Развитие естествознания в XX веке

Развитие естествознания в XX веке

Двадцатый век называют веком неклассического естествознания. Развитие науки в XX в. было связано со сменой парадигмы естествознания, произошедшей в рамках третьей научной революции. К крушению классической картины мира привело формирование нескольких теорий, несовместимых с базовыми принципами классической науки.

Такую революционную роль сыграло развитие квантовой механики, которое было связано с открытием радиоактивного распада, выявлением существования элементарных частиц и изучением их свойств и строения атома. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852−1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Большой вклад в изучение радиоактивного распада атомов внесли Пьер Кюри (1859−1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867−1934). В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856−1940) при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) открыл первую элементарную частицу — электрон. Эти открытия привели к коренному пересмотру классических представлений об атомах как вечных, неизменных и неразложимых корпускулах.

В 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд (1871−1937) предложил планетарную модель атома. Эта модель, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны, согласовывалась с экспериментальными данными, но противоречила законам электродинамики Максвелла. Для разрешения этих противоречий датский физик Нильс Бор (1885−1962) в 1913 г., приняв модель Резерфорда в качестве исходной, предложил модель, основанную на квантовой теории немецкого физика Макса Планка (1858−1947). Согласно модели Бора, атом излучает или поглощает квант (неделимую порцию) энергии лишь при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой. Однако объяснение того, почему находясь на стационарной орбите, электрон не излучает энергию, было дано намного позже. наука естествознание механика термодинамика В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль (1892−1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Уже в 1927 г. это положение было экспериментально подтверждено американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881−1958) и Лестером Джермером (1896−1971), обнаружившими дифракцию электронов. Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу квантовой механики. Согласно этой теории, на микроуровне ярко проявляется корпускулярно волновой дуализм: элементарные частицы диалектически сочетают свойства корпускул и волн одновременно.

Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире свидетельствует установленный в 1927 г. немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901;1976) принцип соотношения неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс, и наоборот, а также сформулированный в том же году Бором принцип дополнительности.

Другой революционной теорией, основные положения которой, как и положения квантовой механики, не сопоставимы с обыденным человеческим опытом, стала теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном (1879−1955). В 1905 г. им была создана специальная теория относительности, в 1916 — общая теория относительности. Эта теория основана на принципах экспериментально установленного постоянства скорости света и независимости законов природы от характера движения системы отсчета. Из двух указанных принципов (постулатов) следует относительность одновременности событий, времени (длительности) процессов, размеров объектов и их масс. Использование этих принципов привело Эйнштейна к отказу от Ньютоновского рассмотрения пространства и времени как абсолютного вместилища материи. Пространство и время органически связаны между собой и с материей. Распределение тяготеющих масс определяют геометрию пространства-времени. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Эти революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов, о независимости пространства и времени от материи, универсальности жесткого детерминизма и т. д. Рождение и развитие атомной физики и теории относительности, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира. Наступил новый этап неклассического естествознания XX в., характеризующийся новыми квантово-релятивистскими представлениями, основанными на признании внутренней противоречивости материи, принципе относительности и вероятностном, статистическом описании явлений.

Большую роль в становлении современной парадигмы естествознания сыграло развитие термодинамики. С течением времени от изучения закономерностей установления равновесия в изолированных системах ученые обратились к исследованию развития сложных открытых неравновесных термодинамических систем, какими и являются большинство объектов макрои мегамира. Это привело к оформлению особой дисциплины — синергетики. Принципиальную роль в ее становлении сыграли работы профессора Штудгартского университета Г. Хакена и бельгийского физико-химика русского происхождения И. Пригожина и его сотрудников. Синергетика смогла раскрыть закономерности явления, не объяснимого с позиций классической термодинамики — способности макроскопических систем к самоорганизации, то есть к уменьшению внутренней хаотичности и самопроизвольному возникновению упорядоченной структуры. Раскрытые синергетикой закономерности нелинейного характера саморазвития открытых неравновесных систем оказались применимы для сложных систем разного уровня организации: от физических и химических до биологических и социальных. Во многом с развитием этой науки связано установление принципа глобального эволюционизма — принципа, лежащего в основе современной научной картины мира.

Во многих отношениях близка к синергетике основанная Н. Винером наука об управлении системами — кибернетика, создание которой позволило с единых позиций рассматривать и математически моделировать процессы в самых разных системах материального мира.

