Особенности современного научного мышления

     В 1925-1927 гг. для объяснения процессов, происходящих в мире мельчайших частиц материи - микромире, была создана новая, квантовая механика. Последнее название и утвердилось за новой наукой. Впоследствии возникли разнообразные квантовые теории: квантовая электродинамика, теория элементарных частиц и другие, которые исследуют закономерности движения элементарных частиц микромира.

     Другая  фундаментальная теория современной  физики - теория относительности - в корне изменила, научные представления о пространстве и времени. В специальной теории относительности получил дальнейшее применение установленный еще Галилеем принцип относительности в механическом движении. Согласно этому принципу, во всех инерциальных системах, все механические процессы происходят одинаковым образом, и поэтому их законы имеют ту же самую, математическую форму. Наблюдатели в таких системах не заметят никакой разницы в протекании механических явлений. В дальнейшем принцип относительности был использован и для описания электромагнитных процессов. Точнее говоря, сама специальная теория относительности появилась в связи с преодолением трудностей, возникших в этой теории.

     Важный  методологический урок, который был  получен из специальной теории относительности, состоял в том, что она впервые  ясно показала, 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 с помощью фотографии луча на фотопластинке.

     Научно-техническая  революция, развернувшаяся в последние  десятилетия XX в., внесла много нового в наши представления о сущности естественнонаучной картины мира. Возникновение системного подхода позволило взглянуть на окружающий нас мир как на единое, целостное образование, состоящее из огромного множества взаимодействующих друг с другом систем. Вместе с тем появление такого междисциплинарного направления исследований, как синергетика, или учение о самоорганизации, дало возможность не только раскрыть внутренние механизмы эволюционных процессов, которые происходят в природе, но и представить весь мир как совокупность самоорганизующихся процессов. 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 неравновесность, достаточное удаление от точки равновесия и некоторые другие). Чем сложнее система, тем более высокий уровень приобретают 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 непрестанного усложнения, совершенствования и эволюции.

     В каком отношении синергетический  подход находится к подходу общесистемному? Прежде всего, подчеркнем, что два  этих подхода не исключают, а, наоборот, предполагают и дополняют друг друга. Действительно, когда рассматривают  множество каких-либо объектов как  систему, то обращают внимание на их взаимосвязь, взаимодействие и целостность. Синергетический подход ориентируется на исследование процессов изменения и развития систем. Он изучает процессы возникновения и формирования новых систем в процессе самоорганизации. Чем сложнее протекают эти процессы в различных системах, тем выше находятся такие системы на эволюционной лестнице развития. Таким образом, эволюция систем напрямую связана с процессами и механизмами самоорганизации. Исследование конкретных механизмов самоорганизации и основанной на ней эволюции составляет задачу конкретных наук. Синергетика же выявляет и формулирует общие принципы самоорганизации любых систем, и в этом отношении она аналогична системному методу, который рассматривает общие принципы функционирования, развития и строения любых систем. В целом же системный подход имеет более фундаментальный и широкий характер, поскольку наряду с динамическими, развивающимися системами рассматривает также системы статические.

     Эти новые мировоззренческие подходы  к исследованию естественнонаучной картины мира оказали значительное влияние как на конкретный характер познания в отдельных отраслях естествознания, так и на понимание природы  научных революций в естествознании. А ведь именно с революционными преобразованиями в естествознании связано коренное изменение представлений о картине  природы.

     В наибольшей мере это коснулось наук, изучающих живую природу. Переход  от клеточного уровня исследования к  молекулярному уровню ознаменовался  крупнейшими открытиями в биологии, связанными с расшифровкой генетического  кода, пересмотром прежних взглядов на эволюцию живых организмов, уточнением старых и появлением новых гипотез  происхождения жизни и многого  другого. Такой переход стал возможен в результате взаимодействия различных  наук естествознания, широкого использования  в биологии точных методов физики, химии, информатики и вычислительной техники. В свою очередь, живые системы послужили для химии той природной лабораторией, опыт которой ученые стремились воплотить в своих исследованиях по синтезу сложных соединений. По-видимому, учения и принципы биологии оказали значительное стимулирующее воздействие на развитие физики.

     Выдвижение  на передний край естествознания биологических  проблем, а также особая специфика  живых систем дали повод целому ряду ученых заявить о смене лидера современного естествознания. Если раньше таким бесспорным лидером считалась  физика, то теперь на такую роль все  решительнее претендует биология. Соответственно этому если идеалом устройства окружающего  мира в прошлом признавали часы и  машины, то теперь таким идеалом  считается живой организм. Однако многочисленные противники такого взгляда  не без основания заявляют, что  поскольку живой организм состоит  из тех же молекул, атомов, элементарных частиц, то по-прежнему лидером естествознания должна оставаться физика.

