регистрация / вход

Концепции современного естествознания 2 3

А.П. САДОХИН КОНЦЕПЦИИ СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ Второе издание, переработанное и дополненное Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве

А.П. САДОХИН

КОНЦЕПЦИИ

СОВРЕМЕННОГО ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ

Второе издание, переработанное и дополненное

Рекомендовано Министерством образования Российской Федерации в качестве учебника для студентов высших учебных заведений,

обучающихся по гуманитарным специальностям

Рекомендовано Учебно-методическим центром

«Профессиональный учебник» в качестве учебника для студентов вузов, обучающихся

по специальностям экономики и управления и гуманитарно-социальным специальностям

УДК 50(075.8)

ББК 20я73С14

Р е ц е н з е н т ы :

д-р филос. наук, проф., академик РАЕН А.В. Солдатов; канд. биол. наук, доцент Л.Б. Рыболов;

канд. хим. наук, доцент Н.Н. Иванова

Главный редактор издательствакандидат юридических наук,

доктор экономических наук Н.Д. Эриашвили

Садохин, Александр Петрович.

С14 Концепции современного естествознания: учебник для студентов вузов, обучающихся по гуманитарным специальностям и специальностям экономики и управления / А.П. Садохин. — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2006. - 447 с.ISBN 5-238-00974-7

Агентство CIP РГБ

Учебник подготовлен в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по дисциплине «Концепции современного естествознания», которая входит в учебные планы всех гуманитарных специальностей вузов. В работе представлена широкая панорама концепций, освещающих различные процессы и явления в живой и неживой природе, описываются современные научные методы познания мира. Основное внимание уделено рассмотрению концепций современного естествознания, имеющих важное мировоззренческое и методологическое значение.

Для студентов, аспирантов и преподавателей гуманитарных факультетов и вузов, а также всех интересующихся философскими вопросами естествознания.

ББК 20я73

ISBN 5-238-00974-7© А.П. Садохин, 2006

© ИЗДАТЕЛЬСТВО ЮНИТИ-ДАНА, 2003, 2006 Воспроизведение всей книги или любой ее части любыми средствами или в какой-либо форме, в том числе в Интернет-сети, запрещается без письменного разрешения издательства

От автора

Предлагаемый учебник подготовлен в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования и предназначен для студентов гуманитарных специальностей вузов.

Общеизвестно, что современная система образования должна решить задачу подготовки высококвалифицированных специалистов, обладающих разносторонними и фундаментальными знаниями о самых различных процессах и явлениях окружающего мира. В наши дни обществу не нужны специалисты, ориентированные только на решение узкоутилитарных задач. Высококвалифицированный профессионал, востребованный на рынке труда, должен обладать широким кругозором, навыками самостоятельного приобретения новых знаний и их критического осмысления. Кроме того, он должен иметь представление об основных научных концепциях, объясняющих пространственновременные отношения объективного мира, процессы самоорганизации в сложных системах, каковыми является живая и неживая природа, взаимоотношения человека с окружающей природной средой и место человека во Вселенной.

С этой целью в учебные планы всех высших учебных заведений включена дисциплина «Концепции современного естествознания», призванная сформировать у студентов широкие мировоззренческие ориентации и установки, помочь им овладеть научной картиной мира.

Целью курса «Концепции современного естествознания» является ознакомление студентов гуманитарных специальностей вузов с неотъемлемым компонентом человеческой культуры — естествознанием. При этом основное внимание уделено рассмотрению тех концепций современного естествознания, которые имеют наиболее важное мировоззренческое и методологическое значение для понимания и анализа социальных явлений.

Учебный курс «Концепции современного естествознания» по своему содержанию является междисциплинарным комплексом на основе историко-философского, культурологического и эволюционно-синергетического подходов к современному естествознанию. Современная тенденция к гармоничному синтезу гуманитарного и естественнонаучного знания обусловлена потребностями общества в целостном мировосприятии и подчеркивает актуальность данной дисциплины.

Потребность в изучении данного курса обусловлена еще и тем обстоятельством, что на протяжении двух последних десятилетий в нашем обществе все более широкое распространение получают различные ви-

3

ды иррационального знания — мистицизм, астрология, оккультизм, магия, спиритизм и т.п. Постепенно и последовательно они пытаются вытеснить из общественного сознания научную картину мира, основанную на рациональных способах его объяснения. В создавшихся условиях особую значимость приобретают: утверждение научнорационального отношения к действительности, целостное представление о живой и неживой природе, понимание содержания и возможностей современных методов научного познания, а также умение их применять в профессиональной деятельности.

Опыт преподавания данной дисциплины в гуманитарных вузах показывает, что, излагая материал естественных наук, по возможности следует избегать чрезмерной детализации, если это не оправдано общим замыслом и методологическим подходом к изложению данного предмета. Целесообразно сосредоточить основное внимание на тех важнейших концепциях современного естествознания, которые составляют фундамент современной научной картины мира и наиболее важны в мировоззренческом аспекте. Таким образом, свою основную задачу автор видел в том, чтобы сделать форму изложения материала максимально доступной для усвоения теми будущими специалистами, для которых естествознание не является основной профессиональной дисциплиной. Однако поскольку спектр гуманитарных специальностей достаточно широк и разнообразен, то автор стремился придать своему труду универсальный характер, чтобы он таким образом оказался одинаково полезен для студентов всех гуманитарных специальностей — будущих экономистов, психологов, историков, социологов, менеджеров и т.д.

Предлагая свой труд широкой аудитории, автор выражает благодарность рецензентам и коллегам-преподавателям за ценные замечания и рекомендации, которые оказали неоценимую помощь в создании данного учебника. Кроме того, автор заранее выражает свою искреннюю благодарность всем заинтересованным читателям за их благожелательные пожелания и замечания.

Глава 1Наука как часть культуры

1.1. Наука среди других сфер культуры

На протяжении истории своего существования люди выработали множество способов познания и освоения окружающего мира. Среди них одно из важнейших мест занимает наука. Чтобы понять ее специфику, необходимо рассмотреть науку как часть культуры, созданной человеком, а также сравнить ее с другими сферами культуры.

Специфической особенностью человеческой жизнедеятельности является то обстоятельство, что она протекает одновременно в двух взаимосвязанных аспектах: естественно-природном и культурном. Изначально человек представляет собой живое существо, продукт природы, но чтобы существовать в ней удобно и безопасно, человек создает внутри природы искусственный мир культуры, «вторую природу». Таким образом, человек существует в природе, взаимодействует с ней как живой организм, но при этом он как бы удваивает внешний мир, вырабатывая знания о нем, создавая образы, модели, оценки, предметы обихода и т.д. Именно такая вещно-познавательная деятельность человека и составляет культурный аспект человеческого бытия.

Культура находит свое воплощение в предметных результатах деятельности, способах и методах существования человека, в различных нормах поведения и разнообразных знаниях об окружающем мире. Вся совокупность практических проявлений культуры подразделяется на две основные группы: материальные и духовные ценности. Материальные ценности образуют материальную культуру, а мир духовных ценностей, включающий в себя науку, искусство, религию, формирует мир духовной культуры.

Духовная культура охватывает духовную жизнь общества, его социальный опыт и результаты, которые предстают перед нами в виде идей, представлений, научных теорий, художественных образов, моральных и правовых норм, политических и религиозных воззрений и многих других элементов духовного мира человека.

Культура является важнейшей сущностной характеристикой человека, отличающей его от всего остального органического мира нашей планеты. С ее помощью человек не приспосабливается к

5

окружающей среде, как, например, растения и животные, а меняет ее, преобразует мир, делая его удобным для себя. В этом проявляется важнейшая функция культуры — защитная, направленная на то, чтобы прямо или косвенно облегчить жизнь людей. Все сферы культуры так или иначе участвуют в решении этой важнейшей задачи, отражая при этом определенные личностные характеристики человека, а также его потребности и интересы.

В этом контексте неотъемлемой составной частью культуры выступает наука, определяющая многие важные стороны жизни общества и человека. У науки есть свои задачи, отличающие ее от других сфер культуры. Так, экономика является тем фундаментом, который обеспечивает всю деятельность общества, она возникает на основе способности человека к труду. Мораль регулирует отношения между людьми в обществе, что очень важно для человека, который не может жить вне общества и должен ограничивать собственную свободу во имя выживания всего коллектива, создавая моральные нормы. Религия рождается из потребности человека в утешении в тех ситуациях, которые невозможно разрешить рационально (например, смерть близких людей, болезнь, несчастная любовь и т.д.).

Задача науки — получение объективных знаний об окружающем мире, познание законов, по которым он функционирует и развивается. Обладая этим знанием, человеку намного легче преобразовывать мир. Таким образом, наука представляет собой сферу культуры, наиболее тесно связанную с задачей непосредственного преобразования мира, повышения его комфортности и удобства для человека. Именно бурный рост науки, начавшийся в Новое время, создал современную техническую цивилизацию — мир, в котором мы сегодня живем.

Не удивительно, что множество положительных сторон науки сформировали ее высокий авторитет, привели к появлению сциентизма — мировоззрения, основанного на вере в науку как в единственную спасительную силу, призванную решить все человеческие проблемы. Идеология антисциентизма, считающая науку вредной и опасной силой, ведущей к гибели человечества, не могла с ним соперничать до последнего времени, хотя и ссылалась на негативные последствия научно-технического прогресса, среди которых создание оружия массового уничтожения и экологический кризис.

Лишь к концу XX в., осмыслив как положительные, так и отрицательные стороны науки, человечество выработало более взвешенную позицию. Признавая важную роль науки в нашей жизни, тем не менее не следует соглашаться с ее претензиями на господствующее место в жизни общества. Наука сама по себе не может считаться высшей ценностью человеческой цивилизации, она — только средство в решении некоторых проблем человеческого существова-

6

ния. То же относится и к другим сферам культуры. Только взаимно дополняя друг друга, все сферы культуры могут выполнять свою основную функцию — обеспечивать потребности и облегчать жизнь человека, являясь связующим звеном между человеком и природой. Если же в этой взаимосвязи какой-либо одной части придается большее значение, чем другим, то это приводит к обеднению культуры в целом и нарушению ее нормального функционирования.

Таким образом, наука — это часть культуры, представляющая собой совокупность объективных знаний о бытии, процесс получения этих знаний и применения их на практике.

1.2. Естественно-научная и гуманитарная культуры

Культура, будучи результатом человеческой деятельности, не может существовать изолированно от мира природы, являющегося ее материальной основой. Она неразрывно связана с природой и существует внутри ее, но, имея природную основу, культура в то же время сохраняет свое социальное содержание. Такого рода двойственность привела к формированию двух типов культуры: естественно-научной и гуманитарной. Правильнее было бы назвать их двумя способами отношения к миру, а также к его познанию.

На начальной стадии человеческой истории естественноначиная и гуманитарная культуры существовали как единое целое, поскольку человеческое познание в одинаковой степени было направлено как на изучение природы, так и на познание самого себя. Однако постепенно у них выработались свои принципы и подходы, определились цели: естественно-научная культура стремилась изучить природу и покорить ее, а гуманитарная культура ставила своей целью изучение человека и его мира.

Разделение естественно-научной и гуманитарной культур началось еще в античности, когда появились астрономия, математика, география, с одной стороны, и театр, живопись, музыка, архитектура и скульптура — с другой. В эпоху Возрождения искусство стало важнейшей частью жизни общества, и поэтому гуманитарная культура развивалась особенно интенсивно. Новое время, напротив, характеризуется исключительно бурным развитием естествознания. Этому способствовали зарождающийся капиталистический способ производства и новые производственные отношения. Успехи естественных наук в то время были настолько впечатляющи, что в обществе возникло представление об их всесильности. Необходимость

7

все более глубокого познания окружающего мира и выдающиеся успехи естествознания в этом процессе привели к дифференциации и самих естественных наук, т.е. к появлению физики, химии, геологии, биологии и космологии.

Впервые идея о различии естественно-научного и гуманитарного знания была выдвинута в конце XIX в. немецким философом В. Дильтеем и философами Баденской школы неокантианства В. Виндельбандом и Г. Риккертом. Предложенные ими термины «науки о природе» и «науки о духе» достаточно быстро стали общепринятыми, а сама идея прочно утвердилась в философии. Наконец, в 60— 70-е гг. XX в. английский историк и писатель Ч. Сноу сформулировал идею альтернативы двух культур: естественнонаучной и гуманитарной. Он заявил, что духовный мир интеллигенции все отчетливее раскалывается на два лагеря, в одном из них — художественная интеллигенция, в другом — ученые. По его мнению, можно сделать вывод о существовании двух культур, находящихся в постоянном конфликте друг с другом, причем взаимопонимание между представителями этих культур в силу их абсолютной чуждости невозможно.

Обстоятельное и глубокое изучение вопроса о соотношении естественно-научной и гуманитарной культур позволяет сделать вывод, что между ними действительно существуют немалые различия. Здесь обнаруживаются две крайние точки зрения. Сторонники первой из них заявляют, что именно естествознание с его точными методами исследования является тем образцом, которому должны подражать гуманитарные науки. Наиболее радикальные представители этой точки зрения — позитивисты, которые считают идеалом науки математическую физику, а основным методом построения любого научного знания — дедуктивный способ математики. Защитники противоположной позиции справедливо утверждают, что подобный взгляд не учитывает всей сложности и специфики гуманитарного знания и потому является утопическим и малопродуктивным.

Ориентируясь на деятельностную, созидательную сущность культуры, можно утверждать, что принципиальной особенностью естественно-научной культуры является то, что она «открывает» естественный мир, природу, которая представляет собой самодостаточную систему, функционирующую в соответствии со своими собственными законами. Естественно-научная культура именно поэтому акцентирует свое внимание на изучении и исследовании природных процессов и законов, ими управляющих. Она стремится к тому, чтобы как можно точнее прочитать бесконечную «книгу природы», овладеть ее силами, познать ее как объективную реальность, существующую независимо от человека.

8

В то же время история человеческой культуры свидетельствует и о том, что любая духовная деятельность людей протекает не только в форме естественно-научного познания, но и в форме философии, религии, искусства, социальных и гуманитарных наук. Все эти виды деятельности и составляют содержание гуманитарной культуры. Основным предметом гуманитарной культуры, таким образом, является внутренний мир человека, его личностные качества, человеческие взаимоотношения и т.д. Иными словами, важнейшей ее особенностью оказывается то, что главной проблемой для человека оказывается его собственное бытие, смысл, нормы и назначение этого бытия.

Все сказанное выше дает основание утверждать, что между естественно-научным и гуманитарным знанием существуют немалые различия. Эти различия обусловлены не только разными целями, предметами и объектами данных направлений познавательной деятельности, но и двумя основными способами процесса мышления, имеющими физиологическую природу. Сегодня достоверно известно, что мозг человека функционально асимметричен: правое его полушарие связано с образным интуитивным типом мышления, а левое — с логическим. Преобладание того или иного типа мышления определяет склонность человека к рациональному или художественному типу восприятия мира.

Рациональное знание служит основой естественно-научной культуры, поскольку ориентировано на разделение, сравнение, измерение и распределение по категориям знаний и информации об окружающем мире. Оно наиболее приспособлено для формализации, накопления и трансляции постоянно увеличивающегося количества знаний. В совокупности различных фактов, событий и проявлений окружающего мира оно вскрывает общее, устойчивое, необходимое и закономерное, придает им системный характер путем логического осмысления. В силу перечисленных особенностей для естественно-научного знания свойственны стремление к истине, выработка специального языка для максимально точного и однозначного выражения полученного знания.

Интуитивное мышление, напротив, выступает основой для гуманитарного знания, поскольку оно отличается индивидуальным характером и поэтому не может быть подвержено строгой классификации или формализации. Оно основывается на внутренних переживаниях человека и не имеет строгих объективных критериев истинности. Однако оно обладает огромной познавательной силой, так как ассоциативно и метафорично по своему характеру. Используя метод аналогии, оно способно выходить за рамки логических конструкций и рождать новые явления материальной и духовной культуры.

Таким образом, естественно-научная и гуманитарная культуры обособлены не случайно, их различия велики. Вместе с тем данное

9

разделение не исключает их исходной взаимозависимости, которая не носит характера несовместимых противоположностей, а выступает скорее как взаимодополняемость. Острота и актуальность проблемы взаимодействия двух культур состоит в том, что они оказались слишком дистанцированными друг от друга. Одна из них исследует природу «саму по себе», а другая — человека и общество «самих по себе». При этом взаимодействие человека и природы каждая из культур рассматривает либо только в познавательном, либо только в «покорительном» плане, в то время как обращение к бытию человека требует углубления единства не только естественнонаучной и гуманитарной культур, но и единства всей человеческой культуры в целом. Однако решение этой проблемы упирается в парадокс, заключающийся в том, что законы природы для всех людей и везде одинаковы, но различны и до враждебности несовместимы мировоззрения, нормы и идеалы отношения к себе, к другим людям и окружающему миру.

Констатация факта существования определенных различий между естественно-научной и гуманитарной культурами не отменяет возможности единства между ними, которое может быть достигнуто только при их прямом взаимодействии. Сегодня очевидно, что как в естественно-научном, так и в гуманитарном знании усиливаются интеграционные процессы за счет прямых связей между естественными и гуманитарными науками и за счет общих методов исследования. В этом процессе обогащается техническое оснащение гуманитарных исследований. Тем самым устанавливаются связи гуманитарных наук с естественными, которые также заинтересованы в этом. Так, например, результаты логических и лингвистических исследований используются в разработке информационных средств естествознания. Все большее значение также приобретают совместные разработки естественников и гуманитариев в сфере этических и правовых проблем науки.

В последние годы под влиянием достижений научнотехнического прогресса и такого нового общенаучного метода исследований, как системный подход, прежняя конфронтация между естествоиспытателями и гуманитариями значительно ослабла. Гуманитарии поняли важность и необходимость использования в своих знаниях не только технических и информационных средств естествознания и точных наук, но и эффективных научных методов исследования, которые первоначально возникли в рамках естествознания. Например, экспериментальный метод исследования из естественных наук проникает в гуманитарные (социологию, психологию). В свою очередь, естествоиспытатели все чаще обращаются к опыту гуманитарного познания. Таким образом, можно говорить о гуманитаризации естествознания и сциентизации гуманитарного знания, активно происходящих в наши дни и стирающих границы между двумя культурами.

10

1.3. Критерии научного знания

На протяжении всей своей истории человечество накопило огромное количество различных по своему характеру знаний о мире. Наряду с научными существуют религиозные, мифологические, обыденные знания и т.д. Существование различных видов знания ставит вопрос о критериях, позволяющих отличить научное знание от ненаучного.

Мы выделяем четыре критерия научного знания: 1) системность знания; 2) наличие отработанного механизма для получения новых знаний; 3) теоретичность знания; 4) рациональность знания.

Системность знания

Первым из научных критериев является системность знания. Система в отличие от суммы неких элементов характеризуется внутренним единством, невозможностью изъятия либо добавления без веских оснований каких-либо элементов в ее структуру. Научное знание всегда выступает в качестве определенных систем: в этих системах есть исходные принципы, фундаментальные понятия (аксиомы), а также знания, выводимые из этих принципов и понятий по законам логики. Кроме того, система включает в себя важные для данной науки интерпретированные опытные факты, эксперименты, математический аппарат, практические выводы и рекомендации. Хаотический набор верных высказываний сам по себе наукой считаться не может.

