Становление и развитие неклассической науки

Среди важнейших открытий XX в. — ядерная физика, теория физического взаимодействия; новая космология, основанная на теории Большого взрыва; эволюционная химия; открытие тайн жизни в биологии и др. Но подлинным прорывом неклассической науки стала кибернетика, воплотившая идеи системного подхода, а также синергетика и неравновесная термодинамика, основанные на методе глобального эволюционизма.

Эра неклассической науки в физике и теории физического взаимодействия условно началась в 1900 г. с доклада Макса Планка (1858−1947) «К теории распределения энергии излучения в нормальном спектре». Нобелевский лауреат, немецкий физик Планк, решая проблемы термодинамики, в том числе исследуя проблемы излучения нагретого абсолютно черного тела, предположил, что энергия излучается малыми порциями — квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Энергию кванта и частоту излучения связывает универсальная постоянная, которая входит во все уравнения физики микромира и называется постоянной Планка. Было обнаружено также, что масса электрона зависит от его скорости. Эти исследования послужили основанием квантовой физики. Планк совместно с трудами Бора заложил основы квантовой механики для описания явлений микромира.

Нобелевский лауреат, датский физик-теоретик Нильс Бор (1885−1962) в своей революционной статье «О строении атомов и молекул» предложил модель атома, в которой электроны вращались по строго определенным орбитам, излучая энергию только в момент перехода из одной орбиты на другую. Бор создал квантовую теорию атома и основы квантовой механики, в соответствии с которой атом и атомные системы могут длительно пребывать только в особенных стационарных состояниях, каждому из которых отвечает определенная энергия. В стационарном состоянии атом не излучает электромагнитных волн. Излучение света происходит при переходе электрона из стационарного состояния с большей энергией в стационарное состояние с меньшей энергией. Энергия излученного фотона равна разности энергий стационарных состояний. Он сформулировал так называемый «принцип соответствия», согласно которому наличие переходов между стационарными орбитами с большими квантовыми числами должно давать излучение с частотой, совпадающей с частотой обращения электрона. Этот принцип связывал квантовую теорию с классической физикой.

Уже в 1920;х гг. аппарат квантовой теории был развит нобелевскими лауреатами, немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901;1976) и австрийским физиком Эрвином Шредингером (1887−1961) до такой степени, что позволял с математической точностью описывать наблюдаемое в эксперименте поведение элементарных частиц.

Гейзенберг активно участвовал в создании квантовой теории поля, изучающей поведение квантовых систем с бесконечно большим числом степеней свободы, являющейся теоретической основой описания микрочастиц, их взаимодействий и превращений. Результатом его исследований стало построение квантовой электродинамики, которая учитывала бы не только наличие квантованного электромагнитного поля, но и его взаимодействие с релятивистскими заряженными частицами.

Шредингер получил ряд фундаментальных результатов в области квантовой теории, которые легли в основу волновой механики: сформулировал волновое уравнение (уравнение Шредингера), разработал волномеханическую теорию возмущений, предложил оригинальную трактовку физического смысла волновой функции, показал связь волновой механики и классической механики сплошных сред.

Лауреат Нобелевской премии по физике Альберт Эйнштейн (1879−1955) уже в одной из своих первых работ «К электродинамике движущихся тел» выдвинул два важных постулата: всеобщий принцип относительности и постоянство скорости света. На основе этих постулатов он разработал специальную теорию относительности, описывающую законы механики и пространственно-временные отношения при произвольных скоростях движения, в том числе близких к скорости света. Эйнштейн сделал вывод, что описание любого события зависит от системы отсчета, в которой находится наблюдатель, изменение системы отсчета приводит к изменению описания события. Но для всех систем отсчета, движущихся с постоянной скоростью, законы природы от наблюдателя не зависят и их описания будут одинаковы. Он предположил, что классическая механика представляет собой приближенный случай электромагнитной кинематики для малых скоростей.

