Революция в естествознании в ХIХ-ХХ веках

Содержание

1.      Введение

В конце ХIХ - начале XX века сложились все условия для мощного прорыва, скачка, революции в естествознании, а особенно в физике. Однако в той или иной степени это отразилось и на других естественных науках, например на химии. 

Но все же в физике был совершен самый большой скачок. Было открыто, святая святых, строение атома, что долгие столетия было загадкой и делемой для физиков всего цивилизованного мира. Была открыта небезызвестная радиоактивность, открытие которой так повлияло на ход мировой истории. Наконец, была создана новая наука квантовая механика, которая стала результатом работы в будущем нобелевского лауреата по физике Макса Планка. Как раз квантовая механика помогла ученому Нильсу Бору уточнить строение атома, представленное Эрнестом Резерфордом.

Этот  период ознаменован целым каскадом научных открытий, которые завершили подрыв механистической концепции Ньютона.

2.      Истоки ускорения развития науки и революция в естествознании

В XIX веке для удвоения объема научных знаний в среднем требовалось около 50 лет. На протяжении XX века этот срок сократился в 10 раз — до 5 лет. Подобное ускорение темпов прироста научных знаний объясняется многими причинами. Применительно к первым десятилетиям нового столетия выделяется, как минимум, четыре основных причины.

Причины ускорения научно-технического развития. Во-первых, наука на протяжении прошедших веков накопила огромный фактический, эмпирический материал, результаты наблюдений, экспериментов многих поколений ученых. Это и подготовило почву для качественного скачка в осмыслении природных процессов. В этом смысле научно-технический прогресс XX века был подготовлен всем предыдущим ходом истории цивилизации.

Во-вторых, в прошлом естествоиспытатели в разных странах, даже отдельных университетских городах, работали изолированно, нередко дублировали разработки друг друга, узнавали об открытиях коллег с опозданием на годы, если не на десятилетия. С развитием транспорта, связи уже в прошлом веке академическая наука стала если не по форме, то по сути интернациональной. Ученые, работающие над сходными проблемами, получили возможность использовать плоды научной мысли коллег, дополняя и развивая их идеи, непосредственно обсуждая с ними рождающиеся гипотезы.

В-третьих, важным источником приращения знаний стала междисциплинарная интеграция, исследования на стыке наук, грани между которыми ранее казались незыблемыми. Так, с развитием химии она стала изучать физические аспекты химических процессов, химию органической жизни. Возникли новые научные дисциплины — физическая химия, биохимия и так далее. Соответственно, научные прорывы на одном направлении знаний вызывали цепную реакцию открытий в смежных областях.

В-четвертых, научный прогресс, связанный с приращением научных знаний, сблизился с техническим прогрессом, проявляющимся в совершенствовании орудий труда, выпускаемой продукции, появлении качественно новых их видов. В прошлом, в XVII—XVIII веках, технический прогресс обеспечивался за счет усилий практиков, изобретателей-одиночек, вносивших усовершенствования в то или иное оборудование. На тысячи малозначительных улучшений приходились одно-два открытия, создававшие действительно что-то качественно новое. Эти открытия нередко утрачивались со смертью изобретателя или становились производственным секретом одной семьи или мануфактурного цеха. Академическая наука, как правило, считала обращение к проблемам практики стоящим ниже своего достоинства. В лучшем случае, она с большим опозданием, теоретически объясняла полученные практиками результаты. В итоге, между появлением принципиальной возможности создания технических новшеств и их массовым внедрением в производство проходило очень долгое время. Так, чтобы теоретическое знание воплотилось в создание паровой машины, потребовалось около ста лет, фотографии — 113 лет, цемента — 88 лет. Лишь к концу XIX века наука все чаще начинает обращаться к экспериментам, требуя от практиков новые измерительные приборы, оборудование. В свою очередь, результаты экспериментов (особенно в области химии, электротехники), опытные образцы машин, приборов начинают использоваться в производстве.