Наличие отработанного механизма для получения новых знаний

Вторым критерием науки является наличие отработанного механизма для получения новых знаний. Иными словами, наука — это не просто система знаний, но и деятельность по их получению, что предусматривает не только отработанную методику практического и теоретического исследований, но и наличие людей, специализирующихся на этой деятельности, соответствующих организаций, координирующих исследования, а также необходимых материалов, технологий и средств фиксации информации. Это означает, что наука появляется только тогда, когда для этого создаются объективные условия в обществе, т.е. имеется достаточно высокий уровень развития цивилизации.

Теоретичность знания

Третьим критерием научности является теоретичность знания, определяющая цели научного познания. Теоретичность знания

11

предполагает получение истины ради самой истины, а не ради практического результата. Если наука направлена только на решение практических задач, она перестает быть наукой в полном смысле этого слова. В основе науки лежат фундаментальные исследования, чистый интерес к окружающему миру, а затем уже на их основе проводятся прикладные исследования, если их допускает существующий уровень развития техники. Так, на Древнем Востоке научные знания использовались лишь в религиозных магических ритуалах и церемониях либо в непосредственной практической деятельности, поэтому в данном случае мы не можем говорить о наличии науки как самостоятельной сферы культуры.

Рациональность знания. Наличие эспериментального метода исследования

Четвертым критерием научности является рациональность знания. В основе рационального стиля мышления лежит признание существования универсальных, доступных разуму причинных связей, а также формального доказательства в качестве главного средства обоснования знания. Сегодня это положение кажется тривиальным, однако познание мира преимущественно с помощью разума появилось только в Древней Греции. Восточная цивилизация так и не приняла этого специфически европейского пути, отдавая приоритет интуиции и сверхчувственному восприятию.

Для науки, начиная с Нового времени, вводится дополнительный, пятый критерий научности — это наличие экспериментального метода исследования, а также математизация науки. Данный критерий связал современную науку с практикой, создал современную цивилизацию, ориентированную на сознательное преобразование окружающего мира в интересах человека.

Как отличить подлинную науку от псевдонауки

Пользуясь введенными критериями, можно всегда отличить научное знание от ненаучного. Это особенно важно в наши дни, так как в последнее время всегда существовавшая рядом с наукой псевдонаука пользуется все большей популярностью и привлекает к себе все большее число сторонников и приверженцев.

Опасность псевдонауки заключается в том, что она, пользуясь авторитетом науки, паразитирует на ней. Никакого вклада в развитие подлинной науки псевдонаука не вносит, однако претендует на те привилегии, которыми обладают ученые. Нередко среди представителей псевдонауки встречаются настоящие мошенники, пользующиеся тем доверием, которое испытывает современный человек

12

к научному знанию. Массовое сознание, которое не видит разницы между наукой и псевдонаукой, нередко сочувственно относится к псевдоученым, которые, в отличие от настоящих ученых, стремятся находиться на виду. Поэтому следует четко представлять себе, что такое псевдонаука, знать, чем она отличается от подлинной науки.

Важнейшим отличием науки от псевдонауки является содержание знания: утверждения псевдонаук обычно не согласуются с установленными фактами, не выдерживают объективной экспериментальной проверки. Так, уже много раз ученые пытались проверить точность астрологических прогнозов, сравнивая род занятий людей и их тип личности с составленными для них гороскопами, в которых учитывался знак Зодиака, расположение планет в момент рождения и прочее, но никаких значимых соответствий обнаружено не было.

Структура псевдонаучных знаний обычно не носит системного характера, а отличается фрагментарностью. В результате их обычно невозможно логично вписать в сколько-нибудь подробную картину мира.

Для псевдонауки также свойственен некритический анализ исходных данных, что позволяет принимать в качестве таковых мифы, легенды, рассказы из третьих рук, пренебрежение противоречащими фактами, игнорирование тех данных, которые противоречат доказываемой концепции. Нередко дело доходит до прямого подлога, подтасовки фактов.

Несмотря на это, псевдонаука пользуется большим успехом. И для этого есть основания. Одно из них — принципиальная неполнота научного мировоззрения, оставляющая место для догадок и измышлений. Но если раньше эти пустоты в основном заполнялись религией, то сегодня они заняты псевдонаукой, чьи аргументы, может быть, и неверны, но зато понятны всем. Психологически обычному человеку понятнее и приятнее псевдонаучные объяснения, оставляющие место чудесам, в которых нуждается человек, чем сухие научные рассуждения, которые к тому же зачастую невозможно понять без специального образования. Поэтому корни псевдонауки кроются в самой природе человека.

По своему содержанию псевдонаука не является однородной, в ней можно выделить несколько категорий псевдонаук.

Первой категорией являются реликтовые псевдонауки, среди которых всем известные астрология и алхимия. Когда-то они были источником знаний о мире, питательной средой для зарождения подлинной науки. Псевдонауками они стали после появления химии и астрономии.

В Новое время появились оккультные псевдонауки — спиритизм, месмеризм, парапсихология. Общим для них является признание существования потустороннего (астрального) мира, не подчиняющегося физическим законам. Считается, что это — высший по отношению к нам мир, в котором возможны любые чудеса. Свя-

13

зываться с этим миром можно через медиумов, экстрасенсов, телепатов, при этом возникают различные паранормальные явления, которые и становятся предметом изучения псевдонауки.

В XX в. появились модернистские псевдонауки, в которых мистическая основа старых псевдонаук преобразовалась под воздействием научной фантастики. Среди таких наук ведущее место принадлежит уфологии, занимающейся изучением НЛО.

Как же отличить подлинную науку от подделок под нее? Для этого методологами науки, помимо уже названных нами критериев научности, сформулировано несколько важнейших принципов.

Первый из них — это принцип верификации, утверждающий, что если какое-либо понятие или суждение сводимо к непосредственному опыту, т.е. эмпирически проверяемо, то оно имеет смысл. Различают непосредственную верификацию, когда происходит прямая проверка утверждений, и косвенную верификацию, когда устанавливаются логические отношения между косвенно верифицируемыми утверждениями. Поскольку понятия развитой научной теории, как правило, трудно свести к данным опыта, то для них используется косвенная верификация, которая утверждает, что если невозможно опытным путем подтвердить какое-то понятие или суждение теории, то можно ограничиться экспериментальным подтверждением выводов их них. Так, хотя понятие «кварк» было введено в физике еще в 30-е гг. XX в., однако в экспериментах такой частицы обнаружить не удавалось. Вместе с тем кварковая теория предсказала ряд явлений, которые позволяли опытную проверку. В ходе нее и были получены ожидаемые результаты. Тем самым было косвенно подтверждено и существование кварков.

Однако принцип верификации лишь в первом приближении отделяет научное знание от ненаучного. Более точно работает принцип фальсификации, сформулированный крупнейшим философом и методологом науки XX в. К. Поппером. В соответствии с этим принципом научным может считаться только принципиально опровержимое (фальсифицируемое) знание. Давно известно, что никакое количество экспериментальных подтверждений не является достаточным для доказательства теории. Так, мы можем наблюдать сколько угодно примеров, ежеминутно подтверждающих закон всемирного тяготения. Но достаточно лишь одного примера (например, камня, упавшего не на землю, а улетевшего прочь от земли), чтобы признать данный закон ложным. Поэтому ученый должен направлять все свои силы не на поиски еще одного экспериментального доказательства сформулированной им гипотезы или теории, а на попытку опровергнуть свое утверждение. Поэтому критическое стремление опровергнуть научную теорию является наиболее эффективным путем для подтверждения ее научности и истинности. Критическое опровержение выводов и утверждений науки не

14

дает ей застояться, является важнейшим источником ее развития, хотя и делает любое научное знание гипотетичным, лишая его законченности и абсолютности.

Только истинная наука не боится ошибиться и признать свои прежние выводы ложными. В этом — сила науки, ее отличие от псевдонауки, которая лишена этого важнейшего свойства. Поэтому если какая-либо концепция при всей ее наукообразности утверждает, что ее невозможно опровергнуть, отрицает саму возможность иного истолкования каких-либо фактов, то это свидетельствует о том, что мы столкнулись не с наукой, а с псевдонаукой.

1.4. Структура научного знания

Под термином «наука» обычно понимается особая сфера деятельности людей, главной целью которой является выработка и теоретическая систематизация объективных знаний обо всех сторонах и областях действительности. При таком понимании сущности науки она представляет собой систему, многообразные элементы которой связаны между собой общими мировоззренческими и методологическими основаниями. Элементами системы «наука» выступают различные естественные, общественные, гуманитарные и технические научные дисциплины (отдельные науки). Современная наука охватывает более 15 тысяч дисциплин, число профессиональных ученых в мире превысило 5 млн. человек. Поэтому наука сегодня имеет очень сложную структуру и организацию, которую можно рассматривать в нескольких аспектах.

Структура научного знания с точки зрения ориентации на практическое применение

По ориентации на практическое применение науки объединяются в две большие группы: фундаментальные и прикладные.

Фундаментальные науки — это система знаний о наиболее глубоких свойствах объективной реальности, не имеющая выраженной практической направленности.

Эти науки создают теории, объясняющие основы бытия людей; фундаментальные знания этих теорий определяют особенности представления человека о мире и самом себе, т.е. являются основанием для научной картины мира. Как правило, фундаментальные исследования проводятся в силу не внешних (социальных) потребностей, а внутренних (имманентных) стимулов. Поэтому для фун-

15

даментальных наук характерна аксиологическая (ценностная) нейтральность. Открытия и достижения фундаментальных наук являются определяющими в формировании естественно-научной картины мира, изменения парадигмы научного мышления. В фундаментальных науках вырабатываются базовые модели познания, выявляются понятия, принципы и законы, составляющие основание прикладных наук. К фундаментальным наукам относятся математика, естественные науки (астрономия, физика, химия, биология, антропология и др.), социальные науки (история, экономика, социология, философия и др.), гуманитарные науки (филология, психология, культурология и т.д.).

Прикладные науки рассматриваются как система знаний, имеющая выраженную практическую ориентацию.

Опираясь на результаты фундаментальных исследований, они ориентируются на решение конкретных проблем, связанных с интересами людей. Прикладные науки амбивалентны, т.е. в зависимости от сферы приложения они могут оказывать как позитивное, так и негативное воздействие на человека, таким образом, они ценностно ориентированы. К прикладным наукам относятся технические дисциплины, агрономия, медицина, педагогика и др.

Структура научного знания с точки зрения предметного единства

Также наука должна быть рассмотрена в содержательном аспекте, с точки зрения предметного единства. Поскольку окружающий нас мир может быть разделен на три сферы — природу, общество и человека, науки также делятся на т р и группы: 1) естествознание (наука о природе), 2) обществознание (наука о видах и формах общественной жизни) и 3) гуманитарное знание, изучающее человека как мыслящее существо. Каждая из них, в свою очередь, представляет сложный комплекс множества взаимодействующих между собой самостоятельных наук.

Так, в естествознание, предметом которого является природа как единое целое, входят физика, химия, биология, науки о Земле, астрономия, космология и т.д., в обществознание — экономические науки, право, социология, политические науки. Среди гуманитарных наук необходимо выделить психологию, логику, культурологию, языкознание, искусствоведение и др. Особое место в нашей схеме занимает математика, которая вопреки широко распространенному заблуждению не является частью естествознания. Это междисциплинарная наука, которая используется как естественны-

16

ми, так общественными и гуманитарными науками. Очень часто математику называют универсальным языком науки, цементом, скрепляющим ее здание. Особое место математики определяется предметом ее исследования. Математика — наука о количественных отношениях действительности (все остальные науки имеют своим предметом какую-либо качественную сторону действительности), она имеет более общий, абстрактный характер, чем все остальные науки, ей все равно, что считать.

1.5. Научная картина мира

В процессе познания окружающего мира результаты познания отражаются и закрепляются в сознании человека в виде знаний, умений, навыков, типов поведения и общения. Совокупность результатов познавательной деятельности человека образует определенную модель, или картину мира. В истории человечества было создано и существовало довольно большое количество самых разнообразных картин мира, каждая из которых отличалась своим видением мира и специфическим его объяснением. Однако самое широкое и полное представление о мире дает научная картина мира, которая включает в себя важнейшие достижения науки, создающие определенное понимание мира и места человека в нем. В нее не входят частные знания о различных свойствах конкретных явлений, о деталях самого познавательного процесса. Научная картина мира не является совокупностью всех знаний человека об объективном мире, она представляет собой целостную систему представлений об общих свойствах, сферах, уровнях и закономерностях реальной действительности.

По своей сути научная картина мира — это особая форма систематизации знаний, качественное обобщение и мировоззренческий синтез различных научных теорий.

Будучи целостной системой представлений об общих свойствах и закономерностях объективного мира, научная картина мира существует как сложная структура, включающая в себя в качестве составных частей общенаучную картину мира и картины мира отдельных наук (физическая, биологическая, геологическая и т.п.). Картины мира отдельных наук, в свою очередь, включают в себя соответствующие многочисленные концепции — определенные способы понимания и трактовки каких-либо предметов, явлений и процессов объективного мира, существующие в каждой отдельной науке.

17

Основой современной научной картины мира являются фундаментальные знания, полученные, прежде всего, в области физики. Однако в последние десятилетия прошлого века все больше утверждалось мнение, что в современной научной картине мира лидирующее положение занимает биология. Это выражается в усилении влияния, которое оказывает биологическое знание на содержание научной картины мира. Идеи биологии постепенно приобретают универсальный характер и становятся фундаментальными принципами других наук. В частности, в современной науке такой универсальной идеей является идея развития, проникновение которой в космологию, физику, химию, антропологию, социологию и т.д. привело к существенному изменению взглядов человека на мир.

Понятие научной картины мира — одно из основополагающих в естествознании. На протяжении своей истории оно прошло несколько этапов развития и, соответственно, формирования научных картин мира по мере доминирования какой-либо отдельной науки или отрасли наук, опирающейся на новую теоретическую, методологическую и аксиологическую систему взглядов, принятых в качестве основания для решения научных задач. Подобная система научных взглядов и установок, разделяемая преобладающим большинством ученых, называется научной парадигмой.

Применительно к науке термин «парадигма» в самом общем понимании означает совокупность идей, теорий, методов, концепций и образцов решения различных научных проблем. Можно сказать, что парадигма отвечает на несколько важнейших вопросов: «Что изучать?», «Как изучать?», «Какими методами?». В науковедении принято рассматривать парадигмы в двух аспектах: эпистемологическом (теоретико-познавательном) и социальном. В эпистемологическом плане парадигма представляет собой совокупность фундаментальных знаний, ценностей, убеждений и технических приемов, выступающих в качестве образца научной деятельности. В социальном отношении парадигма определяет целостность и границы научного сообщества, разделяющего ее (парадигмы) основные положения.

На уровне парадигмы формируются основные нормы отграничения научного знания от ненаучного. В период господства в науке какой-либо парадигмы происходит относительно спокойное развитие науки, но с течением времени оно сменяется формированием новой парадигмы, которая утверждается посредством научной революции, т.е. переходом на новую систему научных ценностей и миропонимания. Смена парадигмы приводит к смене стандартов научности. Философское понятие парадигмы является продуктивным при описании базовых теоретикометодологических основ научного изучения мира и часто используется в практике современной науки и разработке новых концепций в естествознании.

18

Литература для самостоятельного изучения

1. Алексеев В.П., Панин А.В. Философия. Учебник. М., 1998.

2. Бернал Дж. Наука в истории общества. М., 1956.

3. Естественнонаучное и социогуманитарное знание:

методологические аспекты взаимодействия. Л., 1990.

4. Наука и ее место в культуре. Новосибирск, 1990.

5. Научный прогресс: когнитивный и социокультурный аспект. М., 1993.

6. Основы науковедения. М., 1985.

7. Сноу Ч.П. Портреты и размышления. М., 1985.

8. Степин B.C., Кузнецова Л.Ф. Научная картина мира в культуре техногенной цивилизации. М.. 1994.

9. Степин B.C. Философия науки. М., 2003.

10. Философия и методология науки / Под ред. В.И. Купцова. М., 1996.

Глава 2Структура и методы научного познания

2.1. Уровни и формы научного познания

Уровни научного познания

В современном естествознании обычно выделяют эмпирический и теоретический уровни познания.

Эмпирический уровень познания. На эмпирическом (опытном) уровне познания используются главным образом методы, опирающиеся на чувственно-наглядные приемы и способы познания, такие, как систематическое наблюдение, сравнение, аналогия и т.д. Здесь накапливается первичный опытный материал, который требует дальнейшей обработки и обобщения. На данном уровне познание имеет дело с фактами и их описанием. Вся научная информация основана на наблюдениях и подвергается объективной проверке. Непосредственные наблюдения ограничиваются только ощущениями, полученными от пяти органов чувств. Эти данные можно проверить, поскольку наши органы чувств могут обманываться и предоставлять нам неверную информацию.

К сожалению, сами по себе эмпирические факты и обобщения мало что объясняют. Можно сделать наблюдение, что на Земле любой предмет (а не только яблоки) будет падать сверху вниз. Но еще один непреложный факт — то, что звезды и планеты, которые мы можем увидеть у себя над головой, на Землю не падают. Выявить разницу между этими событиями, а также объяснить их причину на уровне эмпирического обобщения невозможно. Чтобы это понять, нужно пойти дальше и перейти с эмпирического на теоретический уровень познания.

Теоретический уровень познания. Только на этом уровне становится возможным формулирование законов, являющееся целью науки. Для этого нужно уметь увидеть за многочисленными, часто совершенно непохожими внешне фактами, именно существенные, а не просто повторяющиеся свойства и характеристики предметов и явлений.

Главная задача теоретического уровня познания заключается в том, чтобы привести полученные данные в стройную систему и

20

создать из них научную картину мира. Для этого отдельные чувственные данные складываются в одну целостную систему — теорию Но при построении теории используются другие, более высокие методы познания — теоретические.

Теоретический уровень познания обычно расчленяется на два типа — фундаментальные теории и теории, которые описывают конкретную область реальности. Так, механика описывает материальные точки и взаимоотношения между ними, а на основе ее принципов строятся различные конкретные научные теории, описывающие те или иные области реального мира.

При всех различиях между эмпирическим и теоретическим уровнями познания нет непреодолимой границы: теоретический уровень опирается на данные эмпирического, а эмпирическое знание не может существовать без теоретических представлений, оно обязательно погружено в определенный теоретический контекст.

Формы научного познания

К основным формам научного познания относятся научные факты, проблемы, гипотезы и теории. Их назначение состоит в том, что они раскрывают динамику процесса познания, т.е. движение и развитие знания в ходе исследования или изучения какого-либо объекта.

Фундаментом всего научного знания являются научные факты, с установления которых начинается научное познание. Научный факт — это отражение конкретного явления в человеческом сознании, т.е. его описание с помощью языка науки (обозначение, термины и т.п.). Одним из важнейших свойств научного факта является его достоверность, которая обусловливается возможностью его воспроизведения с помощью различных экспериментов. Чтобы факт считался достоверным, требуется его подтверждение в ходе многочисленных наблюдений или экспериментов. Так, если мы один раз увидели, что яблоко с дерева падает на землю, то это всего лишь единичное наблюдение. Но если мы фиксировали подобные падения неоднократно, то можно говорить о достоверном факте. Подобные факты составляют эмпирический, т.е. опытный, фундамент науки.

Трудность заключается в том, что в непосредственном наблюдении зафиксировать сущностные характеристики предмета практически невозможно. Поэтому прямо перейти с эмпирического на теоретический уровень познания тоже нельзя. Теория не строится путем непосредственного индуктивного обобщения опыта. Поэтому следующим шагом в научном познании становится формулирование проблемы.

