Сущность революции в естествознании на рубеже 19-20 века

Кризис классического естествознания на рубеже ХIХ-ХХ веков Вторая половина ХIХ века в развитии естествознания занимает особое место. Это - период, который представляет собой одновременно и завершение старого, классического естествознания и зарождение нового, неклассического. С одной стороны, великое научное достижение, заложенное гением Ньютона, - классическая механика - получает в это время возможность в полной мере развернуть свои потенциальные возможности. А, с другой стороны, в недрах классического естествознания уже зреют предпосылки новой научной революции; механистическая (метафизическая) методология оказывается совершенно недостаточной для объяснения сложных объектов, которые попали в поле зрения науки второй половины ХIХ века. Лидером естествознания по прежнему является физика. 1. Кризис в физике на рубеже веков Вторая половина XIX в. характеризуется быстрым развитием всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Однако особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты развивается по двум направлениям. Во-первых, это развитие термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой. Во-вторых, развитие кинетической теории газов и теплоты, приведшее к возникновению нового раздела физики – статистической физики. Что касается электродинамики, то здесь важнейшими событиями явились: создание теории электромагнитного поля и возникновение нового раздела физики – теории электронов. Величайшим достижение физики второй половины ХIХ века является создание теории электромагнитного поля. К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей. Так, были открыты важнейшие законы: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Полного теоретического единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Однако к середине XIX в. потребность в качественном совершенствовании теоретического базиса учений о об электрических и магнитных процессах стала совершенно очевидной. Появляются отдельные попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была теория Максвелла, которая произвела подлинный революционный переворот в физике. Максвелл и поставил перед собой задачу перевести идеи и взгляды Фарадея на строгий математический язык, или, говоря другими словами, интерпретировать известные законы электрических и магнитных явлений с точки зрения взглядов Фарадея. Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл справился с этой сложнейшей задачей. Результатом его трудов оказалось построение теории электромагнитного поля, которая была изложена в работе “Динамическая теория электромагнитного поля”, опубликованной в 1864 г. Эта теория существенно изменяла представления о картине электрических и магнитных явлений. Она их объединяла в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.

На рубеже ХIX – ХХ вв. многие ученые, пытаясь осмыслить состояние физики, приходили к выводу о том, что само развитие науки показывает ее неспособность дать объективное представление о природе, что истины науки носят чисто относительный характер, не содержат в себе ничего абсолютного, что ни о какой объективной реальности, существующей независимо от сознания людей, не может быть и речи. На самом же деле проблема состояла в том, что концу ХIХ века методологические установки классической, ньютоновской физики уже исчерпали себя и необходимо было изменять теоретико-методологический каркас естественнонаучного познания. Возникла необходимость расширить и углубить понимание и самой природы и процесса ее познания наукой. Не существует никакой абсолютной субстанции бытия, с познанием которой завершается прогресс науки. Как бесконечна, многообразна и неисчерпаема сама природа, так бесконечен, многообразен и неисчерпаем процесс ее познания естественными науками. Электрон так же неисчерпаем, как и атом. Каждая естественнонаучная картина мира является относительной и преходящей. Процесс научного познания необходимо связан с периодической крутой ломкой старых понятий, теорий, картин мира, методологических установок, способов познания. А “физический идеализм” является просто следствием непонимания некоторыми физиками необходимости периодической смены философско-методологических оснований естествознания. (В России анализ революции в естествознании на рубеже ХIХ-ХХ веков был осуществлен В.И. Лениным в работе “Материализм и эмпириокритицизм”, вышедшей в свет в 1909 г.) К концу ХIХ века механистическая, метафизическая (т.е. предметоцентрическая) методология себя исчерпала. Естествознание стремилось к новой диалектической (т.е. системоцентрической) методологии. Поиски этой новой методологии были не простыми, были сопряжены с борьбой мнений, школ, взглядов, философской и мировоззренческой полемикой. Поэтому и возникла атмосфера разочарования в возможностях познания природы, поползновения в идеализм. В конце концов, в первой четверти ХХ века естествознание все-таки нашло свои новые философско-методологические ориентиры, разрешив кризис рубежа веков. 2. Кризис дарвинизма в конце ХIХ века Эволюционная теория возникла как сложнейший синтез самых различных биологических знаний, в том числе и опыта практической селекции. И потому процесс утверждения теории затрагивал самые разнообразные отрасли биологической науки. Не случайно процесс утверждения дарвиновой теории носил сложный, подчас драматический характер. Особая сложность состояла в том, что против теории естественного отбора ополчились не только сторонники креационистских воззрений, но также естествоиспытатели, выдвигавшие и обосновывавшие другие эволюционные концепции, построенные на иных принципах, чем дарвиновская теория. Все это привело к тому, что картина развития биологии во второй половине XIX в. была очень пестрой, мозаичной, заполненной противоречиями, драматическими событиями, страстной борьбой мнений, школ, направлений, взаимным непониманием позиций, а часто и нежеланием понять точку зрения другой стороны, обилием поспешных, непродуманных и необоснованных выводов, опрометчивых прогнозов и замалчивания выдающихся достижений.