Первые лаборатории, ведущие исследовательскую работу непосредственно в интересах производства, возникли в конце XIX века в химической промышленности. К началу 1930-х гг. только в США около 1000 фирм имели свои лаборатории, 52% крупных корпораций вели собственные научные исследования, 29% постоянно пользовались услугами научных центров. 

В итоге, средняя продолжительность времени между теоретической разработкой и ее хозяйственным освоением за период 1890—1919 гг. сократилась до 37 лет. Последующие десятилетия ознаменовались еще большим сближением науки и практики. В период между двумя мировыми войнами указанный период времени уменьшился до 24 лет. 
Революция в естествознании. Самым наглядным доказательством практического, прикладного значения теоретических знаний явилось овладение ядерной энергией.

На рубеже XIX—XX веков в основе научных представлений лежали материалистические и механистические воззрения. Атомы считались неделимыми и неразрушимыми кирпичиками мироздания. Вселенная, казалось, подчиняется классическим ньютоновским законам движения, сохранения энергии. Теоретически считалось возможным математически подсчитать все и вся. Однако с открытием в 1895 г. немецким ученым В.К. Рентгеном излучения, которое он назвал х-лучами, эти воззрения пошатнулись, поскольку наука не могла объяснить их происхождение. Исследование радиоактивности было продолжено французским ученым А. Беккерелем, супругами Жо-лио-Кюри, английским физиком Э. Резерфордом, который установил, что при распаде радиоактивных элементов возникает три вида излучения, названные им по первым буквам греческого алфавита — альфа, бета, гамма. Английский физик Дж. Том-сон в 1897 г. открыл первую элементарную частицу — электрон. В 1900 г. немецкий физик М. Планк доказал, что излучение не является сплошным потоком энергии, а делится на отдельные порции — кванты. В 1911 г. Э. Резерфорд предположил, что атом имеет сложное строение, напоминая миниатюрную Солнечную систему, где роль ядра играет положительно заряженная частица позитрон, вокруг которой, как планеты, движутся отрицательно заряженные электроны. В 1913 г. датский физик Нильс Бор, опираясь на выводы Планка, уточнил модель Резерфорда, доказав, что электроны могут менять свои орбиты, выделяя или поглощая при этом кванты энергии.

Эти открытия вызвали замешательство не только у естествоиспытателей, но и у философов. Прочная, казалось, незыблемая основа материального мира, атом, оказался эфемерным, состоящим из пустоты и непонятно почему испускающих кванты еще более мелких элементарных частиц. (В то время шли вполне серьезные дискуссии о том, не обладает ли электрон «свободой воли» перемещаться с одной орбиты на другую.) Пространство оказалось заполнено излучениями, не воспринимающимися органами чувств человека и, тем не менее, существующими вполне реально. Еще большую сенсацию вызвали открытия А. Эйнштейна. В 1905 г. он опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», а в 1916 г. сформулировал выводы, касающиеся общей теории относительности, согласно которой скорость света в вакууме не зависит от скорости движения его источника, является абсолютной величиной. Зато масса тела и ход времени, которые всегда считались неизменными, поддающимися точному исчислению, оказались относительными величинами, меняющимися при приближении к скорости света.

Все это разрушило прежние представления. Пришлось признать, что основные законы классической механики Ньютона не универсальны, что природные процессы подчиняются гораздо более сложным закономерностям, чем казалось раньше, что открыло пути качественного расширения горизонтов научных знаний.

Теоретические законы микромира с использованием релятивистской квантовой механики были открыты в 1920-е гг. английским ученым П. Дираком и немецким ученым В. Гей-зенбергом. Их предположения о возможности существования положительно заряженных и нейтральных частиц — позитронов и нейтронов — получили экспериментальное подтверждение. При этом оказалось, что если число протонов и электронов в ядре атома соответствует порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева, то число нейтронов у атомов одного и того же элемента может различаться. Такие вещества, обладающие иным атомным весом, чем основные элементы таблицы, получили название изотопов.

