Текст книги "Концепции современного естествознания"

В 1915 г. немецкий геофизик А. Вегенер предположил, исходя из очертаний континентов, что в геологическом периоде карбоне примерно 200 млн лет назад существовал единый массив суши, названный им Пангеей (от греч. вся земля). Пангея раскололась на Лавразию и Гондвану. 135 млн лет назад Африка отделилась от Южной Америки, 85 млн лет назад Северная Америка отделилась от Европы; 40 млн лет назад Индийский материк столкнулся с Азией и появились Тибет и Гималаи.

Эта гипотеза противоречила господствовавшим в геологии представлениям о неподвижности континентов в истории Земли. Первоначально в поддержку данной гипотезы свидетельствовало только то, что если мы мысленно соединим ныне существующие континенты, то их очертания хорошо подойдут друг другу.

Решающим аргументом в пользу принятия данной концепции стало эмпирическое обнаружение в конце 1950-х гг. расширения дна океанов со скоростью несколько миллиметров в год, что послужило отправной точкой создания новой теории эволюции земли – тектоники литосферных плит. В соответствии с данной теорией литосфера разделена на плиты, нижние части которых погружены в жидкий расплав мантии. Плиты имеют толщину 75 – 150 км. Они движутся под влиянием глубинных конвективных потоков (движение обусловлено разностью давлений в различных точках – такова же природа образования ветров и циклонов), направленных вверх и в стороны и тянущих за собой плиты. Итак, движущей силой служит конвекция в мантии, а источником энергии – радиоактивный распад. Процессы ядерного распада играют как бы роль мотора эволюции Земли. На плитах жестко укреплены континенты, которые движутся вместе с плитами, меняя лик планеты. Столкновение континентов вызывает горообразовательные процессы. В пределах плит имеются сквозные разломы, и возникающие в связи с этим напряжения в горных породах приводят к землетрясениям. Прогнозирование землетрясений представл^яет сейчас одну из главных задач геологии и геофизики. На протяжении геологической истории Земли континенты неоднократно соединялись в единый континент, который вновь раскалывался. Суперконтинентальный цикл имеет период примерно в 500 млн лет.

Теорию литосферных плит подтверждают и биологические данные о распространении животных на нашей планете. Теория дрейфа континентов, основанная на тектонике литосферных плит, ныне общепринята в геологии. Она представляет собой научную революцию в геологии ХХ в., коренным образом изменившую представления об эволюции Земли. До создания тектоники литосферных плит считалось, что основные силы, вызывающие горообразовательные процессы, действуют вертикально; тектоника ли-тосферных плит определила, что они горизонтальные. Хотя значение изменений представлений в геологии кажется не столь важным в сравнении с астрономией, на самом деле это можно назвать «коперниканским переворотом» в геологии.

Как мы увидим в дальнейшем, Земля – это «фабрика» по производству (причем безотходному) сложных соединений, минералов и живых тел.

Первые две из названных наук достигли своего расцвета в ХХ в. и относятся к типу переходных наук, которых в ХХ в. появилось особенно много (как уже упоминавшаяся астрофизика).

Геофизика изучает физические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли. Эта наука имеет как важное теоретическое, так и практическое значение. Первое связано с изучением внутреннего строения Земли, которое можно исследовать только особыми физическими методами, но не непосредственно. Существуют следующие специфические методы геофизики: сейсмический, радиоактивный и т. д. Практическое значение геофизики определяется поисками полезных ископаемых, которые все труднее открыть традиционными методами – геологическим молотком и т. п.

Геохимия изучает (в соответствии со своим названием) геохимические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли; распределение и перемещение химических элементов по лику Земли. Все планеты Солнечной системы построены в основном из небольшого количества химических элементов (около 30). Сложные органические соединения начинали возникать еще на последних ступенях остывания солнечной туманности. Процессы радиоактивного распада, поднимая температуру Земли, сделали возможным осуществление всех химических процессов, происходящих на ней.

