Основные открытия XX века в области естествознания

При смене картины мира пересматриваются основные вопросы мироздания, структура знаний и место науки в жизни общества. Среди естественных наук в течение двух столетий, несомненно, лидировала физика, исследовавшая явления неживой природы, для которых проще построить схему или модель и дать математическое описание. В конце XIX — первой половине XX в., когда результаты анализа и синтеза различных веществ существенно изменили жизнь общества, достойное место рядом с физикой заняла химия. Благодаря успехам физики и химии во второй половине XX в., положившим начало молекулярным исследованиям, произошел прорыв в биологии и медицине. Так естествознание приближается к человеку, распространяя свои методы на экономику, гуманитарную сферу знаний и искусство. Экологические проблемы, вставшие перед земной цивилизацией, подтолкнули естествознание к непосредственному взаимодействию с техникой, технологией, экономикой, политикой.

В XX веке естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами. Его развитие стимулировалось потребностями практики. Развивающаяся быстрыми темпами промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.

Можно выделить следующие открытия в естествознании, которые привели к научным революциям в XX в.:

Астрономия: модель Большого взрыва и расширяющейся Вселенной.

Геология: тектоника литосферных плит.

Физика: в ней постепенно выделяются три основных направления: исследование микромира (микрофизика), макромира (макрофизика) и мегамира (астрофизика). Были проведены фундаментальные исследования в области атомов:

разработка модели атома; доказательства изменяемости атома;

доказательства существования разновидностей атома у химических элементов.

Согласно первой модели атома, построенной английским ученым Э. Резерфордом, атом уподоблялся миниатюрной солнечной системе, в которой вокруг ядра вращаются электроны. Такая система, однако, была весьма неустойчива. Вскоре модель атома была значительно усовершенствована выдающимся датским физиком Нильсом Бором. Ядерная модель атома Резерфорда в интерпретации Бора стала основным понятием новой атомистики. На протяжении почти двух десятков лет господствовала протонно-электронная модель ядра, и только после открытия Дж. Чедвиком в 1932 г. нейтрона, возникли современные представления о протонно-нейтронной модели атома.

Итак, следствием фундаментальных физических открытий оказалась разработка структуры атома в целом. Вскоре была открыта и другая элементарная частица — положительный электрон. Таким образом, сформировались основные положения современной атомистики, которые могут быть сформулированы следующим образом:

• — Атом является сложной материальной структурой и представляет собой мельчайшую частицу химического элемента.
• — У каждого элемента существуют разновидности атомов.
• — Атомы одного элемента могут превращаться в атомы другого.

Другая фундаментальная теория современной физики — теория относительности, в корне изменившая научные представления о пространстве и времени. В специальной теории относительности был получен важный методологический урок, который состоит в том, что все движения, происходящие в природе, имеют относительный характер. Это означает, что в природе не существует никакой абсолютной системы отсчета, и, следовательно, абсолютного движения, которые допускала ньютоновская механика. Еще более радикальные изменения в учении о пространстве и времени произошли в связи с созданием общей теории относительности, которую нередко называют новой теорией тяготения, принципиально отличной от классической ньютоновской теории. Эта теория впервые ясно и четко установила связь между свойствами движущихся материальных тел и их пространственно-временной метрикой. Теоретические выводы из нее были экспериментально подтверждены во время наблюдения солнечного затмения. Согласно предсказаниям теории, луч света, идущий от далекой звезды и проходящий вблизи Солнца, должен отклониться от своего прямолинейного пути и искривиться, что и было подтверждено наблюдениями. Общая теория относительности показала глубокую связь между движением материальных тел, а именно тяготеющих масс и структурой физического пространства-времени.

Квантовая механика: корпускулярно-волновой дуализм. В 30-е гг. XX в. было сделано важнейшее открытие, которое показало, что элементарные частицы вещества, например электроны, обладают не только корпускулярными, но и волновыми свойствами. Это явление получило название дуализма волны и частицы — представление, которое никак не укладывалось в рамки обычного здравого смысла. До этого физики придерживались убеждения, что вещество, состоящее из разнообразных материальных частиц, может обладать лишь корпускулярными свойствами, а энергия поля — волновыми свойствами. Соединение в одном объекте корпускулярных и волновых свойств совершенно исключалось. В 1925;1927 гг. для объединения процессов, происходящих в мире мельчайших частиц материи — микромире, была создана новая волновая, или квантовая, механика. Впоследствии возникли и разнообразные другие квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения микромира.

