Текст книги "Концепции современного естествознания"

Развитие науки определяется внешними и внутренними факторами. К первым относится влияние государства, экономических, культурных, национальных параметров, ценностных установок ученых. Вторые определяют и определяются внутренней логикой и динамикой развития науки. Не всегда первые можно четко отделить от вторых, и тем не менее данное разделение полезно.

Внутренняя динамика развития науки имеет свои особенности на каждом из уровней исследования. Эмпирическому уровню присущ кумулятивный характер (кумулиро-вать значит суммировать, накапливать; в русском языке есть слова «аккумулировать», «аккумулятор»), поскольку даже отрицательный результат наблюдения или эксперимента вносит свой вклад в накопление знаний. Теоретический уровень отличается более скачкообразным характером, так как каждая новая теория представляет собой качественное преобразование системы знания. Новая теория, пришедшая на смену старой, не отрицает ее полностью (хотя в истории науки имели место случаи, когда приходилось отказываться от ложных концепций теплорода, электрической жидкости и т. п.), но чаще ограничивает сферу ее применимости, что позволяет говорить о соответствии в развитии теоретического знания. Это выражается в принципе соответствия, по которому старое знание соотносится с новым.

Вопрос о смене научных концепций – один из наиболее злободневных в современной методологии науки. В первой половине XX в. основной структурной единицей исследования признавалась теория, и вопрос о ее смене ставился в зависимость от ее верификации (эмпирического подтверждения) или фальсификации (эмпирического опровержения). Главной методологической проблемой считалась проблема сведения теоретического уровня исследований к эмпирическому, что в конечном счете оказалось невозможным.

В начале 1960-х гг. американский ученый Т. Кун выдвинул концепцию, в соответствии с которой теория до тех пор остается принятой научным сообществом, пока не подвергается сомнению основная парадигма (установка, образ) научного исследования в данной области. Динамика науки была представлена Т. Куном следующим образом: старая парадигма → нормальная стадия развития науки → революция в науке → новая парадигма.

Итак, пока совокупность основных теоретических представлений в данной науке не меняется, мы имеем дело с нормальной наукой. Если они изменились, то значит произошла научная революция в данной отрасли знания. Следует отличать научную революцию от научно-технической революции. Научных революций может быть несколько в каждой из наук, и научная революция предполагает кардинальное изменение только внутри науки как отрасли культуры.

Парадигмальная концепция развития научного знания затем была конкретизирована с помощью понятия «исследовательская программа» как структурной единицы более высокого порядка, чем отдельная теория. В рамках исследовательской программы и обсуждается вопрос об истинности научных теорий.

Еще более высокая структурная единица – естественнонаучная картина мира, которая объединяет в себе наиболее существенные естественно-научные представления эпохи.

«Первый шаг – создание из обыденной жизни картины мира – дело чистой науки», – писал выдающийся физик XX в. М. Планк. Исторически первой естественно-научной картиной мира Нового времени была механистическая картина, которая напоминала часы: любое событие однозначно определяется начальными условиями, задаваемыми (по крайней мере в принципе) абсолютно точно. В таком мире нет места случайности. В нем возможен «демон Лапласа» – существо, способное охватить всю совокупность данных о состоянии Вселенной в любой момент времени, могло бы не только точно предсказать будущее, но и до мельчайших подробностей восстановить прошлое.

Представление о Вселенной как о гигантской заводной игрушке преобладало в XVII–XVIII вв. Оно имело религиозную основу, поскольку сама наука вышла из недр христианства. Бог как рациональное существо создал рациональный в своей основе мир. И человек как рациональное существо, созданное Богом по своему образу и подобию, способен познать мир. Такова основа веры классической науки в себя и людей в науку. Ограничив значение религии, человек эпохи Возрождения продолжал мыслить религиозно. Механистическая картина мира предполагала Бога как часовщика и строителя Вселенной.

Механистическая картина мира основывалась на следующих принципах: связь теории с практикой; использование математики; эксперимент реальный и мысленный; критический анализ и проверка данных; главный вопрос: «как?», а не «почему?»; нет «стрелы времени» (регулярность, детерминированность и обратимость траекторий).

Но в XIX в. термодинамика провозгласила парадоксальный вывод: «Если бы мир был гигантской машиной, то такая машина неизбежно должна была бы остановиться, так как запас полезной энергии рано или поздно был бы исчерпан». Затем теория эволюции Ч. Дарвина сдвинула интерес от физики в сторону биологии.