     Вопрос  о лидерстве в естествознании зависит от множества разнообразных  факторов, среди которых решающую роль играют ценность лидирующей науки  для общества, точность, разработанность  и фундаментальность методов  ее исследования, возможность их применения в других науках и некоторые другие. Несомненно, однако, что самыми впечатляющими  для современников являются наиболее крупные открытия, сделанные в  лидирующей науке, и перспективы  ее дальнейшего развития. С этой точки зрения биология второй половины XX столетия может рассматриваться, по крайней мере, как кандидат в лидеры современного естествознания, ибо именно в ее рамках были сделаны наиболее революционные открытия.

     Революционные преобразования в естествознании означают коренные, качественные изменения в концептуальном содержании его теорий, учений и научных дисциплин. Развитие науки отнюдь не сводится к простому накоплению и даже обобщению фактов, т.е. к тому, что называют кумулятивным процессом. Факты всегда стремятся объяснить с помощью гипотез и теорий.

     В XX в. возникли, с одной стороны, квантово-механистическая картина мира, а с другой - релятивистская картина пространства-времени. В настоящее время все большую роль в формировании картины мира начинают играть эволюционные взгляды, тесно связанные с системным подходом и самоорганизацией. В связи с этим в современную науку все шире проникает идея о глобальной эволюции. Такое общее, предварительное и схематическое представление о связи между фундаментальными концепциями и парадигмами исследования и естественнонаучными картинами мира свидетельствует о качественных изменениях в развитии самого естествознания, сопровождающихся научными революциями.

     С развитием концепции атомизма и  переходом к исследованию элементарных частиц физики приступили к изучению самого ядра атома. В первой модели атома Резерфорда-Бора предполагалось, что ядро состоит из положительно заряженных массивных протонов. Только после открытия в 1932 г. английским ученым Д. Чедвиком электрически нейтральной частицы, названной нейтроном, в изучении строения ядра наметился явный прогресс. Сразу же после этого открытия русский физик Д. Иваненко первым выступил в печати с гипотезой, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и лишенных заряда нейтронов. В том же году немецкий физик В. Гейзенберг развил эту гипотезу дальше. Тот факт, что нейтроны электрически нейтральны, сыграл ключевую роль в дальнейших ядерных исследованиях. Во-первых, электрически нейтральные нейтроны не отталкиваются ядром и поэтому их можно применить для бомбардировки ядра и более тщательного изучения его строения и свойств. Во-вторых, нейтроны служат незаменимым средством в практическом использовании ядерной энергетики, получении трансурановых элементов, радиоактивных изотопов, геологической разведке и т.д. Протоны и нейтроны, образующие ядро и называемые нуклонами, по своей массе в 4 тыс. раз превосходят массу составляющих атом электронов. Общее число нуклонов в ядре называют массовым числом, число протонов определяет заряд атома, а числонейтронов находится по формуле: N=А - Z, где N- число нейтронов, А-массовое число, Z-число протонов. Размеры ядра зависят от числа содержащихся в нем нуклонов. Плотность ядерного вещества чрезвычайно велика и, по расчетам, составляет приблизительно 1014 г/см3, т.е. 100 млн т/см3.

     Исследование  структуры ядра сопряжено со многими  теоретическими и экспериментальными трудностями. Поэтому при построении моделей ядра используются различные  аналогии и полуэмпирические схемы. Так, еще в 1936 г. известный датский  ученый Н. Бор и советский физик  Я. Френкель выдвинули капельную  модель атомного ядра. В ней ядро рассматривается по аналогии с каплей жидкости, которая, однако, состоит  из интенсивно взаимодействующих между  собой протонов и нейтронов. Поверхность  такой капли может колебаться и при определенных условиях привести к разделению капли на части, т.е. к разрушению ядра.

     Другая  модель была предложена американским ученым М. Гепперт-Майер и немецким физиком X. Йенсеном в 50-х гг. XX в. Она  была названа оболочечной моделью  ядра, согласно которой нуклоны, как  и электроны в атоме, заполняют  соответствующие оболочки в ядре, которые характеризуются разными  значениями энергий. В противовес этой модели датские ученые О. Бор (сын  Н. Бора) и Б. Мотгельсон выдвинули  обобщенную модель ядра, которая состоит  из устойчивой внутренней части, вокруг которой движутся внешние нуклоны. Под воздействием этих нуклонов внутренняя часть ядра может изменять свою структуру, принимая форму вытянутого эллипсоида, напоминающую своего рода каплю. Поскольку  указанная модель в определенной мере объединяет представления капельной  и оболочечной моделей, ее и назвали  обобщенной.