Синергетика: становление новых структур в неживой природе. Заслуга синергетики состоит, прежде всего, в том, что она впервые показала, что процессы самоорганизации могут происходить в простейших системах неорганической природы, если для этого имеются определенные условия (открытость системы и ее неравновестность, достаточное удаление от точки равновесия и некоторые другие). Чем сложнее система, тем более высокий уровень имеют в них процессы самоорганизации. Главное достижение синергетики и возникшей на ее основе новой концепции самоорганизации состоит в том, что они помогают взглянуть на природу как на мир, находящийся в процессе непрестанной эволюции и развития.

Биология: модель происхождения жизни. Переход от клеточного уровня исследования к молекулярному ознаменовался крупнейшими открытиями в биологии, связанными с расшифровкой генетического кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез о происхождении жизни и многого другого. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия различных естественных наук, широкого использования в биологии точных методов физики, химии, информатики и вычислительной техники.

Генетика: механизм воспроизводства жизни. В 1900 г. Х. де Фризом, вторично были открыты законы наследственности, установленные Менделем. После этого быстрыми темпами стало происходить развитие генетики. Утвердилось понятие хромосомы, как структурного ядра клетки, содержащего ДНК. Американским ученым Томасом Морганом была сформулирована хромосомная теория наследственности. Важным событием в развитии генетики стало также открытие мутаций — возникающих внезапно изменений в наследственной системе организмов.

Химия: деление всей науки на пять разделов: неорганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений. В 20 веке широко стали применяться неорганические соединения как конструкционные материалы для всех отраслей промышленности, включая космическую технику, как удобрения, ракетное топливо. Были открыты: новый тип синтетических полимеров — полиамиды, тефлон, создаются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эластомеры), широко используемые в космической и реактивной технике, химической и электротехнической промышленности. Благодаря этим и многим другим открытиям из органической химии выросла химия высокомолекулярных соединений (полимеров). Проникновение органической химии в смежные области — биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство — привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибиотиков и т. д.

Экология: взаимодействие живого со средой.

Этология: формы поведения организмов.

Кибернетика: управление в неживой и живой природе. Основателем ее является американский математик Н. Винер, выпустивший в 1948 г. книгу под названием «Кибернетика». Кибернетика изучает не вещественный состав систем и не их структуру, а результат работы данного класса систем.

Социобиология: соотношение естественного и социального.

Психоанализ: роль бессознательного в человеческой психике.

Эти научные революции позволили сформулировать следующие общие закономерности развития мира:

• — эволюция природы (от Вселенной до кварков);
• — самоорганизация (от неживых систем до биосферы);
• — системность связи неживой природы и человека (в экологии);
• — имманентность природных систем пространству и времени (в теории относительности);
• — относительность разделения на субъект и объект (в квантовой механике и синергетике).

Появились новые общенаучные концепции и подходы: системный (исследование предметов как систем), структурный (исследование уровней организации), вероятностный (применение вероятностных методов) и т. п.

Научные достижения XX в. позволили нарисовать современную естественно-научную картину мира.

Можно построить и более подробную картину, выделить такие уровни организации как ядро атома, ядро клетки, макромолекула, кристалл, человек, неосфера и т. д. Нужно отметить, что два обстоятельства затрудняют понимание обществом современного естествознания. Во-первых, применение сложнейшего математического аппарата, который надо предварительно изучить.

Во-вторых, невозможность создать наглядную модель современных научных представлений: искривленное пространство; частицу, одновременно являющуюся частицей и волной и т. д. Выход из ситуации прост — не надо и пытаться это сделать. Естествознание XX в. заставляет нас отказаться не только от непосредственной наглядности, но и от наглядности как таковой. Отказ от наглядности научных представлений является неизбежной платой за переход к исследованию более глубоких уровней реальности, не соответствующих эволюционно выработанным механизмам человеческого восприятия.