О великих переворотах в науке

Особенности революций III типа.В отличие от революций обоих предыдущих типов, которые совершались в области познания явлений макромира, в ходе новейшей революции в естествознании диалектика шаг за шагом врывалась в область познания микромира, вскрывая его своеобразие, его качественное отличие. В целом эта революция была направлена на то, чтобы разрушить барьер, стоящий на пути познания микроявлений, сущностью которого была вера в качественную тождественность макро- и микромира. И это проявлялось в том, что "классика" XIX в. ошибочно распространялась на микроявления.

Однако в отличие от предшествующих научных революций обоих типов новейшая революция в естествознании происходила как бы дифференцированным образом: она разрушала основной барьер, стоявший между макро- и микромирами, не сразу, одним ударом, а как бы расчленив его на части, а затем суммируя свои удары по старым воззрениям. Она совершалась поэтапно, переходя с одной ступени познания материи на другую, в глубь материи. Следует отметить, что эта революция охватила все области естествознания, в том числе, например, биологию, где особенно важные революционные перевороты произошли в области генетики (учения о наследственности). Мы ограничимся лишь областью физики, точнее, атомной и субатомной физики, так что этапы новейшей революции в естествознании мы будем прослеживать в связи с тем, как наука XX в. проникала все дальше и дальше в глубь материи.

Начало новейшей революции в естествознании. (I этап)

Крушение понятия неделимого, неизменного атома.В XIX в. господствовало метафизическое представление об атомах как последних частицах материи. Поэтому атомы рассматривались как простые, неделимые частицы, которыми исчерпывалось все наше знание самой материи. Великие открытия физики конца XIX в.
– лучей Рентгена, радиоактивности и радия, электрона - свидетельствовали о крушении старых классических представлений об атоме. Рушилась сама вера в исчерпаемость атомов, поскольку они оказывались изменчивыми, сложными и разрушимыми. Само по себе эмпирическое открытие радиоактивности и радия, при всей его важности, еще не делало научной революции до тех пор, пока эти открытия не получили теоретического объяснения. Оно было дано впервые в 1902 г. английскими физиками Э. Резерфордом и Ф. Содди, которые доказали, что радиоактивность есть спонтанный распад атомов, превращение одних элементов в другие. Так, радий превращается в гелий и эманацию радия, названную позднее радоном. С этого момента радий получил название "революционер-радий".

Дж. Дж. Томсон, открывший электрон, попытался создать модель атома. Она у него носила статический характер: положительный электрический заряд был как бы "размазан" по всему атому. Неподвижные же электроны были вкраплены в атом, наподобие того как маленькие зернышки могут быть включены в некоторое студенистое образование. Такая модель просуществовала до 1911 г.

Из начавшейся новейшей революции в естествознании можно было сделать два различных вывода. Первый делали ученые, не понявшие самого смысла этой революции. Они пытались сохранить старую веру в исчерпаемость "последних" частиц материи, но только теперь в качестве таковых сил стали выдвигать уже не атомы, а электроны. Прежние метафизические черты, которыми наделялись раньше атомы, теперь стали приписывать электронам. Однако эта попытка оказалась несостоятельной.

Совершенно иную позицию занял В. И. Ленин. Из начавшейся новейшей революции он сделал правильный вывод о том, что рушилась не вера в исчерпаемость одних только атомов, а вера в исчерпаемость любых, сколько угодно мелких микрочастиц материи. "Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна..." Эти ленинские слова выдающийся английский физик С. Пауэлл метко назвал программой всей физики XX в. Они полностью подтвердились в ходе дальнейшей научной революции.

Вступление идеи дискретности в физику.Уже открытие электрона - носителя отрицательного электричества - нанесло первый серьезный удар по классической вере в непрерывность физических функций, в особенности, конечно, в области учения об электричестве. Второй удар по этой концепции нанесла квантовая теория, созданная в 1900 г. М. Планком, согласно которой существует универсальная константа - квант действия, входящий в различные физические величины, в том числе и в выражение энергии, и обусловливающий их прерывистый, дискретный характер. Поэтому такие процессы, как излучение и поглощение света, протекают не непрерывно, а отдельными порциями. Свое открытие Планк сделал, изучая излучение тепла так называемым абсолютно черным телом. Пока излучение тепла и света происходило в огромных количествах, процесс этот казался непрерывным. Его прерывность обнаружилась лишь в условиях максимально возможного уменьшения количества излучаемого тепла. Приведем следующее сравнение: из широко открытого водопроводного крана вода бежит полной струей. Если кран подвернуть, струя станет тоньше, но все же останется непрерывной, цельной. Но если кран завернуть почти до конца, то вода перестанет литься струей, а будет капать, т. е. истечение ее приобретет прерывистый характер. Это, конечно, образное сравнение, но оно позволяет понять, как Планк обнаружил прерывистый характер (квантовый) излучения и поглощения энергии - тепла и света.

В 1905 г. А. Эйнштейн продолжил идеи Планка и показал, что свет обладает не только волновой природой, но и корпускулярной, что он состоит из фотонов. Так рушилась вера в то, что физические явления должны описываться непрерывными функциями.