Создание специальной теории относительности В начале XX в. на смену классической механике пришла новаяфундаментальная теория — специальная теория относительности (СТО) созданнаяусилиями ряда ученых, прежде всего А. Эйнштейном, она позволиланепротиворечиво объяснить многие физические явления, которые неукладывались в рамки классических представлений. В первую очередь этокасалось закономерностей электромагнитных явлений в движущихся телах. Создание теории электромагнитного поля и экспериментальное доказательствоего реальности поставили перед физиками задачу выяснить, распространяетсяли принцип относительности движения, справедливый для механических явлений,на явления, присущие электромагнитному полю. Во всех инерциальных системах(т.е. движущихся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу)применимы одни и те же законы механики. Но справедлив ли принцип длянемеханических явлений, особенно тех, которые представлены полевой формойматерии в частности электромагнитных явлений? Вместе с тем ряд опытов, которые были поставлены еще в 19в. показал, чтоскорость света всегда одинакова во всех системах координат независимо оттого, движется ли излучающий его источник или нет, и независимо от того,как он движется. Все эти противоречия привели к тому, что на рубежу ХIХ—XX вв. развитиефизики привело к осознанию противоречий и несовместимости трехпринципиальных положений классической механики:1.)скорость света в пустом пространстве всегда постоянна, независимо отдвижения источника или приемника света;2.)в двух системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно друготносительно друга, все законы природы строго одинаковы, и нет никакогосредства обнаружить абсолютное прямолинейное и равномерное движение(принцип относительности);3.)координаты и скорости преобразовываются из одной инерциальной системы вдругую согласно классическим преобразованиям Галилея. Было ясно, что эти три положения не могут быть объединены, поскольку онинесовместимы. Долгое время усилия физиков были направлены на то, чтобыпопытаться каким-либо образом изменить первые два положения, оставивнеизменным третье как само собой разумеющееся. Внутренней логикой своего развития физика подводилась к необходимостинайти нестандартный путь в разрешении этого фундаментального противоречия. В сентябре 1905 г. в немецком журнале появилась работа А. Эйнштейна «Кэлектродинамике движущихся тел». Эйнштейн сформулировал основные положенияСТО, которая объясняла и отрицательный результат опыта Майкельсона, и смыслпреобразований Лоренца и, кроме того, содержала новый взгляд напространство и время. Эйнштейн нашел еще один путь преодоления противоречий в принципиальныхосновах классической механики. Он пришел к убеждению, что необходимосохранить два первых утверждения, отказаться от преобразований Галилея. Идело не просто в том, чтобы чисто формально заменить их другимпреобразованием. Эйнштейн увидел, что за преобразованиями Галилея кроетсяопределенное представление о пространственно-временных соотношениях,которое не соответствует физическому опыту, реальным свойствам пространстваи времени. Слабым звеном принципиальных оснований классической механикиоказалось представление об абсолютной одновременности событий. Классическаямеханика пользовалась им, не сознавая его сложной природы. До выхода в свет статьи «К электродинамике движущихся тел», в которойвпервые были изложены основы теории относительности, Эйнштейн около 10 летразмышлял над проблемой влияния движения тел на электромагнитные явления.Он пришел к твердому убеждению о всеобщности принципа относительности, т.е.к выводу, что и в отношении электромагнитных явлений, а не толькомеханических, все инерциальные системы координат совершенно равноправны.Кроме того, Эйнштейн был убежден в инвариантности скорости света во всехинерциальных системах отсчета. В своих воспоминаниях он пишет, что еще в1896 г. у него «возник вопрос: если бы можно было погнаться за световойволной со скоростью света, то имели бы мы перед собой не зависящее отвремени волновое поле? Такое все-таки кажется невозможным!». Таким образом,Эйнштейн, по-видимому еще в молодости пришел к принципу, согласно которомускорость распространения световой волны одинакова во всех инерциальныхсистемах. Одновременное действие этих двух принципов кажется невозможным. Налицотеоретический парадокс. Из данного парадокса Эйнштейн находит выход,анализируя понятие одновременности. Анализ подводит его к выводу оботносительном характере этого понятия. В осознании относительностиодновременности