Главный результат современного естествознания, по В. Гейзенбергу, в том, что оно разрушило неподвижную систему понятий XIX в. и усилило интерес к античной предшественнице науки – философской рациональности Аристотеля. «Одним из главных источников аристотелевского мышления явилось наблюдение эмбрионального развития – высокоорганизованного процесса, в котором взаимосвязанные, хотя и внешне независимые события происходят, как бы подчиняясь единому глобальному плану. Подобно развивающемуся зародышу, вся аристотелевская природа построена на конечных причинах. Цель всякого изменения, если оно сообразно природе вещей, состоит в том, чтобы реализовать в каждом организме идеал его рациональной сущности. В этой сущности, которая в применении к живому есть в одно и то же время его окончательная, формальная и действующая причина, – ключ к пониманию природы… рождение современной науки – столкновение между последователями Аристотеля и Галилея – есть столкновение между двумя формами рациональности».[33]33
  Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. С. 83–84.


[Закрыть]

Итак, можно выделить три картины мира: сущностную преднаучную, механистическую, эволюционную. Современная естественно-научная картина мира основывается на принципе саморазвития. В этой картине присутствует человек и его мысль. Она эволюционна и необратима. В ней естественно-научное знание неразрывно связано с гуманитарным. Об этом мы будем подробно говорить в дальнейших разделах.

1. Каковы этапы развития естествознания?

2. Как влияют на развитие науки внешние и внутренние факторы?

3. Что такое «парадигма»?

4. В чем смысл понятия «научная революция»?

5. Что такое кумулятивность и преемственность в применении к научному знанию?

6. Что такое естественно-научная картина мира?

1. Причины возниновения науки в Западной Европе в Новое время заключаются в том, что:

а) европейская культура соединяет в себе рациональность и чувственность;

б) христианство стимулировало развитие определенного типа мышления;

в) быстрое увеличение численности европейцев подталкивало развитие промышленной техники, а следом и науки;

г) произошла случайность, наука могла возникнуть и на Востоке.

2. Когда могло возникнуть такое высказывание: «Книга природы написана языком математики»?

а) в античности;

б) в Новое время;

в) в ХХ в.;

г) в Средневековье.

3. Когда могла быть произнесена следующая фраза: ученый-астроном в ответ на вопрос великого человека: «Почему в Вашей концепции нет места для Бога?», сказал: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе»?

а) в античности;

б) в Новое время;

в) в ХХ в.;

г) в Средневековье.

4. Динамика развития науки – это:

а) накопление знаний;

б) логика развития науки;

в) чередование гипотез и теорий; г) нормальное развитие науки.

1. Кун Т. Структура научных революций. М., 1975.

2. Фейерабенд П. Избранные труды по методологии науки. М., 1986.

3. Ясперс К. Смысл и назначение истории. М., 1994.

Раздел II
НАУКИ О НЕЖИВОЙ ПРИРОДЕ

Глава 7
СОВРЕМЕННАЯ КОСМОЛОГИЯ

Всякий, кто способен чувствовать, глядя на небо в ясную ночь, не может не спрашивать себя, откуда берутся звезды, куда они исчезают и что поддерживает порядок во Вселенной. Такого же рода вопросы мы задаем, изучая самоорганизующийся бесконечный мир человеческого организма и заглядывая в восприимчивые и испытующие человеческие глаза, постоянно стремящиеся преодолеть разрыв между двумя этими мирами.

Г. Селье

Во все времена люди хотели знать, как возник наш мир. Когда в культуре господствовали мифологические представления, происхождение мира объяснялось, как, скажем, в «Ведах», распадом первочеловека Пуруши. То, что это была общая мифологическая схема, подтверждается и русскими апокрифами, например «Голубиной книгой». Победа христианства утвердила представления о сотворении Богом мира из «ничего».

С появлением науки в ее современном понимании на смену мифологическим и религиозным приходят научные представления о происхождении Вселенной. Следует разделять три близких термина: «бытие», «универсум» и «Вселенная». Первый – философский и обозначает «все существующее, бытующее». Второй употребляется и в философии, и в науке, не имея специфической философской нагрузки (в плане противопоставления бытия и сознания), и обозначает «все как таковое». Значение термина «Вселенная» уже приобрело специфически научное звучание. Вселенная – место вселения человека, доступное эмпирическому наблюдению. Постепенное сужение научного значения термина «Вселенная» вполне понятно, так как естествознание в отличие от философии имеет дело только с тем, что эмпирически проверяемо современными научными методами.

Вселенную в целом изучает космология, т. е. наука о космосе. Слово это тоже не случайно. Хотя сейчас космосом называют все находящееся за пределами атмосферы Земли, не так было в Древней Греции. Космос тогда воспринимался как порядок, гармония, в противоположность хаосу – беспорядку. Таким образом, космология в основе своей, как и подобает науке, открывает упорядоченность нашего мира и нацелена на поиск законов его функционирования. Открытие этих законов и представляет собой цель изучения Вселенной как единого упорядоченного целого.

