Третья глобальная научная революция

Третья глобальная научная революция охватывает период с конца XIX века и до середины XX столетия. В этот период были окончательно преодо­лены остатки прежних механистических представлений о мире, созданы принципиально новые, квантово-релятивистские представления о физиче­ской реальности, резко интенсифицировался процесс математизации науки, в особенности, физики (многие новые результаты в физике стало возможным получить только математическим путем).

Еще в конце XIX в. большинство ученых склонялись к точке зрения, что физическая картина мира в основном построена и останется в дальней­шем незыблемой. Предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятилетия XX века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных открытий, сделанных в течение чрезвычайно короткого исторического периода, охватывающего последние годы XIX сто­летия и первые десятилетия ХХ в.

В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерелъ от­крыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Однако природа нового явления еще не была понята. В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. Прежде всего, их заинтересовал вопрос: нет ли других веществ, обладающих свойством, ана­логичным урану? В 1898 г. были открыты новые элементы, также обладаю­щие свойством испускать «беккерелевы лучи», - полоний и радий. Это свойство супруги Кюрина назвали радиоактивностью. Их напряженный труд принес щедрые плоды: с 1898 г. одна за другой стали появляться статьи о получении новых радиоактивных веществ.

А годом раньше, в 1897 г., в лаборатории Кавендиша и Кембридже при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) английский фи­зик Джозеф Джон Томсон открыл первую элементарную части­цу - электрон. В последующих опытах по измерению заряда электрона и получению отношения этого заряда к массе было обнаружено совершенно не­обычное явление зависимости массы электрона от его скорости. В 1911 г. знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд предложил свою модель атома, которая получила название планетар­ной. По его мнению, атом подобен Солнечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него. Нильс Бор, предложил свое представление об атоме. Зная о модели Резерфорда и приняв ее в качестве исходной, Бор разработал квантовую теорию строения атома. В ее основе лежали следующие постулаты: в любом атоме существуют дискретные (стационар­ные состояния), находясь в которых атом энергию не излучает; при переходе атома из одного стационарного состояния в другое он излучает или погло­щает порцию (квант) энергии. Предложенная Бором модель атома, которая возникла в результате развития исследований радиоактивного излучения и квантовой теории, факти­чески явилась дополненным и исправленным вариантом планетарной модели Резерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда — Бора.

Наука XX века принесла немало сенсационных открытий, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденно­го человеческого опыта. Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале нашего столетия мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном. В 1905 г. им была создана так называемая специальная теория отно­сительности. В этой теории было установлено, что пространственно-временные свойства тел меняются с изменением скорости их движения. По мере приближения скорости движения тела к скорости света его линейные размеры сокращаются в направлении движения, а ход времени замедляется. Эти выводы специальной теории относительности нашли экспериментальное подтверждение.

Новые аспекты зависимости пространственно-временных характеристик от материальных процессов раскрыла общая теория относи­тельности. Согласно этой теории пространство в разных частях Вселенной имеет различную кривизну и описывается неевклидовой геомет­рией. Кривизна пространства обусловлена действием гравитационных полей, создаваемых огромными массами космических тел. Эти поля вызывают и замедление хода протекания материальных процессов.

В 1924 г. произошло крупное событие в истории физики: французский ученый Луи де Бройль выдвинул идею о волновых свойствах ма­терии. Наиболее убедительное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате открытия (наблюдений) ди­фракции электронов в эксперименте, поставленном в 1927 г. американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном и Лестером Джермером. Быстрые электроны, проходя сквозь очень тонкие пластинки ме­талла, вели себя подобно свету, проходящему мимо малых отверстий или узких щелей.

Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее широкой физической теории -квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, обнаружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире. Прежде всего - это корпускулярно-волновая двойственность, или дуализм элементарных частиц (это и корпускулы и волны од­новременно, а точнее - диалектическое единство свойств тех и других). Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Например, положение элементар­ной частицы в пространстве в каждый момент времени не может быть опре­делено с помощью системы координат, как для привычных нам тел окру­жающего мира. Движение микрочастиц подчиняется законам квантовой ме­ханики.

Начавшийся еще в XIX веке переход физической науки к изучению электромагнитного поля, усиливающийся процесс математизации физики, появление в XX столетии совершенно новых, квантово-релятивистских взглядов на физическую реальность повлекли за собой потерю прежних на­глядных представлений, которыми характеризовалась классическая механи­ка. Потеря той наглядности, которая была естественной для механики, имевшей Дело с медленными движениями и большими массами объектов Макромира, и углубление познания в весьма сложные, совершенно необыч­ные для «здравого смысла» процессы микромира, потребовали изменения стиля научного мышления.