Геохимические процессы, т. е. процессы круговорота химических элементов на поверхности и в недрах Земли (так называемые геохимические циклы), находились под влиянием развития жизни. Изучая эти процессы, В.И. Вернадский выяснил, что ключевую роль в их протекании играют все разновидности живого вещества, в том числе простейшие бактерии. Это дало начало еще одной науке – биогеохимии, которая изучает влияние живого вещества на распределение химических элементов на Земле.

География, в отличие от геофизики и геохимии, – одна из самых древних наук. Ее научный статус был не очень высок, что отражалось в самом названии (от греч. описание земли). Географы занимались описанием прежде всего поверхности нашей планеты. В таком понимании значение данной науки должно было бы постепенно сойти на нет, поскольку поверхность Земли достаточно полно описана. Имеется в виду физическая география, поскольку экономическая география принадлежит к числу не естественных, а гуманитарных наук. В ХХ в. предмет географии существенно изменился, что вдохнуло в нее новую жизнь. География, сохранив свое название, перестала быть описательной наукой, превратившись в конструктивную – науку о способах и путях преобразования лика Земли.

Существуют также науки, которые изучают отдельные виды процессов или участки земной поверхности: геоморфология – наука о рельефе, гидрология – наука о гидросфере, гидрогеология – наука о подземных водах, гляциология – наука о льде и ледниках и т. п.

Еще в девнем мире люди знали, что погодные условия зависят от угла наклона солнечных лучей к земной поверхности. Само слово «климат» происходит от греч. – наклон. Угол наклона зависит от широты местности и от времени суток и года. Изменение климата может быть замечено только в масштабе десятилетий, тогда как погода меняется в течение года.

Одной из основных причин резкого изменения климата считают небольшие изменения земной орбиты и наклона земной оси. Климатологи установили, что климат периодически (примерно раз в 100 тыс. лет) существенно менялся и не в отдельных регионах, а на всей планете. Эти периодические изменения климата модифицируют лик нашей планеты. Эволюция климата соответствует периодическим изменениям поверхности Земли, движениям континентов и гидросферы. Только периодичность разная: не 500 млн лет, как в суперконтинентальном цикле, а 100 тыс. лет.

В настоящее время на эволюцию климата большое влияние оказывает человеческая деятельность. Так, содержание углекислого газа в атмосфере из-за сжигания ископаемого топлива увеличилось за последние 100 лет на 25 %, что усиливает парниковый эффект и ведет к повышению температуры на поверхности Земли, которая выросла за столетие на 0,5 градуса. Дальнейшее увеличение грозит непредсказуемыми последствиями для планеты.

Возможные катастрофические изменения климата, связанные с мировой термоядерной войной, могут привести к так называемой «ядерной зиме», когда дым от пожаров, возникших при ядерных взрывах, может помешать доступу к земной поверхности солнечного света, что приведет к понижению температуры на 20–40 градусов и повлечет гибель человечества и высших животных.

Эта гипотеза возникла в последние два десятилетия на основе учения о биосфере, экологии и концепции коэволюции. Ее авторы – английский химик Д. Лавлок и американский микробиолог Л. Маргулис. Вначале была обнаружена химическая неравновесность атмосферы Земли, которая рассматривается как признак жизни. По мнению Д. Лавло-ка, если жизнь представляет собой глобальную целостность, ее присутствие может быть обнаружено через изменение химического состава атмосферы планеты.

Д. Лавлок ввел понятие геофизиологии, обозначающее системный подход к наукам о Земле. Согласно Гея-гипотезе, сохранение длительной химической неравновесности атмосферы Земли обусловлено совокупностью жизненных процессов на Земле. С начала жизни 3,5 млрд лет назад существовал механизм биологической автоматической термостатики, в котором избыток двуокиси азота в атмосфере играл регулирующую роль, препятствуя тенденции потепления, связанной с возрастанием яркости солнечного света. Другими словами, действует механизм обратной связи.

Д. Лавлок сконструировал модель, в соответствии с которой при изменении яркости потоков солнечного света растет разнообразие, ведущее к возрастанию способности регулировать температуру поверхности планеты, а также к росту биомассы.

