иной мере не понятны с точки зрения предыдущей механической картины мира. Однако дальнейшее ее развитие показало ее ограниченность. Одна из самых главных проблем состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с фактами, основанными на проведенных опытах, которые бы подтверждали дискретность ее свойств - действия, заряда, излучения. Оставалась еще нерешенной задача о соотношении поля и заряда, здесь не удавалось дать объяснение устойчивости атомов и их спектров, излучение абсолютно черного тела. Все это приводило к тому, что об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены новой физической картиной. Поэтому на замену ей пришла абсолютно новая квантово-релятивистская картина мира, которая объясняла дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.
Электромагнитная картина мира начала формироваться во второй половине XIX в. на основе исследований в области электромагнетизма. Основную роль здесь сыграли исследования М. Фарадея и Д. Максвелла, которые ввели понятие физического поля. В процессе формирования этого понятия на смену механической модели эфира пришла электромагнитная модель: электрическое, магнитное и электромагнитные поля трактовались первоначально как разные "состояния" эфира. Впоследствии необходимость в эфире отпала. Пришло понимание того, что электромагнитное поле само есть определенный вид материи и для его распространения не требуется какая-то особая среда-эфир.
Электромагнитная картина мира продолжала формироваться в течение трех десятилетий XX в. Она использовала не только учение о магнетизме и достижения атомистики, но также и некоторые идеи современной физики (теории относительности и квантовой механики). После того как объектом изучения физики наряду с веществом стали разнообразные поля, картина мира приобрела более сложный характер, но все равно это была картина классической физики.
Основные ее черты следующие. Согласно этой картине материя существует в двух видах - веществе и поле, между которыми имеется непроходимая грань: вещество не превращается в поле и наоборот. Известны два вида поля - электромагнитное и гравитационное, соответственно - два вида фундаментальных взаимодействий. Поля, в отличие от вещества, непрерывно распределяются в пространстве. Электромагнитное взаимодействие объясняет не только электрические и магнитные явления, но и другие - оптические, химические, тепловые. Теперь все стремятся свести к электромагнетизму. Вне сферы господства электромагнетизма остается лишь тяготение.
В качестве элементарных "кирпичиков", из которых состоит вся материя, рассматриваются три частицы - электрон, протон и фотон. Фотоны - кванты электромагнитного поля. Корпускулярно- волновой дуализм "примиряет" волновую природу поля с корпускулярной, т.е. при рассмотрении электромагнитного поля используются, наряду с волновыми, и корпускулярные (фотонные) представления. Элементарные "кирпичики" вещества - электроны и протоны. Вещество состоит из молекул, молекулы из атомов, атом имеет массивное ядро и электронную оболочку. Ядро состоит из протонов. Силы, действующие в веществе, сводились к электромагнитным. Эти силы отвечают за межмолекулярные связи и связи между атомами в молекуле; они удерживают электроны атомной оболочки вблизи ядра; они же обеспечивают прочность атомного ядра (что оказалось неверным). Электрон и протон - стабильные частицы, поэтому атомы и их ядра тоже стабильны. Картина, на первый взгляд, выглядела безупречно. Но в эти рамки не вписывались такие, как считалось тогда, "мелочи", например, радиоактивность и др. Скоро выяснилось, что эти "мелочи" являются принципиальными. Именно они и привели к "краху" электромагнитной картины мира.
Электромагнитная картина мира представляла огромный шаг вперед в познании мира. Многие ее детали сохранились и в современной естественно-научной картине: понятие физического поля, электромагнитная природа сил, отвечающих за различные явления в веществе (но не в самих атомах), ядерная модель атома, дуализм (двойственность) корпускулярных и волновых свойств материи и др. Но и в этой картине мира также господствуют однозначные причинно-следственные связи, все таким же образом жестко предопределено. Вероятностные физические закономерности не признаются фундаментальными и поэтому не включаются и в нее. Эти вероятности относили к коллективам молекул, а сами молекулы все равно следовали однозначным ньютоновским законам. Не менялись представления о месте и роли человека во Вселенной. Таким образом, и для электромагнитной картины мира также характерна метафизичность мышления, где все четко разграничено, внутренние противоречия отсутствуют.