На пути к созданию ядерного оружия. В 1934 г. супруги Жолио-Кюри впервые получили радиоактивные изотопы искусственным путем. При этом за счет распада атомных ядер изотоп алюминия превращался в изотоп фосфора, затем кремния. В 1939 г. ученый Э. Ферми, эмигрировавший из Италии в США, и Ф. Жолио-Кюри сформулировали идею о возможности цепной реакции с выделением огромной энергии при радиоактивном распаде урана. Одновременно немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрасман доказали, что ядра урана распадаются под воздействием нейтронного излучения. Так чисто теоретические, фундаментальные исследования привели к открытию огромного практического значения, во многом изменившему облик мира. Сложность использования этих теоретических выводов состояла в том, что способностью к цепной реакции обладает не уран, а довольно редкий его изотоп, уран-235 (или плутоний-239).

Летом 1939 г. в условиях приближения второй мировой войны А. Эйнштейн, эмигрировавший из Германии, обратился с письмом к президенту США Ф.Д. Рузвельту. В этом письме указывалось на перспективы военного применения ядерной энергии и опасность превращения фашистской Германии в первую ядерную державу. Итогом было принятие в 1940 г. в США так называемого Манхэттенского проекта. Работа над созданием атомной бомбы велась и в других странах, в частности в Германии и СССР, но США опередили своих конкурентов. В Чикаго в 1942 г. Э. Ферми был создан первый атомный реактор, разработана технология обогащения урана и плутония. Первая атомная бомба была взорвана 16 июля 1945 г. на полигоне базы ВВС Альмагоро. Мощь взрыва составила около 20 килотонн (это эквивалентно 20 тыс. тонн обычной взрывчатки).

3.      Открытия в естествознании в ХIХ-ХХ вв.

В естествознании в конце ХIХ начале ХХ в.в. произошло множество открытий, вот некоторые из них. Это открытие элементарной частицы – электрона, входящей в структуру атома (Дж. Томпсон), затем – положительно заряженной частицы – ядра внутри атома (Э.Резерфорд, 1914 г.), на основе чего была предложена планетарная модель атома: вокруг положительно заряженного ядра вращаются электроны. Резерфорд также предсказал существование и еще одной элементарной частицы внутри атома – протона (что позже и было открыто). Эти открытия перевернули существующие до сих пор представления об атоме как об элементарной, неделимой частице мироздания, его «кирпичике».

Следующий ощутимый удар по классическому естествознанию нанесла теория относительности А.Эйнштейна (1916 г.), которая показала, что пространство и время не являются абсолютными, они неразрывно связаны с материей (являются ее атрибутивными свойствами), а также связаны движением между собой. Очень четко суть этого открытия охарактеризовал сам Эйнштейн в работе «Физика и реальность», где он говорит о том, что если раньше (имеется в виду время господства классической механики Ньютона) считали, что в случае исчезновения из Вселенной всей материи пространство и время сохранились бы, то теория относительности обнаружила, что вместе с материей исчезли бы и пространство, и время.

Поистине революционным было открытие М.Планком (1900 г.) квантов – дискретных частиц или порций, лежащих в основе процесса электромагнитного излучения. Теория квантов противоречила существующей волновой и электромагнитной природе света, разработанной Д.Масквеллом, которая в свое время (конец XIX в.) привела к необходимости смены механистической картины мира на электродинамическую. Возникло противоречие в представлении о материи – или она непрерывна (волновая теория), или состоит из дискретных частиц (корпускул). Это противоречие разрешилось в 1924 г., когда физик Луи де Бройль высказал гипотезу о том, что частицам материи присущи и свойства волны (непрерывность), и свойства дискретности (квантовость). Впоследствии эксперименты подтвердили эту гипотезу, и был открыт важнейший закон природы о том, что все материальные объекты обладают и корпускулярными, и волновыми свойствами. Какое значение имело это открытие? Стало очевидным, что, имея дело с вещами, не наблюдаемыми непосредственно, трудно решить, какое из высказываемых предположений истинно. В отличие от предсказуемого мира ньютоновской физики квантовая теория указала на невозможность, непредсказуемость поведения отдельной частицы. Этот вопрос затрагивает основы бытия: невозможно предсказать с помощью традиционной механики поведение отдельных вещей или личностей, можно определить лишь тенденцию – все дело случая!