Проблема определяется как «знание о незнании», как форма знания, содержанием которой является осознанный вопрос, для ответа на который имеющихся знаний недостаточно. Любое научное исследова-

21

ние начинается с выдвижения проблемы, что свидетельствует о возникновении трудностей в развитии науки, когда вновь обнаруженные факты не удается объяснить существующими знаниями. Поиск, формулирование и решение проблем — основная черта научной деятельности. Проблемы отделяют одну науку от другой, задают характер научной деятельности как подлинно научной или псевдонаучной.

В свою очередь, наличие проблемы при осмыслении необъяснимых фактов влечет за собой предварительный вывод, требующий своего экспериментального, теоретического и логического подтверждения. Такого рода предположительное знание, истинность или ложность которого еще не доказана, называется научной гипотезой.

Гипотеза — это знание в форме предположения, сформулированного на основе ряда достоверных фактов.

По своему происхождению гипотетическое знание носит вероятностный, а не достоверный характер и поэтому требует обоснования и проверки. Если в ходе проверки содержание гипотезы не согласуется с эмпирическими данными, то гипотеза отвергается. Если же гипотеза подтверждается, то можно говорить о той или иной степени вероятности гипотезы. Чем больше фактов, подтверждающих гипотезу, найдено, тем выше ее вероятность. Таким образом, в результате проверки одни гипотезы становятся теориями, другие уточняются и конкретизируются, а третьи отбрасываются как заблуждения, если их проверка дает отрицательный результат. Решающим критерием истинности гипотезы является практика во всех своих формах, а вспомогательную роль при этом играет логический критерий истины.

Выдвижение гипотез — один из самых сложных моментов в науке. Ведь они не связаны прямо с предшествующим опытом, который лишь дает толчок к размышлениям. Огромную роль играют интуиция и талант, отличающие настоящих ученых, имена которых нам известны из школьных учебников. Интуиция важна так же, как и логика. Ведь рассуждения в науке не являются доказательствами, это только выводы, которые свидетельствуют об истинности рассуждений, если посылки верны, но они ничего не говорят об истинности самих посылок. Выбор посылок связан с практическим опытом и интуицией ученого, который из огромного множества эмпирических фактов и обобщений должен выбрать действительно важные. Затем ученый должен выдвинуть предположение, объясняющее эти факты, а также целый ряд явлений, еще не зафиксированных в наблюдениях, но относящихся к этому же классу событий. При выдвижении гипотезы принимается во внимание не только ее соответствие эмпирическим данным, но и требования простоты, красоты и экономичности мышления.

22

В случае своего подтверждения гипотеза становится теорией.

Теория — это логически обоснованная и проверенная на практике система знаний, дающая целостное отображение закономерных и существенных связей в определенной области объективной реальности.

Главная задача теории — описать, систематизировать и объяснить все множество эмпирических фактов. Иными словами, теория представляет собой систему истинного, уже доказанного, подтвержденного знания о сущности явлений, высшую форму научного знания, всесторонне раскрывающую структуру, функционирование и развитие изучаемого объекта, взаимоотношения всех его элементов, сторон и связей.

Научная теория — это развивающаяся система знания, главными элементами которой являются принципы и законы. Принципы — это наиболее общие и важные фундаментальные положения теории. В теории принципы играют роль исходных, основных и первичных посылок, образующих фундамент теории. В свою очередь, содержание каждого принципа раскрывается с помощью законов, которые конкретизируют принципы, объясняют механизм их действия, логику взаимосвязи вытекающих из них следствий. На практике законы выступают в форме теоретических утверждений, отражающих общие связи изучаемых явлений, объектов и процессов.

Раскрывая сущность объектов, законы их существования, взаимодействия, изменения и развития, теория позволяет объяснять изучаемые явления, предсказывать новые, еще не известные факты и характеризующие их закономерности, прогнозировать поведение изучаемых объектов в будущем. Таким образом, теория выполняет две важнейшие функции: объяснение и предсказание, т.е. научное предвидение.

2.2. Методы научного познания

Процесс познания окружающего нас мира в самом общем виде представляет собой решение разного рода задач, возникающих в ходе практической деятельности человека. Эти проблемы решаются путем использования особых приемов — методов.

Научный метод — это совокупность приемов и операций практического и теоретического познания действительности.

Они оптимизируют деятельность человека, вооружают его наиболее рациональными способами организации деятельности.

23

На эмпирическом уровне происходит сбор фактов и информации (установление фактов, их регистрация, накопление), а также их описание (изложение фактов и их первичная систематизация).

Теоретическая сторона связана с объяснением и обобщением фактов, созданием новых теорий, выдвижением гипотез, открытием новых законов, а также предсказанием новых фактов в рамках этих теорий. С их помощью вырабатывается научная картина мира, что важно для осуществления мировоззренческой функции науки.

В основе методов науки лежит единство эмпирических и теоретических сторон. Они взаимосвязаны и обусловливают друг друга. Их разрыв, или преимущественное развитие одной стороны за счет другой, закрывает путь к правильному познанию природы: теория становится беспредметной, опыт — слепым.

Помимо выделения двух уровней познания, в основу классификации научных методов может быть положена применяемость метода, возможность его использования в разных сферах человеческой деятельности. В таком случае можно выделить общие, особенные и частные методы научного познания.

Общие методы научного познания

Общие методы познания касаются любого предмета, любой науки. Это различные формы метода, дающего возможность связывать воедино все стороны процесса познания, все его ступени. Это, скорее, общефилософские методы познания. В истории философии можно найти только два таких метода — метафизический и диалектический. До конца XIX в. в науке господствовал метафизический метод, и лишь с XX в. он уступил свое место диалектическому методу познания. Оба этих метода лишь намечают границы познания.

Частные методы научного познания

Частные методы научного познания — это специальные методы, действующие только в пределах отдельной отрасли науки. Таков, в частности, метод кольцевания птиц, применяемый в зоологии. Иногда частные методы могут использоваться за пределами той области знания, в которой они возникли. Так, методы физики, применяемые в других отраслях естествознания, привели к созданию астрофизики, геофизики, кристаллофизики и других междисциплинарных наук. Нередко применяется комплекс взаимосвязанных частных методов к изучению одного предмета. Например, молекулярная биология одновременно пользуется методами физики, математики, химии, кибернетики.

Хотя частные методы и способы исследования в разных науках могут заметно отличаться друг от друга, однако общий подход этих

24

методов к процессу познания остается в сущности одним и тем же. Все они определяют тактику исследования. Стратегию исследования определяют особенные методы познания. Кроме того, все частные методы познания связаны с определенными сторонами или сочетаниями особенных методов.

Особенные методы научного познания

Особенные методы научного познания используются большинством наук на разных этапах познавательной деятельности и касаются определенной стороны изучаемого предмета или приема исследования. Именно среди особенных методов можно выделить эмпирический и теоретический уровни познания. Таким образом, существуют особенные методы, проявляющиеся:

• на эмпирическом уровне познания (особенные эмпирические методы);

• на теоретическом уровне познания (особенные теоретические методы);

• методы, действующие как на эмпирическом, так и на теоретическом уровнях познания (особенные универсальные методы).

Остановимся подробнее на этих трех группах особенных методов научного познания.

2.3. Особенные эмпирические методы научного познания

К особенным эмпирическим методам научного познания относятся наблюдение, измерение и эксперимент.

Наблюдение

Наблюдение — это целенаправленный строгий процесс восприятия предметов действительности, которые не должны быть изменены.

Сущностью наблюдения является чувственное отражение предметов и явлений объективного мира, в ходе которого мы получаем некую первичную информацию о них. Поэтому исследование любых интересующих объектов окружающего нас мира чаще всего начинают с наблюдения, и лишь затем переходят к другим методам изучения.

Результаты наблюдения должны фиксироваться в описании, отмечающем те свойства и стороны изучаемого объекта, которые

яв-

25

ляются предметом исследования ученого. Такое описание должно быть максимально полным, точным и объективным. Ведь оно должно дать достоверную и адекватную картину изучаемого явления. Именно описания результатов наблюдений составляют эмпирический базис науки, на их основе создаются эмпирические обобщения, систематизации и классификации.

Измерение

Измерение — это определение количественных значений (характеристик) изучаемых сторон или свойств объекта исследования с помощью специальных технических устройств.

Эти устройства могут работать как в руках человека, так и в автоматическом режиме. Современные компьютеры позволяют проводить не только процедуру измерения, но и обрабатывать полученные данные.

Большую роль в исследовании играют единицы измерения — эталоны, с которыми сравниваются полученные данные. Они могут быть основными, или базисными, и производными, выводимыми из них с помощью математических операций.

За последние четыре века бурного развития естествознания образовалось множество различных систем единиц измерения, что затрудняло работу ученых. Поэтому в 1960 г. Генеральная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц — СИ. Она базируется на семи основных (метр (м) — единица длины, килограмм (кг) — единица массы, секунда (с) — единица времени, ампер (А) — сила электрического тока, кельвин (К) — термодинамическая температура в градусах, кандела (кд) — сила света, моль — количество вещества) и двух дополнительных (радиан (рад) — плоский угол, стерадиан (ср) — телесный угол) единицах. Сегодня большая часть измерительных приборов градуируется в этих единицах.

На основании данных единиц измерения введены производные единицы — площади, объема, частоты, скорости, ускорения и др.

Развитие науки немыслимо без развития измерительной техники. Можно говорить как о совершенствовании давно известных приборов, так и о появлении принципиально новых инструментов, сконструированных на основе недавно появившихся в науке гипотез и теорий.

Частным случаем измерения является сравнение. Оно позволяет оценить различные объекты и соотнести их друг с другом.

26

Эксперимент

Эксперимент — более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением, без которого он не обходится.

Эксперимент — это целенаправленное и строго контролируемое воздействие исследователя на интересующий его объект для изучения различных его сторон, связей и отношений.

Таким образом, в ходе эксперимента ученый может вмешиваться в естественный ход процессов, преобразовывать объект исследования, помещать его в искусственные условия.

Специфика эксперимента состоит также в том, что он позволяет увидеть объект или процесс в «чистом» виде за счет максимального исключения воздействия посторонних факторов. Ведь в обычных условиях все природные процессы крайне сложны и запутанны, не поддаются полному контролю и управлению. Поэтому экспериментатор отделяет существенные факторы от несущественных и тем самым значительно упрощает ситуацию. Такое упрощение способствует более глубокому пониманию сути явлений и процессов и дает возможность контролировать немногие важные для данного эксперимента факторы и величины.

2.4. Особенные теоретические методы научного познания

Абстрагирование, идеализация, формализация

К особенным методам научного познания относятся процедуры абстрагирования и идеализации, в ходе которых образуются научные понятия.

Абстрагирование — мысленное отвлечение от всех свойств, связей и отношений изучаемого объекта, которые представляются несущественными для данной теории.

Результат процесса абстрагирования называется абстракцией. Примером абстракций являются такие понятия, как точка, прямая, множество и т.д.

Идеализация — это операция мысленного выделения какоголибо одного, важного для данной теории свойства или отношения (не обязательно, чтобы это свойство существовало реально), и мысленного конструирования объекта, наделенного этим свойством.

27

Именно посредством идеализации образуются такие понятия, как «абсолютно черное тело», «идеальный газ», «атом» в классической физике и т.д. Полученные таким образом идеальные объекты в действительности не существуют, так как в природе не может быть предметов и явлений, имеющих только одно свойство или качество. В этом состоит главное отличие идеальных объектов от абстрактных.

Формализация — использование специальной символики вместо реальных объектов.

Ярким примером формализации является широкое использование математической символики и математических методов в естествознании. Формализация дает возможность исследовать объект без непосредственного обращения к нему и записывать полученные результаты в краткой и четкой форме.

Индукция

Индукция — метод научного познания, представляющий собой формулирование логического умозаключения путем обобщения данных наблюдения и эксперимента, получение общего вывода на основании частных посылок, движение от частного к общему.

Различают полную и неполную индукцию. Полная индукция строит общий вывод на основании изучения всех предметов или явлений данного класса. В результате полной индукции полученное умозаключение имеет характер достоверного вывода. Но в окружающем нас мире не так много подобных объектов одного класса, число которых ограниченно настолько, что исследователь может изучить каждый из них.

Поэтому гораздо чаще ученые прибегают к неполной индукции, которая строит общий вывод на основании наблюдения ограниченного числа фактов, если среди них не встретились такие, которые противоречат индуктивному умозаключению. Например, если ученый в ста или более случаях наблюдает один и тот же факт, он может сделать вывод, что этот эффект проявится и при других сход ных обстоятельствах. Естественно, что добытая таким путем истин неполна, полученное знание носит вероятностный характер и тре бует дополнительного подтверждения.

Дедукция

Индукция не может существовать в отрыве от дедукции.

Дедукция — метод научного познания, представляющий собой получение частных выводов на основе общих знаний, вывод от общего к частному.

28

Дедуктивное умозаключение строится по следующей схеме: все предметы класса А обладают свойством В, предмет а относится к классу А; следовательно, а обладает свойством В. Например: «Все люди смертны»; «Иван — человек»; следовательно, «Иван — смертен».

Дедукция как метод познания исходит из уже познанных законов и принципов. Поэтому метод дедукции не позволяет получить содержательно нового знания. Дедукция представляет собой лишь способ логического развертывания системы положений на базе исходного знания, способ выявления конкретного содержания общепринятых посылок. Поэтому она не может существовать в отрыве от индукции. Как индукция, так и дедукция незаменимы в процессе научного познания.

Гипотеза

Решение любой научной проблемы включает выдвижение различных догадок, предположений, а чаще всего более или менее обоснованных гипотез, с помощью которых исследователь пытается объяснить факты, не укладывающиеся в старые теории.

Гипотеза представляет собой всякое предположение, догадку или предсказание, выдвигаемое для устранения ситуации неопределенности в научном исследовании.

Поэтому гипотеза — это не достоверное, а вероятное знание, истинность или ложность которого еще не установлена.

2.5. Особенные универсальные методы научного познания

К универсальным методам научного познания относятся аналогия, моделирование, анализ и синтез.

Аналогия

Аналогия — метод познания, при котором происходит перенос знания, полученного при рассмотрении какого-либо одного объекта, на другой, менее изученный, но схожий с первым объектом по каким-то существенным свойствам.

Метод аналогии основывается на сходстве предметов по ряду каких-либо признаков, причем сходство устанавливается в результате

29

I

сравнения предметов между собой. Таким образом, в основе метода аналогии лежит метод сравнения.

Применение метода аналогии в научном познании требует определенной осторожности. Дело в том, что можно принять чисто внешнее, случайное сходство между двумя объектами за внутреннее, существенное, и на этом основании сделать вывод о сходстве, которого на самом деле нет. Так, хотя и лошадь, и автомобиль используются как транспортные средства, было бы неверным переносить знания об устройстве машины на анатомию и физиологию лошади. Данная аналогия будет ошибочной.

Тем не менее, метод аналогии занимает намного более значимое место в познании, чем это может показаться на первый взгляд. Ведь аналогия не просто намечает связи между явлениями. Важнейшей особенностью познавательной деятельности человека является то, что наше сознание не способно воспринять абсолютно новое знание, если у него нет точек соприкосновения с уже известным нам знанием. Именно поэтому при объяснении нового материала на занятиях всегда прибегают к примерам, которые и должны провести аналогию между известным и неизвестным знанием.

Моделирование

Метод аналогии тесно связан с методом моделирования.

Метод моделирования предполагает изучение каких-либо объектов посредством их моделей с дальнейшим переносом полученных данных на оригинал.

В основе этого метода лежит существенное сходство объектаоригинала и его модели. К моделированию следует относиться с той же осторожностью, что и к аналогии, строго указывать пределы и границы допустимых при моделировании упрощений.

Современной науке известно несколько типов моделирования: предметное, мысленное, знаковое и компьютерное.

Предметное моделирование представляет собой использование моделей, воспроизводящих определенные геометрические, физические, динамические или функциональные характеристики прототипа. Так, на моделях исследуются аэродинамические качества самолетов и других машин, ведется разработка различных сооружений (плотин, электростанций и др.).

Мысленное моделирование — это использование различных мысленных представлений в форме воображаемых моделей. Широко известна идеальная планетарная модель атома Э. Резерфорда, напоминавшая Солнечную систему: вокруг положительно заряженно-

30

го ядра (Солнца) вращались отрицательно заряженные электроны (планеты).

Знаковое (символическое) моделирование использует в качестве моделей схемы, чертежи, формулы. В них в условно-знаковой форме отражаются какие-то свойства оригинала. Разновидностью знакового является математическое моделирование, осуществляеемое средствами математики и логики. Язык математики позволяет выразить любые свойства объектов и явлений, описать их функционирование или взаимодействие с другими объектами с помощью системы уравнений. Так создается математическая модель явления. Часто математическое моделирование сочетается с предметным моделированием.

Компьютерное моделирование получило широкое распространение в последнее время. В данном случае компьютер является одновременно и средством, и объектом экспериментального исследования, заменяющим оригинал. Моделью при этом является компьютерная программа (алгоритм).

Анализ

Анализ — метод научного познания, в основу которого положена процедура мысленного или реального расчленения предмета на составляющие его части и их отдельное изучение.

Эта процедура ставит своей целью переход от изучения целого к изучению его частей и осуществляется путем абстрагирования от связи этих частей друг с другом.

Анализ — органичная составная часть всякого научного исследования, являющаяся обычно его первой стадией, когда исследователь переходит от описания нерасчлененного изучаемого объекта к выявлению его строения, состава, а также свойств и признаков. Для постижения объекта как единого целого недостаточно знать, из чего он состоит. Важно понять, как связаны друг с другом составные части объекта, а это можно сделать, лишь изучив их в единстве. Для этого анализ дополняется синтезом.

Синтез

Синтез — метод научного познания, в основу которого положена процедура соединения различных элементов предмета в единое целое, систему, без чего невозможно действительно научное познание этого предмета.

31

Синтез выступает не как метод конструирования целого, а как метод представления целого в форме единства знаний, полученных с помощью анализа. Важно понять, что синтез вовсе не является простым механическим соединением разъединенных элементов в единую систему. Он показывает место и роль каждого элемента в этой системе, его связь с другими составными частями системы. Таким образом, при синтезе происходит не просто объединение, а обобщение аналитически выделенных и изученных особенностей объекта.

Синтез — такая же необходимая часть научного познания, как и анализ, и идет вслед за ним. Анализ и синтез — это две стороны единого аналитико-синтетического метода познания, которые не существуют друг без друга.

Классификация

Классификация — метод научного познания, позволяющий объединить в один класс объекты, максимально сходные друг с другом в существенных признаках.

Классификация позволяет свести накопленный многообразный материал к сравнительно небольшому числу классов, типов и форм, выявить исходные единицы анализа, обнаружить устойчивые признаки и отношения. Как правило, классификации выражаются в виде текстов на естественных языках, схем и таблиц.

Разнообразие методов научного познания создает трудности в их использовании и понимании их значимости. Эти проблемы решаются особой областью знания — методологией, т.е. учением о методах. Важнейшая задача методологии — изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.

2.6. Общенаучные подходы

Общая характеристика общенаучных подходов

Мы рассмотрели систему методов научного познания, но она не является статичной и неизменной. Появляются новые методы, а уже известные могут в ходе развития науки переходить из одной категории в другую: частные методы превращаются в особенные, особенные — в общие. Кроме того, в современном научном познании особое значение приобретают общенаучные подходы, которые задают определенную направленность научного исследования, фик-

32

сируют определенный его аспект, но не указывают жестко специфику конкретных исследовательских средств. Общенаучные подходы акцентируют основное направление исследования, «угол зрения» на объект изучения.

