Кризис классического естествознания на рубеже ХIХ-ХХ веков
Вторая половина ХIХ века в развитии естествознания занимает особое место. Это - период, который представляет собой одновременно и завершение старого, классического естествознания и зарождение нового, неклассического. С одной стороны, великое научное достижение, заложенное гением Ньютона, - классическая механика - получает в это время возможность в полной мере развернуть свои потенциальные возможности. А, с другой стороны, в недрах классического естествознания уже зреют предпосылки новой научной революции; механистическая (метафизическая) методология оказывается совершенно недостаточной для объяснения сложных объектов, которые попали в поле зрения науки второй половины ХIХ века. Лидером естествознания по прежнему является физика.
1. Кризис в физике на рубеже веков
Вторая половина XIX в. характеризуется быстрым развитием всех сложившихся ранее и возникновением новых разделов физики. Однако особенно быстро развиваются теория теплоты и электродинамика. Теория теплоты развивается по двум направлениям. Во-первых, это развитие термодинамики, непосредственно связанной с теплотехникой. Во-вторых, развитие кинетической теории газов и теплоты, приведшее к возникновению нового раздела физики – статистической физики. Что касается электродинамики, то здесь важнейшими событиями явились: создание теории электромагнитного поля и возникновение нового раздела физики – теории электронов.
Величайшим достижение физики второй половины ХIХ века является создание теории электромагнитного поля. К середине XIX в. в тех отраслях физики, где изучались электрические и магнитные явления, был накоплен богатый эмпирический материал, сформулирован целый ряд важных закономерностей. Так, были открыты важнейшие законы: закон Кулона, закон Ампера, закон электромагнитной индукции, законы постоянного тока и др. Сложнее обстояло дело с теоретическими представлениями. Строившиеся физиками теоретические схемы основывались на представлениях о дальнодействии и корпускулярной природе электричества. Полного теоретического единства во взглядах физиков на электрические и магнитные явления не было. Однако к середине XIX в. потребность в качественном совершенствовании теоретического базиса учений о об электрических и магнитных процессах стала совершенно очевидной. Появляются отдельные попытки создания единой теории электрических и магнитных явлений. Одна из них оказалась успешной. Это была теория Максвелла, которая произвела подлинный революционный переворот в физике.
Максвелл и поставил перед собой задачу перевести идеи и взгляды Фарадея на строгий математический язык, или, говоря другими словами, интерпретировать известные законы электрических и магнитных явлений с точки зрения взглядов Фарадея. Будучи блестящим теоретиком и виртуозно владея математическим аппаратом, Дж. К. Максвелл справился с этой сложнейшей задачей. Результатом его трудов оказалось построение теории электромагнитного поля, которая была изложена в работе “Динамическая теория электромагнитного поля”, опубликованной в 1864 г.
Эта теория существенно изменяла представления о картине электрических и магнитных явлений. Она их объединяла в единое целое. Основные положения и выводы этой теории следующие.
Экспериментальное подтверждение теории Максвелла в 1887 г. в опытах Г. Герца (1857-1894) произвело большое впечатление на физиков. И с этого времени теория Максвелла получает признание подавляющего большинства ученых.
Во второй половине ХIХ века предпринимаются попытки придать понятию абсолютного пространства и абсолютной системы отсчета новое научное содержание, очистив их от того метафизического смысла, который был придан им Ньютоном. В 1870 г. К. Нейман ввел понятие a -тела, как такого тела во Вселенной, которое является неподвижным и которое можно считать за начало абсолютной системы отсчета. Некоторые физики предлагали принять за a -тело такое тело, которое совпадает с центром тяжести всех тел во всей Вселенной, полагая, что этот центр тяжести можно считать находящимся в абсолютном покое.
Комплекс вопросов об абсолютном пространстве и абсолютном движении приобрел новый смысл в связи с развитием электронной теории и возникновением гипотезы об электромагнитной природе материи. Согласно электронной теории существует неподвижный всюду эфир и движущиеся в нем заряды. Неподвижный эфир заполняет все пространство и с ним можно связать систему отсчета, которая является инерциальной и, более того, выделенной из всех инерциальных систем отсчета. Движение относительно эфира можно рассматривать как абсолютное. Таким образом, на смену абсолютному пространству Ньютона пришел неподвижный эфир, который можно рассматривать как своего рода абсолютную и к тому же инерциальную систему отсчета.
