Физика. 
Формирование новой концепции мира

Весь XIX век параллельно с формированием классической термодинамики утверждались представления об атомарной структуре вещества. Сама мысль о реальности атома давалась физикам болезненно и эмоционально, но к концу века усилиями нескольких ученых (вначале Дж. Максвелла и Б. Клайперона, позднее — Л. Больцмана) были разработаны основы кинетической теории газов и статистической механики. Понятие атома как химического элемента, минимальной реально существующей структурной единицы, постепенно перемещалось с территории химиков в модели физиков. Л. Больцман дал вероятностную трактовку второго начала термодинамики и понятия энтропии и обосновал основное молекулярно-кинетическое уравнение, что вывело это направление исследований на новый теоретический уровень и сделало этот раздел физического знания самостоятельным. Случайность, стохастичность поведения частиц в макросистемах и, как следствие, вынужденное вероятностное описание таких систем разрушали жестко детерминированный мир классической физики, но это была только часть кризиса прежней картины мира.

Формирование теории электромагнитного поля в конце XIX в. сопровождалось «брожением умов» и появлением механик, альтернативных ньютоновской. В конце XIX в. в среде ученых наблюдается два противостоящих друг другу взгляда на физику и естественную науку.

Опорой деятельности Коперника, Кеплера, Ньютона, Гюйгенса, Фарадея была их незыблемая уверенность в реальности существовавшей у них картины мира. Вслед за этими великими предшественниками Л. Больцман и М. Планк считали, что внешний мир представляет собой нечто независящее от нас, нечто абсолютное, чему противостоим мы. Этот постоянный элемент (подразумеваются мировые постоянные и связанные с ними законы) не зависит ни от какой человеческой и вообще ни от какой мыслящей индивидуальности и составляет то, что мы называем реальностью.

Это положение находилось в известном противоречии с тем направлением в философии природы, которое возглавлял Э. Мах. Согласно этому учению, в природе не существует другой реальности, кроме наших собственных ощущений, и всякое изучение природы является в конечном счете только экономным приспособлением наших мыслей к нашим ощущениям.

Периодически в истории физики возникает уже упоминавшийся в предыдущем разделе спор о том, в чем задача этой науки: объяснять или описывать явления природы? Первого мнения придерживались И. Ньютон, М. Планк, А. Эйнштейн, последнего — Г. Галилей, Дж. Максвелл, Н. Бор. В связи со становлением электродинамики в конце XIX в. под флагом борьбы с «механицизмом» ведущее место занял описательный подход, связанный с именем Дж. Максвелла. Но после того, как теория электромагнитного поля и специальная теория относительности (СТО) приняли окончательный вид в работах X. Лоренца и А. Эйнштейна, вновь стала возрождаться объяснительная установка.

Помимо гносеологических проблем, физики столкнулись и с чисто «домашними» неурядицами: необходимостью построения адекватных теоретических объяснительных схем для накопленного эмпирического материала. В течение века был составлен целый список явлений, с описанием которых классическое естествознание не справлялось: например, альтернативное деление мира на частицы и поля не могло объяснить возникновение спектров излучения и поглощения или излучение абсолютно черного тела. В конце XIX — начале XX вв. к списку проблем добавились новые — связанные с новыми открытиями:

• • в 1887 г. А. Г. Столетов изучил особенности фотоэффекта и сформулировал эмпирические законы его протекания;
• • в 1895 г. В. К. Рентген открыл «Х-лучи»;
• • в 1896 г. А. Беккерель обнаружил явление радиоактивности (естественной) и три типа радиоактивного излучения;
• • в 1897 г. Дж. Томсон открыл электрон;
• • в 1898 г. Мария и Пьер Кюри открыли новый химический элемент — радий;
• • в 1900 г. А. Бенар открыл внезапное возникновение в силиконовом масле грубчатых упорядоченных структур (ячеек Бенара) при нагреве;
• • в 1906—1912 гг. Р. Милликен определил заряд электрона;
• • в 1911 г. Э. Резерфорд экспериментально обнаружил наличие внутренней структуры атома;
• • в 1911 г. X. Камерлинг-Онесс открыл сверхпроводимость;
• • в 1912—1914 гг. Н. С. Курниковым были открыты бертоллиды — соединения переменного состава, не подчиняющиеся законам постоянных и кратных отношений;
• • в 1927 г. К. Дэвиссон и Л. Джеммер получили от рассеяния пучка электронов на кристалле картину, аналогичную рентгенограмме Лауэ — свидетельство того, что электроны, как и рентгеновские лучи, испытывают характерную для волн дифракцию;
• • в 1932 г. открыты нейтрон (Дж. Чедвик) и позитрон (К. Д. Андерсон).