Позднее Эйнштейн развивает теорию относительности, создав геометрическую теорию тяготения как проявление свойств геометрии четырехмерного неевклидова пространства. Он предположил, что материальным носителем гравитации является искривленное пространство-время, причиной которого является присутствие материи с большой энергией. В результате гравитационного замедления время протекало по-разному для тех, кто двигался с разной скоростью. Вблизи больших масс оно замедлялось, а при определенных обстоятельствах могло и совсем остановиться. Эта теория была названа общей теорией относительности.

Работы нобелевского лауреата английского физика Поля Дирака (1902— 1984) «К теории квантовой механики», «Квантовая теория испускания и поглощения излучения», «Квантовая теория электрона», «Теория электронов и протонов» и другие заложили основы квантовой механики и электродинамики, квантовой теории поля, теории элементарных частиц. Он являлся автором общей теории преобразований, объединившей в качестве частных случаев волновую и матричную механику, а также основ вторичного квантования и квантования систем со связями, многовременного формализма. Предложенное им релятивистское уравнение электрона позволило естественным образом объяснить спин и ввести представление об античастицах.

Весомый вклад в развитие квантовой теории внесли советские физики. Академик Владимир Александрович Фок (1898−1974) ввел фундаментальные понятия и установил ряд важных соотношений в квантовой механике, квантовой электродинамике и квантовой теории поля. Разработал новую интерпретацию обшей теории относительности как теории тяготения, которую изложил в монографии «Пространство, время, тяготение».

Академик Андрей Дмитриевич Сахаров (1921;1989) одним из первых провел работу по управляемой термоядерной реакции и созданию термоядерного оружия.

Совегскис физики Павел Алексеевич Черенков (1904;1990), Илья Михайлович Франк (1908;1990) и Игорь Евгеньевич Тамм (1895−1971) в 1958 г. получили Нобелевскую премию за открытие и научное обоснование так называемого эффекта Черенкова. Еще в 1934 г. Черенков обнаружил, что заряженные частицы, проходя с очень большими скоростями сквозь прозрачные жидкости, вызывают специфическое голубое свечение, и установил основное его свойство — направленность излучения, образование светового конуса, ось которого совпадает с траекторией движения частицы. Франк и Тамм дали теоретическое описание эффекту Черенкова, которое позволило создать новый метод детектирования и измерения скорости высокоэнсргетичсских ядерных частиц.

Выдающийся советский физик-теоретик, нобелевский лауреат Лев Давидович Ландау (1908;1968) провел незаурядные исследования по сверхпроводимости и сверхтекучести гелия и нашел основные уравнения гидродинамики и термомеханического эффекта такой жидкости. Ландау интенсивно занимался физикой атомного ядра и элементарных частиц, физикой плазмы, создал теорию колебаний электронной плазмы, квантовую теорию диамагнетизма, новую теорию множественного рождения частиц при столкновениях быстрых частиц. Он исследовал принципиальные вопросы квантовой механики, квантовой электродинамики и квантовой теории поля, в развитие которых внес значительный вклад.

Лауреат Нобелевской премии, советский физик Петр Леонидович Капица (1894−1984) открыл явление сверхтекучести жидкого гелия и его необычно высокую теплопроводность. Он также широко известен своими работами в области физики низких температур, сверхсильных магнитных полей и удержания высокотемпературной плазмы. Капица внес значительный вклад в общую теорию электронных приборов и создал магнетронные генераторы непрерывного действия, экспериментально обнаружил образование высокотемпературной плазмы в высокочастотном разряде.

Нобелевские лауреаты, советские и российские физики Николай Геннадиевич Басов (1922;2001) и Александр Михайлович Прохоров (1916;2002) установили принцип усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами, что позволило создать первый квантовый генератор (мазер) на пучке молекул аммиака. Эти исследования, а также предложенная ими трехуровневая схема создания инверсной населенности уровней, нашедшая широкое применение в мазерах и лазерах, легли в основу нового направления в физике — квантовой электроники.

