О великих переворотах в науке

Дальше в глубь материи. (Следующие этапы научной революции III типа в физике)

Начало II этапа новейшей революции.Суть его состояла в дальнейшей ликвидации остатков "классики". Этот этап характеризовался тем, что рушилась вера в обыденность физических представлений о веществе и свете. Второй этап революции в физике состоял в том, что нужно было ликвидировать остатки "классики".

Это и было достигнуто путем раскрытия подлинного единства между ранее разорванными противоположностями - веществом и светом с их различными структурами.

Создание квантовой механики.Эта теория появилась в 1923-1928 гг. Мне довелось в 1965 г. участвовать в международном симпозиуме ЮНЕСКО (Париж), посвященном 10-летию со дня смерти А. Эйнштейна. Со своими воспоминаниями выступил зачинатель идей квантовой механики Луи де Бройль, который рассказал, как под влиянием Эйнштейна родились у него в 1923-1924 гг. принципиально новые идеи о природе физических микроявлений. Если в свое время Планк перенес признак дискретности (прерывистости) с вещества на свет путем создания квантовой теории, то у Луи де Бройля возникла идея распространить на микрочастицы вещества (электроны и др.) признак волны (волнообразности), присущий свету. В итоге все физические микропроцессы (микрообъекты) как вещества (электроны и др.), так и света (фотоны) выступили в равной степени как единство волны и корпускулы. При этом корпускуле в каждом случае соответствовала волна определенной длины, а волне - определенная корпускула. Так раскрылось диалектическое единство прерывности и непрерывности в микромире, которое не могло быть раскрыто в условиях остаточной "классики". Идеи де Бройля были углублены и развиты дальше австрийским ученым Э. Шредингером, который вывел основное волновое уравнение для микропроцессов (1926 г.), немецким физиком В. Гейзенбергом, сформулировавшим соотношение неопределенностей, английским физиком-теоретиком П. Дираком (1928 г.) и др. Теперь движение электрона вокруг атомного ядра перестало мыслиться в духе обыденных представлений. Сам электрон выступил уже не как миниатюрный шарик, но как корпускулярно-волновое образование, лишенное резких границ и движущееся вокруг ядра не по точно определенным орбитам, а по размытым, подобно движению электронного облака. Вместе с тем был ликвидирован и разрыв оптики на две не связанные между собой части. Таким образом, единство вещества и света было раскрыто с новой глубиной, и новейшая революция в естествознании сделала новый бросок вперед. Можно сказать, что стоявший на ее пути барьер обыденности был верой в механическую наглядность микроявлений. Ибо в основе боровской модели атома лежала идея, что атом можно представить себе наглядно как миниатюрную Солнечную систему. Крушение веры в механическую наглядность атомной модели повлекло за собой признание, что на место такой наглядности должна встать математическая абстрактность наших представлений о микропроцессах. Отсюда еще большее возрастание роли математики с ее абстрактно-математическими моделями в современной физике. И это имело громадное революционизирующее значение для науки.

Ломка электромагнитной картины мира.Начиная с 30-х гг. XX в. в атомной физике были сделаны открытия, которые доказывали ограниченность, а в ряде пунктов - несостоятельность сложившейся электромагнитной картины мира. Все известные ранее микрообъекты либо носили электрический заряд - отрицательный (электрон) или положительный (протон) - либо электромагнитный (фотон). Казалось бы, свойство массы не играет у них существенной роли. Атомное же ядро представлялось как образованное протонами и внутриядерными электронами.

В 1930 г. В. Паули, чтобы спасти принцип сохранения энергии, выдвинул гипотезу нейтрино - микрочастиц, не имеющих массы и заряда и уносящих с собой половину энергии, испускаемой ядром или при бета-распаде (другую ее половину уносят электроны). Так начался подрыв устаревших уже представлений, которые абсолютизировали электромагнитную картину мира. Следующим ударом по этой теории было открытие нейтрона английским ученым Дж. Чедвиком (учеником Э. Резерфорда) в 1932 г. Здесь до известной степени повторилась история с открытием кислорода: супруги Ирэн и Фредерик Жолио-Кюри эмпирически наблюдали образование нейтронов, но, находясь еще во власти электромагнитной картины мира, пытались объяснить наблюдавшееся ими явление с ее позиций, по типу -лучей. Напротив, Дж. Чедвик сразу же понял физический смысл того, что наблюдали супруги Жолио-Кюри. Открытый им нейтрон (n°) обладал массой, равной 1 атомной единице, но не имел электрического заряда. Исследования Д. Д. Иваненко и других произвели переворот во взглядах на состав атомного ядра. Отныне оно стало рассматриваться как образованное тяжелыми частицами - протонами и нейтронами.

В 1934 г. супруги Жолио-Кюри сделали замечательное открытие, поскольку оно, на первый взгляд, не выходило за рамки электромагнитной концепции. Они открыли искусственную радиоактивность легких элементов и тем самым доказали, что свойство радиоактивного распада присуще всем элементам, а не только тяжелым, стоящим в конце периодической системы. При этом четко выявилась определяющая роль атомной массы, а не заряда ядра химических элементов. Например, кислород с массой 19 через бета-распад превращается в устойчивый фтор, а с массой 15 через бета-распад - в устойчивый азот. В итоге на место односторонней электромагнитной концепции пришла двусторонняя концепция, учитывающая во взаимосвязи и свойство массы, и свойство электрического заряда. Тем самым осуществился частичный возврат к взглядам Д. И. Менделеева. Это явилось также дальнейшим развитием II этапа революции III типа: если до 30-х гг. на первый план физики выдвигалась электронная оболочка атома, то в 30-х гг.
– атомное ядро с его закономерностями. Процесс познания шел по-прежнему в глубь материи.