Однако такая точка зрения уже с самого начала испытывала принципиальные затруднения. Об абсолютном движении тела, т. е. движении относительно эфира, можно говорить и представить, но определить это движение невозможно. Целый ряд опытов (Майкельсона и другие), поставленные с целью обнаружения такого движения, дали отрицательные результаты. Таким образом, хотя абсолютная система отсчета и была, как казалось, найдена, тем не менее она, как и абсолютное пространство Ньютона, оказалась ненаблюдаемой. Лоренц для объяснения результатов, полученных в этих опытах, вынужден был ввести специальные гипотезы, из которых следовало, что, несмотря на существование эфира, движение относительно него определить невозможно.
Однако вопреки таким мнениям все чаще и чаще высказывались соображения о том, что само понятие абсолютного прямолинейного и равномерного движения как движения относительно некоего абсолютного пространства лишено всякого научного содержания. Вместе с этим лишается содержания и понятие абсолютной системы отсчета и вводится более общее понятие инерциальной системы отсчета, не связанное с понятием абсолютного пространства. В результате понятие абсолютной системы координат становится бессодержательным. Иначе говоря, все системы, связанные со свободными телами, не находящимися под влиянием каких-либо других тел, равноправны.
В 1886 г. Л. Ланге, проводя исторический анализ развития механики, и утверждая бессодержательность понятия абсолютного пространства, предложил определение инерциальной системе координат: инерциальные системы - это системы, которые движутся прямолинейно и равномерно друг по отношению к другу. Переход от одной инерциальной системы к другой осуществляется в соответствии с преобразованиями Галилея.
Преобразования Галилея в течение столетий считались само собой разумеющимися и не нуждающимися ни в каком обосновании. Но время показало, что это далеко не так.
В конце XIX в. с резкой критикой ньютоновского представления об абсолютном пространстве выступил немецкий физик, позитивист Э. Мах. В основе представлений Маха как физика лежало убеждение в том, что “движение может быть равномерным относительно другого движения. Вопрос, равномерно ли движение само по себе, не имеет никакого смысла”. (Мах Э. Механика.Историко-критический очерк ее развития. Спб, 1909, с.187 В связи с этим Мах рассматривал системы Птолемея и Коперника как равноправные, считая последнюю более предпочтительной из-за простоты.) Это представление он переносит не только на скорость, но и на ускорение. В ньютоновской механике ускорение (в отличии от скорости) рассматривалось как абсолютная величина. Согласно классической механике, для того чтобы судить об ускорении, достаточно самого тела, испытывающего ускорения. Иначе говоря, ускорение – величина абсолютная и может рассматриваться относительно абсолютного пространства, а не относительно других тел. (Ньютон аргументировал это положение примером с вращающимся ведром, в котором налита вода. Этот опыт показывал, что относительное движение воды по отношению к ведру не вызывает центробежных сил и можно говорить о его вращении самом по себе, безотносительно к другим телам, т.е. остается лишь отношение к абсолютному пространству.) Этот вывод и оспаривал Мах.
С точки зрения Маха всякое движение относительно пространства не имеет никакого смысла. О движении, по Маху, можно говорить только по отношению к телам. Поэтому все величины, определяющие состояние движения, являются относительными. Значит, и ускорение – также чисто относительная величина. К тому же опыт никогда не может дать сведений об абсолютном пространстве. Он обвинил Ньютона в отступлении от принципа, согласно которому в теорию должны вводиться только те величины, которые непосредственно выводятся из опыта.
Однако, несмотря на идеалистический подход к проблеме относительности движения, в соображениях Маха были некоторые интересные идеи, которые, способствовали появлению общей теории относительности. Речь идет о т.н. “принципе Маха”. Мах выдвинул идею, согласно которой инерциальные силы следует рассматривать как действие общей массы Вселенной. Этот принцип впоследствии оказал значительное влияние на А. Эйнштейна. Рациональное зерно “принципа Маха” состояло в том, что свойства пространства-времени обусловлены гравитирующей материей. Но Мах не знал, в какой конкретной форме выражается эта обусловленность.