Важнейшая черта общенаучных подходов — принципиальная применимость к исследованию любых явлений и любой сферы действительности. Они могут работать во всех без исключения науках. Это обусловлено общенаучным характером категорий, лежащих в основании данных подходов.

Виды общенаучных подходов

К числу общенаучных подходов относятся:

• структурный подход, ориентирующий на изучение внутреннего строения системы, характера и специфики связей между ее элементами;

• функциональный подход, изучающий функциональные зависимости элементов данной системы, а также ее входных и выходных параметров;

• алгоритмический подход, использующийся при описании информационных процессов, функционирования систем управления и в других случаях, когда существует возможность представить изучаемое явление в виде процесса, происходящего по строгим правилам;

• вероятностный подход, нацеливающий исследователя на выявление статистических закономерностей, ориентирует на изучение процессов как статистических ансамблей;

• информационный подход связан с выделением и исследованием информационного аспекта различных явлений действительности — объема потока информации, способов ее кодирования и алгоритмов переработки.

Среди общенаучных подходов в современной науке все более важное место занимают системный подход и глобальный эволюционизм.

2.7. Системный подход

Сущность системного подхода

Под системным подходом в широком смысле понимают метод исследования окружающего мира, при котором интересующие нас предметы и явления рассматриваются как части или элементы определенного целостного образования.

33


Эти части и элементы, взаимодействуя друг с другом, формируют новые свойства целостного образования (системы), отсутствующие у каждого из них в отдельности. Таким образом, мир с точки зрения системного подхода предстает перед нами как совокупность систем разного уровня, находящихся в отношениях иерархии.

В современной науке в основе представлений о строении материального мира лежит именно системный подход, согласно которому любой объект материального мира может быть рассмотрен как сложное образование, включающее составные части, организованные в целое. Для обозначения этой целостности в науке выработано понятие системы.

В современной науке под системой понимают внутреннее (или внешнее) упорядоченное множество взаимосвязанных элементов, проявляющее себя как нечто единое по отношению к другим объектам или внешним условиям.

Понятие «элемент» означает минимальный, далее уже неделимый компонент в рамках системы. Во всех системах связь между ее элементами является более устойчивой, упорядоченной и внутренне необходимой, чем связь каждого из элементов с окружающей средой. Элемент является таковым лишь по отношению к данной системе, при других отношениях он сам может представлять сложную систему. Совокупность связей между элементами образует структуру системы. Существует два типа связей между элементами системы: горизонтальные и вертикальные.

Горизонтальные связи — это связи координации между однопорядковыми элементами системы. Они носят коррелирующий характер: ни одна часть системы не может измениться без того, чтобы не изменились другие ее части.

Вертикальные связи — это связи субординации, т.е. соподчинения элементов. Они выражают сложное внутреннее устройство системы, где одни части по своей значимости могут уступать другим подчиняться им.

Степень взаимодействия частей системы друг с другом може быть различной. Кроме того, любой предмет или явление окру жающего мира, с одной стороны, может входить в состав боле крупных и масштабных систем, а с другой стороны — сам являться системой, состоящей из более мелких элементов и составных частей. Поэтому все предметы и явления окружающего нас мира могут изучаться и как элементы систем, и как целостные системы, а системность является неотъемлемым свойством мира, в котором мы живем. В этом заключается сущность системного подхода.

Строение системы

Рассматривая строение системы, в ней можно выделить следующие компоненты: подсистемы и части (элементы). Подсистемы являются крупными частями систем, обладающими значительной самостоятельностью. Разница между элементами и подсистемами достаточно условна, если отвлечься от их размера. В качестве примера можно привести человеческий организм, безусловно, являющийся системой. Его подсистемами являются неравная, пищеварительная, дыхательная, кровеносная и другие системы. В свою очередь, они состоят из отдельных органов и тканей, которые являются элементами человеческого организма. Но мы можем рассматривать в качестве самостоятельных систем выделенные нами подсистемы, в таком случае подсистемами будут органы и ткани, а элементами системы — клетки. Таким образом, системы, подсистемы и элементы находятся в отношениях иерархического соподчинения.

Классификация систем

В рамках системного подхода была создана общая теория систем, которая сформулировала принципы, общие для самых различных областей знания. Она начинается с классификации систем и дается по нескольким основаниям.

В зависимости от с т р у к т у р ы системы делятся на дискретные, жесткие и централизованные. Дискретные (корпускулярные) системы состоят из подобных друг другу элементов, не связанных между собой непосредственно, а объединенных только общим отношением к окружающей среде, поэтому потеря нескольких элементов не наносит ущерба целостности системы.

Жесткие системы отличаются повышенной организованностью, поэтому удаление даже одного элемента приводит к гибели всей системы.

Централизованные системы имеют одно основное звено, которое, находясь в центре системы, связывает все остальные элементы и управляет ими.

По типу в з а и м о д е й с т в и я с окружающей средой все системы делятся на открытые и закрытые. Открытыми являются системы реального мира, обязательно обменивающиеся веществом, энергией или информацией с окружающей средой. Закрытые системы не обмениваются ни веществом, ни энергией, ни информацией с окружающей средой. Это понятие является абстракцией высокого уровня и, хотя существует в науке, реально не существует, так как в действительности никакая система не может быть полностью изолирована от воздействия других систем. Поэтому все известные в мире системы являются открытыми.

35

По с о с т а в у системы можно разделить на материальные и идеальные. К материальным относится большинство органических, неорганических и социальных систем (физические, химические, биологические, геологические, экологические, социальные системы). Также среди материальных систем можно выделить искусственные технические и технологические системы, созданные человеком для удовлетворения своих потребностей.

Идеальные системы представляют собой отражение материальных систем в человеческом и общественном сознании. Примером идеальной системы является наука, которая с помощью законов и теорий описывает реальные материальные системы, существующие в природе.

Свойства системы

Теория систем также изучает свойства систем. Многие высокоорганизованные системы отвечают понятию целесообразности, т.е. ориентированы на достижение какой-либо цели. Эти свойства отсутствуют у отдельных элементов системы и появляются только у системы в целом. Такие свойства называются эмерджентными свойствами системы. Например, вода состоит всего из двух химических элементов — кислорода (О) и водорода (Н), которые по отдельности не обладают свойствами воды. Только при соединении этих элементов в определенную систему (Н2 0) появляется вода как вещество с присущими ей специфическими свойствами.

У многих высокоорганизованных систем формируется механизм обратной связи — реакция системы на воздействие окружающей среды. Если мы бросим камень, то он пролетит некоторое расстояние и упадет, никак не сопротивляясь этому. В данном случае обратная связь отсутствует. Но если мы попытаемся дернуть кошку за хвост, обратной связью, скорее всего, будут наши исцарапанные руки.

Существует несколько типов обратной связи. Система может своим поведением усиливать внешнее воздействие (если рота солдат будет идти по мосту, шагая «в ногу», мост может рухнуть из-за резонанса), при этом формируется положительная обратная связь. При уменьшении внешнего воздействия создается отрицательная обратная связь. Разновидностью таких связей является гомеостатическая обратная связь, сводящая внешнее воздействие к нулю. Примером может служить постоянная температура человеческого тела, остающаяся таковой несмотря на колебания температуры окружающей среды.

Механизм обратной связи делает систему более устойчивой, надежной и эффективной. Также он повышает ее внутреннюю организованность. Именно наличие механизма обратной связи дает

возможность говорить, что система имеет какие-то цели, что ее поведение целесообразно.

Практически для любой системы характерна иерархичность строения — последовательное включение системы более низкого уровня в систему более высокого уровня. Это означает, что отношения и связи в системе при определенном ее представлении сами могут рассматриваться как ее элементы, подчиняющиеся соответствующей иерархии. Это позволяет строить различные, не совпадающие между собой последовательности включения систем друг в друга, описывающие исследуемый материальный объект с разных сторон.

В соответствии с системным подходом в природе все взаимосвязано, поэтому можно выделить такие системы, которые включают элементы как живой, так и неживой природы. Естественные науки, начиная изучение материального мира с наиболее простых, непосредственно воспринимаемых человеком материальных объектов, переходят постепенно к изучению сложнейших структур материи, выходящих за пределы человеческого восприятия и несоизмеримых с объектами повседневного окружения. Применяя системный подход, естествознание не просто выделяет типы материальных систем, но и раскрывает их связи и соотношения.

Системный подход как интеграция научного знания

Понятие системы, как и системный подход в целом, было сформировано в XX в. на основе работ А.А. Богданова и Л. фон Берталанфи. Известный русский советский ученый А.А. Богданов стал основоположником тектологии (всеобщей организационной науки). Он утверждал, что любой предмет или явление имеет свою цель и устроен в соответствии с ней. Это дает нам основания считать эти предметы и явления организмами и организациями. В природе существует объективная целесообразность, или организованность, являющаяся результатом естественного отбора. Богданов понимал организованность как свойство целого быть больше суммы своих частей, причем, чем больше эта разница, тем выше степень организации.

Известный австрийский биолог-теоретик Л. фон Берталанфи разработал теорию открытых биологических систем, способных достигать своего конечного состояния, несмотря на некоторые нарушения условий своего существования. Он обратил внимание на существование моделей, принципов и законов, применимых к любым системам, независимо от их содержания. Физические, химические, биологические и социальные системы, по его мнению, должны функционировать по одним и тем же правилам. Он же дал первое определение системы как совокупности элементов, находящихся во взаимодействии.

37

Появление системного подхода говорит о зрелости современной науки. Оно было бы невозможно еще сто лет назад. Этот подход тесно связан с интегративным характером современного естествознания и проявляет себя в междисциплинарных исследованиях, занимающих все более почетное место в современной науке. Конечным пунктом системного исследования является формирование целостной, интегративной модели изучаемого объекта. Для этого отдельные компоненты анализируются не ради их собственного познания, а с целью их последующего сведения в единое целое. Не менее важным является изучение воздействия окружающей среды на целостность системы. При этом сам познавательный процесс также должен быть организован в соответствии с требованием целостности, нацелен на получение интегративного знания. Системный подход отражает единство научного знания, которое выражается в установлении связей и отношений между различными по сложности организации системами, в возможности целостного познания этих систем, во все более глубоком проникновении человека в тайны природы.

2.8. Глобальный эволюционизм

Если в системном подходе воплотилась идея всеобщей связи всех предметов и явлений мира, то в глобальном эволюционизме — идея развития мира.

Глобальный эволюционизм — это убеждение в том, что как Вселенная в целом, так и отдельные ее элементы не могут существовать, не развиваясь. При этом считается, что развитие идет по единому алгоритму — от простого к сложному путем самоорганизации.

Классическая концепция развития

Этот принципиально новый взгляд на мир был сформулирован лишь во второй половине XX в., хотя сама идея развития была присуща научному мировоззрению еще с начала XIX в. Тогда существовала классическая концепция развития, которая признавала, что весь мир находится в постоянном развитии, но живая природа развивается от простого к сложному, а неживая — от современного сложного состояния к самому простому состоянию хаоса. Классическая концепция развития нашла свое обоснование в эволюционной теории Ч. Дарвина, которая описывала эволюцию живой природы, а также в классической термодинамике, из которой вытекали представления об эволюции неживой материи.

Классическая термодинамика — это физическая наука, занимающаяся изучением взаимопревращения различных видов энергии. Она основывается на трех основных постулатах, или началах.

Первое начало термодинамики известно как закон сохранения энергии. Это фундаментальный закон, согласно которому важнейшая физическая величина — энергия — сохраняется неизменной в изолированной системе. Когда мы говорим о сохранении энергии, то имеем в виду механическую, тепловую и внутреннюю энергию, т.е. энергию, зависящую лишь от термодинамического состояния системы. Она складывается из движения атомов, энергии химических связей и других видов энергий, связанных с состоянием электронов в атомах и молекулах.

Согласно этому закону, в изолированной системе энергия может только превращаться из одной формы в другую, но ее количество всегда остается постоянным. Если система не изолирована, энергия может изменяться за счет обмена между частями системы или разными системами. Например, ежедневно мы сталкиваемся с тем, что горячий чайник, охлаждаясь, нагревает воздух.

Науке сегодня неизвестна ни одна причина, которая могла бы привести к нарушению данного закона. Иначе можно было бы построить вечный двигатель, создающий энергию из ничего. Поэтому первый закон термодинамики более известен в другой редакции: нельзя построить вечный двигатель первого рода, т.е. такую машину, которая совершала бы работу больше подводимой к ней извне энергии.

Существование вечного двигателя второго рода запрещает второе начало термодинамики: теплота не переходит самопроизвольно от холодного тела к более горячему. Поэтому невозможно построить такую машину, которая работала бы за счет переноса тепла от холодного тела к горячему. Это не запрещено первым началом термодинамики, но практически невозможно.

Второе начало термодинамики указывает на существование двух различных форм энергии — теплоты, связанной с неупорядоченным, хаотическим движением молекул (например, броуновское движение молекул, скорость которого напрямую связана с температурой), и работы, связанной с упорядоченным движением. Работу всегда можно превратить в эквивалентное ей тепло — вспомните, как наши предки получали огонь трением. В то же время тепло в эквивалентную ему работу полностью превратить нельзя, всегда останется некоторое количество теплоты, которое пропадет бесполезно. Другими словами, неупорядоченную форму энергии невозможно полностью перевести в упорядоченную. Мерой неупорядоченности, или мерой хаоса, системы в термодинамике является энтропия. Энтропия не бывает отрицательной, она всегда положи-

39

тельна. Исключением является случай, когда идеальный кристалл находится при температуре абсолютного нуля (но на этот счет существует третье начало термодинамики, говорящее о недостижимости абсолютного нуля, равного —273°С), что невозможно, так как это означало бы прекращение любого движения, в том числе движения атомов и элементарных частиц.

Иногда используется отрицательная величина энтропии — негэнтропия, которая является мерилом упорядоченности системы. Эта величина может быть только отрицательной. Рост негэнтропии соответствует возрастанию порядка, энтропии — росту хаоса.

Таким образом, в соответствии со вторым началом термодинамики в случае изолированной системы (не обменивающейся веществом, энергией или информацией с окружающей средой) неупорядоченное состояние не может самостоятельно перейти в упорядоченное. Представим себе закрытую систему, в которой вся энергия находится в упорядоченном состоянии (энергия-работа). Если в этой системе начнется процесс преобразования энергии, то мы увидим, что вся энергия-работа постепенно перейдет в энергию-тепло. Полученное тепло может быть использовано для совершения какой-либо полезной работы, но не полностью. Так появится энтропия. При следующем цикле преобразования работа опять полностью перейдет в тепло, но тепло вновь не сможет полностью превратиться в работу, и поэтому энтропия вновь увеличится. Так будет происходить до тех пор, пока вся энергия системы не превратится в тепло и не установится состояние термодинамического равновесия. Таким образом, в изолированной системе энтропия может только возрастать. Поэтому второе начало термодинамики также называют принципом возрастания энтропии. Эта более точная формулировка второго начала термодинамики утверждает, что при самопроизвольных процессах в системах, имеющих постоянную энергию, энтропия всегда возрастает. Иными словами, любая система стремится к состоянию термодинамического равновесия, которое можно отождествить с хаосом.

Именно из этого принципа вытекали пессимистические представления о развитии Вселенной, характерные для второй половины XIX в. Они воплотились в идею тепловой смерти Вселенной, сформулированную В. Томсоном в 1851 г. Упорядоченными источниками энергии во Вселенной являются звезды, возраст которых хотя и велик, но не бесконечен. До открытия второго начала термодинамики считалось, что на смену погасшим звездам загораются новые, и процесс этот будет идти бесконечно. Но признание того факта, что все виды энергии деградируют, со временем превращаясь в тепло, требовало признать, что новых звезд должно загораться меньше, чем погасло старых. Поэтому со временем должны закон-

чить свое существование все звезды, отдав свою энергию в окружающее пространство, и вся Вселенная придет в состояние хаоса — термодинамического равновесия с температурой лишь на несколько градусов выше абсолютного нуля. В этом пространстве будут разбросаны безжизненные, остывшие шары планет и звезд. Не будет источников энергии — не будет жизни.

Хотя эту концепцию пытались опровергнуть крупнейшие философы и ученые того времени, в рамках существовавших тогда гносеологических предпосылок это было невозможно. Лишь в XX в., признав Вселенную открытой системой, удалось отказаться от идеи тепловой смерти.

Становление современной концепции развития.

Идея самоорганизации материи

Первая крупная брешь в классической концепции развития была пробита в 1920-е гг. в результате создания новой модели расширяющейся Вселенной, которая сменила старую стационарную модель. Согласно новым представлениям, наша Вселенная возникла 15—20 млрд. лет назад в результате Большого взрыва и лишь постепенно пришла к современному состоянию, которое также не является стабильным. При этом эволюция шла от простейшего хаотического к современному упорядоченному состоянию.

Затем новые эволюционные идеи проникли и утвердились в химии, геологии, экологии и других науках. Но до середины XX в. по-прежнему считалось, что для неживой материи основной тенденцией является стремление к разрушению и лишь жизнь, представляющая стремление к упорядоченности и организованности, противостоит этой основной тенденции. Данное противоречие впервые было четко зафиксировано в книге известного физика-теоретика Э. Шредингера «Что такое жизнь?». Так был дан толчок исследованиям, позволившим по-новому посмотреть на процессы в неживой природе.

Также к середине XX в. была сформулирована общая теория систем и основы кибернетики. В них было установлено, что все системы, известные нам, являются открытыми, т.е. постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Поэтому решить проблему развития в физике и, самое главное, найти подходы к решению вопроса о тепловой смерти Вселенной удалось только тогда, когда физика обратилась к понятию открытой системы. Тогда же было установлено, что при определенных условиях в открытых системах могут возникать процессы самоорганизации.

41


Самоорганизация — это скачкообразный природный процесс, переводящий открытую неравновесную систему, достигшую в своем развитии критического состояния, в новое устойчивое состояние с более высоким уровнем упорядоченности по сравнению с исходным.

Критическое состояние — это состояние крайней неустойчивости, достигаемое открытой неравновесной системой в ходе предшествующего периода плавного, эволюционного развития. Ключ к пониманию процессов самоорганизации находится в исследовании взаимодействия открытых систем с окружающей средой.

Примеров процессов самоорганизации можно привести достаточно много. Все слышали о лазерах. Эти приборы создают высокоорганизованное оптическое излучение. Лазер отличается от традиционных источников света — ламп накаливания и газоразрядных ламп, которые действуют за счет процессов, подчиняющихся статистическим законам. В них в нагретой до высокой температуры среде возбужденные атомы и ионы излучают кванты света с различными длинами волн во всех направлениях, причем только малую часть из них мы воспринимаем как видимый свет. А в лазере, в активной среде резонатора, под воздействием внешнего светового поля (при «накачке») благодаря поступлению энергии извне частицы начинают колебаться в одной фазе. В результате возникает когерентное, или согласованное, взаимодействие, формирующее узконаправленный луч почти монохроматических квантов света.

Классическим также считается пример превращения ламинарного течения жидкости в турбулентное. Каждый из нас не раз наблюдал это явление, когда смотрел, как стекает вода из ванной. Пока воды в ванной мало, она стекает ламинарно (жидкость движется слоями по направлению течения). Но если воды много, давление на нижний слой заставляет воду стекать быстро. Это приводит к формированию вихреобразной вращающейся воронки, т.е. к появлению турбулентности.