     Процесс взаимодействия нуклонов осуществляется путем многократного испускания одним из них  -мезона и поглощения его другим нуклоном. В результате этого протон превращается в нейтрон, а нейтрон преобразуется в протон. Протоны и нейтроны, образующие атомное ядро, удерживаются вместе мощными силами ядерного взаимодействия, которые принадлежат, как мы уже знаем, к фундаментальному типу сильного взаимодействия. Под энергией связи ядра подразумевают энергию, которую необходимо затратить, чтобы разделить его на отдельные нуклоны. Она равна разности между суммой масс нуклонов, входящих в ядро, и массой образованного из них ядра, умноженной на квадрат скорости света. Из этой разницы как раз образуется тот дефект массы, за счет которого возникает огромная термоядерная энергия в результате расщепления ядра. Отсюда становится ясным, что масса ядра атома меньше массы составляющих его нуклонов, так как в процессе синтеза часть их массы превращается в энергию и выделяется в окружающую среду. Зная общую энергию связи нуклонов, можно найти удельную энергию, приходящуюся на отдельный нуклон. Для большинства ядер эта энергия в среднем оказывается одинаковой, но для легких и тяжелых ядер наблюдается отклонение от среднего значения. Следует также обратить внимание на то, что с увеличением числа протонов в тяжелых ядрах тех атомов, которые занимают места в последних клетках периодической системы элементов Менделеева, заметное воздействие оказывают силы отталкивания между положительно заряженными протонами. Они стремятся разрушить ядро, и поэтому ядра таких атомов становятся нестабильными, а атомы химических элементов, начиная с № 83 (висмут), оказываются неустойчивыми. Именно этим объясняется естественная радиоактивность элементов, наблюдаемая в природе.

     Впервые такую радиоактивность обнаружил  французский ученый А. Беккерель  в 1896 г. Изучая соли урана, а затем  и чистый уран, он заметил, что они  непрерывно излучают энергию, которую  Беккерель назвал радиоактивной. Дальнейшее исследование явления радиоактивности  другими учеными, и в особенности  супругами М. Склодовской-Кюри и  П. Кюри, открывшими новые радиоактивные  элементы полоний и радий, позволило  выявить ряд свойств и закономерностей  радиоактивного излучения. Было установлено, что все радиоактивные вещества испускают три рода лучей, которые были названы -лучами. При анализе -лучи оказались ядрами гелия, -лучи сначала связывали с испусканием электрона, но теперь мы знаем, что они характерны для слабого взаимодействия вообще, у-лучи обладают большой проникающей способностью и во многом аналогичны жестким рентгеновским лучам.

     Первое  объяснение естественной радиоактивности  было достигнуто с помощью представления  о превращении одних химических элементов в другие, которое, как  мы знаем, привело к революции  в естествознании и отказу от прежних  взглядов на атомы как мельчайшие, неизменные и неделимые частицы  вещества. Впоследствии с помощью  квантовой механики удалось дать более адекватное объяснение механизму  радиоактивных процессов.

     В 1940 г. русские ученые Г.Н. Флеров и  К.А. Петржак открыли новый вид  радиоактивного превращения, связанный  со спонтанным, или самопроизвольным, делением атомных ядер. Но явление  радиоактивности, наблюдаемое в  естественных условиях, вряд ли по своему значению и роли в физико-химических исследованиях можно сравнить с  искусственной радиоактивностью, которая  вызывается и контролируется самим  ученым. Преимущества такого исследования очевидны: во-первых, ученый получает при  этом возможность экспериментировать с явлениями, во-вторых, - и это главное - он создает искусственные элементы, которые не встречаются в природе.

     Первыми такую искусственную радиоактивность  наблюдали французские физики супруги  И. и Ф. Жолио-Кюри, получившие изотоп фосфора. В настоящее время наиболее эффективным средством, способным  вызвать искусственную радиоактивность  или получить изотопы, служат, как  мы уже знаем, нейтроны. В принципе искусственная радиоактивность  не отличается от радиоактивности естественной, поскольку обе они основываются на разрушении ядра атома и превращении  одних атомов в другие.

     Особого внимания заслуживает процесс деления  тяжелых ядер, который может происходить  как естественно, так и искусственно. В последнем случае для этого  следует бомбардировать ядро нейтронами. В 1939 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман, бомбардируя уран нейтронами, обнаружили, что при этом образуются ядра щелочноземельных элементов. В  том же году австрийские физики Л. Майтнер и О. Фриш установили, что  при бомбардировке ядра урана-235 нейтронами оно делится на два  осколка и при этом испускается 2-3 свободных нейтрона. Эти нейтроны, попадая на другие ядра, могут вызвать их деление и таким способом вызвать цепную реакцию. В результате этого выделяется огромное количество энергии вследствие принципа дефекта массы, рассмотренного выше. Для сравнения можно отметить, что энергия, получаемая в результате цепной реакции деления