В 1922 году отечественный математик и геофизик А.А. Фридман нашел решение уравнений общей теории относительности для замкнутой расширяющейся Вселенной. Он установил, что искривленное про­странство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Уравнения Фридмана теоретически обосновали нестационарность Вселенной.

На теоретические выводы А.А. Фридмана ученые не обращали внима­ние вплоть до открытия американским астроном Эдвином Хабблом в 1929 году так называемого «красного смещения». Дело том, что еще в XIX веке ав­стрийский физик и астроном Кристиан Доплер обнаружил следующее яв­ление: если источник света приближается, спектральные линии смещаются в сторону более коротких волн, если удаляется - в сторону более длинных (красных) волн. Это явление было названо эффектом Доплера. Э.Хаббл от­крыл «красное смещение» для всех далеких источников света. «Красное смещение» оказалось пропорциональным расстоянию до источника, что подтверждало гипотезу о расширении видимой части Вселенной. Тем са­мым теоретически построенные Фридманом модели нестационарной Все­ленной были обоснованы результатами наблюдений.

Существуют два различных варианта моделей Фридмана. Если сред­няя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической вели­чины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бес­конечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет про­должаться всегда. В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той же критической величины, тогда гравитационное поле, порожденное ма­терией, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом слу­чае представляет собой нечто вроде гигантской сферы. Гравитационные поля достаточно сильны для того, чтобы, в конце концов, остановить рас­ширение Вселенной. Поэтому рано или поздно она начнет снова сжимать­ся к состоянию бесконечно большой плотности.

В 1965 году американские ученые-астрономы А.Пензиас и Р.Вильсон сделали с помощью радиотелескопа - устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов, - открытие большой важности. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фо­новое радиоизлучение, названное известным отечественным ученым И.С. Шкловским реликтовым. Реликтовое радиоизлучение образовалось на раннем этапе существования Вселенной, когда ей было всего около 3 млрд. лет.

Два экспериментально установленных положения - расширение Вселенной и реликтовое излучение - являются убедительными довода­ми в пользу так называемой теории «Большого взрыва», ставшей обще­признанной, во второй половине XX века.

XX век явился продолжением не менее интенсивного прогресса и в био­логии. В 1900 году голландским ученым-биологом X. де Фризом, немецким ученым-ботаником К.Э.Корренсом и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом независимо друг от друга и почти одновременно вторично были открыты и стали всеобщим достоянием зако­ны наследственности, установленные Менделем. Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят прин­цип дискретности в явлениях наследственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и признаков родителей были значительно расширены. Было принято понятие «ген», введенное известным датским биологом Вильгельмом Иогансоном в 1909 году и означающее единицу наследственного материала, ответственного за передачу по наследству определенного признака. Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содер­жащего дезоксирибонуклеиновую кислоту - высокомолекулярное соединение, носитель наследственных признаков.

Развитию генетики способствовали в большой мере исследования из­вестного американского биолога, одного из основоположников этой науки Томаса Ханта Моргана. Он сформулировал хромосомную тео­рию наследственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за исключением половых) имеют на­боры парных хромосом, однотипных хромосом от женского и мужского орга­низмов. Хромосомная теория наследственности сделала более понятными яв­ления расщепления в наследовании признаков.

Важным событием в развитии генетики стало открытие мутаций — внезапно возникающих изменений в наследственной системе организмов, ко­торые могут привести к устойчивому изменению свойств гибридов, переда­ваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спонтанными мутациями), либо искусственно вызываемым воз­действиям (такие мутации часто именуют индуцированными). Все виды жи­вых организмов (как растительных, так и животных) способны мутиро­вать, т.е. давать мутации. Это явление - внезапное возникновение новых, передающихся по наследству свойств - известно в биологии давно. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и сам термин «мутации».

Было обнаружено, что индуцированные мутации могут возникать в результате радиоактивного облучения организмов, а также могут быть вы­званы воздействием некоторых химических веществ. Отечественный уче­ный-микробиолог Г.А. Надсон вместе со свои­ми коллегами и учениками обнаружил в 1925 году влияние радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский гене­тик Г.Д. Меллер установил в 1927 году в опытах с дрозофилами сильное му­тагенное действие рентгеновских лучей. В дальнейшем было понято, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает му­тации.