заключается суть всей теории относительности, выводыкоторой, в очередь, приводят к необходимости пересмотра понятийпространства и времени — основополагающих понятий всего естествознания. В классической физике полагали, что можно запросто говорить об абсолютнойодновременности событий сразу во всех точках пространства. Эйнштейнубедительно показал неверность такого представления. Он начинает с анализавопроса, каким образом можно установить одновременность двух событий,происходящих в разных точках пространства. Для этого, делает он вывод,нужно иметь в этих точках часы, причем эти часы должны быть одинаковонастроены и идти синхронно. Но как узнать, что двое часов, помещенных вразличных местах пространства, идут синхронно; или, то же самое, какузнать, что два события в различных точках пространства, скажем на Земле ина Луне, происходят одновременно. Для достижения синхронности, можновоспользоваться световыми сигналами. Из нового понимания одновременности, осознания его относительностиследуют совершенно революционные выводы о закономерностях пространственно-временных отношений вещей. Прежде кто необходимость признанияотносительности размеров тел. Чтобы измерить длину тела, нужно отметить егограницы на масштабе одновременно. Однако то, что одновременно длянеподвижного и в наблюдателя, уже не одновременно для движущегося, поэтомуи длина тела, измеренная разными наблюдателями, которые движутсяотносительно друг друга с различными скоростями, должна быть различна. На следующем этапе становления специальной теории относительности этимобщим идейным рассуждениям Эйнштейн придает математическую форму и, вчастности, выводит формулы преобразования координат и времени —преобразования Лоренца. Но у Эйнштейна эти преобразования имеют иной смысл:одно и то же тело имеет различную длину, если оно движется с различнойскоростью, относительно системы, в которой эта длина измерялась. То жесамое относится и ко времени. Промежуток времени, в течение которого длитсякакой-либо процесс, различен, если измерять его движущимся с различнойскоростью часами. В специальной теории относительности размеры тел ипромежутки времени теряют абсолютный характер, какой им приписывалсяклассической физикой, и приобретают статус относительных величин, зависящихот выбора системы отсчёта, с помощью которой проводилось их измерение. Ониприобретают такой же смысл, какой имеют уже известные относительныевеличины, например, скорость, траектория и т.н. Таким образом, Эйнштейнделает вывод о необходимости изменения пространственно-временныхпредставлений, выработанных классической физикой. Кроме формул преобразований координат и времени, Эйнштейн получает такжерелятивистскую формулу сложения скоростей, показывает, что масса тела такжеявляется относительной величиной зависящей от скорости, а между массой телаи его полной энергией существует определенное соотношение. Он формулируетследующий закон: «масса тела есть мера содержащейся в нем энергии» всоотношении Е = тс2. Создание СТО было качественно новым шагом в развитии физическогопознания. От классической механики СТО отличается тем, что в физическоеописание релятивистских явлений органически входит наблюдатель сосредствами наблюдения. Описание физических процессов в СТО существенносвязано с выбором системы координат. Физическая теория описывает нефизический процесс сам по себе, а результат взаимодействия физическогопроцесса со средствами исследования. Обращая на это внимание, Эйнштейн вуже упомянутой статье «К электродинамике движущихся тел» пишет: «Суждениявсякой теории касаются соотношений между твердыми телами (координатнымисистемами), часами и электромагнитными процессами». В СТО через осознаниетого, что нельзя дать описание физического процесса самого по себе, можнотолько дать его описание по отношению к определенной системе отсчета,впервые в истории физики непосредственно проявился диалектический характерпроцесса познания, активность субъекта познания, неотрывное взаимодействиесубъекта и объекта познания. 1.2 Создание и развитие общей теории относительности Классическая механика и СТО формулируют закономерности физических явленийтолько для некоторого достаточно узкого класса инерциальных систем отсчета,не предлагая средств для реального выделения таких систем. Вполнезакономерно возникла проблема, как распространить законы физики и нанеинерциальные системы. После создания СТО Эйнштейн стал задумываться над этой проблемойприменительно к принципу относительности: «Можем ли мы сформулироватьфизические законы таким образом, чтобы они были справедливыми для всехсистем координат, не только для систем, движущихся совершенно произвольнопо отношению друг к другу? Если это можно сделать, то... тогда мы будем всостоянии применять законы природы в любой системе координат». Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщенияпринципа относительности движения — распространения принципаотносительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем.Если не приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению,то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свойсмысл и можно так сформулировать физические законы, чтобы их формулировкаимела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержаниеобщего принципа относительности. Но тогда возникал вопрос, а что же такое масса тела в системе? Существуетдва различных и независимых способа определения Массы тела: 1) черезускорение, которое вызывает любая действующий на тело сила (инертнаямасса); 2) через притяжение в поле тяготения(гравитационная масса — вестела). Независимость инертной и гравитационной масс и их эквивалентностьбыла известна в классической механике и выражалась через законпропорциональности веса и массы Р/m = g. В 1890 г. венгерский физик Л.Этвеш подтвердил факт эквивалентности инертной и гравитационной масс свысокой точностью (до 10-9, сейчас эта точность повышена до 10-12). Послеоткрытия зависимости инертной массы от скорости (релятивистские эффекты)вопрос о независимости гравитационной массы от любых свойств тела исостояний, в которых они находятся, предстал в новом свете. Нужно былоразобраться в вопросе, изменяются ли гравитационные свойства тел, если ихинерционные свойства зависят от состояния движения. Эквивалентность, существующую между ускорением и однородным полемтяготения, которая справедлива для механики, Эйнштейн считает возможнымраспространить на оптические и вообще любые физические явления. Этотрасширенный принцип эквивалентности и был положен им в основу общей теорииотносительности. Построение ОТО он завершил в 1916 г. При этом ониспользовал понятия и математический аппарат неевклидовых геометрий. Мысленные эксперименты убедительно показывали, что релятивистская физикане может основываться на евклидовой геометрии и А. Эйнштейн вводитпредставление о том, что метрика пространства-времени обусловленагравитационным полем, которое в свою очередь создано вещественнымиобразованиями: «Наш мир неевклидов. Геометрическая природа его образованамассами и их скоростями». Гравитационные уравнения ОТО стремятся раскрытьгеометрические свойства нашего мира». Эйнштейн исходил из того, чтопространственно-временной континуум носит риманов характер. А мановым (вузком смысле) называется пространство постоянной положительной кривизны.Его наглядный образ — поверхность обычной сферы. Это значит, что движениечастицы в гравитационном поле определяется кратчайшей мировой линией,которая не является прямой, но тем не менее является кратчайшей. С точки зрения ОТО пространство не обладает постоянной (нулевой)кривизной. Кривизна его меняется от точки к точке и определяется полемтяготения. Можно сказать больше: поле тяготения является не чем иным, какотклонением свойств реального пространства от свойств идеального евклидовапространства. Величина пространства тяготения в каждой точке определяетсязначением кривизны пространства в этой точке. Таким образом, движениематериальной точки в поле тяготения можно рассматривать как свободное«инерциальное» движение, но происходящее не в евклидовом, а в пространствес изменяющейся кривизной. В результате движение точки уже не являетсяпрямолинейным и равномерным, а происходит по геодезической линииискривленного пространства. Отсюда следует, что уравнение движенияматериальной точки, а также и луча света должно быть записано в видеуравнения геодезической линии искривленного пространства. В последние десятилетия своей жизни Эйнштейн усиленно занимался поисками«единой теории поля», которая бы объединила теорию тяготения и теориюэлектромагнитного поля. С точки зрения Эйнштейна, реализация этой задачипозволила бы свойства вещества вывести из представлений о свойствах поля,рассматривать вещество как такие области в пространстве, где полечрезвычайно сильно, и объяснить существование элементарных частиц. Однаконесмотря на все остроумие его методов и колоссальное упорство, ему неудалось этого достигнуть. К середине XX в. стало ясно, что работа в этомнаправлении должна осуществляться с учетом существования не двух(гравитационное и электромагнитное), а четырех типов фундаментальныхвзаимодействий.