Российский физик, нобелевский лауреат Жорес Иванович Алферов (1930), активно исследуя полупроводниковые гетероструктуры, представляющие собой сочетание нескольких слоев из разных полупроводников друг на друге, обнаружил, что в таких системах возникает эффект сверхинжекции — резкой концентрации электронов. Эти носители заряда под действием электрического поля способны синхронно излучать свет с той же длиной волны, создавая эффект лазера. Этот эффект внес значительный вклад в развитие высокоскоростной оптоэлектроники, а также вклад в промышленное производство миниатюрных бытовых лазерных устройств.

Российский физик-теоретик Виталий Лазаревич Гинзбург (1916;2009) и советский физик, эмигрировавший в 1991 г. в США, Алексей Алексеевич Абрикосов (1928) в 2003 г. стали лауреатами Нобелевской премии за создание теории проводимости так называемых сверхпроводников второго рода, сохраняющих свои свойства даже в присутствии сильного магнитного поля и способных пропускать магнитный поток в виде квантованных вихрей при температуре ниже критической.

Нобелевские лауреаты, российско-британский физик Константин Сергеевич Новоселов (1974) и его руководитель, советско-голландский физик Андрей Константинович Гейм (1958), изобрели технологию получения двумерного одноатомного слоя углерода — графена и исследовали его свойства при низких температурах и воздействии магнитных полей. Они установили, что графен обладает повышенной прочностью, хорошо проводит электричество, превосходит все известные материалы по теплопроводности, прозрачен для света, что делает его перспективным материалом для новых промышленных разработок — создания сенсорных экранов, световых панелей, солнечных батарей.

Теория физического взаимодействия основательно изменила и взгляды на рождение Вселенной, ее структуризацию и развитие. Новая космология была основана на теории Большого взрыва, перед которым Вселенная находилась в сингулярном состоянии. Одним из первых теорию нестационарной Вселенной выдвинул российский и советский математик и геофизик Александр Александрович Фридман (1888−1925). Согласно этой теории вначале был взрыв, который произошел одновременно и повсюду во Вселенной, заполнив пространство очень плотным веществом, из которого через миллиарды лет образовались все наблюдаемые тела Вселенной — звезды, галактики и планеты. Его исследования показали, что при расширении Вселенной должно наблюдаться красное спектральное смещение, возрастающее пропорционально расстоянию от Земли до удаленных галактик. Это явление может быть следствием эффекта Доплера или гравитационного красного смешения. Результаты астрономических наблюдений американского астронома Эдвина Хаббла (1889−1953) позволили в 1929 г. обнаружить связь между расстоянием до межгалактических туманностей и скоростью их удаления. Эта зависимость стала известна как Закон Хаббла.

Независимо от Фридмана предположение о расширяющейся Вселенной высказал бельгийский астрофизик Жорж Леметр (1894−1966). Он заявил, что расширяющаяся Вселенная наполнена движущимися и расширяющимися гигантскими звездными системами — галактиками и внегалактическими туманностями.

Сейчас теорию Большого взрыва сочетают с космологической моделью Горячей Вселенной, в которой эволюция расширяющейся Вселенной начинается с состояния плотной и очень горячей плазмы, состоящей из элементарных частиц. Впервые эту модель в 1948 г. предложил американский (до 1933 г. советский) физик, ученик Фридмана Георгий Антонович Гамов (1904;1968). В соответствии с этой моделью в горячем и плотном веществе за очень короткое время произошли ядерные реакции, в ходе которых были синтезированы легкие химические элементы. Наиболее существенное предсказание, вытекающее из этой модели, — наличие реликтового излучения со спектром, близким к спектру абсолютно черного тела, возникшего в момент рекомбинации ионов и электронов в нейтральные атомы. Именно сочетание теории Большого взрыва с теорией Горячей Вселенной, подкрепляемое существованием реликтового излучения, и составляет основу Новой космологии.

Эволюционная химия представляет собой четвертую концепцию химической теории, основанную на химической эволюции и самоорганизации материи во времени: от атомов и простейших молекул до живых организмов. Самоорганизация — это самопроизвольное повышение упорядоченности уровней сложности качественно изменяющихся химических систем. Определяющая роль в самоорганизации принадлежит самосовершенствующимся катализаторам, активирующим молекулы реагентов и повышающим скорость химических реакций, которые отбирались в ходе химической эволюции. Они были открыты американскими химиками в 60-х гг. прошлого века.