Суть Гея-гипотезы: Земля является саморегулирующейся системой, созданной биотой и окружающей средой, способной сохранять химический состав атмосферы и тем самым поддерживать благоприятное для жизни постоянство климата. По Д. Лавлоку, мы – обитатели и часть квазиживой целостности, которая обладает способностью глобального гомеостаза, справляющегося с внешними влияниями в пределах своей способности к саморегуляции. Когда подобная система попадает в состояние стресса, близкого к границам саморегуляции, даже маленькое потрясение может толкнуть ее к переходу в новое стабильное состояние или даже полностью уничтожить.

В то же время «Гея» превращает даже вредные для себя элементы в необходимые и, видимо, может выжить даже после ядерной катастрофы. Эволюция биосферы, по Д. Ла-влоку, может быть процессом, который выходит за рамки полного понимания, контроля и даже участия человека.

Подходя к Гея-гипотезе с биологических позиций, Л. Маргулис полагает, что жизнь на Земле представляет собой сеть взаимозависимых связей, позволяющих планете действовать как саморегулирующаяся и самопроизводящая система.

1. Что изучает геология?

2. Что такое тектоника литосферных плит?

3. Каково строение Земли?

4. Чем занимается геофизика и геохимия?

5. Чем занимается климатология?

6. Каковы основные особенности Гея-гипотезы?

1. Земля от Солнца по счету является:

а) первой планетой;

б) второй;

в) третьей;

г) девятой.

2. Геохимия изучает:

а) геохимические процессы, происходящие в недрах и на поверхности Земли;

б) геохимические процессы в атмосфере Земли;

в) радиоактивное излучение Земли;

г) химическую эволюцию Земли.

3. Гея-гипотеза – это:

а) гипотеза о происхождении Земли;

б) гипотеза об эволюции Земли;

в) гипотеза о гомеостазе Земли;

г) древний миф о Земле.

4. Гипотезу о движении литосферных плит впервые высказал:

а) О.Ю. Шмидт;

б) А. Вегенер;

в) Ж. Кювье;

г) Д. Хойл.

1. Вернадский В.И. Химическое строение биосферы. Различные издания.

2. Мир вокруг нас. М., 1983.

3. Чижевский А.Л. Земное эхо солнечных бурь. М., 1976.

Глава 10
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О ПРОСТРАНСТВЕ И ВРЕМЕНИ

В трех последующих главах мы дадим как бы моментальную фотографию современного строения мира. Поможет нам одна из наиболее древних и фундаментальных наук – физика (от греч. природа). Стало быть, физика – наука о природе. Физика – главная из естественных наук, поскольку она открывает истины о соотношении нескольких основных переменных, справедливые для всей Вселенной. Ее универсальность обратно пропорциональна количеству переменных, которые она вводит в свои формулы.

Как атомы и кварки – «кирпичики» мироздания, так законы физики – «кирпичики» познания. «Кирпичиками» познания законы физики выступают не только потому, что в них используются некоторые основные и универсальные переменные и постоянные, действующие во всей Вселенной, но также и потому, что в науке действует принцип редукционизма, согласно которому все законы развития сложных уровней реальности должны быть сводимы к законам более простых уровней.

Скажем, законы воспроизводства жизни в генетике раскрываются на молекулярном уровне как законы взаимодействия молекул ДНК и РНК. Согласованием законов различных областей материального мира занимаются специальные пограничные науки, такие как молекулярная биология, биофизика, биохимия, геофизика, геохимия и т. д. Очень часто новые науки образуются как раз на стыках традиционных дисциплин.

Относительно сферы применимости принципа редукционизма в методологии науки ведутся ожесточенные споры, но само объяснение как таковое всегда предполагает сведение объясняемого на более глубокий понятийный уровень. В этом смысле наука подтверждает свою рациональность.