Еще один опыт впервые был проведен еще в 1900 г. физиком X. Бенаром. Он наливал ртуть в плоский сосуд, подогреваемый снизу. Когда разность температур верхнего и нижнего слоев ртути достигала некоторого критического значения, верхний слой образовывал множество шестигранных призм, похожих на пчелиные соты. Они получили название ячеек Бенара и служат классическим примером спонтанного образования структур, причем оно происходит за счет внутренней перестройки связей между элементами системы.

В химии примером самоорганизации могут служить так называемые «химические часы» (реакция Белоусова— Жаботинского). Она была открыта в 1951 г. химиком Б.П. Белоусовым, который установил, что если в пробирку слить раствор некоторых кислот,

42

сульфат церия и бромид калия, то за ходом идущей окислительновосстановительной реакции можно следить по изменению цвета промежуточных продуктов. На протяжении получаса цвет строго периодично менялся с красного на синий, и наоборот. В 1960-е гг. молодой биофизик А.М. Жаботинский раскрыл механизм этой реакции, которая получила свое название по именам двух ученых: того, кто ее открыл, и того, кто ее объяснил.

У всех приведенных примеров есть общий алгоритм: огромное множество элементов, составляющих эти системы, вдруг, как по команде, начинают вести себя скоординированно, согласованно, хотя до этого пребывали в состоянии хаоса. Более того, эта возникшая упорядоченность не распадается, а продолжает устойчиво существовать.

Хотя процессы самоорганизации были известны ученым достаточно давно, общие теории самоорганизации появились лишь в 1970-е гг. К их созданию ученые шли разными путями: Г. Хакен, создатель синергетики, — из квантовой электроники и радиофизики; И. Пригожин, основатель неравновесной термодинамики, — из анализа специфических химических реакций. Были ученые, изучавшие эти процессы в биологии, — М. Эйген, в метеорологии — Е. Лоренц, а также автор теории катастроф Р. Том. Постепенно ученые начали выходить за рамки своих узких дисциплин, стали замечать аналогию между математическими моделями и концептуальными системами, описывающими такие разные на первый взгляд процессы.

Так стало формироваться убеждение, что во всех этих явлениях есть единая основа, позволяющая создать общую теорию самоорганизации материи. Сегодня общая теория самоорганизации развивается в основном в рамках двух наук. — синергетики и неравновесной термодинамики, во многом дополняющих друг друга.

Основы синергетики и неравновесной термодинамики

Синергетика (кооперативность, сотрудничество, взаимодействие различных элементов системы) — по определению ее создателя Г. Хакена, занимается изучением систем, состоящих из многих подсистем самой различной природы, таких, как атомы, молекулы, клетки, механические элементы, органы, животные и даже люди. Это наука о самоорганизации простых систем, о превращении хаоса в порядок.

Основная идея синергетики — идея о принципиальной возможности спонтанного возникновения порядка и организации из беспорядка

43

и хаоса в результате процесса самоорганизации. Это происходит при возникновении положительной обратной связи между системой и окружающей средой. Иными словами, под воздействием внешней среды внутри системы возникают полезные изменения, которые постепенно накапливаются, а затем кардинально меняют эту систему, превращая ее в другую, более сложную и высокоорганизованную.

Воздействию окружающей среды могут подвергаться сразу несколько однотипных систем, но в силу различных флуктуаций (отклонений) они могут формировать разные обратные связи, порождать разные ответные реакции, далеко не все из которых могут привести к самоорганизации системы. Можно сказать, что между системами идет своеобразная конкуренция, отбор того типа поведения, такой обратной связи, которая позволяет выжить в условиях конкуренции. Как замечает сам Хакен, это приводит нас в определенном смысле к своего рода обобщенному дарвинизму, действие которого распространяется не только на органический мир, но и на неживую природу, а также на социальные системы.

Синергетика претендует на открытие универсального механизма самоорганизации. Однако объектом синергетики независимо от его природы могут быть только те системы, которые удовлетворяют определенным требованиям. Такими требованиями, в частности, являются открытость, существенная неравновесность и выход из критического состояния скачком, в процессе фазового перехода.

Открытость — важнейшее свойство самоорганизующихся систем, которые постоянно обмениваются веществом, энергией и информацией с окружающей средой. Именно открытость является причиной неравновесности систем. Если закрытые системы, для которых и были сформулированы начала классической термодинамики, неизбежно стремятся к однородному равновесному состоянию — состоянию термодинамического равновесия, то открытые системы меняются, причем необратимо, в них важным оказывается фактор времени.

При определенных условиях и значениях параметров, характеризующих систему и изменяющихся под воздействием изменений окружающей среды, система переходит в состояние существенной неравновесности — критическое состояние, сопровождаемое потерей устойчивости. Ведь любая система остается сама собой только в определенных рамках. Так, вода остается водой только при температуре от 0 до 100°С при нормальном атмосферном давлении, за границами этих условий она превращается в лед или пар. Естественно, что существование социальной или биологической системы будет зависеть от иных условий, чем функционирование физических или химических систем. Но такие важнейшие показатели, от которых зависит само существование систем, есть всегда. Они называются управляющими параметрами системы.

44

Из критического состояния существенной неравновесности системы всегда выходят скачком. Скачок — это крайне нелинейный процесс, при котором даже малые изменения управляющих параметров системы вызывают ее переход в новое качество. Например, при снижении температуры воды до определенного значения она скачкообразно превращается в лед. Около критической точки перехода достаточно изменить температуру воды (управляющий параметр) на доли градуса, чтобы вызвать ее практически мгновенное превращение в твердое тело.

Итак, самоорганизующиеся системы обретают присущие им структуры или функции без какого бы то ни было вмешательства извне. Обычно они состоят из большого числа подсистем. При изменении управляющих параметров в системе образуются качественно новые структуры. При этом системы переходят из однородного, недифференцированного состояния покоя в неоднородное, но хорошо упорядоченное состояние или в одно из нескольких возможных состояний.

Важно, что этими системами можно управлять, изменяя действующие на них внешние факторы. Поток энергии, вещества или информации уводит физическую, химическую, биологическую или социальную систему далеко от состояния термодинамического равновесия. Изменяя температуру, уровень радиации, давление и т.д., мы можем управлять системами извне.

Самоорганизующиеся системы способны сохранять внутреннюю устойчивость при воздействии внешней среды, они находят способы самосохранения, чтобы не разрушаться и даже улучшать свою структуру.

Несколько иной аспект имеет неравновесная термодинамика И. Пригожина. В созданной им науке он поставил задачу доказать, что неравновесие может быть причиной порядка. Новая термодинамика стала способна отражать скачкообразные процессы.

Чтобы система могла не только поддерживать, но и создавать упорядоченность из хаоса, она непременно должна быть открытой и иметь приток вещества, энергии и информации извне. Именно такие системы названы Пригожиным диссипативными.

Диссипативность — это особое динамическое состояние, когда из-за процессов, протекающих с элементами неравновесной системы, на уровне всей системы проявляются качественно новые свойства и процессы.

Благодаря диссипативности в неравновесных системах могут спонтанно возникать новые структуры, происходить переход к порядку из хаоса.

45

В ходе своего развития диссипативные системы проходят два этапа:

1) период плавного эволюционного развития с хорошо предсказуемыми линейными изменениями, подводящими в итоге систему к некоторому неустойчивому критическому состоянию;

2) скачок, одномоментно переводящий систему в новое устойчивое состояние с более высокой степенью сложности и упорядоченности.

Особое внимание неравновесная термодинамика уделяет фазе скачка, являющейся разрешением возникшей кризисной ситуации и характеризующейся критическими значениями управляющих параметров системы. Пригожин трактует такой переход как приспособление диссипативной системы к изменившимся внешним условиям, чем обеспечивается ее выживание. Это и есть акт самоорганизации.

Очень важно отметить, что переход диссипативной системы из критического состояния в новое устойчивое состояние неоднозначен. Сложные неравновесные системы имеют возможность перейти из неустойчивого положения в одно из нескольких возможных устойчивых состояний. В какое именно из них совершится переход — дело случая. Это связано с тем, что в системе, пребывающей в критическом состоянии, развиваются сильные флуктуации. Под действием одной из них и происходит скачок в конкретное устойчивое состояние. Поскольку флуктуации случайны, то и «выбор» конечного состояния оказывается случайным. Но после совершения перехода назад возврата нет. Скачок носит одноразовый и необратимый характер.

Критическое значение параметров системы, при которых возможен неоднозначный переход в новое состояние, называют точкой бифуркации.

Обнаружение феномена бифуркации, как считает Пригожин, ввело в физику элемент исторического подхода, смогло доказать необратимость времени. При протекании самоорганизации в явном виде обнаруживается «стрела времени» — однонаправленность времени от прошлого к будущему. Классическая термодинамика доказывала необратимость времени, используя второе начало термодинамики. Необратимый процесс возрастания энтропии всегда идет от прошлого к будущему. Тем не менее, в классической механике возможность обращения времени была не исключена. Так, поменяв в уравнениях «плюс» на «минус» перед временем и скоростью, можно получить описание движения данного тела по пройденному пути в обратном направлении. Конечно, весь наш опыт убеждал в невозможности повернуть время вспять, однако теоретически такая возможность оставалась.46

Неравновесная термодинамика Пригожина использует для доказательства существования «стрелы времени» скачок — процесс скачка невозможно повернуть назад. После перехода через точку бифуркации система качественно преобразуется. Таким образом, законы неравновесной термодинамики с неизбежностью говорят о необратимости времени. Ведь скачок в точке бифуркации всегда случаен, определяется уникальным сочетанием множества факторов, воссоздать которые вновь (если бы мы захотели повернуть процесс вспять) практически невозможно.

Феномен бифуркации также заставляет по-новому взглянуть на соотношение случайного и закономерного в развитии систем и в природе в целом. Если в фазе эволюции ход процессов закономерен и жестко детерминирован, то скачок всегда происходит случайным образом, и поэтому именно случайность определяет последующий закономерный эволюционный этап вплоть до следующего скачка в новой критической точке.

В том, что точки бифуркации — это не абстракция, имеет возможность убедиться каждый человек. Ведь человек и его жизнь тоже являются сложной открытой неравновесной системой. У каждого из нас периодически возникают ситуации, когда мы стоим перед выбором своего дальнейшего жизненного пути. И очень часто наш выбор определяется случайным стечением обстоятельств. Например, человек собирался уехать учиться в другой город, но заболел и остался дома, поэтому пошел учиться совсем в другое место. Этот случайный выбор определил его последующий жизненный путь — выбор работы, знакомство с друзьями, будущим спутником жизни и т.д.

Системный подход и глобальный эволюционизм являются важнейшими составными частями современной научной картины мира. Она выглядит следующим образом. Мир, в котором мы живем, состоит из разномасштабных открытых систем, развитие которых протекает по единому алгоритму. В основе этого алгоритма заложена присущая материи способность к самоорганизации, проявляющаяся в критических точках системы. Самая крупная из известных человеку систем — это развивающаяся Вселенная. Вся ее история — от Большого взрыва до возникновения человека — предстает как единый процесс материальной эволюции, самоорганизации, саморазвития материи. При этом весь мир представляет собой единое целое, иерархически организованную систему. Это и есть идея глобального эволюционизма.

Литература для самостоятельного изучения

1. Арнольд А.И. Теория катастроф. М., 1990.

2. Богданов А.А. Тектология. Всеобщая организационная наука.

В 2 кн. М., 1989.

47

3. Бродянский В.М. Вечный двигатель — прежде и теперь. М., 1989.

4. Данилова В.С., Кожевников Н.Н. Основные концепции современного естествознания. М., 2001.

5. Климентович Н.Ю. Без формул о синергетике. Минск, 1986.

6. Кочергин А.Н. Методы и формы научного познания. М., 1990.

7. Петров ЮА., Никифоров АЛ. Логика и методология научного познания. М., 1982.

8. Петров Ю.А. Теория познания. М., 1988.

9. Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М., 1986.

10. Ровинский Р.Е. Развивающаяся Вселенная. М., 1996.

11. Самоорганизация в природе и обществе. СПб., 1994.

12. Хакен Г. Синергетика. М., 1985.

13. Штофф ВА Введение в методологию научного познания. Л., 1972.

14. Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе. М., 1987.

Глава 3Основы естествознания

3.1. Предмет и структура естествознания

Понятие естествознания

Стремление человека к познанию окружающего мира выражается в различных формах, способах и направлениях исследовательской деятельности. Каждая из основных частей объективного мира — природа, общество и человек — изучается своими отдельными науками. Совокупность научных знаний о природе формируется естествознанием. Этимологически слово «естествознание» происходит от соединения двух слов: «естество», что означает природа, и «знание», т.е. знание о природе.

В современном употреблении термин «естествознание» в самом общем виде обозначает совокупность наук о природе, имеющих предметом своих исследований различные природные явления и процессы, а также закономерности их эволюции. Кроме того, естествознание является самостоятельной наукой о природе как едином целом и в этом качестве позволяет изучить любой объект окружающего нас мира более глубоко, чем это может сделать одна какая-либо из естественных наук в отдельности. Поэтому естествознание наряду с науками об обществе и мышлении является важнейшей частью человеческого знания. Оно включает в себя как деятельность по получению знания, так и ее результаты, т.е. систему научных знаний о природных процессах и явлениях.

Роль естествознания в жизни человека трудно переоценить. Оно является основой всех видов жизнеобеспечения — физиологического, технического, энергетического. Кроме того, естествознание служит теоретической основой промышленности и сельского хозяйства, всех технологий, различных видов производства. Тем самым оно выступает важнейшим элементом культуры человечества, одним из существенных показателей уровня цивилизации.

Отмеченные характеристики естествознания позволяют сделать вывод, что оно является подсистемой науки и в этом качестве связано со всеми элементами культуры — религией, философией,

49

этикой и др. С другой стороны, естествознание — самостоятельная область знания, обладающая собственной структурой, предметом и методами.

Понятие «естествознание» появилось в Новое время в Западной Европе и стало обозначать всю совокупность наук о природе. Корни этого представления уходят в Древнюю Грецию, во времена Аристотеля, который первым систематизировал имевшиеся тогда знания о природе в своей «Физике». Однако эти представления были достаточно аморфными, и поэтому сегодня под естествознанием понимается так называемое точное естествознание — знание, соответствующее не только первым четырем, но и последнему, пятому критерию научности. Важнейшей характеристикой точного естествознания является экспериментальный метод, дающий возможность эмпирической проверки гипотез и теорий, а также оформление полученного знания в математических формулах.

Предмет естествознания

Существуют два широко распространенных представления о предмете естествознания:

1) естествознание — это наука о Природе как единой целостности;

2) естествознание — совокупность наук о Природе, рассматриваемой как целое.

На первый взгляд, эти определения отличны друг от друга. Одно говорит о единой науке о Природе, а другое — о совокупности отдельных наук. Тем не менее на самом деле отличия не столь велики, так как под совокупностью наук о Природе подразумевается не просто сумма разрозненных наук, а единый комплекс тесно взаимосвязанных естественных наук, дополняющих друг друга.

Являясь самостоятельной наукой, естествознание имеет свой предмет исследования, отличный от предмета специальных (частных) естественных наук. Спецификой естествознания является то, что оно исследует одни и те же природные явления сразу с позиций нескольких наук, выявляя наиболее общие закономерности и тенденции. Только так можно представить Природу как единую целостную систему, выявить те основания, на которых строится все разнообразие предметов и явлений окружающего мира. Итогом таких исследований становится формулировка основных законов, связывающих микро-, макро- и мегамиры, Землю и Космос, физические и химические явления с жизнью и разумом во Вселенной.

В школе изучаются отдельные естественные науки — физика, химия, биология, география, астрономия. Это служит первой ступенью познания Природы, без которой невозможно перейти к осознанию ее как единой целостности, к поиску более глубоких связей между физическими, химическими и биологическими явле-

50

ниями. Это и есть главная задача настоящего курса. С его помощью мы должны более глубоко и точно познать отдельные физические, химические и биологические явления, занимающие важное место в естественно-научной картине мира; а также выявить скрытые связи, создающие органическое единство этих явлений, что невозможно в рамках специальных естественных наук.

Структура естествознания

Мы уже говорили о структуре науки, представляющей собой сложную разветвленную систему знаний. Естествознание — не менее сложная система, все части которой находятся в отношениях иерархической соподчиненности. Это означает, что систему естественных наук можно представить в виде своеобразной лестницы, каждая ступенька которой является фундаментом для следующей за ней науки, и в свою очередь, основывается на данных предшествующей науки.

Основой, фундаментом всех естественных наук, бесспорно, является физика, предметом которой являются тела, их движения, превращения и формы проявления на различных уровнях. Сегодня невозможно заниматься ни одной естественной наукой, не зная физики. Внутри физики выделяется большое число подразделов, различающихся специфическим предметом и методами исследования. Важнейшим среди них является механика — учение о равновесии и движении тел (или их частей) в пространстве и времени. Механическое движение представляет собой простейшую и вместе с тем наиболее распространенную форму движения материи. Механика явилась исторически первой физической наукой и долгое время служила образцом для всех естественных наук. Разделами механики являются:

1) статика, изучающая условия равновесия тел;

2) кинематика, занимающаяся движением тел с геометрической точки зрения;

3) динамика, рассматривающая движение тел под действием приложенных сил.

Также в механику входят гидростатика, пневмо- и гидродинамика.

Механика — физика макромира. В Новое время зародилась физика микромира. В ее основе лежит статистическая механика, или молекулярно-кинетическая теория, изучающая движение молекул жидкости и газа. Позже появились атомная физика и физика элементарных частиц. Разделами физики являются термодинамика, изучающая тепловые процессы; физика колебаний (волн), тесно связанная с оптикой, электричеством, акустикой. Названными раз-

51

делами физика не исчерпывается, в ней постоянно появляются новые физические дисциплины.

Следующей ступенькой является химия, изучающая химические элементы, их свойства, превращения и соединения. То, что в ее основе лежит физика, доказывается очень легко. Для этого достаточно вспомнить школьные уроки по химии, на которых говорилось о строении химических элементов и их электронных оболочках. Это пример использования физического знания в химии. В химии вьщеляют неорганическую и органическую химию, химию материалов и другие разделы.

В свою очередь, химия лежит в основе биологии — науки о живом, изучающей клетку и все от нее производное. В основе биологических знаний — знания о веществе, химических элементах. Среди биологических наук следует выделить ботанику (предмет — растительное царство), зоологию (предмет — мир животных). Анатомия, физиология и эмбриология изучают строение, функции и развитие организма. Цитология исследует живую клетку, гистология — свойства тканей, палеонтология — ископаемые останки жизни, генетика — проблемы наследственности и изменчивости.

Науки о Земле являются следующим элементом структуры естествознания. В эту группу входят геология, география, экология и др. Все они рассматривают строение и развитие нашей планеты, представляющей собой сложнейшее сочетание физических, химических и биологических явлений и процессов.

Завершает эту грандиозную пирамиду знаний о Природе космология, изучающая Вселенную как целое. Частью этих знаний являются астрономия и космогония, которые исследуют строение и происхождение планет, звезд, галактик и т.д. На этом уровне происходит новое возвращение к физике. Это позволяет говорить о циклическом, замкнутом характере естествознания, что, очевидно, отражает одно из важнейших свойств самой Природы.

Структура естествознания не ограничивается названными выше науками. Дело в том, что в науке идут сложнейшие процессы дифференциации и интеграции научного знания. Дифференциация науки — это выделение внутри какой-либо науки более узких, частных областей исследования, превращение их в самостоятельные науки. Так, внутри физики выделились физика твердого тела, физика плазмы.

Интеграция науки — это появление новых наук на стыках старых, процесс объединения научного знания. Примерами такого рода наук являются: физическая химия, химическая физика, биофизика, биохимия, геохимия, биогеохимия, астробиология и др.