К новым идеям о природе пространства и времени подталкивали физиков и результаты математических исследований, открытие неевклидовых геометрий. Так, английский математик Клиффорд в 70-х годах высказал идею, что многие физические законы могут быть объяснены тем, что отдельные области пространства подчиняются неевклидовой геометрии. Более того, он считал, что кривизна пространства может изменяться со временем. Клиффорда принадлежит к числу немногочисленных в ХIХ веке провозвестников эйнштейновской теории гравитации.
Конец XIX в. в истории физики отмечен рядом принципиальных открытий, которые непосредственно привели к научной революции на рубеже ХIХ-ХХ веков. Важнейшие из них: открытие рентгеновских лучей, открытие электрона и установление зависимости его массы от скорости, открытие радиоактивности, фотоэффекта и его законов и др.
В 1895 г. Вильгельм Рентген (1845 – 1923) открыл необычные лучи, которые впоследствии получили название рентгеновских. Открытие этих лучей заинтересовало физиков и буквально сразу вызвало чрезвычайно широкую дискуссию о природе этих лучей. В течение короткого времени были выяснены необычные свойства этих лучей: способность проходить через светонепроницаемые тела, ионизировать газы и др. Но природа самих лучей оставалась неясной. Рентген высказал гипотезу о том, что лучи представляют собой продольные электромагнитные волны. Существовала гипотеза о корпускулярной природе этих лучей. Однако все попытки обнаружить волновые свойства лучей Рентгена, например наблюдать их дифракцию, долгое время были безуспешными. (Только в 1925 г. немецкому физику Лауэ удалось обнаружить дифракцию рентгеновских лучей от кристаллической решетки )
Открытие рентгеновских лучей способствовало исследованиям электропроводности газов и изучению катодных лучей.
Важнейшим открытием в физике конца XIX в. было открытие радиоактивности, которое помимо своего общего принципиального значения сыграло важную роль в развитии представлений об электроне. Все началось в 1896 г., когда Анри Беккерель, исследуя загадочное почернение фотографической пластинки, оставшейся в ящике письменного стола рядом с кристаллами сульфата урана, случайно открыл радиоактивность. Систематическое исследование радиоактивного излучения было предпринято Эрнестом Резерфордом; он установил, что радиоактивные атомы испускают частицы двух различных типов, которые назвал альфа и бета. Тяжелые положительно заряженные альфа-частицы, как выяснилось, представляли собой быстро движущиеся ядра гелия. Бета-частицы оказались летящими с большой скоростью электронами.
Мария Склодовская-Кюри (1867 – 1934), занявшись исследованием нового явления, пришла к выводу, что в урановых рудах присутствуют вещества, обладающие также свойством излучения, названного ею радиоактивным. В результате упорного труда Марии и Пьеру Кюри (1859 – 1906), удалось выделить из урановых руд новый элемент (1898), который обладал радиоактивностью гораздо большей, чем уран. Этот элемент был назван радием.
Исследованием вновь открытых явлений занялись многие физики. Нужно было определить природу радиоактивных лучей, а также какое влияние на радиоактивность оказывают физические условия, в которых находятся радиоактивные вещества, и т. д. Все эти вопросы начали проясняться в результате последующих исследований. В связи с изучением радиоактивных явлений перед физиками встало два главных вопроса.
Во-первых, это вопрос о природе радиоактивного излучения. Уже через короткое время после открытия Беккереля стало ясно, что радиоактивное излучение неоднородно и содержит три компонента, которые получили название a -, b - и g -лучей. При этом оказалось, что a - и b -лучи являются потоками соответственно положительно и отрицательно заряженных частиц. Природа g - излучения была выяснена позже, хотя довольно рано высказывалось мнение, что оно представляет собой электромагнитное излучение.
Второй вопрос, возникший в связи с исследованием радиоактивного излучения, был более трудным и заключался в определении источника энергии, которую несут эти лучи. Что это за энергия, находящаяся внутри атома, которая освобождается при его распаде и выделяется вместе с излучением, был неясен, как и вообще вопрос о механизме самого радиоактивного распада, а первые теории, возникшие для решения этого вопроса, нельзя было считать убедительными.