Физики утверждают, что ни одно тело во Вселенной не может не подчиняться закону всемирного тяготения, а если его поведение противоречит данному закону, значит, вмешиваются другие закономерности. Самолет не падает на землю, космический корабль преодолевает земное тяготение за счет применения реактивного двигателя, точного расчета при конструировании, использования специальных видов топлива. Полет самолета, космического корабля не отрицает закона всемирного тяготения, а использует факторы, которые нейтрализуют его действие.

Можно отрицать философию, религию, мистику, и это признается нормальным. Но с подозрением посмотрят на человека, который выразит сомнение в законе всемирного тяготения. В этом смысле можно сказать, что законы физики лежат в основании научного постижения действительности.

Два обстоятельства мешают понять современную физику: применение сложнейшего математического аппарата, который надо предварительно изучить (А. Эйнштейн сделал попытку преодолеть эту трудность, написав учебник, в котором нет ни одной формулы); невозможность создать наглядную модель современных физических представлений (искривленное пространство; частицу, одновременно являющуюся волной, и т. д.).

Прогресс физики (и науки в целом) связан с постепенным отказом от непосредственной наглядности. Как будто такой вывод должен противоречить тому, что современная наука, и физика прежде всего, основывается на эксперименте, т. е. эмпирическом опыте, который проходит при контролируемых человеком условиях и может быть воспроизведен в любое время любое число раз. Но дело в том, что некоторые стороны реальности незаметны для поверхностного наблюдения и наглядность может ввести в заблуждение. Механика Аристотеля покоилась на принципе: «Движущееся тело останавливается, если сила прекращает свое действие на него». Он казался соответствующим реальности просто потому, что не замечалось, что причиной остановки тела является трение. Для того чтобы сделать правильный вывод, потребовался эксперимент, который был не реальным, невозможным в данном случае, а идеальным.

Такой эксперимент провел великий итальянский ученый Г. Галилей, автор «Диалога о двух главнейших системах мира, птолемеевой и коперниковой» (1632). Для того чтобы данный мысленный эксперимент стал возможным, потребовалось представление об идеально гладком теле и идеально гладкой поверхности, исключающей трение. Эксперимент Г. Галилея, позволивший сделать вывод, что, если ничто не будет влиять на движение тела, оно сможет продолжаться бесконечно долго, стал основой классической механики И. Ньютона (вспомним три закона движения из школьной программы физики). В 1686 г. И. Ньютон предоставил Лондонскому королевскому обществу свои «Математические начала натуральной философии», в которых сформулировал основные законы движения, закон всемирного тяготения, понятия массы, инерции, ускорения. Так, благодаря мысленным экспериментам стала возможной новая механистическая картина мира.

Возможно, на знаменитые мысленные эксперименты Г. Галилея подвигло создание гелиоцентрической системы мира выдающимся польским ученым Н. Коперником (1473–1543), ставшее еще одним примером отказа от непосредственной наглядности. Главный труд Н. Коперника «Об обращении небесных миров» подвел итог его наблюдениям и размышлениям над этими вопросами в течение более 30 лет. Датский астроном Т. Браге (1546–1601) ради спасения наглядности выдвинул в 1588 г. гипотезу, согласно которой вокруг Солнца вращаются все планеты, за исключением Земли, последняя неподвижна и вокруг нее обращаются Солнце с планетами и Луна. И только И. Кеплер (1571–1630), установив три закона планетарных движений, носящих его имя (первые два в 1609 г., третий – в 1618 г.) окончательно подтвердил справедливость учения Н. Коперника.

Итак, прогресс науки Нового времени определили идеализированные представления, порывающие с непосредственной реальностью. Однако физика XX в. заставляет отказаться не только от непосредственной наглядности, но и от наглядности как таковой. Это препятствует представлению физической реальности, но позволяет лучше осознать справедливость слов А. Эйнштейна: «Физические понятия суть свободные творения человеческого разума и не однозначно определены внешним миром_ В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения».[35]35
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. С. 30.