Это изучение зиждется на нескольких предпосылках. Во-первых, формулируемые физикой универсальные законы функционирования мира считаются действующими во всей Вселенной. Во-вторых, производимые астрономами наблюдения тоже признаются распространимыми на всю Вселенную. И, в-третьих, истинными признаются только те выводы, которые не противоречат возможности существования самого наблюдателя, т. е. человека (так называемый ант-ропный принцип).

Выводы космологии называются моделями происхождения и развития Вселенной. Почему моделями? Дело в том, что один из основных принципов современного естествознания – представление о возможности проведения в любое время управляемого и воспроизводимого эксперимента над изучаемым объектом. Только если можно провести бесконечное в принципе количество экспериментов и все они приводят к одному результату, на основе этих экспериментов делают заключение о наличии закона, которому подчиняется функционирование данного объекта. Лишь в этом случае результат считается вполне достоверным с научной точки зрения.

Ко Вселенной в целом это методологическое правило остается неприменимым. Наука формулирует универсальные законы, а Вселенная уникальна. Это противоречие, которое требует считать все заключения о происхождении и развитии Вселенной не законами, а лишь моделями, т. е. возможными вариантами объяснения. Строго говоря, все законы и научные теории являются моделями, поскольку они могут быть заменены в процессе развития науки другими концепциями, но модели Вселенной в большей степени модели, чем многие иные научные утверждения.

Общепринятая в космологии – модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной, построенная на основе общей теории относительности и релятивистской теории тяготения, созданной А. Эйнштейном в 1916 г. В основе этой модели лежат два предположения: свойства Вселенной одинаковы во всех ее точках (однородность) и направлениях (изотропность); наилучшее известное описание гравитационного поля – уравнения А. Эйнштейна. Из этого следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, – релятивистская.

Важный признак данной модели – ее нестационарность. Это определяется двумя постулатами теории относительности: принципом относительности, гласящим, что во всех инерционных системах все законы сохраняются вне зависимости от того, с какими скоростями равномерно и прямолинейно движутся эти системы относительно друг друга; экспериментально подтвержденным постоянством скорости света.

Из теории относительности следовало, что искривленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься. Первым это заметил петербургский физик и математик А.А. Фридман в 1922 г. Эмпирическим подтверждением этого вывода стало открытие американским астрономом Э. Хабблом в 1929 г. так называемого «красного смещения».

«Красное смещение» – это понижение частот электромагнитного излучения: в видимой части спектра линии смещаются к его красному концу. Согласно обнаруженному ранее эффекту Доплера при удалении от нас какого-либо источника колебаний воспринимаемая нами частота колебаний уменьшается, а длина волны соответственно увеличивается. При излучении происходит «покраснение», т. е. линии спектра сдвигаются в сторону более длинных красных волн.

Так вот, для всех далеких источников света «красное смещение» было зафиксировано, причем чем дальше находился источник, тем в большей степени. «Красное смещение» оказалось пропорционально расстоянию до источника, что и подтверждало гипотезу об их удалении, т. е. о расширении Метагалактики – видимой части Вселенной. Открытие «красного смещения» позволило сделать вывод о «разбегании» галактик и расширении Вселенной.

«Красное смещение» надежно подтверждает теоретический вывод о нестационарности области нашей Вселенной с линейными размерами порядка нескольких миллиардов парсек на протяжении по меньшей мере нескольких миллиардов лет. В то же время кривизна пространства не может быть измерена, оставаясь теоретической гипотезой.

Если Вселенная расширяется, значит, она возникла в определенный момент времени. Как это произошло? Составной частью модели расширяющейся Вселенной служит представление о Большом взрыве, происшедшем примерно 12–18 млрд лет назад. «Вначале был взрыв. Не такой взрыв, который знаком нам на Земле и который начинается из определенного центра и затем распространяется, захватывая все больше и больше пространства, а взрыв, который произошел одновременно везде, заполнив с самого начала все пространство, причем каждая частица материи устремилась прочь от любой другой частицы».[34]34
  Вейнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М., 1981. С. 30.


[Закрыть]

Начальное состояние Вселенной (так называемая сингулярная точка): бесконечная плотность массы, бесконечная кривизна пространства и взрывное, замедляющееся со временем расширение при высокой температуре, при которой могла существовать только смесь элементарных частиц (включая фотоны и нейтрино). Горячесть начального состояния подтверждена открытием в 1965 г. реликтового излучения фотонов и нейтрино, образовавшихся на ранней стадии расширения Вселенной. Предсказание реликтового излучения было следствием модели Большого взрыва и расширяющейся Вселенной, а его обнаружение – подтверждением данного следствия. Слово «реликтовое» здесь не случайно: так и по остаткам существовавших в древности животных заключают о том, что они были.