Развитие квантовой механики, раскрывшее в том числе и закономерности строения электронных оболочек, привело к интенсивному развитию химических теорий. Дальнейшее развитие получает структурная химия, химическая кинетика, теория катализа и т. д. Больших успехов достигает органическая химия, биохимия, химия полупроводников, высокотемпературных процессов и т. д. (подробнее о развитии химии см. в теме 2.6 «Химические процессы в макросистемах»).

Особенностью развития естествознания XX в. стал и резкий скачок в развитии биологии, выразившийся в развитии таких наук и фундаментальных теорий, как генетика (хромосомная теория наследственности), молекулярная биология, синтетическая теория эволюции, экология (теория взаимоотношений живых существ с окружающей средой) и т. д.

Вступление в XX в. ознаменовалось бурным развитием генетики. В 1900 г. законы Менделя, основные законы наследственности, сформулированные им еще в XIX в., но не оцененные современниками, были «переоткрыты» сразу тремя учеными — Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. Понятия «ген», «генотип», «фенотип» были введены в биологию датским ученым В. Л. Иогансеном. Особенно большую роль в становлении генетики сыграла хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910;1915 гг. в трудах А. Вейсмана, Т. Моргана, А. Стертеванта, Г. Дж. Меллера и др.

За относительно короткий срок (20−30 лет) в учении о наследственности был накоплен колоссальный эмпирический и теоретический материал: открытие дискретного характера наследственности; установление принципа чистоты гамет, законов доминирования, расщепления и сцепления признаков; обоснование представления о гене и хромосомах как носителях генов; представление о линейном расположении генов; доказательство существования мутаций и возможность вызывать их искусственно; открытие кроссинговера; разработка методов гибридологического анализа. Важно, что все эти и другие открытия были экспериментально подтверждены, строго обоснованы.

Важные идеи, намного опередившие свое время, были выдвинуты в 1927 г. Н. К. Кольцовым. Он высказал мысль о том, что при размножении клеток осуществляется матричная ауторепродукция материнских молекул. Правда, Кольцов считал, что эти процессы осуществляются на белковой основе. Но в 1944 г. американскими биохимиками (О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК. С этого времени началось лавинообразное развитие молекулярной биологии. В 1949;1951 гг. Э. Чаргафф сформулировал знаменитые правила, объясняющие соотношение нуклеотидов в ДНК, М. Уилкинсом и др. провели рентгенографические исследования ДНК. Все это подготовило почву для расшифровки Ф. Криком и Д. Уотсоном в 1953 г. структуры ДНК. Было показано, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых аналогичных цепей. Именно поэтому в хромосомах клеток молекула ДНК способна к самоудвоению. Свойство самоудвоения ДНК и обеспечивает явление наследственности. Расшифровка структуры ДНК была великим открытием, расширившим перспективы развития биологии и надолго определившим ее основные направления.

Далее за относительно непродолжительный срок времени был расшифрован генетический код, выяснена роль транспортной и информационной РНК, осуществлен синтез гена, теоретически решена проблема биосинтеза белка, расшифрована аминокислотная последовательность и установлена пространственная структура многих белков; на этой основе выяснен принцип и особенности функционирования ферментативных молекул. Развитие генетики и молекулярной биологии привело к появлению генной инженерии, задачей которой является направленное изменение свойств организмов путем изменения их наследственности.

Открытие в начале XX в. мутаций, внезапных изменений наследственного аппарата, приводящих к резкому изменению свойств организма, поставило под сомнение положение теории Дарвина о постепенном характере преобразования видов в ходе эволюции. Преодоление противоречий между эволюционной теорией и генетикой стало возможным с созданием синтетической теории эволюции, которая выступает основанием всей системы современной эволюционной биологии. Синтез генетики и эволюционного учения был качественным скачком в развитии как генетики, так и эволюционной теории. Он означал создание качественно нового ядра системы биологического познания, свидетельствовал о переходе биологии с классического на современный, неклассический уровень развития. Принципиальные положения синтетической теории эволюции были заложены работами С. С. Четверикова (1926), а также Р. Фишера, С. Райта, Дж. Холдейна, Н. П. Дубинина (1929;1932) и др. В основе этой теории лежит представление о том, что элементарной «клеточкой» эволюции является не организм и не вид, а популяция. Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием ряда факторов: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор. Естественный отбор является ведущим эволюционным фактором, направляющим эволюционный процесс. Формирование синтетической теории эволюции ознаменовало переход к популяционной концепции, интеграцию биологии на базе дарвинизма (в России — Н. И. Вавилов, И. И. Шмальгаузен, А. Н. Северцов, разработавший учение о главных направлениях биологического процесса — аромофозе и идиоадаптации и др.). Это открыло качественно новый этап в развитии биологии — переход к созданию единой системы биологического знания, воспроизводящей законы развития и функционирования органического мира как целого.

