Текст книги "История и философия науки: учебное пособие"
Автор книги: Лев Зеленов
Жанр:
История
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 33 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]
В истории Европы в интересующем нас периоде достаточно четко выделяется ряд характерных рубежей. Это рубеж середины века, обозначенный революцией 1848 г.; период кризиса «fin de siecle» («конца века»), нижняя граница которого выделяется в одних областях культуры довольно резко 1890-ми годами, а других – менее резко, захватывая всю последнюю треть XIX в. Далее – период сомнений, метаний, мрачных предчувствий более или менее совпадает с 1914 г. – началом Первой мировой войны – принципиальным рубежом в истории Европы, обозначающим окончание «предродовых схваток» и вступление Европы в полосу войн и революций в социально-политической сфере и революционного бурления гениальных идей в литературе, искусстве, философии, науке и инженерной мысли, продолжавшуюся до середины XX в.
В бурлящем котле революций 1910—1920-х гг. рождаются новые зерна-идеи, логичный рост которых определяет развитие в следующие 30–50 лет.
Воцарение Сталина и Гитлера и атмосфера «восстания масс», описанная Ортегой-и-Гассетом, так же как и Вторая мировая война и ее итог, – логические результаты эпохи войн и революций 10—20-х гг.
Во всех областях культуры, включая науку, шла в основном планомерная разработка гениальных начинаний предыдущего периода. Существенные изменения произошли в технике, развитие которой стимулировали мировые войны.
К середине XX в. рассматриваемый нами период заканчивается, Европа и мир вступают в новый период (эпоху, фазу). Обозначенные этапы четко проявляются в социально-политической сфере, в литературе и искусстве, в философии, инженерной мысли и науке.
В середине XIX в. происходит раскол между элитой художественной и научно-технической, с одной стороны, и управленческой – с другой.
Революция 1848 г. – поворотная точка. В пароксизме «социального романтизма» писатели и интеллектуалы бросались в политику и действительно участвовали в революции, которая охватила Европу от Парижа до Рима, Вены и Берлина. Результат этих идеалистических усилий был столь разочаровывающим, что поколение поэтов отдалилось от политических реалий. Искусство стало убежищем от общества, в котором доминировали грубые люди и грубые мотивы. Ж. Гонкур не был любителем демократии и социализма, но о режиме Наполеона III писал как о новом варварстве, о том, что старая аристократия умерла или умирала и на смену ей пришла грубая и бескультурная буржуазия. Реакция 1848 г. образовала пропасть между двумя Франциями – прежней Францией Бальзака и Стендаля и мельчающей и вырождающейся новой. Но, с другой стороны, 1850-е и 1860-е годы были во многом прогрессивным периодом. В эти годы Европа достигла наибольшей экономической стабильности. Бонапартистская империя, презираемая эстетами, построила широкие бульвары, водопровод и канализацию.
Наука начала свой триумфальный марш открытий. Во многих направлениях наблюдалось улучшение, причем настолько значительное, что у человека среднего класса утвердилась некритичная вера в неизбежный прогресс. Большую роль в этом сыграл дарвинизм, ставший одним из столпов сциентистской идеологии.
В середине XIX в. происходят резкие изменения, заметные всем в западном мире и рассматривающиеся как сдвиг в первичных интересах образованных людей, сдвиг к сциентизму – вере в то, что научное знание есть единственное средство, которое способно решить все человеческие проблемы. Лондонская выставка 1851 г. символизировала самодовольство буржуазного «прогресса» и преимущества механизированной индустрии. Но материализм и отсутствие духовной культуры шокировали чувствительные души писателей и художников.
90-е годы XIX в. – время, когда повсеместно утвердился стиль «модерн», в истории европейской культуры названный искусствоведами – «fin de siecle» («конец века»). Он отождествляется с декадансом, упадком, духовным разложением, с утратой нравственных критериев, безвольным смирением и растерянностью образованной части общества, особенно артистической, перед лицом социальных невзгод, назревших катастроф и усилившихся противоречий в момент одного из самых жестоких кризисов. Его характеризовали не только чувство усталости и эстетское любование формальным приемом, но и надежда, жажда обновления, вера в его возможности. В целом модерн нес на себе груз прошедшего времени, особенно второй половины
XIX в. Он «утомлен» тем, что зародилось раньше, – романтизмом, панэстетизмом, поисками красоты. Здесь дает о себе знать утомление искусства как бы самим собой. Оно все более отдаляется от реальной жизни, интересуясь собой. Искусство стоит выше жизни. Картина XIX в. предполагает некий «эффект присутствия», она открывает окно в реальный мир. Произведения XX в. основаны в большей мере на «знаемом», чем на видимом. Для них характерен принцип мифологизации.