Каскад открытий привел к окончательному кризису ньютоновской парадигмы. Новые физические модели, гипотезы, объяснительные схемы не заставили себя ждать. Открытия новых явлений шли параллельно с генерированием новых идей и теорий:

• • в 1900 г. М. Планк решил проблему «ультрафиолетовой катастрофы» и дал модель излучения абсолютно черного тела;
• • в 1902—1903 гг. Э. Резерфорд и Ф. Содди создали теорию радиоактивности как спонтанного распада атомов и превращения одних элементов в другие (начало ядерной физики);
• • в 1905 г. А. Эйнштейн предложил теоретическую модель фотоэффекта («Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света»);
• • в 1905 г. А. Эйнштейн разработал основы специальной теории относительности («К электродинамике движущихся сред»);
• • в 1915—1916 гг. А. Эйнштейн сформулировал новую теорию гравитации — общую теорию относительности;
• • с середины 1920;х гг. была разработана серия моделей строения атома (Л. де Бройль, Э. Шредингер, В. Гейзенберг, П. Дирак, В. Паули и др.);
• • в 1938—1939 гг. Л. Майтнер и О. Ганн описали ядерный распад и цепные ядерные реакции.

Эти работы ознаменовали переход от классической к неклассической науке. Научная революция завершилась появлением двух новых обобщений — теории относительности и квантово-механической теории, которые кардинально меняли представления об окружающем нас мире.

Как нельзя кстати здесь оказались все предшествовавшие и современные разработки в математике: взлет геометрии в XIX в. (проективная геометрия, неевклидовы геометрии, теоретико-групповой подход к геометрии), обсуждение проблемы геометрической структуры физического пространства, использование геометрических и теоретико-групповых методов в кристаллографии и механике, исчисление векторов и кватернионов — все это открыло новые математические пути развития неклассической физики.

История распространения и утверждения в научном сообществе теории относительности показывает ее огромный мировоззренческий потенциал, не сводимый к отдельным научным результатам. Это теория «многомерного мира», как бескомпромиссная, почти мистическая, борьба с абсолютной системой. И хотя и общая, и специальная теория относительности имеют веские экспериментальные подтверждения (например, точное описание орбиты Меркурия, исследование лучей света, красное смещение), альтернативные им теории не исчезли и сегодня.

Не менее глубоко повлияли на научную картину мира такие открытия физики, как корпускулярно-волновой дуализм, принцип дополнительности и соотношение неопределенностей. Парадокс «волна-частица», составляющий суть корпускулярно-волнового дуализма, состоит в том, что квантовый объект проявляет себя двояко: распространяется как волна (т.е. дает характерные интерференционные и дифракционные картины), но взаимодействует с веществом как частица.

Введенное физиками математическое представление волновых функций позволяет описывать еще одну необычную с точки зрения классической механики черту в поведении квантовой системы (частицы), фиксируемую принципом дополнительности Н. Бора и соотношением неопределенностей В. Гейзенберга. Суть последнего состоит в том, что возможные измерения разбиваются на группы совместимых величин, называемых «наборы одновременно измеримых величин». По отношению к паре взаимно несовместимых измерений соотношение неопределенностей Гейзенберга утверждает, что нижний предел произведения неопределенностей соответствующих значений измерений определяется постоянной Планка А. Поскольку для макроскопических масштабов эта величина пренебрежимо мала, в макрофизике эта несовместимость не проявляется. К несовместимым величинам, в частности, относятся координата и импульс, что приводит к невозможности описывать квантовую частицу на языке траекторий — одной из наиболее часто обсуждаемых форм парадокса «волна-частица».