1.4.5. Эпоха зарождения неклассического естествознания.

Зарождение неоклассического естествознания взаимосвязано с Дж.К. Максвеллом (1831-1879). Им были глубоко разработаны вопросы о характере движения молекул, а вместе с тем раскрыта специфика детерминизма в области молекулярного движения. «Легко увидеть, - писал он, что если столкновения имеют место для очень большого числа молекул, то их скорости станут различны, даже если они были первоначально равны… Распределяя молекулы по группам согласно их скоростям, мы можем заменить невыполнимую задачу наблюдения всех столкновений отдельной молекулы регистрацией увеличения или уменьшения числа молекул в различных группах.

Следуя этому методу, - единственно возможному как с точки зрения экспериментальной, так и математической, - мы переходим от строго динамичных методов к методам статистики и теории вероятностей». Л. Больцман (1844-1906) создал более последовательную, системно согласованную трактовку статистического характера законов движения молекул, а затем и согласовал картину хаотически движущихся молекул со вторым законом термодинамики, утверждающим направленность изменения состояния термодинамической системы в сторону возрастания энтропии. Особенно важным явилось представление Л. Больцмана о том, что в процессах, подчинённых статистическим законам, всё время возникают флуктуации – случайные отклонения от наиболее вероятного состояния. Очень редко, считал Л. Больцман, возникают и весьма большие флуктуации. На основе флуктуационной модели Л. Больцман пытался дать понятие обратимости и необратимости (равновесности и неравновесности), их зависимости от времени, в течении которого наблюдается процесс и тем самым перебрасывает мостик к постнеклассическому естествознанию.

Дж.К. Максвелл не только внёс решающий вклад в развитие молекулярно – кинетической концепции на представлениях механической картины мира, но и создал теорию электромагнитного поля, вызвавшую кризис этой картины и способствующую становлению релятивистской физической исследовательской программы. Принципиально новая ситуация возникла после открытия Х. Эрстедом в 1820 году магнитного действия электрического тока: на определённом расстоянии от проводника с током на магнитную стрелку действовала сила, которая не притягивала и не отталкивала, а лишь стремилась повернуть стрелку, т.е. действовала «вбок». Вслед за открытием Эрстеда А. Ампер доказал на опыте, что круговой электрический ток создаёт магнитное поле, направленное по оси круга. Тем самым была выявлено глубокое внутреннее единство, взаимопорождение электрических и магнитных явлений.

Эта идея привела через десять лет М. Фарадея к открытию электромагнитной индукции. Появляется понятие силовой линии, как геометрического образа силового поля, и на его основе объясняется электромагнитная индукция как процесс пересечения проводником силовых линий магнитного поля, являющийся физической причиной возникновения индукционного тока.

Весьма драматичным было противоречие между М. Фарадеем и сообществом физиков – теоретиков его времени, которых Дж. Максвелл за их формальный подход к физической теории именовал математиками: «Фарадей видел силовые линии, пронизывающие всё пространство, там, где математики видели центры сил, притягивающих на расстоянии; Фарадей видел среду там, где они не видели ничего, кроме расстояния. Фарадей предполагал источник и причину явлений в реальных действиях, протекающих в среде, они же были удовлетворены тем, что нашли их в силе действия на расстоянии, приписанной электрическим флюидам».

Теоретические работы Дж. Максвелла сыграли решающую роль в этой борьбе. В результате восторжествовала теория близкодействия и новая электромагнитная картина Мира. Весьма не простым является вопрос о методе Максвелла, послужившем основой создания им теории электромагнитного поля. Если опираться на высказывание Л. Больцмана, что «уравнение электромагнитного поля рукой Максвелла написал сам Бог», то, очевидно, можно охарактеризовать метод Максвелла как метод построения математической модели физических процессов. Огромный вклад в становление электромагнитной картины Мира внесла электронная теория Г. Лоренца (1853 - 1928) и окончательно электромагнитная картина оформилась в релятивистской физической исследовательской программе сначала в форме постулатов специальной теории относительности А. Эйнштейна (1879 - 1955).

Кратко сформулируем характерные особенности электромагнитной картины мира:
        1) В рамках электромагнитной картины мира сложилась полевая, континуальная (непрерывная) модель реальности. Мир – электродинамическая система, построенная из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля;
        2) Игнорирование дискретной, атомистической природы вещества приводит максвелловскую электродинамику к целому ряду противоречий, которые снимаются с созданием Г. Лоренцом электронной теории или микроскопической электродинамики. Последняя восстанавливает в своих правах дискретные электрические заряды, но она сохраняет и поле как объективную реальность;
        3) Принцип дальнодействия заменяется принципом близкодействия – взаимодействия любого характера передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью;
        4) Возникает новый тип движения – электромагнитная волна как процесс распространения электромагнитных колебаний в поле, которое описывается законами электродинамики. Новый тип движения подтверждается экспериментально Г. Герцем (1857 – 1894);
        5) Определяется реляционная (относительная) концепция пространства и времени; пространство и время связаны с процессами, происходящими в поле, т.е. они несамостоятельны и зависимы от материи;
        6) А. Эйнштейн ввёл в электромагнитную картину мира идею относительности пространства и времени и в то же время идею единства пространственно – временных отношений на основе инвариантности (неизменности) относительно инерциальной системы отсчёта четырёхмерного пространственно – временного интервала.