К великим открытиям второй половины ХIХ века должны быть отнесено создание периодической системы химических элементов Д.И. Менделеевым, экспериментальное обнаружение электромагнитных волн Г. Герцем, открытие явления фотоэффекта, тщательно проанализированное А.Г. Столетовым. В этом ряду и еще одно очень важное открытие – обнаружение того, что отношение заряда к массе для электрона не является постоянной величиной, а зависит от скорости.
Открытие зависимости массы электрона от скорости и объяснение этого факта наличием электромагнитной массы вызвали вопрос, обладает ли вообще электрон обычной массой, массой в смысле классической механики, массой в смысле Ньютона. Этот вопрос не мог быть решен.
Некоторым ученым начинает казаться что само развитие науки приводит к отказу от признания существования материи и справедливости общих важнейших физических законов. Открытие радиоактивности также приводит таких ученых в растерянность.
В таких условиях в физике складывается атмосфера разочарования в возможностях научного познания истины, начинается “брожение умов”, распространяются идеи релятивизма и агностицизма. Ситуацию, сложившуюся в физической науке на рубеже XIX – ХХ вв., Пуанкаре назвал “кризисом физики”. (См.: Пуанкаре А. О науке. М., 1990) “Признаки серьезного кризиса” физики он в первую очередь связывал с возможностью отказа от фундаментальных принципов физического познания. “Перед нами “руины” старых принципов, всеобщий “разгром” таких принципов”, – восклицал он. “Принцип Лавуазье” (закон сохранения массы), “принцип Ньютона” (принцип равенства действия и противодействия, или закон сохранения количества движения), “принцип Майера” (закон сохранения энергии) – все эти фундаментальные принципы, которые долгое время считались незыблемыми, теперь подвергают сомнению.
На рубеже ХIX – ХХ вв. многие ученые, пытаясь осмыслить состояние физики, приходили к выводу о том, что само развитие науки показывает ее неспособность дать объективное представление о природе, что истины науки носят чисто относительный характер, не содержат в себе ничего абсолютного, что ни о какой объективной реальности, существующей независимо от сознания людей, не может быть и речи.
На самом же деле проблема состояла в том, что концу ХIХ века методологические установки классической, ньютоновской физики уже исчерпали себя и необходимо было изменять теоретико-методологический каркас естественнонаучного познания. Возникла необходимость расширить и углубить понимание и самой природы и процесса ее познания наукой. Не существует никакой абсолютной субстанции бытия, с познанием которой завершается прогресс науки. Как бесконечна, многообразна и неисчерпаема сама природа, так бесконечен, многообразен и неисчерпаем процесс ее познания естественными науками. Электрон так же неисчерпаем, как и атом. Каждая естественнонаучная картина мира является относительной и преходящей. Процесс научного познания необходимо связан с периодической крутой ломкой старых понятий, теорий, картин мира, методологических установок, способов познания. А “физический идеализм” является просто следствием непонимания некоторыми физиками необходимости периодической смены философско-методологических оснований естествознания. (В России анализ революции в естествознании на рубеже ХIХ-ХХ веков был осуществлен В.И. Лениным в работе “Материализм и эмпириокритицизм”, вышедшей в свет в 1909 г.)
К концу ХIХ века механистическая, метафизическая (т.е. предметоцентрическая) методология себя исчерпала. Естествознание стремилось к новой диалектической (т.е. системоцентрической) методологии. Поиски этой новой методологии были не простыми, были сопряжены с борьбой мнений, школ, взглядов, философской и мировоззренческой полемикой. Поэтому и возникла атмосфера разочарования в возможностях познания природы, поползновения в идеализм. В конце концов, в первой четверти ХХ века естествознание все-таки нашло свои новые философско-методологические ориентиры, разрешив кризис рубежа веков.
2. Кризис дарвинизма в конце ХIХ века
Эволюционная теория возникла как сложнейший синтез самых различных биологических знаний, в том числе и опыта практической селекции. И потому процесс утверждения теории затрагивал самые разнообразные отрасли биологической науки. Не случайно процесс утверждения дарвиновой теории носил сложный, подчас драматический характер.