В процессе длительных размышлений о сущности электрических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи континуальными, непрерывными. Он сделал вывод, что электромагнитное поле сплошь непрерывно, заряды в нем являются точечными силовыми центрами. Тем самым отпал вопрос о построении механической модели эфира, несовпадении механических представлений об эфире с реальными опытными данными о свойствах света, электричества и магнетизма. Основная трудность в объяснении света при помощи понятия эфира состояла в следующем: если эфир - сплошная среда, то он не должен препятствовать движению в нем тел и, следовательно, должен быть подобен очень легкому газу. В опытах со светом были установлены два фундаментальных факта: световые и электромагнитные колебания являются не продольными, а поперечными, и скорость распространения этих колебаний очень велика. В механике же было показано, что поперечные колебания возможны только в твердых телах, причем скорость их зависит от плотности тела. Для такой большой скорости, как скорость света, плотность эфира во много раз должна была превосходить плотность стали. Но тогда, как же двигаются тела?
Одним из первых идеи Фарадея оценил Максвелл. При этом он подчеркивал, что Фарадей выдвинул новые философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира.
Взгляды на материю менялись кардинально: совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи, в качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами - электрическими зарядами и волновыми движениями в нем.
Движение понималось не только как простое механическое перемещение, первичным по отношению к этой форме движения становилось распространение колебаний в поле, которое описывалось не законами механики, а законами электродинамики.
Ньютоновская концепция абсолютного пространства и времени не подходила к полевым представлениям. Поскольку поле является абсолютно непрерывной материей, пустого пространства просто нет. Так же и время неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Пространство и время перестали быть самостоятельными, независимыми от материи сущностями. Понимание пространства и времени как абсолютных уступило место реляционной (относительной) концепции пространства и времени.
Новая картина мира требовала нового решения проблемы взаимодействия. Ньютоновская концепция дальнодействия заменялась фарадеевским принципом близкодействия; любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью. *
Хотя законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, и случайность все еще пытались исключить из физической картины мира, создание кинетической теории газов ввело в теорию, а затем и в электромагнитную картину мира понятие вероятности. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона.
Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.
Новая электромагнитная картина мира объяснила большой круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Она глубже вскрыла материальное единство мира, поскольку электричество и магнетизм объяснялись на основе одних и тех же законов.
Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодолимые трудности. Так, согласно электромагнитной картине мира, заряд стал считаться точечным центром, а факты свидетельствовали о конечной протяженности частицы-заряда. Поэтому уже в электронной теории Лоренца частица-заряд вопреки новой картине мира рассматривалась в виде твердого заряженного шарика, обладающего массой. Непонятными оказались результаты опытов Майкельсона 1881 - 1887 гг., где он пытался обнаружить движение тела по инерции при помощи приборов, находящихся на этом теле. По теории Максвелла, такое движение можно было обнаружить, но опыт не подтверждал этого. Но тогда об этих мелких неприятностях и неувязках физики постарались забыть, более того, выводы теории Максвелла были абсолютизированы, так что даже такой крупный физик, как Кирхгоф, считал, что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.
Но к концу XIX в. накапливалось все больше необъяснимых несоответствий теории и опыта. Одни были обусловлены недостроенностью электромагнитной картины мира, другие вообще не согласовывались с континуальными представлениями о материи: трудности в объяснении фотоэффекта, линейчатый спектр атомов, теория теплового излучения.
Последовательное применение теории Максвелла к другим движущимся средам приводило к выводам о неабсолютности пространства и времени. Однако убежденность в их абсолютности была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, называли их странными и отказывались от них. Именно так поступили Лоренц и Пуанкаре, чьи работы завершают доэйнштейновский период развития физики.
Принимая законы электродинамики в качестве основных законов физической реальности, А. Эйнштейн ввел в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и тем самым устранил противоречие между пониманием материи как определенного вида поля и ньютоновскими представлениями о пространстве и времени. Введение в электромагнитную картину мира релятивистских представлений о пространстве и времени открыло новые возможности для ее развития.
Именно так появилась общая теория относительности, ставшая последней крупной теорией, созданной в рамках электромагнитной картины мира. В этой теории, созданной в 1916 г., Эйнштейн впервые дал глубокое объяснение природы тяготения, для чего ввел Понятие об относительности пространства и времени и о кривизне единого четырехмерного пространственно-временного континуума, зависящей от распределения масс.
Но даже создание этой теории уже не могло спасти электромагнитную картину мира. С конца XIX в. обнаруживалось все больше непримиримых противоречий между электромагнитной теорией и фактами. В 1897 г. было открыто явление радиоактивности и установлено, что оно связано с превращением одних химических элементов в другие и сопровождается испусканием альфа- и бета-лучей. На этой основе появились эмпирические модели атома, противоречащие электромагнитной картине мира. А в 1900 г. М. Планк в процессе многочисленных попыток построить теорию излучения был вынужден высказать предположение о прерывности процессов излучения.