Таким образом, построенная нами пирамида естественных наук значительно усложняется, включая в себя большое количество дополнительных и промежуточных элементов.

52

Необходимо также отметить, что система естествознания отнюдь не является незыблемой, в ней не только постоянно появляются новые науки, но и меняется их роль, периодически происходит смена лидера в естествознании. Так, с XVII в. до середины XX в. таким лидером, бесспорно, была физика. Но сейчас эта наука почти полностью освоила свою область действительности, и большая часть физиков занимается исследованиями, носящими прикладной характер (то же касается химии). Сегодня бум переживают биологические исследования (особенно в пограничных областях — биофизике, биохимии, молекулярной биологии). По некоторым данным, в середине 1980х г. в биологических науках было занято до 50% ученых США, 34% — в нашей стране. США, Великобритания без возражений финансируют самые разные биологические исследования. Так что XXI в., очевидно, станет веком биологии.

3.2. История естествознания

Будучи составной частью науки и культуры, естествознание имеет такую же длительную и сложную историю. Естествознание нельзя понять, не проследив историю его развития в целом. Согласно мнению историков науки, развитие естествознания прошло три стадии и в конце XX в. вступило в четвертую. Этими стадиями являются древнегреческая натурфилософия, средневековое естествознание, классическое естествознание Нового и Новейшего времени и современное естествознание XX в.

Развитие естествознания подчиняется данной периодизации. На первой стадии происходило накопление прикладной информации о природе и способах использования ее сил и тел. Это так называемый натурфилософский этап развития науки, характеризующийся непосредственным созерцанием природы как нерасчлененного целого. При этом идет верный охват общей картины природы при пренебрежении частностями, что характерно для греческой натурфилософии.

Позднее к процессу накопления знаний добавляется теоретическое осмысление причин, способов и особенностей изменений в природе, появляются первые концепции рационального объяснения изменений природы. Наступает так называемый аналитический этап в развитии науки, когда идут анализ природы, выделение и изучение отдельных вещей и явлений, поиски отдельных причин и следствий. Такой подход характерен для начального этапа развития любой науки, а в плане исторического развития науки — для позднего Средневековья и Нового времени. В это время методики и теории объединяются в естествознание как целостную науку о природе,

53

происходит череда научных революций, каждый раз кардинально меняющих практику общественного развития.

Итогом развития науки становится синтетическая стадия, когда ученые воссоздают целостную картину мира на основе уже познанных частностей.

3.3. Начало науки

Древнегреческая натурфилософия

Самые первые знания человека о природе сложились в глубокой древности. Уже первобытные люди в борьбе с природой, добывая себе пищу и защищаясь от диких зверей, постепенно накапливали знания о природе, ее явлениях и свойствах окружавших их материальных вещей. Однако знания первобытных людей не являлись научными, поскольку не были ни систематизированы, ни объединены какой-либо теорией. Порожденные материальной деятельностью человека и добыванием средств к существованию, эти знания имели форму практического опыта.

Наука — это сложное многогранное общественное явление, которое вне общества не могло возникнуть и развиваться. Поэтому наука появляется только тогда, когда для этого создаются особые объективные условия, отвечающие введенным нами критериям науки. Этим условиям соответствует древнегреческое знание VI—IV вв. до н.э. В то время древнегреческая культура обрела принципиально новые черты, которыми не обладала культура Древнего Востока, общепризнанного центра рождения человеческой цивилизации.

Появлению таких критериев науки, как системность и рациональность, в конечном счете способствовала единственная в своем роде революция, которая произошла в эпоху архаики, — появление частной собственности. Весь остальной мир, в частности цивилизации Востока, демонстрировали так называемый «азиатский способ производства» и соответствующий ему тип государства — восточную деспотию. В таком обществе властные отношения являются первичными, а отношения собственности — вторичными. Собственностью в таком обществе распоряжается тот, в чьих руках находится власть, — чиновники разных рангов и, конечно, верховный правитель государства. Они создают хорошо отлаженную систему учета и контроля, в которой любой человек занимает отведенное ему место и находится в полной воле правителя и чиновников, общение с которыми невозможно строить на чисто логических и рациональных принципах. Случай или каприз чиновника могут навсегда изменить жизнь человека. Это приводит к фатализму, характерному для восточных цивилизаций, а также к отсутствию приори-

54

тета личности, отказу от рационального способа познания мира и другим специфическим чертам этих цивилизаций.

Появление частной собственности и товарного производства в Древней Греции вызвало к жизни свойственные им политические, правовые и иные институты, в частности демократическое самоуправление и право, защищающее интересы граждан. Теперь каждый гражданин лично обсуждал и принимал законы. Таким образом, общественная жизнь освобождалась от власти религиозных и мистических представлений, закон переставал быть слепой силой, продиктованной свыше, а становился демократической нормой, принятой большинством голосов в процессе всенародного обсуждения. Обсуждение этих законов основывалось на риторике, искусстве убеждения и логической аргументации. Так постепенно сформировался аппарат логического, рационального обоснования, ставший универсальным алгоритмом производства знаний, появилась наука как доказательное и систематизированное познание.

Появление отработанных способов получения нового знания было связано с отсутствием у греков касты жрецов, которые на Востоке монополизировали интеллектуально-духовную деятельность. Там знания были доступны только посвященным, они бережно хранились и передавались, так как считались данными богами, но никакие изменения в них не допускались. В Древней Греции в силу специфики природных условий традиционные полисы (небольшие самостоятельные города-государства) были настолько бедны, что не могли себе позволить содержать неработающих людей. Поэтому не только жрецы, но и правители на ранних этапах развития полисов должны были трудиться[1] . А многие должности были выборными. Поэтому ни о каких тайных знаниях не было и речи, они были доступны для любого гражданина и свободного человека.

Формирование теоретичности знания, отрыв его от повседневных практических интересов связаны с такой особенностью греческой цивилизации, как классическое рабство. Оно было экономической основой античной цивилизации. Так, в период расцвета Афин в V—IV вв. до н.э. там было до 400 тыс. рабов, работавших на полях, в мастерских, а также выполнявших почти все домашние работы. Постепенно развитие рабовладения обусловило формирование пренебрежительного отношения свободных греков к физическому труду, а затем и ко всей орудийнопрактической деятельности. Занятиями, достойными свободного человека, считались политика, война, искусство, философия. Это и

сформировало идеологию созерцательности, абстрактноумозрительного отношения к

действительности. Занятия свободного человека (в их числе была и наука) размежевывались с ремеслом — занятием рабов.

Это был очень важный шаг для становления науки, так как именно отказ от материально-практического отношения к действительности породил идеализацию — непременное условие науки (обобщение принципов орудийно-трудовой деятельности порождает лишь абстрагирование, на что способны и высшие животные). Умение мыслить в понятиях, образовывать их, двигаться в плоскости «чистой» мысли — великое завоевание древнегреческой философии, важнейшее основание и предпосылка всякой науки. Без четкого разграничения сферы «теоретического» и сферы «практического приложения» теории это было бы невозможно. Поэтому достижения античной науки и философии — планиметрия Гиппарха, геометрия Евклида, апории элеатов, диогеновский поиск сущности человека — все это не имеет каких-то очевидных связей с материальным производством. Практика, обусловливая абстрагирование, препятствует возникновению идеализации как его логического продолжения. Никакому практику никогда не придет в голову заниматься вопросами сущности мира, познания, истины, человека, прекрасного. Все эти сугубо «непрактические» вопросы весьма далеки как от сферы массового производства, так и от сознания производителей. Но без них подлинной науки возникнуть не может, именно об этом говорит пример Древнего Востока.

Но решительный отказ от практической деятельности имел и обратную сторону: в частности, неприятие эксперимента как метода познания закрывало дорогу становлению экспериментального естествознания, возникшего лишь в Новое время.

Античная наука появилась в форме научных программ (парадигм). В них была определена цель научного познания — изучение процесса превращения первоначального Хаоса в Космос — разумно организованный и устроенный мир через поиски космического (порядкообразующего) начала. Не случайно первые крупные представители натурфилософии — Фалес, Анаксимандр, Гераклит, Диоген в своих утверждениях руководствовались идеей о единстве сущего, происхождении вещей из какого-либо природного первоначала (воды, воздуха, огня), а также о всеобщей одушевленности материи.

Также научные программы использовали идею единства микрои макрокосмоса, подобия мира и человека для обоснования возможности познания мира. Утверждая, что подобное познается подобным, древние греки считали, что единственным инструментом познания может быть человеческий разум, отвергая эксперимент как метод познания мира. Так была четко сформулирована рационалистическая позиция, позже ставшая господствующей в европейской культуре.

56

Древнегреческие философы, не прибегая к систематическому исследованию и эксперименту, на основе преимущественно собственных наблюдений пытались единым взглядом охватить и объяснить всю окружающую действительность. Возникавшие в это время естественно-научные идеи носили предельно широкий философский характер и существовали как натурфилософия (философия природы), которая отличалась непосредственным созерцанием окружающего мира как единого целого и умозрительными выводами из этого созерцания.

Первой научной программой античности стала математическая программа, представленная Пифагором и позднее развитая Платоном. В ее основе, как и в основе других античных программ, лежало представление, что мир (Космос) — это упорядоченное выражение целого ряда первоначальных сущностей. Пифагор эти сущности нашел в числах и представил их в качестве первоосновы мира. Таким образом, в математической программе в основе мира лежат количественные отношения действительности. Этот подход позволил увидеть за миром разнообразных качественно различных предметов их количественное единство. Самым ярким воплощением математической программы стала геометрия Евклида, знаменитая книга которого «Начала» появилась около 300 г. до н.э. Кроме того, пифагорейцами впервые была выдвинута идея о шарообразной форме Земли.

Дальнейшее развитие естествознание получило в античной атомистике Демокрита — учении о дискретном строении материи, согласно которому весь мир состоит из пустоты и различающихся между собой атомов, находящихся в вечном движении и взаимодействии. Эти идеи составили вторую научную программу античности — атомистическую программу Левкиппа—Демокрита. В рамках атомистической программы было сделано несколько очень важных предположений. Среди них — идея пустоты, лежащая в основе концепции бесконечного пространства. Именно так рождается представление Демокрита, хотя и не поддержанное другими мыслителями, что мир в целом — это беспредельная пустота со множеством самостоятельных замкнутых миров-сфер. Эти миры образовались в результате вихревого кругообразного столкновения атомов. В этих вихрях крупные и тяжелые атомы скапливались в центре, а маленькие и легкие вытеснялись на окраины. Из первых возникла земля, из вторых — небо. В каждом замкнутом мире в центре находится земля, на окраине — звезды. Число миров бесконечно, многие из них могут быть населены. Эти миры возникают и гибнут. Когда одни находятся в расцвете, другие только рождаются или уже гибнут.

Современник Демокрита Эмпедокл, первым высказавший идею о несотворимости и неуничтожимости материи, объяснил причину

57

затмений Солнца, догадался, что свет распространяется с большой скоростью, которую мы не в состоянии замечать. Он попытался объяснить происхождение животных. По его мнению, сначала появились отдельные органы животных, которые в процессе случайных сочетаний стали порождать разнообразные живые существа. Несоответствующие друг другу объединения органов неизбежно погибали, а выживали только те, в которых объединившиеся органы случайно оказались взаимно подходящими.

Свое высшее развитие древнегреческая натурфилософия получила в учении Аристотеля, объединившего и систематизировавшего все современные ему знания об окружающем мире. Оно стало основой третьей, континуальной программы античной науки. Основными трактатами, составляющими учение Аристотеля о природе, являются «Физика», «О небе», «Метеорологика», «О происхождении животных» и др. В этих трактатах были поставлены и рассмотрены важнейшие научные проблемы, которые позднее стали основой для возникновения отдельных наук. Особое внимание Аристотель уделил вопросу движения физических тел, положив тем самым начало изучению механического движения и формированию понятий механики (скорость, сила и т.д.). Правда, представления Аристотеля о движении кардинально отличаются от современных. Он считал, что существуют совершенные круговые движения небесных тел и несовершенные движения земных предметов. Если небесные движения вечны и неизменны, не имеют начала и конца, то земные движения их имеют и делятся на естественные и насильственные. Аристотель считал, что у каждого тела есть предназначенное ему в соответствии с его природой место, которое это тело и стремится занять. Движение тел к своему месту — это естественное движение, оно происходит само собой, без приложения силы. Примером может служить падение тяжелого тела вниз, стремление огня вверх. Все прочие движения на Земле требуют приложения силы, направлены против природы тел и являются насильственными. Аристотель доказывал вечность движения, но не признавал возможности самодвижения материи. Все движущееся приводится в движение другими телами. Первоисточником движения в мире является перводвигатель — Бог. Как и модель Космоса, эти представления благодаря непререкаемому авторитету Аристотеля настолько укоренились в умах европейских мыслителей, что были опровергнуты только в Новое время после открытия Г. Галилеем идеи инерции.

Представление о физическом взаимодействии Аристотеля тесно связано с его концепцией движения. Поэтому взаимодействие понимается им как действие движущего на движимое, т.е. одностороннее воздействие одного тела на другое. Это прямо противоречит хорошо известному сегодня третьему закону Ньютона, утверждающему, что действие всегда равно противодействию.

58

Учение Аристотеля о пространстве и времени исходит из понятия непрерывности. Поэтому пространство для него — это протяженность тел, а время — их длительность. Пространство и время Аристотеля существуют только вместе с материей, поэтому его концепция пространства и времени может быть названа относительной. Он отрицает существование пустоты, весь Космос заполнен материей, он не однороден, так как в нем есть центр и периферия, верх и низ. Именно по отношению к ним мы разделяем движения на естественные и насильственные.

Концепция причинно-следственных связей Аристотеля строится на понятиях целесообразности и конечной причины. Для него ход любого процесса определяется его результатом. Мыслитель воспринимает природу как единый живой организм, все части которого взаимосвязаны, и одно происходит ради другого. Так, дождь идет не потому, что сложились соответствующие метеорологические условия, а для того, что мог расти хлеб. Такой подход называется те-леологизмом. Он не отрицает существование случайностей, но они носят второстепенный характер, происходят по недосмотру природы.

Космология Аристотеля носила геоцентрический характер, поскольку основывалась на идее, что в центре мира находится наша планета Земля, имеющая сферическую форму и окруженная водой, воздухом и огнем, за которыми находятся сферы больших небесных светил, вращающихся вокруг Земли вместе с другими маленькими светилами.

Бесспорным достижением Аристотеля стало создание формальной логики, изложенной в его трактате «Органон» и поставившей науку на прочный фундамент логически обоснованного мышления с использованием понятийнокатегориального аппарата. Ему же принадлежит утверждение порядка научного исследования, которое включает изучение истории вопроса, постановку проблемы, внесение аргументов «за» и «против», а также обоснование решения. После его работ научное знание окончательно отделилось от метафизики (философии), также произошла дифференциация самого научного знания. В нем выделились математика, физика, география, основы биологии и медицинской науки.

Завершая рассказ об античной науке, нельзя не сказать о работах других выдающихся ученых этого времени. Активно развивалась астрономия, которой нужно было привести в соответствие наблюдаемое движение планет (они движутся по очень сложным траекториям, совершая колебательные, петлеобразные движения) с предполагаемым их движением по круговым орбитам, как этого требовала геоцентрическая модель мира. Решением этой проблемы стала система эпициклов и деферентов александрийского астронома Клавдия Птолемея (I—II вв. н.э.). Чтобы спасти геоцентрическую модель мира, он предположил, что вокруг неподвижной Земли на-

59

ходится окружность с центром, смещенным относительно центра Земли. По этой окружности, которая называется деферентом, движется центр меньшей окружности, которая называется эпициклом.

Нельзя не сказать еще об одном античном ученом, заложившем основы математической физики. Это — Архимед, живший в III в. до н.э. Его труды по физике и механике были исключением из общих правил античной науки, так как он использовал свои знания для построения различных машин и механизмов. Тем не менее, главным для него, как и для других античных ученых, была сама наука. И механика для него становится важным средством решения математических задач. Хотя для Архимеда техника была лишь игрой научного ума, результатом выхода науки за свои рамки (то же отношение к технике и машинам как к игрушкам было характерно для всей эллинистической науки), его работы сыграли основополагающую роль в возникновении таких разделов физики, как статика и гидростатика. В статике Архимед ввел в науку понятие центра тяжести тел, сформулировал закон рычага. В гидростатике он открыл закон, носящий его имя: на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом.

Как видно из приведенного и далеко не полного перечня идей и направлений натурфилософии, на этой стадии были заложены основы многих современных теорий и отраслей естествознания. В то же время не менее важным представляется формирование в этот период стиля научного мышления, включающего стремление к нововведениям, критику, стремление к упорядоченности и скептическое отношение к общепринятым истинам, поиск универсалий, дающих рациональное понимание окружающего мира.

Развитие науки в Средние века

Развитие естественно-научного познания в Средние века было непосредственно сопряжено с утверждением двух мировых религий: христианства и ислама, которые претендовали на абсолютное знание природы. Эти религии объясняли происхождение природы в форме креационизма, т.е. учения о сотворении природа Богом. Все другие попытки объяснить мир и природу из самих себя, без допущения сверхъестественных божественных сил, осуждались и беспощадно пресекались. Многие достижения античной науки были забыты.

В отличие от античности, средневековая наука не предложила новых фундаментальных программ, но она в то же время не ограничивалась только пассивным усвоением достижений античной науки. Ее вклад в развитие научного знания состоял в том, что был предложен целый ряд новых интерпретаций и уточнений понятий и методов исследования, которые разрушали античные научные программы, подготавливая почву для механики Нового времени.

60

С точки зрения христианского мировоззрения человек считался созданным по образу и подобию Божьему, чтобы он был господином земного мира. Так в сознание человека проникает очень важная идея, которая никогда не возникала и не могла возникнуть в античности: раз человек является господином этого мира, значит, он имеет право переделывать этот мир так, как это нужно ему. Новый, деятельный подход к природе был также связан с изменением отношения к труду, который становится обязанностью каждого христианина. Так постепенно физический труд стал пользоваться в средневековом обществе все большим уважением. Тогда же возникло желание облегчить этот труд, что вызвало новое отношение к технике. Теперь изобретение машин и механизмов переставало быть пустой забавой, как в античности, а становилось делом полезным и уважаемым. Все это не могло не подкрепить нового, деятельностно-практического отношения к миру.

Таким образом, именно христианское мировоззрение посеяло зерна нового отношения к природе, которое позволило уйти от созерцательного отношения, присущего античности, и прийти к экспериментальной науке Нового времени, поставившей целью практическое преобразование мира для блага человека.

Христианское вероучение, соединенное с выхолощенной философией Аристотеля, явилось в Средние века господствующим философским направлением и получило название схоластики. Для этого направления мысли было характерно упрощение натурфилософии Аристотеля и приспособление ее к догмам христианства в качестве официальной религиозной доктрины. Схоластика была оторвана от реальной действительности, занятие естествознанием рассматривалось как пустое дело. Тем не менее, схоластика сыграла очень важную роль в развитии способностей к познанию мира европейским человеком. Она должна была служить задачам теологии и изучать вопросы бессмертия души, конечности и бесконечности мира, существования добра, зла и истины в мире. При решении этих проблем, не данных человеку в области чувственной реальности и могущих изучаться только с помощью разума, и были получены важнейшие результаты. Это, прежде всего, развитие логико-дискурсивного мышления и искусства логической аргументации. Результатом стал высочайший уровень умственной дисциплины в эпоху позднего Средневековья. Без этого был бы невозможен дальнейший прогресс интеллектуальных средств научного познания.