Начало эры атомной энергии.В 1934 г. Э. Ферми с сотрудниками облучили медленными нейтронами ядра урана и наблюдали явление вторичного бета-распада. К этому времени в физике твердо закрепилось представление, что бета-распад (вылет электрона из ядра) есть показатель сдвига элемента на одно место направо по периодической системе. Другими словами, утвердилась вера в неделимость атомного ядра, которое, сохраняя свою целостность, может испытывать лишь частичные изменения. Между тем, как оказалось позднее, Ферми наблюдал деление ядра урана, вызванное медленными нейтронами. Он же, по старинке, приписал вторичное бета-излучение образованию трансуранов, т. е. элементов, стоящих справа от самого урана в системе элементов. Так продолжалось около пяти лет. И здесь мы снова видим повторение истории с открытием кислорода: принципиально новое явление упорно втискивается в старые, ставшие обыденными рамки.

Когда же в продуктах ядерной реакции при облучении урана медленными нейтронами был обнаружен барий (1938 г.), то немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман правильно разгадали, что они имеют дело с реакцией деления тяжелого ядра на две части: барий и, очевидно, ксенон. При этом выделяются огромная энергия и свободные нейтроны. Последнее обстоятельство позволяет осуществить деление ядра как цепной процесс.

Это был исключительно мощный скачок в ходе научной революции. Можно смело сказать, что с этого момента началась новая эра - эра атомной энергии. С наступлением этой эры рушились барьеры обыденности, мешавшие до тех пор научному прогрессу.

Третий этап научной революции III типа (современность).Скажем коротко: происходит дальнейшее проникновение в глубь материи, в глубь ее элементарных физических частиц. При этом обнаруживаются все новые и новые, совершенно необычные для нас явления, требующие коренной ломки ранее сложившихся и ставших достаточно привычными, понятными представлений. Можно сказать, что дальнейшее разрушение веры в тождественность макро- и микромиров выступает на этот раз как крушение веры в привычное. Покажем это на двух примерах.

Трактовка "структуры" элементарных частиц.Люди издавна привыкли рассматривать строение какого-либо тела или сооружения таким образом, что строительный материал (кирпичи) дан в готовом виде, как заранее существующий и сохраняющийся в процессе всей стройки. Назовем это верой в данность готовых частиц. Было бы очень странным, если бы такие готовые частицы отсутствовали, т. е. не были бы нам даны как исходные формы. Строить что-либо было бы, кажется, невозможным. Между тем такие элементарные частицы, как протон, нейтрон и некоторые другие, можно представить себе образованными в виде наложившихся одна на другую сфер, "шуб". В каждой из этих сфер (оболочек) может и должна при строго определенных условиях возникнуть определенная элементарная частица. Ее еще нет, но она уже присутствует как возможная (виртуальная). Таким образом, внутреннее строение нейтрона или протона может быть представлено как образованное из неродившихся еще или только нарождающихся других микрочастиц. Как видим, ломка привычных человеческих представлений здесь идет очень далеко. И в этом опять-таки неуклонное продвижение научной революции в область "странных", неожиданных открытий, явно несогласуемых с обычным здравым смыслом, но вместе с тем носящих глубоко диалектический характер.

Гипотеза кварков.До недавнего времени считалось, что такие свойства элементарных частиц, как их электрический заряд или масса, носят целочисленный характер. Так, для электрона мы имеем отрицательный электрический заряд, равный -1, и собственную массу (массу покоя), равную 1 электронной единице. Это стало привычным представлением. Однако в ходе научной революции вера в привычное и здесь подверглась ломке. Была выдвинута гипотеза кварков, согласно которой определенные свойства элементарных частиц могут быть представлены как образованные из их дробных значений, которые приписываются кваркам. Конечно, легко было бы представить дело так, что кварки - это более мелкие микрочастицы, из которых образуются такие частицы, как протон и нейтрон (нуклоны), подобно тому как атомное ядро образуется из протонов и нейтронов. Так ли это в действительности - покажут исследования, которые в настоящее время идут полным ходом. Во всяком случае, приходится ждать еще многих интересных открытий, которые будут ломать сохраняющиеся в науке, ставшие привычными, но уже устаревшие представления.

На этом мы заканчиваем рассмотрение отдельных научных революций и их основных типов. Изложенное дает нам большой материал для размышления над общими взглядами на научные революции.

Великий переворот в генетике.Новейшая революция в естествознании, начавшись в физике, захватила и другие естественные науки: химию, астрономию, геологию и в особенности биологию. Если в физике она проявилась в распространении идеи дискретности (прерывной, зернистой структуры физических микрочастиц материи), то и в биологии (генетике) мы видим в сущности ту же картину. Но так как объект биологии - жизнь - значительно сложнее, нежели объект микрофизики, то и проникновение сюда идеи дискретности происходило гораздо труднее и медленнее.