Возникает интересный вопрос: из чего же образовалась Вселенная? Чем было то, из чего она возникла? В Библии утверждается, что Бог создал «все из ничего». Зная, что в классической науке сформулированы законы сохранения материи и энергии, религиозные философы спорили о том, что значит библейское «ничего», и некоторые в угоду науке полагали, что под «ничем» имеется в виду первоначальный материальный хаос, упорядоченный Богом.

Как это ни удивительно, современная наука допускает (именно допускает, но не утверждает), что все могло созда-сться из ничего. «Ничего» в научной терминологии называется вакуумом. Вакуум, который физика XIX в. считала пустотой, по современным научным представлениям является своеобразной формой материи, способной при определенных условиях «рождать» вещественные частицы.

Современная квантовая механика допускает (это не противоречит теории), что вакуум может приходить в «возбужденное состояние», вследствие чего в нем может образоваться поле, а из него (что подтверждается современными физическими экспериментами) – вещество.

Рождение Вселенной из «ничего» означает с современной научной точки зрения ее самопроизвольное возникновение из вакуума, когда в отсутствие частиц происходит случайная флуктуация. Если число фотонов равно нулю, то напряженность поля не имеет определенного значения (по «принципу неопределенности» Гейзенберга): поле постоянно испытывает флуктуации, хотя среднее (наблюдаемое) значение напряженности равно нулю.

Флуктуация представляет собой появление виртуальных частиц, которые непрерывно рождаются и сразу же уничтожаются, но так же участвуют во взаимодействиях, как и реальные частицы. Благодаря флуктуациям, вакуум приобретает особые свойства, проявляющиеся в наблюдаемых эффектах.

Итак, Вселенная могла образоваться из «ничего», т. е. из «возбужденного вакуума». Такая гипотеза, конечно, не подтверждает существование Бога. Ведь все это могло произойти в соответствии с законами физики естественным путем, без вмешательства извне каких-либо идеальных сущностей. И в этом случае научные гипотезы не подтверждают и не опровергают религиозные догмы, которые лежат по ту сторону эмпирически подтверждаемого и опровергаемого естествознания.

На этом удивительное в современной физике не кончается. Отвечая на просьбу журналиста изложить суть теории относительности в одной фразе, А. Эйнштейн сказал: «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». Перенеся этот вывод на модель расширяющейся Вселенной, можно заключить, что до образования Вселенной не было ни пространства, ни времени.

Отметим, что теория относительности соответствует двум разновидностям модели расширяющейся Вселенной. В первой из них кривизна пространства-времени отрицательна или в пределе равна нулю; в этом варианте все расстояния со временем неограниченно возрастают. Во второй разновидности модели кривизна положительна, пространство конечно, и в этом случае расширение со временем заменяется сжатием. В обоих вариантах теория относительности согласуется с нынешним эмпирически подтвержденным расширением Вселенной.

Досужий ум неизбежно задается вопросами: что же было тогда, когда не было ничего, и что находится за пределами расширения. Первый вопрос очевидно противоречив сам по себе, второй выходит за рамки конкретной науки. Астроном может сказать, что как ученый он не вправе отвечать на такие вопросы. Но поскольку они все же возникают, формулируются и возможные обоснования ответов, которые не столько научные, сколько натурфилософские.

Так, проводится различие между терминами «бесконечный» и «безграничный». Примером бесконечности, которая не безгранична, служит поверхность Земли: мы можем идти по ней бесконечно долго, но тем не менее она ограничена атмосферой сверху и земной корой снизу. Вселенная также может быть бесконечной, но ограниченной. С другой стороны, известна точка зрения, в соответствии с которой в материальном мире не может быть ничего бесконечного, потому что он развивается в виде конечных систем с петлями обратной связи, которыми эти системы создаются в процессе преобразования среды.

Но оставим эти соображения области натурфилософии, потому что в естествознании в конечном счете критерием истины выступают не абстрактные соображения, а эмпирическая проверка гипотез.

Что же было после Большого взрыва? Образовался сгусток плазмы – состояние, в котором находятся элементарные частицы – нечто среднее между твердым и жидким состоянием, который и начал расширяться все больше и больше под действием взрывной волны. Через 0,01 с после начала Большого взрыва во Вселенной появилась смесь легких ядер (²/з водорода и ¹/₃ гелия). Как образовались все остальные химические элементы?