В недрах средневековой культуры успешно развивались такие специфические области знания, как астрология, алхимия, ятрохимия, натуральная магия. Часто их называли герметическими (тайными) науками. Они представляли собой промежуточное звено между техническим ремеслом и натурфилософией, содержали в себе зародыш будущей экспериментальной науки в силу своей практиче-

61

ской направленности. Например, на протяжении тысячелетия алхимики пытались с помощью химических реакций получить философский камень, способствующий превращению любого вещества в золото, приготовить эликсир долголетия. Побочными продуктами этих поисков и исследований стали технологии получения красок, стекла, лекарств, разнообразных химических веществ и т.д. Таким образом, алхимические исследования, несостоятельные теоретически, подготовили возможность появления современной науки.

Очень важными для становления классической науки Нового времени были новые представления о мире, опровергавшие некоторые положения античной научной картины мира. Они легли в основу механистического объяснения мира. Без таких представлений просто не смогло бы появиться классическое естествознание.

Так, появились понятия пустоты, бесконечного пространства и движения по прямой линии. Также появляются понятия «средняя скорость», «равноускоренное движение», вызревает понятие ускорения. Конечно, эти понятия еще нельзя считать четко сформулированными и осознанными. Но без них, однако, не смогла бы появиться физика Нового времени.

Также закладывается новое понимание механики, которая в античности была прикладной наукой. Античность и раннее Средневековье рассматривали все созданные человеком инструменты как искусственные, чуждые природе. В силу этого они не имели никакого отношения к познанию мира, так как действовал принцип: «подобное познается подобным». Именно поэтому только человеческий разум в силу принципа подобия человека космосу (единства микро- и макрокосмоса) мог познавать мир. Теперь же инструменты стали считаться частью природы, лишь обработанной человеком, и в силу своего тождества с ней их можно было использовать для познания мира. Таким образом, открывалась возможность использования экспериментального метода познания.

Еще одной новацией стал отказ от античной идеи о модели совершенства — круге. Эта модель была заменена моделью бесконечной линии, что способствовало формированию представлений о бесконечности Вселенной, а также лежало в основе исчисления бесконечно малых величин, без которого невозможно дифференциальное и интегральное исчисление. На нем строится вся математика Нового времени, а значит, и вся классическая наука.

Развитие науки в эпоху Возрождения

Развитие науки в эпоху Возрождения неразрывно связано с именем Леонардо да Винчи, который развил свой метод познания природы. Он был убежден, что познание идет от частных опытов и

62

конкретных результатов к научному обобщению. По его мнению, опыт является не только источником, но и критерием познания. Будучи приверженцем экспериментального метода исследования, он изучал падение тел, траекторию полета снарядов, коэффициенты трения, сопротивления материалов и т.д. В ходе своих исследований да Винчи заложил фундамент экспериментального естествознания. Например, занимаясь практической анатомией, он оставил зарисовки внутренних органов человека, снабженные описанием их функций. В итоге многолетних наблюдений он раскрыл явление гелиотропизма (изменения направления роста органов растения в зависимости от источника света) и объяснил причины появления жилок на листьях. Леонардо да Винчи считается первым исследователем, который обозначил проблему связи между живыми существами и окружающей их природной средой.

Глобальная научная революция XVI—XVII вв.

В XVI—XVII вв. натурфилософское и схоластическое познание природы превратилось в современное естествознание, систематическое научное познание на базе экспериментов и математического изложения. В этот период в Европе сформировалось новое мировоззрение и начался новый этап в развитии науки, связанный с первой глобальной естественнонаучной революцией. Ее отправной точкой стал выход в 1543 г. знаменитой книги Николая Коперника «О вращении небесных сфер». С этого момента начался переход от геоцентрической к гелиоцентрической модели Вселенной.

В схеме Коперника Вселенная по-прежнему оставалась сферой, хотя размеры ее резко возрастали (только так можно было объяснить видимую неподвижность звезд). В центре Космоса находилось Солнце, вокруг которого вращались все известные к тому времени планеты, в том числе Земля со своим спутником Луной. Новая модель мира сразу объяснила многие непонятные ранее эффекты, прежде всего, петлеобразные движения планет, которые согласно новым представлениям были обусловлены движением Земли вокруг своей оси и вокруг Солнца. Впервые нашла свое объяснение смена времен года.

Следующий шаг в становлении гелиоцентрической картины мира был сделан Джордано Бруно, который отверг представление о космосе как о замкнутой сфере, ограниченной сферой неподвижных звезд. Бруно впервые заявил о том, что звезды — это не светильники, созданные Богом для освещения ночного неба, а такие же солнца, как и наше, и вокруг них могут вращаться планеты, на которых, возможно, живут люди. Таким образом, Бруно предложил набросок новой полицентрической картины мироздания, окончательно утвердившейся век спустя: Вселенная вечна во времени,

63

бесконечна в пространстве, вокруг бесконечного числа звезд вращается множество планет, населенных разумными существами.

Однако несмотря на всю грандиозность этой картины, она продолжала оставаться эскизом, наброском, нуждавшимся в фундаментальном обосновании. Нужно было открыть законы, действующие в мире и доказывающие правильность предположений Коперника и Бруно. Доказательство их идей стало одной из важнейших задач первой глобальной научной революции, которая началась с открытий Галилео Галилея. Его труды в области методологии научного познания предопределили облик классической, а во многом и современной науки. Он придал естествознанию экспериментальный и математический характер, сформулировал гипотетико-дедуктивную модель научного познания. Но особое значение для развития естествознания имеют работы Галилея в области астрономии и физики.

Дело в том, что со времен Аристотеля ученые считали, что между земными и небесными явлениями и телами существует принципиальная разница, так как небеса — место нахождения идеальных тел, состоящих из эфира. В силу этого считалось невозможным изучать небесные тела, находясь на Земле. Это задерживало развитие науки. После того, как в 1608 г. была изобретена зрительная труба, Галилей усовершенствовал ее и превратил в телескоп с 30-кратным увеличением. С его помощью он совершил целый ряд выдающихся астрономических открытий. Среди них — горы на Луне, пятна на Солнце, фазы Венеры, четыре крупнейших спутника Юпитера. Он же первый увидел, что Млечный Путь представляет собой скопление огромного множества звезд. Все эти факты доказывали, что небесные тела — это не эфирные создания, а вполне материальные предметы и явления. Ведь не может быть на идеальном теле гор, как на Луне, или пятен, как на Солнце.

С помощью своих открытий в механике Галилей разрушил догматические построения господствовавшей почти в течение двух тысяч лет аристотелевской физики. Он впервые проверил многие утверждения Аристотеля опытным путем, заложив тем самым основы нового раздела физики — динамики, науки о движении тел под действием приложенных сил. Именно Галилей сформулировал понятия физического закона, скорости, ускорения. Но величайшими открытиями ученого стали идея инерции и классический принцип относительности.

Галилей считал, что движущееся тело стремится пребывать в постоянном равномерном прямолинейном движении или в покое, если только какая-нибудь внешняя сила не остановит его или не отклонит от направления его движения. Таким образом, движение по инерции — это движение при отсутствии на него действия других тел.

64

Согласно классическому принципу относительности, никакими механическими опытами, проведенными внутри системы, невозможно установить, покоится система или движется равномерно и прямолинейно. Также классический принцип относительности утверждает, что между покоем и равномерным прямолинейным движением нет никакой разницы, они описываются одними и теми же законами. Равноправие движения и покоя, т.е. инерциальных систем (покоящихся или движущихся друг относительно друга равномерно и прямолинейно), Галилей доказывал рассуждениями и многочисленными примерами. Например, путешественник в каюте корабля с полным основанием считает, что книга, лежащая на его столе, покоится. Но человек на берегу видит, что корабль плывет, и он имеет все основания утверждать, что книга движется и притом с той же скоростью, что и корабль. Так движется на самом деле книга или покоится? На этот вопрос, очевидно, нельзя ответить просто «да» или «нет». Спор между путешественником и человеком на берегу был бы пустой тратой времени, если бы каждый из них отстаивал только свою точку зрения и отрицал точку зрения партнера. Они оба правы, и чтобы согласовать позиции, им нужно только признать, что в одно и то же время книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой — всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета.

В ходе дальнейшего развития естествознания Иоганн Кеплер установил истинные орбиты движения планет. В своих трех законах он показал, что планеты движутся по эллиптическим орбитам, причем их движение происходит неравномерно.

Огромную роль в развитии науки сыграли исследования Рене Декарта по физике, космологии, биологии, математике. Учение Декарта представляет собой единую естественно-научную и философскую систему, основывающуюся на постулатах о существовании непрерывной материи, заполняющей все пространство, и ее механическом движении. Ученый поставил задачу, исходя из установленных им принципов устройства мира и представлений о материи, пользуясь лишь «вечными истинами» математики, объяснить все известные и неизвестные явления природы. Решая эту задачу, он возродил идеи античного атомизма и построил грандиозную картину Вселенной, охватив в ней все элементы природного мира: от небесных светил до физиологии животных и человека. При этом свою модель природы Декарт строил только на основе механики, которая в то время достигла наибольших успехов. Представление о

65

природе как о сложном механизме, которое Декарт развил в своем учении, сформировалось позднее в самостоятельное направление развития физики, получившее название картезианства. Декартовское (картезианское) естествознание закладывало основы механического понимания природы, процессы которой рассматривались как движения тел по геометрически описываемым траекториям. Однако картезианское учение не было исчерпывающим. В частности, движение планет должно было подчиняться закону инерции, т.е. быть прямолинейным и равномерным. Но поскольку орбиты планет остаются сплошными замкнутыми кривыми и подобного движения не происходит, то становится очевидным, что какая-то сила отклоняет движение планет от прямолинейной траектории и заставляет их постоянно «падать» по направлению к Солнцу. Отныне важнейшей проблемой новой космологии становилось выяснение природы и характера этой силы.

Природа этой силы была открыта Исааком Ньютоном, работы которого завершили первую глобальную естественно-научную революцию. Он доказал существование тяготения как универсальной силы и сформулировал закон всемирного тяготения.

Ньютоновская физика стала вершиной развития взглядов в понимании мира природы в классической науке. Ньютон обосновал физико-математическое понимание природы, ставшее основой для всего последующего развития естествознания и формирования классического естествознания. В ходе своих исследований Ньютон создал методы дифференциального и интегрального исчисления для решения проблем механики. Благодаря этому ему удалось сформулировать основные законы динамики и закон всемирного тяготения. Механика Ньютона основана на понятиях количества материи (массы тела), количества движения, силы и трех законов движения: закона инерции, закона пропорциональности силы и ускорения и закона равенства действия и противодействия.

В своей механике Ньютон отказался от построения всеобъемлющей картины Вселенной и создал собственный метод физического исследования, который опирается на опыт, ограничивающийся фактами, и не претендует на познание всех конечных причин. Согласно ньютоновской концепции, физическая реальность характеризуется понятиями пространства, времени, материальной точки и силы (взаимодействия материальных точек). Любое физическое действие представляет собой движение материальных точек в пространстве, управляемое неизменными законами механики.

Хотя Ньютон громко провозгласил: «Гипотез не измышляю!», тем не менее некоторое количество гипотез было им предложено и они сыграли очень важную роль в развитии естествознания. Эти гипотезы были связаны с дальнейшей разработкой идеи всемирного

66

тяготения, которое оставалось достаточно загадочным и непонятным. В частности, необходимо было ответить на вопросы: «Каков механизм действия этой силы?», «С какой скоростью она распространяется?», «Есть ли у нее материальный носитель?».

Пытаясь решить эту проблему, Ньютон предложил подтверждавшийся, как тогда казалось, бесчисленным количеством фактов принцип дальнодействия — мгновенное действие тел друг на друга на любом расстоянии без каких-либо посредствующих звеньев, через пустоту. Принцип дальнодействия невозможен без привлечения понятий абсолютного пространства и абсолютного времени, также предложенных Ньютоном.

Абсолютное пространство понималось как вместилище мировой материи. Его можно сравнить с большим черным ящиком, в который можно поместить материальное тело, но можно и убрать, тогда материи не будет, а пространство останется. Также должно существовать и абсолютное время как универсальная длительность, постоянная космическая шкала для измерения всех бесчисленных конкретных движений, оно может течь самостоятельно без участия материальных тел. Именно в таком абсолютном пространстве и времени мгновенно распространялась сила тяготения. Воспринимать абсолютное пространство и время в чувственном опыте невозможно. Пространство, время и материя в этой концепции — это три независимых друг от друга сущности.

Концепция дальнодействия господствовала в науке до середины XIX в., концепция абсолютного пространства и времени — до

начала XX в.

Работы Ньютона завершили первую глобальную научную революцию, сформировав классическую полицентрическую научную картину мира и заложив фундамент классической науки Нового времени.

Классическое естествознание Нового времени

Закономерно, что на основе отмеченных достижений дальнейшее развитие естествознания приобретало все больший масштаб и глубину. Идут процессы дифференциации научного знания, сопряженные с существенным прогрессом уже сформировавшихся и появлением новых самостоятельных наук. Тем не менее, естествознание этого времени развивалось в рамках классической науки, имеющей свои специфические черты, которые наложили неизгладимый отпечаток на работу ученых и ее результаты.

Важнейшей характеристикой классической науки является механистичность — представление мира в качестве машины, гигантского механизма, четко функционирующего на основе вечных и неизменных законов механики. Не случайно наиболее

распростра-

67

ненной моделью Вселенной был огромный часовой механизм. Поэтому механика была эталоном любой науки, и любую науку пытались построить по ее образцу. Также она рассматривалась и как универсальный метод изучения окружающих явлений. Это выражалось в стремлении свести любые процессы в мире (не только физические и химические, но и биологические и социальные процессы) к простым механическим перемещениям. Такое сведение высшего к низшему, объяснение сложного через более простое называется редукционизмом.

Следствиями механистичности стало преобладание количественных методов анализа природы, стремление разложить изучаемый процесс или явление до его мельчайших составляющих, доходя до конечного предела делимости материи. Из картины мира полностью исключалась случайность, ученые стремились к полному завершенному знанию о мире — абсолютной истине.

Еще одной чертой классической науки была метафизичность — рассмотрение природы как из века в век неизменного, всегда тождественного самому себе неразвивающегося целого. Каждый предмет или явление рассматривался отдельно от других, игнорировались его связи с другими объектами, а изменения, которые происходили с этими предметами и явлениями, были лишь количественными. Так возникла сильная антиэволюционистская установка классической науки.

Механистичность и метафизичность классической науки отчетливо проявились не только в физике, но и в химии и биологии. Это привело к отказу от признания качественной специфики Жизни и живого. Они стали такими же элементами в миремеханизме, как предметы и явления неживой природы.

Эти черты классической науки наиболее отчетливо проявились в естествознании XVIII в., когда было создано множество теорий, почти забытых современной наукой. Отчетливо проявлялась редукционистская тенденция, стремление свести все разделы физики, химии и биологии к методам и подходам механики. Стремясь дойти до конечного предела делимости материи, ученые XVIII в. создают «учения о невесомых» электрической и магнитной жидкостях, теплороде, флогистоне как особых веществах, обеспечивающих у тел электрические, магнитные и тепловые свойства, а также способность к горению, соответственно. Среди наиболее значимых достижений естествознания XVIII в. следует отметить развитие атомно-молекулярных представлений о строении вещества и формирование основ экспериментальной науки об электричестве.

С середины XVIII в. естествознание стало все более проникаться идеями эволюционного развития природы. Значительную роль в этом сыграли труды М.В. Ломоносова, И. Канта, П.С. Лапласа, в которых развивалась гипотеза естественного происхождения Сол-

68

нечной системы. Влияние идей всеобщей связи и развития, разрушающих метафизичность классической науки, стало еще заметнее в XIX в. Классическая наука, оставаясь в целом метафизической и механистической, готовила постепенное крушение механической картины мира.

Если в XVII и XVIII вв. развитие естествознания сосуществовало с религией, и Бог присутствовал в картинах мира в качестве начального Творца, то развитие естествознания в XIX и XX вв. сопровождалось окончательным разрывом науки с религией, развитием технических наук, обеспечившим быстрый прогресс западных цивилизаций.

Революционными открытиями естествознания стали принципы неевклидовой геометрии К.Ф. Гаусса, концепция энтропии и второй закон термодинамики Р.Ю.Э. Клаузиуса, периодический закон химических элементов Д.И. Менделеева, теория естественного отбора Ч. Дарвина и А. Р. Уоллеса, теория генетической наследственности Г.И. Менделя, электромагнитная теория Дж. Максвелла.

Эти и многие другие не названные нами открытия XIX в. подняли естествознание на качественно новую ступень, превратили его в дисциплинарно организованную науку. Из науки, собиравшей факты и изучавшей законченные, завершенные, отдельные предметы, естествознание в XIX в. превратилось в систематизированную науку о предметах и процессах, их происхождении и развитии. Это произошло в ходе комплексной научной революции середины XIX в. Но все эти открытия оставались в рамках методологических установок классической науки. Не ушла в прошлое, а была лишь скорректирована идея мира-машины, остались неизменными все положения о познаваемости мира и возможности получения абсолютной истины, стремление к редукционизму. Механистические и метафизические черты классической науки были лишь поколеблены, но не отброшены. В силу этого наука XIX в. несла в себе зерна будущего кризиса, разрешить который должна была вторая глобальная научная революция конца XIX — начала XX в.

3.4. Глобальная научная революция конца XIX — начала XX в.

Глобальная научная революция начинается с целого ряда замечательных открытий, разрушивших всю классическую научную картину мира. В 1888 г. Г. Герц открыл электромагнитные волны, блестяще подтвердив предсказание Дж. Максвелла. В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, получившие позднее название рентгеновских, которые представляли собой коротковолновое электромагнитное

69

излучение. Изучение природы этих загадочных лучей, способных проникать через светонепроницаемые тела, привело Дж.Дж. Томсона к открытию первой элементарной частицы — электрона.

Важнейшим открытием 1896 г. стало обнаружение радиоактивности А. Беккерелем. Изучение этого феномена началось с исследования загадочного почернения фотопластинки, лежавшей рядом с кристаллами соли урана. Э. Резерфорд в своих опытах показал неоднородность радиоактивного излучения, состоявшего из лучей. Позже, в 1911 г. он смог построить планетарную

модель атома.

К великим открытиям конца XIX в. также следует отнести работы А.Г. Столетова по изучению фотоэффекта, П.Н. Лебедева о давлении света. В 1901 г. М. Планк, пытаясь решить проблемы классической теории излучения нагретых тел, предположил, что энергия излучается малыми порциями — квантами, причем энергия каждого кванта пропорциональна частоте испускаемого излучения. Связывающий эти величины коэффициент пропорциональности ныне называется постоянной Планка (h ). Она является одной из немногих универсальных физических констант нашего мира и входит во все уравнения физики микромира. Также было обнаружено, что масса электрона зависит от его скорости.

Все эти открытия буквально за несколько лет разрушили то стройное здание классической науки, которое еще в начале 80-х гг.XIX в. казалось практически законченным. Все прежние представ ления о материи и ее строении, движении и его свойствах и типах, о форме физических законов, пространстве и времени были опро вергнуты. Это привело к кризису физики и всего естествознания, а кроме того, стало симптомом более глубокого кризиса и всей клас сической науки.

Кризис физики стал первым этапом второй глобальной научной революции в науке и переживался большинством ученых очень тяжело.

Ученым казалось, что неверным было все то, чему они учились.