Достижения генетики (и биологии в целом) оказались столь значи­тельными, что было бы удивительно, если бы они никак не повлияли на дарвиновскую теорию эволюции. Развитие биологии и входящей в нее со­ставной частью генетики, во-первых, еще более укрепило дарвиновскую теорию эволюции живой природы и, во-вторых, дало более глубокое толко­вание (соответствующее достигнутым успехам в биологии) понятиям измен­чивости и наследственности, а, следовательно, всему процессу эволюции живого мира.

Наиболее поразительные достижения биологии уже в первой полови­не XX века были связаны с изучением процессов, происходящих на молеку­лярном уровне. У.Астбери ввел в науку термин «молекулярная биология» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е годы XX века почти повсеместно господствовало мнение, что гены представляют собой особый тип белковых молекул, в 1944 году О. Двери, К. Маклеод и М. Маккарти установили, что генетические функции в клетке выполняет не белок, а ДНК. Дальнейшие исследования показали, что ген является опре­деленной частью ДНК и носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК - носитель всей наследственной информации организма. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для дальнейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте).

Несмотря на молодость молекулярной биологии, успехи, достигнутые в этой области, ошеломляющи. За сравнительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизве­дения и функционирования. Выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Была определена первичная структура многих транспортных РНК. Установлены основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогене­за в клетке. Все эти успехи выдвинули биологию в ряды лидеров естество­знания XX века.

Возрастание роли процессов управления в общественной практике первой поло­вины XX столетия, развитие военной техники и новых форм автоматизации производства привели к созданию особой научной дисциплины — киберне­тики. К ее научно-техническим предпосылкам следует отнести развитие ра­диотехники и электроники, а также появление электронно-вычислительных машин. Возникнув в 40-х годах XX века, электронно-вычислительная техни­ка прошла в последующие десятилетия огромный путь своего развития и явилась технической базой кибернетики. Практика радиотехники послужила основой для создания такой важнейшей составной части кибернетики как теория информации. Другим направлением прогресса физико-математических наук, форми­ровавшим теоретический фундамент кибернетики, явилась математическая логика, в рамках которой было, в частности, разработано учение об алгорит­ме. Еще одна группа идей, подготовивших возникновение кибернетики, была связана с прогрессом биологических наук. Успехи в изучении высшей нервной деятельности животных и человека создали предпосылки для по­пыток технического моделирования некоторых психических процессов.

Сложный комплекс социально-экономических условий, естественнонаучных и технических достижений создал ту «питательную сре­ду», на базе которой успешно развивались работы, приведшие к формиро­ванию ряда исходных принципов кибернетики. После того как была вскрыта общность в функционировании биологических и ряда технических систем, стало возможным оформить все это в виде общей теории об управлении и связи в живых организмах и некоторых технических самоуправляемых уст­ройствах (в искусственно созданных из неживого субстрата системах с са­моорганизующимися процессами - типа автоматических вычислительных машин и самонастраивающихся автоматов). Это и было сделано американским математиком К. Винером, опубликовавшим в 1948 г. книгу «Киберне­тика, или управление и связь в животном и машине». Данная работа Вине­ра, а также известная книга фон Неймана и О. Маргенгитерна «Теория игр и оптимальное поведение» (1944 г.) оказались весьма продуктивными для раз­работки электронно-вычислительной техники.

Заметим, что при создании кибернетики ставилась более или менее ограниченная задача: объяснить принципы действия новой системы управ­ления (в которой автоматы выполняют функции, аналогичные мышлению человека) и теоретически обосновать закономерности функционирования этой системы. Но так как невозможно было обойтись без использования совершенно новых понятий, характеризующих важнейшие процессы в управлении технических и биологических систем (к ним относятся поня­тия информации, обратной связи, самоорганизации и др.), то первоначально поставленная задача вскоре утратила свою ограниченность. В результате была создана теория, охватывающая более обширную область знания: процессы управления в живых (биологических), неживых (технических) и социальных системах.

Кибернетика как одно из направлений неклассической науки сере­дины XX века «обеспечивала значительное расширение поля исследуемых объектов, открывая пути к освоению сложных саморегулирующихся сис­тем... Именно включение таких объектов в процесс научного исследования вызвало резкие перестройки в картинах реальности ведущих областей ес­тествознания. Процессы интеграции этих картин и развитие общенаучной картины мира стали осуществляться на базе представлений о природе как сложной динамической системе».

Новая (для середины XX века) интегративная научная дисциплина - кибернетика сыграла свою роль в развитии научной картины мира. Ее прин­ципы имели революционный характер, ибо отражали важные закономерно­сти объективного мира, касающиеся функционирования различных по своей природе самоуправляемых систем - независимо от вида и формы движения материи.