Особая сложность состояла в том, что против теории естественного отбора ополчились не только сторонники креационистских воззрений, но также естествоиспытатели, выдвигавшие и обосновывавшие другие эволюционные концепции, построенные на иных принципах, чем дарвиновская теория.
Все это привело к тому, что картина развития биологии во второй половине XIX в. была очень пестрой, мозаичной, заполненной противоречиями, драматическими событиями, страстной борьбой мнений, школ, направлений, взаимным непониманием позиций, а часто и нежеланием понять точку зрения другой стороны, обилием поспешных, непродуманных и необоснованных выводов, опрометчивых прогнозов и замалчивания выдающихся достижений.
Особенно трудно и противоречиво протекало утверждение принципов дарвиновой теории. Вокруг их роли, содержания, их интерпретации борьба велась острая и длительная, особенно вокруг принципа естественного отбора. Можно указать на четыре основные явления в системе биологического познания второй половины XIX – начала ХХ в., которые были вехами в процессе утверждения принципов теории естественного отбора:
Прежде всего, объяснение эмпирических аномалий и вплетение их в систему дарвинова учения наиболее ярко воплотилось в бурном развитии в 60 – 70-х годах XIX в. филогенетического направления.
В рамках филогенетического направления были вскрыты и исследованы имеющие общебиологическую значимость закономерности. К ним можно отнести: биогенетический закон (Ф. Мюллер, А. O. Ковалевский, Э. Геккель), закон необратимости эволюции (Л. Долло), закон более ранней закладки в онтогенезе прогрессивных органов (Э. Менерт), закон анадаптивных и инадаптивных путей эволюции (В. 0. Ковалевский), принцип неспециализированности предковых форм (Э. Коп), принцип субституции органов (H. Клейненберг), закон эволюции органов путем смены функций (Л. Дорн) и др. Не случайно, что не все из этих закономерностей рассматривались биологами как формы обоснования и подтверждения дарвиновой теории. Более того, на базе некоторых из них выдвигались проекты новых концепций эволюции, которые – по замыслу их авторов – должны были опровергнуть дарвинову теорию и заменить ее новой эволюционной теорией.
Обобщение принципов эволюционной теории, выявление пределов, при которых они не теряют своего значения, проявилось в интенсивном формировании комплекса т.н. эволюционной биологии (т.е. эволюционных направлений в системе биологического знания - систематики, палеонтологии, морфологии, эмбриологии, биогеографии и др.), имевшем место в 60-70-е годы ХIХ в.
Возникновение в конце прошлого века экспериментально-эволюционной биологии было вызвано во многом необходимостью эмпирического обоснования и теоретического утверждения принципов дарвиной теории, экспериментальной проверки и углубления понимания факторов и законов эволюции. Особенно это касалось принципа естественного отбора. Яркие результаты в экспериментальном исследовании естественного отбора были получены Г. Бэмпесом (1897), В. Уэлдоном (1898), Е. Паультоном и С. Сандерсом (1899) и др.
А к рубежу XIX – ХХ вв. биология, как и физика, подошла в состоянии глубокого кризиса своих методологических оснований, вызванного во многом метафизическим содержанием методологических установок классической биологии. Кризис проявился прежде всего в многообразии и противоречии оценок и интерпретаций сущности эволюционной теории и интенсивно накапливавшихся данных в области генетики.
8.3. Становление учения о наследственности (генетики)
Истоки знания о наследственности весьма древние. Наследственность как одна из существенных характеристик живого известна очень давно, представления о ней складывались еще в эпоху античности. Долгое время вопрос о природе наследственности находился в ведении эмбриологии, в которой еще вплоть до XVII в. господствовали фантастические и полуфантастические представления.
В середине и второй половине XVIII в. учение о наследственности обогащается новыми данными – установлением пола у растений, искусственной гибридизацией и опылением растений, а также отработкой методики гибридизации. Одним из основоположников этого движения является Й. Г. Кельрейтер (1733 – 1806), тщательно изучавший процессы оплодотворения и гибридизации. Опыты по искусственной гибридизации растений позволили опровергнуть концепцию преформизма. В этом отношении ботаника оказалась впереди зоологии. Кельрейтер открыл явление гетерозиса – более мощное развитие гибридов первого поколения, которое он, разумеется, объяснить правильно не мог.