Самым чистым выражением новой мифологии было собственное мифотворчество художников, в модерне оно вошло в плоть и кровь искусства, намечая путь к системам новейшего времени.
В 1910–1920 гг. произошел революционный творческий взлет во многих областях искусства и литературы, родились новые стили, направления и даже новые виды искусства, например кинематограф.
Первая мировая война и ее последствия были дикостью для того, кто в согласии с доминирующими течениями общественной мысли начала XX в. верил в прогресс, революцию, социализм, демократию, научный позитивизм и многие другие «измы».
«Все, что казалось невозможным в 1913 г., произошло», – писал П. Сорокин в предисловии к своей «Social and Cultural Dynamics». С 1914 г. Новейшее время, ростки которого стали проглядывать еще в XIX в., вступило в полные права. Начавшись Первой мировой войной и последовавшей за ней полосой социальных революций, оно вошло затем в более определенное русло.
В философии этот период характеризуется отрицанием классической метафизики – предыдущей классической философии нового времени конца XVIII – начала XIX в.
Сначала это позитивизм О. Конта, марксизм, предтечи философии жизни (Шопенгауэр) и экзистенциализм (Кьеркегор). Последние становятся популярными лишь в конце века, а на границе веков философия жизни находит ярких выразителей в лице Ницше, Шпенглера, Фрейда, Гуссерля, а экзистенциализм же – в лице Хайдеггера, Ясперса и представителей русской религиозной философии Серебряного века, которые в теории познания занимают иррационалистические позиции.
В философии науки в это время ведущее место занимает антиреализм второго позитивизма Маха и Пуанкаре. Следующий за «fin de siecle» и бурными 20-ми годами период был более спокойным.
Фундаментальная наука по-прежнему концентрировалась в Западной Европе, США, России. Многие неевропейские (имеется в виду происхождение) ученые работали в этих странах.
Середину XIX в. можно считать неким рубежом, характеризующимся систематизацией и подведением итогов классических ньютонианских программ в развитии различных разделов физики. В 1840-е годы формулируются уравнения Навье – Стокса в гидродинамике; первый и второй законы термодинамики, ознаменовавшие формирование «феноменологической» термодинамики, неймановской теории электродинамики. Затем наступает эпоха Фарадея, выдвинувшего идею поля.
В последней трети XIX в. все более явным становится наступление нового, постньютоновского этапа в истории естественных наук, лидерство среди которых по-прежнему остается за физикой. Его характеризуют победа фарадеевско-максвелловской полевой теории электромагнетизма и формирование статической физики Максвелла – Больцмана – Гиббса. Первая ввела новый, по сути, немеханический объект – электромагнитное поле, второе вступило в конфликт с однозначным детерминизмом. К гносеологическому кризису, связанному с крушением старых богов ньютоновского механицизма, быстро присоединился стремительный рост фактов, несовместимых с только что воцарившейся максвелловской электродинамикой. Это – «ультрафиолетовая катастрофа», фотоэффект, проблема устойчивости атома в модели Резерфорда, аномальное поведение теплоемкости твердого тела при низких температурах, открытие рентгеновских и катодных лучей, естественной радиоактивности, а также теоретическая проблема о распространении света в движущейся среде.
Последнее противоречие было разрешено Эйнштейном в 1905 г. Была разработана специальная теория относительности, за которой через 10 лет последовала общая теория относительности. Решение первой группы вопросов привело к созданию в 1920-х годах сначала теории нерелятивистской квантовой механики (Шредингер, Гейзенберг, Бор и др.), а вскоре и квантовой электродинамики (Дирак и др.) – прообраза прочих квантово– полевых теорий, составляющих так называемую релятивистскую квантовую механику, или теорию элементарных частиц, с одной стороны, и квантовую теорию твердого тела – с другой.
Таким образом, в истории развития естественных наук рассматриваемого периода достаточно четко выделяется ряд этапов: зарождение кризиса (1870—1880-е гг.), разрастание кризиса «конца века» (1890—1900-е гг.), разрешение кризиса (1920-е гг.) – конец революционного периода, последующий рост вплоть до 50-60-х гг. XX в.