Уничтожение перегородок между различными сторонами объектов природы.Такие перегородки, возникшие во времена "классики", разделяли между собой вещества и свет, пространство и время, массу и энергию. Своей теорией квантов М. Планк начал разрушать перегородку между понятиями вещества и света, поскольку и он, и особенно А. Эйнштейн показали, что свет обладает также и корпускулярной структурой, а не только волновой, и что этим он сближается с веществом. В неменьшей степени такое их сближение вытекало из открытия П. Н. Лебедева, в том же 1901 г. измерившего давление света. Тем самым доказывалось, что свет обладает своеобразной массой, и этим заполнялась ранее существовавшая пропасть между весомым веществом и невесомым светом, якобы не имеющим массы.

Огромную роль, революционизирующую всю науку, сыграла теория относительности Эйнштейна, созданная им в 1905 г. Она разрушила старую веру в независимость пространства и времени (как основных форм бытия) друг от друга и от движущейся материи. Далее она разрушила веру в независимость между собою массы и энергии как фундаментальных физических свойств материи. Последнее выражалось в новом фундаментальном законе современной физики, согласно которому между массой и энергией существует неразрывная взаимосвязь и количественная относительность.

Так завершается начало I этапа революции III типа. Хотя за это время были созданы новые теории и открыты новые законы в физике, но в целом начало XX в. можно охарактеризовать как фазу революционного крушения "классики", поскольку ответа на вопрос, как же построен атом из электронов, еще не было найдено. Такой ответ составил конструктивное окончание начавшегося I этапа новейшей революции.

Подступы к динамической модели атома.Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. вело к признанию динамической планетарно-ядерной модели атома: ядро как миниатюрное "Солнце" в центре, а вокруг него, как маленькие "планеты", движутся электроны. Однако идеи непрерывности, еще не преодоленные, помешали сразу же обосновать такую модель: ведь, согласно классической электродинамике, двигающийся вокруг положительно заряженного ядра электрон должен был непрерывно терять свою энергию и в конце концов падать на ядро, чего не происходит в действительности.

Периодическая система элементов долгое время стояла обособленно от новейших физических открытий, тем более что сам Менделеев к старости относился к ним весьма настороженно, если не сказать отрицательно. Но вот в 1913 г. эти открытия были приведены в прямую зависимость от менделеевской системы. Система выступила как выражение строения атомов и их изменчивости (развития): тем самым обнаружилась взаимная связь между самими физическими открытиями и была раскрыта их глубокая сущность. Так, Г. Мозли показал, изучая характеристические рентгеновские спектры элементов, что элементы имеют порядковые номера, соответствующие занимаемым им местам в системе Менделеева (вскоре было показано, что этот номер равен положительному заряду ядра, а значит, и числу электронов в оболочке атома). Тогда же Ф. Содди и К. Фаянс открыли так называемый закон сдвига, согласно которому при радиоактивном бета-распаде элемент как бы передвигается на одно место направо по системе Менделеева (заряд его ядра возрастает на единицу), а при альфа-распаде - на два места налево, поскольку заряд его ядра уменьшается на два. В итоге вся периодическая система элементов выступила как система развивающихся (изменяющихся) элементов, а отдельные места в ней - как ступени, которые проходят в своем развитии элементы. Тем самым была доведена до конца революция II типа, которая оставалась незавершенной в XIX в.

Завершение первого этапа новейшей революции, создание атомной модели.В том же 1913 г., сводя воедино предшествующие открытия физики, Н. Бор разрешил то противоречие в планетарно-ядерной модели атома, с которым столкнулся Э. Резерфорд. Бор допустил, что излучение или поглощение энергии движущимся вокруг ядра электроном совершается не классическим образом, как непрерывный процесс, а прерывистыми порциями - квантами. Внутри атома электрон, согласно Бору, не может двигаться любым образом, но лишь по строго определенным, дозволенным для него орбитам. Испуская фотон (квант света), он перескакивает на соседнюю дозволенную ему орбиту, находящуюся ближе к ядру, а поглощая фотон, он перескакивает на соседнюю же орбиту дальше от ядра. Таким образом, в созданной Бором модели атома осуществился грандиозный теоретический синтез, с одной стороны, менделеевской периодической системы элементов, а с другой - важнейших открытий физики того времени: лучей Рентгена, радиоактивности, электрона, теории квантов, атомного ядра. В итоге мы видим новый, чрезвычайно мощный подъем научной революции, завершающий ее первый этап. Можно считать, что к этому времени старая механическая картина мира была полностью отброшена. На место механической массы встали электрически заряженные частицы материи, и прежде всего положительный заряд атомного ядра в качестве определяющей характеристики химического элемента. Так возникла новая, электромагнитная картина мира, пришедшая на смену старой, механической.

Несмотря на грандиозный успех новейшей революции в естествознании, в физике не только оставались неразрешенными, но с каждым новым шагом вперед все усиливались глубокие противоречия. Все учение о свете (оптика) было фактически разорвано на две изолированные области явлений: с одной стороны, распространение света, которое подчинялось старой волновой теории и совершалось как непрерывный волнообразный процесс; с другой стороны, поглощение и излучение света, которые совершались согласно теории квантов, т. е. прерывисто. Не лучше обстояло дело и в учении о веществе: классическое представление об электроне, как шарике, и о его движении вокруг ядра по строго определенной орбите, подобно движению планет вокруг Солнца, не в состоянии было выразить тонкие детали оптического спектра, хотя параметры электронных орбит все время уточнялись и усложнялись. Становилось все более очевидным, что классической воровской модели атома органически присущ какой-то недостаток, не устранимый в рамках "классики". Очевидно, здесь действовал какой-то познавательно-психологический барьер, требовавший преодоления.