Во второй половине XVIII – начале XIX в. наследственность рассматривалась как свойство, зависящее от количественного соотношения отцовских и материнских компонентов. Считалось, что наследственные признаки гибрида являются результатом взаимодействия отцовских и материнских компонентов, их борьбы между собой. А исход борьбы определяется количественным участием, долей того и другого. Опыты по искусственному скрещиванию рас гороха проводил Т. Э. Найт (1759 – 1838), наблюдавший доминирование признаков гибридов.
Лишь в первой половине XIX в. стали складываться непосредственные предпосылки учения о наследственности и изменчивости – генетики. Качественным рубежом здесь, по-видимому, оказались два события. Первое – создание клеточной теории. Второе событие – выделение объекта генетики, т. е. явлений наследственности как специфической черты живого, которую не следует растворять во множестве свойств индивидуального развития организма.
Создание клеточной теории было важнейшим шагом на пути разработки научных воззрений на наследственность и изменчивость. Познание природы наследственности предполагало выяснение вопроса о том, что является универсальной единицей структурной организации растительного и животного миров. Ведь инвариантные характеристики органического мира должны иметь и свое структурное выражение.
Создание клеточной теории позволяло “выйти” на объект генетики.
Особое место в истории учения о наследственности занимает творчество О. Сажре (1763 – 1851). Заслуга О. Сажре в том, что он первый в истории учения о наследственности начал исследовать не все, а лишь отдельные признаки скрещивающихся при гибридизации растений. На этой основе (изучая гибридизацию тыквенных) он приходит к выводу, что старая точка зрения, будто признаки гибрида всегда есть нечто среднее между признаками родителей, неверна. Признаки в гибриде не сливаются, а перераспределяются. Сажре впервые понял корпускулярный, дискретный характер наследственности и выделил наследственность как специфический объект познания, отличный от процесса индивидуального развития организма, разграничил предмет генетики как учения о наследственности от предмета эмбриологии и онтогенетики как учения об индивидуальном развитии организма. С работ О. Сажре собственно и начинается научная генетика.
Важнейшим открытием в генетике XIX в. было формулирование Г. Менделем его знаменитых законов. Развивая методологическую установку, содержавшуюся в работах О. Сажре, Мендель рассматривал не наследуемость всех признаков организма сразу, а выделял наследуемость единичных, отдельных признаков, абстрагируя эти признаки от остальных, удачно применяя при этом вариационно-статистический метод, демонстрируя эвристическую мощь математического моделирования в биологии. И хотя это открытие опередило свое время и осталось незамеченным вплоть до начала ХХ в. Новаторское значение открытий Менделя не было оценено его современниками: в сознании биологов не созрели еще все необходимые предпосылки научного учения о наследственности. Такие предпосылки сложились лишь к началу ХХ в.
Список литературы
Азимов А. Краткая история биологии. М.,1967.
Алексеев В.П. Становление человечества. М.,1984. Бор Н. Атомная физика и человеческое познание. М.,1961 Борн М. Эйнштейновская теория относительности.М.,1964.
Вайнберг С. Первые три минуты. Современный взгляд на происхождение Вселенной. М.,1981.
Гинзбург В.Л.О теории относительности. М.,1979.
Дорфман Я.Г. Всемирная история физики с начала 19 века до середины 20 века. М.,1979.
Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.,1986.
Кемпфер Ф. Путь в современную физику. М.,1972.
Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М.,1972.
Моисеев Н.Н. Человек и биосфера. М.,1990.
Мэрион Дж. Б. Физика и физический мир. М.,1975
Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М.,1999.
Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М.,1993.
Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М.,1990.
Пригожин И.,Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.,1986.
Пригожин И., Стенгерс И. Время, Хаос и Квант. М.,1994.
Пригожин И. От существующего к возникающему. М.,1985.
Степин В.С. Философская антропология и философия науки. М.,1992.
Фейнберг Е.Л. Две культуры. Интуиция и логика в искусстве и науке. М.,1992.
Фролов И.Т. Перспективы человека. М.,1983.
