Революция в естествознании в первой половине XX века

Первой проблемой, поставившей в тупик физиков, было открытие в 1896 году французским физиком Антуаном Анри Беккерелем (1852-1908) явления радиоактивности солей урана. Через два года французские физики супруги Пьер (1859-1906) и Мария (1867-1934) Кюри открыли новые радиоактивные вещества химические элементы радий и полоний. Оказалось, что в результате радиоактивных реакций атомы одних элементов превращались в другие, при этом возникали различные элементарные частицы высоких энергий. В рамках классической физики явление радиоактивности объяснению не поддавалось. Было показано, что представления о неделимости атома ошибочны. Кроме того классической физикой не могла быть объяснена периодическая зависимость свойств химических элементов от заряда атомного ядра.

Второй проблемой, была проблема строения атома. В 1897 году английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл элементарную частицу электрон. Выяснив, что электрон является составной частью атома, он попытался построить его физическую модель. Отрицательно заряженные электроны в его модели плавали в положительно заряженном ядре как изюминки в куске теста. В 1911 году английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) в своих знаменитых экспериментах доказал несостоятельность этой модели. Согласно новым опытным данным электроны должны вращаться вокруг ядра подобно тому, как планеты вращаются вокруг Солнца. Но, если электрон вращается, то неизбежно, согласно электродинамике Максвелла, теряет энергию, и, в конце концов, должен будет упасть на положительно заряженное ядро. Исходя из классических представлений данную проблему разрешить было невозможно.

Третьей проблемой, была проблема дискретности теплового излучения. Изучая, каким образом должен излучать тепловую энергию идеальный излучатель, немецкий физик Макс Планк (1858-1947) пришёл к выводу, что излучение должно иметь дискретный характер. Этот вывод опять же никак не согласовался с классическими представлениями физики о непрерывности физических процессов.

Учёные понимали, что причины кризиса кроются не в ошибочности и несовершенстве отдельных теорий, а в неполноте оснований физики. Таким образом, в начале ХХ века объективно назрела необходимость коренного пересмотра основ классической научной картины мира.

Начало новой научной революции можно датировать 1905 годом. Молодой немецкий физик Альберт Эйнштейн создаёт специальную теорию относительности. В господствовавшей до этого механистической картине мира предполагалось, что пространство абсолютно и неизменно, и существует независимо от материи и её движения. Время также считалось абсолютным и одинаково текущим в любой точке пространства. Специальная теория относительности опровергла эти положения и показала, что свойства пространства, и течение времени прямо зависят от движения тел. В каждой движущейся системе отсчёта своё пространство и время, то есть они относительны. Позже Эйнштейн создаёт общую теорию относительности, в которой принцип относительности распространяется и на системы отсчёта, движущиеся с ускорением, и находящиеся в гравитационном поле. Таким образом, он создаёт новую (после Ньютона) теорию гравитации.

Альберт Эйнштейн в том же 1905 году публикует статью, посвящённую явлению фотоэффекта. Используя понятие кванта, он убедительно доказывает, что свет должен иметь свойства частицы. Но ещё ранее Максвелл теоретически обосновал, что свет это не что иное, как электромагнитная волна. Получался парадокс: свет это одновременно и частица и волна. При распространении в пространстве свет проявляет волновые свойства, при излучении и поглощении корпускулярные.

Для того чтобы разрешить это противоречие в 1924 году французский физик Луи де Бройль выдвинул гипотезу о том, что любая материальная частица, любое материальное тело должны обладать волновыми свойствами. Наиболее ярко дуализм «волна-частица» проявляется в микромире.

Законы квантовой механики оказались совершенно не похожими на законы механики классической. Например, невозможно точно определить траекторию движения частицы, её местоположение и другие параметры. Можно лишь говорить о вероятностном значении тех или иных параметров. Математически эти законы были оформлены немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901-1976). Он вывел закон, названный законом соотношения неопределённостей, согласно которому невозможно одновременно установить точные значения местоположения элементарной частицы и её импульс.

Теорией относительности было отвергнуто бытовавшее со времён Ньютона представление об абсолютности и независимости друг от друга пространства и времени. Пространство и время не абсолютны, а относительны, ибо зависят от скорости системы отсчёта и от распределения масс вблизи неё.

Если раньше физики надеялись, что все взаимосвязи физических явлений можно в принципе описать в терминах причинно-следственных связей, то теперь они были вынуждены отказаться от этой идеи. Оказалось, что в микромире невозможно заранее предсказать поведение тех или иных объектов и систем. В квантовой механике можно говорить лишь о вероятности явлений.

Квантовая механика показала, что невозможно построить объективную картину физической реальности, т.к. нельзя устранить влияние на картину мира субъекта - наблюдателя реальности. Теоретическое описание объекта неизбежно будет зависеть от способа его наблюдения, тем самым, наблюдатель становится неотъемлемой частью теории.

Таким образом, наступил новый неклассический этап развития естествознания. Он продолжается по сей день.