В самом конце XIX в. произошли три события, которые «потрясли мир»:
• в 1895 г. К. Рентген открыл «х-лучи» (рентгеновские);
• в 1896 г. А. Беккерель обнаружил явление естественной радиоактивности;
• в 1897 г. Дж. Томсон открыл электрон.
Последующие события, которые усилили этот процесс:
• в 1898 г. – открытие Марией и Пьером Кюри нового химического элемента – радия;
• в 1902–1903 гг. – создание Э. Резерфордом и Ф. Содди первой теории радиоактивности как спонтанного распада атомов и превращение одних элементов в другие (начало ядерной физики);
• в 1911 г. – экспериментальное открытие Резерфордом атомного ядра;
• создание до 20-х годов серии моделей строения атома.
Эти события углубили кризис ньютоновской парадигмы классической физической теории, господствовавшей начиная с XVII в. до первой половины XIX в.
Кризис разрешился революцией в физике, породившей:
• теорию относительности – специальную и общую;
• квантовую механику – нерелятивистскую и релятивисткую (квантовую теорию поля).
Все это ознаменовало переход от классической к «неклассической науке».
Победа электромагнитной теории Максвелла привела к кризису господствовавшего до тех пор в среде физиков ньютонианского взгляда на мир. Следствием этого в конце века стали критический анализ оснований классической механики и создание альтернативных механик без понятия силы. С новой активностью и аргументацией возродился спор между Ньютоном и Лейбницем о существовании абсолютного пространства и времени. В физике разразился «гносеологический кризис», и центральное место в философии науки заняла критическая философия Э. Маха. На этом фоне вызревало противоречие между максвелловской электродинамикой и классической механикой как физическими теориями. Сконцентрировались они вокруг вопроса о распространении электромагнитных волн (частным случаем которых является свет) – квинтэссенция теории Максвелла и преобразований Лоренца.
Специальная (частная) теория относительности рождалась из преодоления этого теоретического противоречия. Решение, предложенное А. Эйнштейном, было дано в его статье «К электродинамике движущихся сред» (1905), где специальная теория относительности сформулирована почти в полном виде.
Теория относительности (ТО) игнорировала гравитацию – не было и речи об уравнениях гравитационного поля. Они впервые появились в 1915 г. в работе Эйнштейна и с тех пор стали называться «уравнения Эйнштейна». Теория, изучающая эти уравнения (которые были дополнены в 1922 г. А. Фридманом) и наблюдаемые следствия их решений, получили название общей теории относительности (ОТО).
Со времен Ньютона существовал принцип эквивалентности механических явлений во всех инерциальных (т. е. движущихся прямолинейно и равномерно) системах отсчета. Его математическим выражением была инвариантность уравнений движения Ньютона по отношению к преобразованиям Галилея. В результате механические явления позволяют определять абсолютное движение, т. е. какая из двух систем отсчета движется «на самом деле».
Электромагнитная теория Максвелла нарушала эту идиллию – изменялась симметрия между движением проводника относительно магнитного поля или, наоборот, магнитного поля относительно проводника. Связано это было с тем, что уравнения Максвелла оказываются инвариантными не относительно преобразований Галилея, а относительно преобразований Лоренца. Но острее всего проблема сконцентрировалась вокруг вопроса о характере распространения света. Если предположить, что скорость света одинакова во всех инерциальных системах отсчета (к чему пришел Эйнштейн), то нарушаются преобразования Галилея, а если нет, то по отношению к распространению света инерциальные системы отсчета перестают быть равноправными. В 1892 г. была введена гипотеза Фицджеральда– Лоренца о сокращении длины вдоль направления движения. Отметим, что эта гипотеза была выдвинута в рамках характерной для XIX в. эфирной формулировки проблемы и связанных с ней опытов Майкельсона – Морли. Опыты в дальнейшем в учебниках были объявлены «решающими экспериментами», но непосредственного влияния на Эйнштейна они не оказали.
Эйнштейн, в отличие от Лоренца, пошел по пути кинематики, а не динамики, и обратился к анализу процедур измерения расстояний, отрезков времени, одновременности и синхронизации часов.