Особую же роль в зарождении неклассического естествознания сыграло проникновение физиков в глубь микромира, привёдшее к открытию первой элементарной частицы – электрона (1897) (Д. Томсон (1856 - 1940)) и расширению спектра электромагнитных волн. Были открыты рентгеновские лучи (1895) и возникла концепция рентгеноструктурного анализа вещества (В. Рентген (1845 – 1906), М. Лауэ (1879 – 1960) и др.). Была открыта радиоактивность (1896) А. Беккерелем (1852 – 1908) и возникает концепция естественной, а в ХХ веке и искусственной радиоактивности (П. Кюри (1859 – 1906), М. Склодовская – Кюри (1867 – 1943), Э. Резерфорд (1871 – 1937), Ф. и И. Жолио – Кюри (1900 – 1958, 1897 – 1956).

И всё – таки родоначальником неклассического естествознания является М. Планк, выдвинувший и обосновавший квантовую гипотезу – ключ к субатомному миру. Человек всегда использовал тепловое (электромагнитное) излучение, но физическая природа света в плане непрерывного или дискретного характера излучения оставалось неразрешённым парадоксом. В классической физике в конечном итоге победила дискретность вещества и непрерывность физического поля, а следовательно и континуальность электромагнитного излучения.

Однако, экспериментально установленный характер спектральных кривых теплового излучения не удалось объяснить с точки зрения классических представлений. Выход был найден на основе предпочтения (гипотезы): атомы излучающего тела отдают электромагнитную энергию порциями (квантами), причём энергия W одного кванта пропорциональна частоте излучения v:

Эту революционную для всего естествознания квантовую гипотезу предложил в 1900 г. Макс Планк (постоянная h носит его имя). Квантовая гипотеза послужила основой и для объяснения внешнего фотоэффекта, открытого Г. Герцем, который заключается в испускании электронов поверхностями металлов при их освещении. Законы внешнего фотоэффекта, в частности, существование длины волны («красной границы» фотоэффекта), при которой фотоэффект прекращается, были необъяснимы с точки зрения классической физики. Выяснить механизм внешнего фотоэффекта позволило предположение А. Эйнштейна о том, что свет не только излучается, но и поглощается квантами. Следовательно, распространение света также связано с переносом отдельных порций световой энергии. Такое расширение квантовой гипотезы позволило Эйнштейну разработать теорию внешнего фотоэффекта (1905), которая объяснила все известные из опыта закономерности этого явления.

В результате физики пришли к пониманию света как потока особых частиц – фотонов, каждый из которых обладает квантом энергии hv и распространяется со скоростью с. Итак, сложился парадокс, требующий гениального разрешения по схеме совмещения «и – и» с включением и вероятностного детерминизма описания микромира. Дело в том, что обнаружение у света корпускулярных свойств не означает ошибочности существовавших представлений о его волновой природе. Волновые свойства света экспериментально доказаны в оптике абсолютно надежно.

В результате парадокс разрешился на основе понимания света как физического явления совершенно необычного для классической физики типа – в нем сочетаются свойства потока частиц (корпускул, обладающих определенной энергией и импульсом) и волнового процесса (характеризуемого длиной волны и частотой). Такое неразрывное единство физически принципиально различных свойств светового излучения стали именовать корпускулярно – волновым дуализмом света.

Затем Луи де Бройлем в 1924 г. концепция корпускулярно-волнового дуализма была распространена на все микрообъекты материи. В современной физике оформилась концепция корпускулярно-волнового дуализма всех микрочастиц как полевой, так и вещественной форм материи. Неклассический подход к материи формулируется в одной из основных идей общего естествознания: «Всё: материя, энергия, квантовые характеристики частиц – выступают дискретными величинами, и нельзя измерить ни одну из них, не изменив её». Возникла флуктуационная модель неклассического естествознания Н. Бора – В. Гейзенберга.

Её становлению способствовала квантовая (квазиклассическая) теория атома (1903) Н. Бора (1885 – 1962) на основе концепции планетарной модели атома Э. Резерфорда (1911). Н. Бор и А. Зоммерфельд предложили модель атома водорода, построенную на основе соединения классических представлений с квантовыми постулатами: существуют стационарные орбиты, находясь на которых электрон не излучает (вопреки законам электродинамики); атом излучает квант света только тогда, когда электрон перескакивает с одной стационарной орбиты на другую.

Зарождению неклассического естествознания способствовали и другие естественные науки, прежде всего химия, занятая классификацией химических элементов и соединений и теорией химической связи для объяснения своих химических моделей вещества и структуры органических и неорганических соединений, а также становлением взаимосвязи физики и химии, которая в середине ХХ века оформится в физической химии как учение о химических процессах. Этому взаимодействию физики и химии способствовали и загадки физико- химической природы Периодического закона химических элементов. Самое же удивительное заключается в пересечении идеи о дискретности материи и энергии с генетической концептуальной программой наследственности и изменчивости, в которой Г. Мендель (1822 – 1884) свои законы наследственности (1865) вывел на основе статистического подхода к гибридной селекции, введя и дискретные альтернативные признаки – аллельные гены.

• Эпоха современного естествознания была подготовлена эпохой «крушения» механистического естествознания и зарождения неклассического естествознания, поэтому ХХ век стал веком колоссальных научных и технических достижений.

Схема 12. Концептуальные программы и основные концепции эпохи зарождения неклассического естествознания (конец XIX – начало XX вв.).