Позднее это позволило профессору МГУ Александру Прокофьевичу Руденко (1925) разработать теорию саморазвития открытых каталитических систем. Сущность основного закона химической эволюции состоит в том, что с наибольшей скоростью и вероятностью катализаторы эволюционируют в направлении максимального увеличения их абсолютной активности. Саморазвитие и самоорганизация систем может происходить только за счет постоянного притока энергии, источником которой являются экзотермические реакции.

В 1987 г. нобелевский лауреат, французский химик Жан-Мари Лен (1939) разработал концепцию супрамолекулярной самоорганизации и самосборки для описания явлений упорядочения в системах высокомолекулярных соединений, приводящих к образованию супермолекул. В живой природе подобными процессами являются самосборка молекул нуклеиновых кислот, матричный синтез белков. Эволюционная химия объясняет механизм биогенеза и позволяет разработать новые подходы к управлению химическими процессами.

Экспериментальные доказательства самоорганизации химических реакций были получены школой лауреата Нобелевской премии по химии, бельгийского физика и химика российского происхождения Ильи Романовича Пригожина (1917;2003). Одно из главных достижений Пригожина заключалось в обосновании существования неравновесных термодинамических систем, которые, при определенных условиях, поглощая вещество и энергию из окружающего пространства, могут совершать качественный скачок к усложнению (диссипативные структуры). Причем такой скачок нс может быть предсказан исходя из классических законов статистики.

К середине XX в. заметные позиции в естествознании, благодаря ряду фундаментальных открытий, стала занимать биология. Наиболее значимым результатом исследований стала расшифровка молекулярной структуры ДНК, которую осуществили английский молекулярный биолог и биофизик Фрэнсис Крик (1916;2004) и американский биолог Джеймс Уотсон (1928). Им удалось выявить свойства генетического кода, в том числе свойство комплиментарности (дополнительности) элементов молекулы ДНК, и построить ее пространственную модель в форме двойной спирали. Спустя несколько лет американский биохимик Артур Кронберг (1918;2007) с помощью особого фермента — полимеразы, провел биосинтез рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот, подтвердив тем самым гипотезу Крика и Уотсона, за что был удостоен Нобелевской премии.

Другим величайшим открытием в генетике стала расшифровка в 1997 г. американским биохимиком, нобелевским лауреатом Стенли Прузинером (1942) генома человека. Геном содержит информацию о химическом строении белков, необходимых для нормального роста и развития человеческого организма. Где содержится информация о пространственной организации нашего тела, характере и способностях человека, наука пока нс знает.

Открытие стволовых клеток человека стало третьим из выдающихся открытии в биологии, сделанных в XX в. Стволовые клетки — это популяция так называемых клеток-предшественников, обладающих высокой способностью делиться (пролиферативным потенциалом) и способностью к дифференцировке — развитию в зрелые клетки, образующие их ткани и органы. Активные разработки в этой области относятся к концу прошлого века, когда Джеймс Томсон (1958) и Джон Герхарт (1962) независимо друг от друга в 1998 г. впервые получили эмбриональные стволовые клетки человека. Однако стволовые клетки в костном мозге и лимфоидных органах взрослого организма впервые были открыты российскими учеными Александром Яковлевичем Фриденштейном (1924;1997), а стволовые клетки крови — Иосифом Львовичем Чертковым (1927;2009) в 60−70-е гг. прошлого века. Им принадлежит авторство в создании учения о стволовых клетках.

Крупнейшим прорывом неклассической науки стала кибернетика, возникновению которой способствовало создание в середине 40-х гг. прошлого столетия первых электромеханических и электронных вычислительных устройств, которое породило ряд философских проблем в теории управления и теории преобразования информации.