Невозможность показать опытным путем абсолютное движение Земли представляет собой, по-видимому, общий закон природы, как считал Пуанкаре. Затем, ссылаясь на Лоренца, он говорил о полной невозможности обнаружить абсолютное движение. В 1904 г. Пуанкаре рассматривал ситуацию с двумя наблюдателями, равномерно движущимися друг относительно друга и пытающимися синхронизировать свои часы с помощью световых сигналов. Выверенные таким способом часы будут показывать не истинное время, а так называемое местное. Каждому наблюдателю кажется, что у другого все явления протекают медленнее, причем такое замедление одинаково для всех явлений, указывает Пуанкаре, и, как следует из принципа относительности, у наблюдателя не будет средства узнать, находится ли он в покое или в абсолютном движении. Из этой же позиции исходил и Эйнштейн в знаменитой статье 1905 г. «К электродинамике движущихся тел».
Комментируя якобы вытекающий из ТО Эйнштейна тезис о слиянии пространства и времени – «неверное толкование» ТО, Г. Рейхенбах указывал, что это толкование основано на замечании Минковского: пространство само по себе и время само по себе должны «обратиться в фикции», и лишь некоторый вид соединения обоих должен еще сохранять самостоятельность. Первая часть замечания Минковского оказалась причиной ошибочного впечатления, что все наглядные представления о времени как времени и о пространстве как пространстве должны «обратиться в фикции».
На самом деле относительность одновременности приводит к сопряжению пространственных и временных изменений, изменение длины движущихся стержней наглядно представить невозможно. На уровне моделей слияние (если под ним не понимать относительность одновременности) не происходит, мы по-прежнему имеем дело с трехмерным (но не евклидовым на больших расстояниях) пространством и одномерным временем, измеряемыми часами и линейками (правда, световыми).
Отметим, что в системе измерительных процедур ТО с точки зрения логики время первично по отношению к пространству. Этот анализ сосредоточивается на проблеме СТО.
В основе эйнштейновской специальной теории относительности лежали два постулата.
1. Все законы физики имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Для всех координатных систем, для которых справедливы уравнения механики, справедливы одни и те же электродинамические и оптические законы.
2. Скорость света постоянна во всех инерциальных системах отсчета.
Статья Эйнштейна была опубликована в ведущем физическом журнале того времени «Annalen der Physik». И тем не менее только благодаря интересу, проявленному М. Планком, она сравнительно быстро стала предметом обсуждения очень узкого, но влиятельного круга физиков.
В 1907 г. Планк писал Эйнштейну, что сторонников СТО можно пересчитать по пальцам, несмотря на то, что к этому времени (1904–1905 гг.) X. Лоренц и А. Пуанкаре сформулировали, соответственно, принципы инвариантности уравнений электродинамики относительно преобразований Лоренца и общий принцип относительности (невозможно обнаружить абсолютное равномерное прямолинейное движение исходя из представлений об эфире и уравнений Максвелла – Лоренца), чем внесли значительный вклад в теорию относительности.
Наиболее яркой экспериментальной демонстрацией постулата являются опыты Майкельсона– Морли, но на самого Эйнштейна, как мы уже отмечали, эти опыты не имели существенного влияния, второй постулат для него вытекал из первого.
Главные следствия СТО, сделавшие ее столь знаменитой, – замедление времени и сокращение длин (описываемых) преобразованиями Лоренца, обсуждение процедур измерения расстояний и времени, проблема одновременности событий в удаленных точках пространства и вопрос о связи пространства и времени, а также увеличение инертной массы в движущейся системе координат и формула для энергии. Последние два эффекта относятся к динамическим и связаны с введением новых уравнений движения (с использованием характерного для неклассической физики аналога «принципа соответствия»).
Первые эффекты – кинематические, ибо связаны они с изменением процедур измерения, в основе которых не абсолютно твердое тело, как в классической физике, а «абсолютно твердая» скорость света.
Особое место в рассуждениях о теории относительности занимает «парадокс близнецов». Суть парадокса заключается в следующем. Предположим, что один из близнецов садится в космический корабль и летает на нем со скоростью, близкой к скорости света. Для оставшегося на Земле брата прошло несколько десятков лет, и он стал дедушкой. Но этот дедушка, наблюдая за своим братом-близнецом, находящимся в космическом корабле, видит его все еще молодым. Согласно принципу относительности СТО с точки зрения брата, летящего в космическом корабле, происходит то же самое, т. е. он стареет, а его брат, оставшийся на Земле, – нет.
Теперь пусть космический корабль летит по замкнутой траектории и через десятилетия (в собственной системе отсчета) возвращается на Землю. Кто из братьев постарел больше? Естественная попытка избежать парадокса ссылкой на то, что СТО говорит лишь о равномерно и прямолинейно движущихся системах отсчета, а в рамках этих условий братья никогда не смогут встретиться, не выдерживает критики.