Ярким примером таких особенностей естествознания XX в., как интеграция дисциплин, системный и эволюционный подходы, статистическое описание является экология. Одно из основополагающих понятий экологии — «экосистема» — единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, — было введено английским геоботаником А. Тенсли в 1935 г. Крупнейшей экосистемой Земли является биосфера. Этот термин был предложен еще в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом, но учение о биосфере как активной оболочке Земли было создано российским ученым, геобиохимиком В. И. Вернадским в 1926 г. Изучив роль живой материи на всем протяжении ее эволюции, он пришел к выводу о том, что в рамках биосферы совокупная деятельность живых существ проявляется как глобальный геохимический фактор, преобразующий облик планеты. Живые существа, аккумулируя энергию солнечного излучения и преобразуя ее в энергию земных процессов, вовлекают в круговорот неорганические вещества планеты.

В современном мире прикладная функция науки стала сравнима с познавательной. Практические приложения знаний человек использовал всегда, но они долгое время развивались независимо от науки. Сама наука долгое время не была ориентирована на сознательное применение знаний в технической сфере. С наступлением Нового времени в западной культуре стали все более интенсивно развиваться практические приложения науки.

Научная революция XX в. быстро превратилась в научно-техническую революцию — НТР. Это значит, что наука стала непосредственной производительной силой, превратилась в ведущий фактор развития общественного производства и всей жизни общества. В жизни общества стали широко использоваться электричество, механизация и автоматизация производства, развились средства связи, появились радиосвязь и телевидение, новые источники энергии. Успехи в химии и биологии привели к разработке технологий синтеза органических веществ, разработке методов управления химическими процессами, в частности синтеза многих лекарств, взрывчатых веществ, красителей, продуктов питания, получения новых веществ с заданными свойствами.

В середине XX в. научно-технический прогресс стал оказывать решающее влияние на мировую политическую жизнь. Создание атомной бомбы показало, что судьбы стран и человечества определяет овладение передовыми наукой и технологиями. Следующей вехой НТР стало овладение космосом — создание спутников, полет Гагарина, исследование космическими аппаратами других планет, выход человека в открытый космос и на Луну.

В конце XX в. продукция высоких технологий занимает все большее место в валовом продукте развитых стран, обеспечивая его прирост, и развитость технологий определяет положение государства в современном мире. Экономический рост отождествляется с научно-техническим прогрессом и интеллектуализацией основных факторов производства. Высокие технологии — передний край современной промышленности, работающей на пределе возможностей человека и техники. Распространение высоких технологий и резко выросшая доля стоимости научных исследований в цене продукта (наукоемкость) повышает требования к уровню подготовленности участников производства.

Роль науки в обществе сильно возросла, оказывая огромное влияние на мировоззрение, экономику, политику, социальную жизнь. В условиях исчерпания возможностей экстенсивного развития человечество снова осознало свое единство. Нарастают и глобальные проблемы, которые могут быть решены только общими усилиями (ядерное разоружение, экологическая безопасность, строительство и поддержание глобальной информационной и коммутационной инфраструктуры). И высокий профессионализм стал неотделим от нравственности, гуманизма, цельного видения единства и взаимосвязи природы и общества, Человека и Космоса.

Поэтому приобретают первостепенное значение подготовка общественного сознания к правильному восприятию достижений НТР, разработка грамотных законов, разумно ограничивающих потребление, повышение уровня компетентности управляющих кадров. Фундаментальная наука относится к высшим духовным ценностям человечества и несет в себе объединительное начало. Великий физиолог, лауреат Нобелевской премии И. П. Павлов еще в начале XX в. сказал: «Что нам, русским, нужно сейчас в особенности — это пропаганда научных стремлений, обилие научных средств и страстная научная работа. Очевидно, наука становится главнейшим рычагом жизни народов, без нее нельзя удержать ни самостоятельности, ни тем более достойного положения в мире».