В 1948 г. вышла книга американского математика Норберта Винера (1894— 1964) «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине», в которой он определил кибернетику как науку об обмене и переработке информации в сложных системах. Винер полагал, что алгоритмы управления поведением биологических систем практически идентичны алгоритмам управления в сложных технических системах. Во второй книге «Кибернетика и общество», вышедшей в 1954 г., он выдвинул гипотезу, что кибернетические алгоритмы и схемы управления справедливы также и для социальных и экономических систем.

Развитию основ кибернетики и исследованию сложных систем активно способствовал английский ученый Уильям Эшби (1903;1972), автор концепции гомеостата — самоорганизующейся системы, способной поддерживать жизненно важные параметры своего функционирования. Ему принадлежит и приоритет в открытии закона требуемого соответствия разнообразия управляющей системы разнообразию управляемой ситуации.

В силу так называемого редуционизма — низведения человека и общества к биологической системе и машине кибернетика долгое время не признавалась в СССР. Хотя первые вычислительные машины разрабатывались задолго до возникновения кибернетической теории. Становлению кибернетики, или теории биотехнических систем, как официально признанной науки в середине 50-х гг. прошлого века наша страна обязана академику Акселю Ивановичу Бергу (1893−1979), профессору Ленинградского электротехнического института.

Начало «второй волны» кибернетики было положено английским ученым Стаффордом Биром (1926;2002), который утверждал, что целостное описание управляемой системы может основываться на построении математической модели системы, методах исследования операций и кибернетической логике, позволяющей обрабатывать всю релевантную информацию. Он доказал, что жизнеспособная сложная система характеризуется способностью к управлению и обучению, адаптации и развитию. Эти принципы он успешно использовал при создании автоматизированных систем управления.

Дальнейшее развитие кибернетического направления привело к разработке Германом Хакеном (1927) синергетики, или междисциплинарной теории сложных систем, как науки, изучающей общие закономерности явлений, согласованных процессов и структур, возникающих в сложных неравновесных системах любой природы на основе присущей им самоорганизации. Система должна состоять из множества элементов и подсистем (атомов, молекул, клеток, нейронов, органов, сложных организмов, социальных групп и т. д.), взаимодействие между которыми может быть подвержено лишь малым флуктуациям, незначительным случайным изменениям и находиться в неравновесном состоянии нестабильности. Самоорганизующиеся структуры возникают в результате многовариантного и неоднозначного взаимодействия входящих в них элементов или воздействия многофакторных сред. Их развитие предопределяется открытостью системы, притоком энергии извне, нелинейностью внутренних процессов, появлением особых режимов с обострением и наличием более одного устойчивого состояния.

Такие системы совершают переход от одного относительно устойчивого состояния к другому. Появляется свойство саморегуляции диссипативных структур. Система проходит так называемые точки бифуркации — разветвление как результат неустойчивого равновесия. В этих точках система имеет веерный набор возможностей дальнейшего изменения. Нельзя просчитать, какая из возможностей будет реализована. Из веера возможностей система выбирает одну, и этот выбор необратим.

Синергетика устанавливает, какие процессы самоорганизации происходят в природе и обществе, какого типа нелинейные законы управляют этими процессами и при каких условиях, выясняет, на каких стадиях эволюции хаос может играть позитивную роль, а когда он нежелателен и деструктивен.

Таким образом, важнейшими чертами неклассической науки являются:

• — признание формы существования материи в виде полей различной природы;
• — одинаковость скорости света в любой инерциальной системе отсчета и, как следствие, зависимость пространственных координат и времени от скорости движения;
• — инертность энергии и корпускулярно-волновой дуализм вещества;
• — статистическое понимание физических законов и вероятностное понимание макрои микромира;
• — признание эволюционного характера развития Вселенной и самоорганизации материи.

Эти концепции одновременно проявляются в трех реальностях: в микромире (устройстве атомов и элементарных частиц), макромире (включая биосферу и человека) и мегамире (во Вселенной).

В неклассической науке наметилась тенденция на сближение естественных и гуманитарных направлений, что стало характерной чертой следующего постнеклассического этапа развития науки.