В рамках СТО можно рассматривать ускоренное движение, и оказывается, что ускорение мало меняет общую картину, оно незначительно сказывается на течении времени.
В общей теории относительности принцип относительности распространяется на системы отсчета, движущиеся в поле сил тяготения. В результате силы тяготения заменяются «искривлением пространства – времени». Тела, на которые не действуют иные поля, теперь движутся не равномерно и прямолинейно, а по более сложным искривленным траекториям, отвечающим так называемым геодезическим линиям, зависящим от распределения масс и энергий в пространстве.
На такую возможность Эйнштейна натолкнули размышления о пропорциональности масс в законах инерции и всемирного тяготения Ньютона, знаменитый мысленный эксперимент о человеке в падающем лифте.
Развитие ОТО имеет два глобальных продолжения. Одно связано с общей космологией: дело в том, что уравнения ОТО в применении к Вселенной в целом оказываются нестационарными, и отсюда возникают модели расширяющейся Вселенной и модель Большого взрыва. Второе продолжение касается геометризации других физических полей по аналогии с гравитационным.
Английский математик В. Клиффорд в статье «О пространственной теории материи» сформулировал своеобразный манифест «субстанциональной» концепции пространства. Он считал, что:
• малые участки пространства действительно аналогичны небольшим холмам на поверхности, которая в среднем является плоской, а именно: там несправедливы обычные законы геометрии;
• свойство искривленности или деформации непрерывно переходит с одного участка пространства на другой наподобие волны;
• изменение кривизны пространства и есть то, что реально происходит в явлении, которое мы называем движением материи, будь она весомая или эфирная;
• в физическом мире не происходит ничего, кроме таких изменений.
Эту программу, взяв за основу общую теорию относительности, развил американский физик-теоретик Дж. Уиллер. В рамках его школы утверждается, что в мире нет ничего, кроме пустого искривленного пространства. Материя, заряд, электромагнетизм и другие поля – лишь проявление искривленного пространства. Физика есть геометрия. Эту программу он развил в теорию и назвал ее «геометродинамика».
Эйнштейновская ОТО менее радикальна, здесь материя существует самостоятельно наряду с искривленным пространством – временем. При этом ОТО позволяет геометризовать лишь одно гравитационное поле. Попытки развить ОТО и геометризовать другие поля, в первую очередь электромагнитное, привели к появлению различных обобщений римановой геометрии (геометрия Вейля, геометрия с кручением Картана и др.).
Подобные теории геометризации, по крайней мере пока, ограничиваются разработкой новых математических представлений.
История распространения и утверждения в научном сообществе теории относительности свидетельствует о ее огромном мировоззренческом потенциале, который нельзя свести к отдельным научным результатам. Это теория «многомерного мира», это бескомпромиссная борьба с «абсолютной системой». Теория относительности стала, по сути, первой в истории теорией, перевернувшей взгляды ученых на такие категории, как время, пространство, движение.
Благодаря СТО было установлено: любое движение описывается исключительно по отношению к другим материальным телам, которые, в свою очередь, могут быть приняты за системы отсчета, связанные с системой координат; положение движущегося тела определяется временем и пространством, которые неразрывно связаны между собой; одинаковость законов механики для всех инерциальных систем отсчета сохраняет свою силу и для законов электродинамики, если при этом вместо преобразований Галилея используются преобразования Лоренца; при распространении ТО на электромагнетизм постулируется постоянство скорости света, которое совершенно не учитывается в классической механике.
ОТО позволила сделать обобщение, что все системы отсчета, а не только инерциальные, равноценны для описания законов природы. Кроме того, она установила зависимость пространственно-временных свойств окружающего материального мира от расположения и движения тяготеющих масс. Тела с большими массами благодаря своему гравитационному полю искривляют пути движения световых лучей и, следовательно, в конечном счете определяют пространственно-временные свойства мира.
И хотя СТО и ОТО имеют веские экспериментальные подтверждения (например, точное описание орбиты Меркурия; исследование лучей света, красное смещение), оппозиция им не исчезла и сегодня. В дальнейшем из этих двух «супертеорий» в XX в. выросли: ядерная физика, физика твердого тела, лазерная оптика, квантовая химия и т. д., а их технические реализации просто поражают воображение.