[Закрыть]

Отказ от наглядности научных представлений является неизбежной платой за переход к исследованию более глубоких уровней реальности, не соответствующих эволюционно выработанным механизмам человеческого восприятия.

Еще в классической механике был известен принцип относительности Г. Галилея: «Если законы механики справедливы в одной системе координат, то они справедливы и в любой другой системе, движущейся прямолинейно и равномерно относительно первой».[36]36
  Там же. С. 130.


[Закрыть] Такие системы называются инерциальными, поскольку движение в них подчиняется закону инерции, гласящему: «Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменить его под влиянием движущих сил».[37]37
  Там же. С. 126.


[Закрыть]

В начале XX в. выяснилось, что принцип относительности справедлив не только в механике, но также в оптике и электродинамике. Расширив свое значение, он теперь звучал так: любой процесс протекает одинаково в изолированной материальной системе, и в такой же системе, находящейся в состоянии равномерного прямолинейного движения. Или: законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчета.

После того как физики отказались от представления о существовании эфира как всеобщей среды, рухнуло представление об эталонной системе отсчета. Все системы отсчета были признаны равнозначными, и принцип относительности стал универсальным. Теория относительности утверждает, что все системы отсчета одинаковы и нет какой-либо одной, имеющей преимущества перед другими (относительно которой эфир был бы неподвижен).

Переход от одной инерциальной системы к другой осуществлялся в соответствии с преобразованиями Х. Лоренца. Однако экспериментальные данные о постоянстве скорости света, полученные на рубеже ХХ в., привели к парадоксу, для разрешения которого понадобилось введение принципиально новых представлений.

Поясним сказанное на следующем примере. Предположим, что мы плывем на корабле, движущемся прямолинейно и равномерно относительно берега. Все законы движения остаются здесь такими же, как на берегу. Общая скорость движения будет определяться суммой движения на корабле и движения самого корабля. При скоростях, далеких от скорости света, это не приводит к отклонению от законов классической механики. Но если наш корабль достигнет скорости, близкой к скорости света, то сумма скорости движения корабля и на корабле может превысить скорость света, чего на самом деле не может быть, так как в соответствии с экспериментом Майкельсона – Морли «скорость света всегда одинакова во всех системах координат, независимо от того, движется ли излучающий источник или нет, и независимо от того, как он движется».[38]38
  Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. С. 140.


[Закрыть]

Пытаясь преодолеть возникшие трудности, в 1904 г. Х. Лоренц предложил считать, что движущиеся тела сокращаются в направлении своего движения (причем коэффициент сокращения зависит от скорости тела) и что в различных системах отсчета измеряются кажущиеся промежутки времени. Но в следующем году А. Эйнштейн истолковал кажущееся время в преобразованиях Х. Лоренца как истинное.

Как и Г. Галилей, А. Эйнштейн использовал мысленный эксперимент, который получил название «поезд Эйнштейна». «Представим себе наблюдателя, едущего в поезде и измеряющего скорость света, испускаемого фонарями на обочине дороги, т. е. движущегося со скоростью cв системе отсчета, относительно которой поезд движется со скоростью v. По классической теореме сложения скоростей наблюдатель, едущий в поезде, должен был бы приписать свету, распространяющемуся в направлении движения поезда, скорость c + v».[39]39
  Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. С. 87.


[Закрыть] Однако скорость света выступает как универсальная постоянная природы.

Рассматривая это противоречие, А. Эйнштейн предложил отказаться от представления об абсолютности и неизменности свойств пространства и времени. Данный вывод противоречит обыденному опыту, поскольку этих изменений мы непосредственно не наблюдаем и не можем представить никакого пространства, кроме трехмерного, и никакого времени, кроме одномерного. Но наука совсем не обязательно должна следовать здравому смыслу и неизменным формам чувственности. Главный критерий для нее – соответствие теории и эксперимента. Теория А. Эйнштейна удовлетворяла этому критерию и была принята. В свое время и представления о том, что Земля круглая и движется вокруг Солнца, тоже казались противоречащими здравому смыслу и наблюдению, но именно они оказались справедливыми.