В лучшую сторону ситуация начала меняться только в 20-е гг.

XX в., с наступлением второго этапа научной революции. Он свя зан с созданием квантовой механики и сочетанием ее с теорией относительности, созданной в 1906—1916 гг. Тогда начала склады ваться новая квантово-релятивистская картина мира, в которой от крытия, приведшие к кризису в физике, были объяснены.

Началом третьего этапа научной революции было овладение атомной энергией в 40-е гг. XX в. и последующие исследования, с которыми связано зарождение электронно-вычислительных машин и кибернетики. Также в этот период физика передает эстафету химии, биологии и циклу наук о Земле, начинающих создавать свои собственные научные картины мира. Следует также отметить, что с середины XX в. наука окончательно слилась с техникой, что, в свою очередь, привело к современной научно-технической революции.

70

Главным концептуальным изменением естествознания XX в. был отказ от ньютоновской модели получения научного знания через эксперимент к объяснению. А. Эйнштейн предложил иную модель, в которой гипотеза и отказ от здравого смысла как способа проверки высказывания, становились первичными в объяснении явлений природы, а эксперимент — вторичным.

Развитие эйнштейновского подхода приводит к отрицанию ньютоновской космологии и формирует новую картину мира, в которой логика и здравый смысл перестают действовать. Оказывается, что твердые атомы Ньютона почти целиком заполнены пустотой. Материя и энергия переходят друг в друга. Трехмерное пространство и одномерное время превратились в четырехмерный пространственно-временной континуум. Согласно этой картине мира планеты движутся по своим орбитам не потому, что их притягивает к Солнцу некая сила, а потому, что само пространство, в котором они движутся, искривлено. Субатомные явления одновременно проявляют себя и как частицы, и как волны. Нельзя одновременно вычислить местоположение частицы и измерить ее ускорение. Принцип неопределенности в корне подорвал ньютоновский детерминизм. Нарушились понятия причинности, субстанции, твердые дискретные тела уступили место формальным отношениям и динамическим процессам.

Таковы основные положения современной квантово-релятивистской научной картины мира, которая становится главным итогом второй глобальной научной революции. С ней связано создание современной (неклассической) науки, которая по всем своим параметрам отличается от науки классической.

3.5. Основные черты современного

естествознания как науки

Механистичность и метафизичность классической науки сменились новыми диалектическими установками всеобщей связи и развития. Механика больше не является ведущей наукой и универсальным методом изучения окружающих явлений. Классическая модель мира — часового механизма сменилась моделью мира-мысли, для изучения которого лучше всего подходят системный подход и метод глобального эволюционизма. Метафизические основания классической науки, рассматривавшие каждый предмет в изоляции, вне его связей с другими предметами, как нечто особенное и завершенное, также ушли в прошлое.

Теперь мир признается совокупностью разноуровневых систем, находящихся в состоянии иерархической соподчиненности. При этом на каждом уровне организации материи действуют свои зако-

71

номерности. Аналитическая деятельность, являвшаяся основной в классической науке, уступает место синтетическим тенденциям, системно-целостному рассмотрению предметов и явлений объективного мира. Уверенность в существовании конечного предела делимости материи, стремление найти конечную материальную первооснову мира сменились убеждением в принципиальной невозможности этого и представлениями о неисчерпаемости материи вглубь. Считается невозможным получение абсолютной истины. Истина считается относительной, существующей во множестве теорий, каждая из которых изучает свой срез реальности.

Если классическая наука не видела качественной специфики Жизни и Разума во Вселенной, то современная наука доказывает их неслучайность появления в мире. Это на новом уровне возвращает нас к проблеме цели и смысла Вселенной, говорит о запланированном появлении разума, который полностью проявит себя в будущем.

Названные нами черты современной науки нашли свое воплощение в новых теориях и концепциях, появившихся во всех областях естествознания. Среди важнейших открытий XX в. — теория относительности, квантовая механика, ядерная физика, теория физического взаимодействия; новая космология, основанная на теории Большого взрыва; эволюционная химия, стремящаяся к овладению опытом живой природы; генетика, расшифровка генетического кода и др. Но подлинным триумфом неклассической науки, бесспорно, стали кибернетика, воплотившая идеи системного подхода, а также синергетика и неравновесная термодинамика, основанные на методе глобального эволюционизма.

Ускорение научно-технического прогресса, связанное с возрастанием темпов общественного развития, привело к тому, что потенциал современной науки, заложенный в ходе второй глобальной научной революции, во многом оказался исчерпанным. Поэтому современная наука снова переживает состояние кризиса, являющегося симптомом новой глобальной научной революции.

Начиная со второй половины XX в. исследователи фиксируют вступление естествознания в новый этап развития — постнеклассический, который характеризуется целым рядом фундаментальных принципов и форм организации. В качестве таких принципов выделяют чаще всего эволюционизм, космизм, экологизм, антропныи принцип, холизм и гуманизм. Эти принципы ориентируют современное естествознание не столько на поиски абстрактной истины, сколько на полезность для общества и каждого человека. Главным показателем при этом становится не экономическая целесообразность, а улучшение среды обитания людей, рост их материального и духовного благосостояния. Естествознание таким образом реально поворачивается лицом к человеку, преодолевая извечный нигилизм по отношению к злободневным потребностям людей.

72

Современное естествознание имеет преимущественно проблемную, междисциплинарную направленность вместо доминировавшей ранее узкодисциплинарной ориентированности естественно-научных исследований. Сегодня принципиально важно при решении сложных комплексных проблем использовать возможности разных естественных наук в их сочетании применительно к каждому конкретному случаю исследования. Отсюда становится понятной и такая особенность постнеклассической науки, как нарастающая интеграция естественных, технических и гуманитарных наук. Исторически они дифференцировались, отпочковывались от некой единой основы, развиваясь длительное время автономно. Характерно, что ведущим элементом нарастающей интеграции становятся науки гуманитарные.

Анализ особенностей современного естествознания позволяет отметить такую его принципиальную особенность, как невозможность свободного экспериментирования с основными объектами. Иными словами, реальный естественно-научный эксперимент оказывается опасным для жизни и здоровья людей. Дело в том, что пробуждаемые современной наукой и техникой мощные природные силы при неумелом обращении с ними способны привести к тяжелейшим локальным, региональным и даже глобальным кризисам и катастрофам.

Исследователи науки отмечают, что современное естествознание органически срастается с производством, техникой и бытом людей, превращаясь в важнейший фактор прогресса всей нашей цивилизации. Оно уже не ограничивается исследованиями отдельных кабинетных ученых, а включает в свою орбиту комплексные коллективы исследователей самых разных научных направлений. В процессе своей исследовательской деятельности представители различных естественных дисциплин все более отчетливо начинают осознавать тот факт, что Вселенная представляет собой системную целостность с недостаточно понятными законами развития и глобальными парадоксами, в которой жизнь каждого человека связана с космическими закономерностями и ритмами. Универсальная связь процессов и явлений во Вселенной требует комплексного, адекватного их природе изучения и, в частности, глобального моделирования на основе метода системного анализа. В соответствии с этими задачами в современном естествознании все более широкое применение получают методы системной динамики, синергетики, теории игр, программно-целевого управления, на основе которых составляются прогнозы развития сложных природных процессов.

Современные представления о глобальном эволюционизме и синергетике позволяют описать развитие природы как последовательную смену рождающихся из хаоса структур, временно обретающих стабильность, а затем вновь стремящихся к хаотическим

73

состояниям. Кроме того, многие природные комплексы предстают как сложноорганизованные, многофункциональные, открытые, неравновесные системы, развитие которых носит малопредсказуемый характер. В этих условиях дальнейшая эволюция сложных природных объектов оказывается принципиально непредсказуемой и сопряжена со многими случайными факторами, могущими стать основаниями для новых форм эволюции.

Все перечисленные изменения протекают в рамках продолжающейся в настоящее время очередной глобальной научной революции, которая завершится, скорее всего, к середине XXI в. Конечно, сейчас нам сложно себе представить облик будущей науки. Очевидно, что она будет отличаться как от классической, так и от современной (неклассической) науки. Однако некоторые перечисленные выше черты науки будущего просматриваются уже сейчас.

Литература для самостоятельного изучения

1.Вернадский В.И. Избранные труды по истории науки М., 1981. 2. Доброе Г.М. Наука о науке. Киев, 1989.

3. Дубнищева Т.Я. Концепции современного естествознания. Новосибирск, 1997.

4. Ильин В.В., Калинкин Л.Т. Природа науки. М., 1985.

5. Косарева Л.М. Рождение науки Нового времени из духа культуры. М., 1997.

6. Кузнецов В.И., Идлис Г.М., Гутина В.Н. Естествознание. М., 1996.

7. Микулинский С.Р. Очерки развития историко-научной мысли. М., 1988.

8. Поликарпов В. С. История науки и техники. Ростов-на-Дону, 1999.

9. Физическое знание: его генезис и развитие. М.. 1993.

10.Философия и методология науки. М., 1996.

Глава 4Физическая картина мира

4.1. Понятие физической картины мира

Познавая окружающий мир, человек создает в своем сознании его определенную модель — картину мира. На каждом этапе своего развития человечество по-разному представляет себе мир, в котором оно живет. Поэтому в истории человечества существовали различные картины мира: мифологическая, религиозная, научная и др. Кроме того, как уже было отмечено, каждая отдельная наука также может формировать собственную картину мира (физическую, химическую, биологическую и др.). Однако из всего многообразия картин мира, существующих в современной науке, самое широкое представление дает общая научная картина мира, описывающая природу, общество и человека.

Научная картина мира формируется на основе достижений естественных, общественных и гуманитарных наук, однако ее фундаментом, бесспорно, является естествознание. Значение естествознания в формировании научной картины мира настолько велико, что нередко научную картину миру сводят к естественнонаучной, содержание которой составляют картины мира отдельных естественных наук.

Естественно-научная картина мира представляет собой систематизированное и достоверное знание о природе, исторически сформировавшееся в ходе развития естествознания. В эту картину мира входят знания, полученные из всех естественных наук, включая их фундаментальные идеи и теории. В то же время история науки свидетельствует, что большую часть содержания естествознания составляют преимущественно физические знания. Именно физика была и остается наиболее развитой и систематизированной естественной наукой. Вклад других естественных наук в формирование научной картины мира был намного меньше. Поэтому, когда возникло мировоззрение европейской цивилизации Нового времени и складывалась классическая естественно-научная картина мира, закономерным было обращение к физике, ее концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанно-

75

сти физики была настолько велика, что она смогла создать собственную физическую картину мира, в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX в. поставили перед собой эту задачу и смогли решить ее.

Поэтому, начиная разговор о наиболее важных и значимых научных концепциях в современном естествознании, мы начнем его с физики и картины мира, созданной этой наукой.

Физика — это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности природы, свойства и строение материи и законы ее движения. В любом явлении физика ищет то, что объединяет его со всеми другими явлениями природы. Поэтому понятия и законы физики фундаментальны, т.е. являются основополагающими для всего естествознания.

Само слово «физика» происходит от греческого — приро-да. Эта наука возникла еще в античности и первоначально охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях. Иными словами, тогда физика была тождественна всему естествознанию. Лишь к эпохе эллинизма, по мере дифференциации знаний и методов исследования, из общей науки о природе выделились отдельные естественные науки, в том числе и физика.

В своей основе физика — экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Такой она стала, начиная с Нового времени. Но, помимо экспериментальной физики, различают и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировании законов природы. Экспериментальная и теоретическая физика не могут существовать друг без друга.

В соответствии с многообразием исследуемых физических объектов, уровней организации и форм движения современная физика подразделяется на ряд дисциплин, так или иначе связанных друг с другом. В зависимости от изучаемых физических объектов физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов и молекул, газов и жидкостей, твердого тела и плазмы. По критерию уровней организации материи выделяют физику микро-, макро- и мегамира. По характеру изучаемых процессов, явлений и форм движения (взаимодействия) различают механические, электромагнитные, квантовые и гравитационные явления, тепловые и термодинамические процессы и соответствующие им области физики: механику, электродинамику, квантовую физику, теорию гравитации, термодинамику и статистическую физику.

Кроме того, современная физика содержит небольшое количество фундаментальных теорий, охватывающих все разделы физического знания. Эти теории представляют собой совокупность наиболее важных знаний о характере физических процессов и явлений, приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.

76

Понятие «физическая картина мира* употребляется в естествознании давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания — самое общее теоретическое знание в физике, система понятий, принципов и гипотез, служащих исходной основой для построения теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, а с другой стороны, вводит в физику новые философские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которых до этого не было и которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания. Иными словами, физическая картина мира рассматривается как физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания, соответствующие определенному историческому этапу развития физики.

Развитие самой физики непосредственно связано с физической картиной мира, поскольку представляет собой процесс становления и смены различных ее типов. Постоянное развитие и замена одних картин мира другими, более адекватно отражающими структуру и свойства материи, есть процесс развития самой физической картины мира. Основой для выделения отдельных типов физической картины мира служит качественное изменение фундаментальных физических идей, являющихся базой для физической теории и наших представлений о структуре материи и формах ее существования. С изменения физической картины мира начинается новый этап в развитии физики с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления, с иными гносеологическими предпосылками. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в крушении старой картины мира и появлении новой.

В пределах каждого отдельного этапа развитие физики идет эволюционным путем, без изменения основ картины мира. Оно состоит в реализации возможностей построения новых теорий, заложенных в данной картине мира. При этом она может эволюционировать, достраиваться, оставаясь в рамках определенных конкретно-физических представлений о мире. При изменении ключевых понятий картины мира происходит революция в физике. Ее результатом становится появление новой физической картины мира.

В основе объяснения явлений природы с точки зрения физики лежат фундаментальные физические понятия и принципы. К наиболее общим, фундаментальным понятиям физического описания природы относятся материя, движение, физическое взаимодействие, пространство и время, причинно-следственные связи, место и роль человека в мире.

77

Важнейшим из них является понятие материи. Поэтому революции в физике всегда связаны с изменением представлений о строении материи. В истории физики Нового времени это происходило дважды. В XIX в. был совершен переход от утвердившихся к XVII в. атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым (континуальным). В XX в. континуальные представления были заменены современными квантовыми. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.

Первой в истории естествознания физической картиной мира была механическая картина мира, в рамках которой не могли найти объяснения электромагнитные явления, и поэтому она была дополнена электромагнитной картиной мира. Однако многочисленные необъяснимые физические явления, открытые в конце XIX в., показали ограниченность электромагнитной картины мира, что и привело к возникновению квантово-полевой картины мира.

4.2. Механическая картина мира

Становление механической картины мира происходило под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Ее основу составили идеи и законы механики, которая в XVII в. была наиболее разработанным разделом физики. По сути, именно механика явилась первой фундаментальной физической теорией. Идеи, принципы и теории механики представляли собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражали физические процессы в природе. В широком смысле механика изучает механическое движение материальных тел и происходящее при этом взаимодействие между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или частиц в пространстве. Примерами механического движения в природе являются движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т.п. Происходящие в процессе механического движения взаимодействия представляют собой те действия тел друг на друга, в результате которых происходит изменение скоростей перемещения этих тел в пространстве или их деформация.

Важнейшими понятиями механики как фундаментальной физической теории стали материальная точка — тело, формы и размеры которого не существенны в данной задаче; абсолютно твердое тело — тело, расстояние между любыми точками которого остается неизменным, а его деформацией можно пренебречь. Оба вида материальных тел характеризуются с помощью следующих понятий: масса —

78

мера количества вещества; вес — сила, с которой тело действует на опору. Масса всегда остается постоянной, вес же может меняться. Эти понятия выражаются через следующие физические величины: координаты, импульсы, энергию, силу.

Основу механической картины мира составил атомизм — теория, которая весь мир, включая человека, рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц — атомов. Они перемещались в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики. Материя — это вещество, состоящее из мельчайших, неделимых, абсолютно твердых движущихся частиц (атомов). Это и есть корпускулярное представление о материи.

Законы механики, которые регулировали как движение атомов, так и движение любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение. Тела обладают внутренним врожденным свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Единственной формой движения является механическое движение, т.е. изменение положения тела в пространстве с течением времени. Любое движение можно представить как сумму пространственных перемещений. Движение объяснялось на основе трех законов Ньютона. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым. Закономерности более высоких форм движения материи должны сводиться к законам простейшей ее формы — механическому движению.

Все многообразие взаимодействий механическая картина мира сводила только к гравитационному, которое означало наличие сил притяжения между любыми телами; величина этих сил определялась законом всемирного тяготения. Поэтому, зная массу одного тела и силу гравитации, можно определить массу другого тела. Гравитационные силы являются универсальными, т.е. они действуют всегда и между любыми телами и сообщают любым телам одинаковое ускорение.

Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил принцип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без материальных посредников, т.е. промежуточная среда в передаче взаимодействия участия не принимает.

Концепция дальнодействия тесно связана с пониманием пространства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействующие тела. Ньютон предложил концепцию абсолютного пространства и абсолютного времени. Абсолютное пространство пред-

79


ставлялось большим «черным ящиком», универсальным вместилищем всех материальных тел в природе. Но даже если бы все эти тела вдруг исчезли, абсолютное пространство все равно бы осталось. Аналогично, в образе текущей реки, представлялось и абсолютное время. Оно становилось универсальной длительностью всех процессов во Вселенной. И абсолютное пространство, и абсолютное время существуют совершенно независимо от материи. Таким образом, пространство, время и материя представляют три не зависящих друг от друга сущности.

Таким образом, в соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, действующий по законам строгой необходимости, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинноследственными отношениями. В таком мире нет случайностей, она полностью исключалась из картины мира. Случайным было только то, причин чего мы пока не знали. Но поскольку мир рационален, а человек наделен разумом, то в конце концов он может получить полное и исчерпывающее знание о бытии. Такой жесткий детерминизм находил свое выражение в форме динамических законов.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек в этой картине мира рассматривался как природное тело в ряду других тел, и поэтому оставался необъяснимым в своих «невещественных» качествах. Поэтому присутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать как ни в чем не бывало. По сути дела, классическое естествознание не стремилось постичь человека. Подразумевалось, что мир природный, в котором нет ничего человеческого, можно описать объективно, и такое описание будет точной копией реальности. Рассмотрение человека как одного из винтиков хорошо отлаженной машины автоматически устраняло его из данной картины мира.

На основе механической картины мира в XVIII — начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.

Развитие механической картины мира было обусловлено в основном развитием механики. Успех механики Ньютона в значительной мере способствовал абсолютизации ньютоновских представлений, что выразилось в попытках свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название механистического материализма (механицизм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии, поскольку описать тепловые, электрические имагнитные явления с помощью законов механики, а также движение атомов и молекул этих физических явлений оказалось невозможно. В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждалась в существенном изменении своих взглядов на мир.

Оценивая механическую картину мира как один из этапов развития физической картины мира, необходимо иметь в виду, что с развитием науки основные положения механической картины мира не были просто отброшены. Развитие науки лишь раскрыло относительный характер механической картины мира.

Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея — механицизм. В недрах механической картины мира стали складываться элементы новой — электромагнитной — картины мира.

4.3. Электромагнитная картина мира

На протяжении XIX в. продолжались попытки объяснить электромагнитные явления в рамках механической картины мира. Но это оказалось невозможным: электромагнитные явления слишком отличались от механических процессов. Наибольший вклад в формирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фа-радея и Дж. Максвелла. После создания Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.

Свою теорию Максвелл разработал на основе открытого Фарадеем явления электромагнитной индукции. Проводя эксперименты с магнитной стрелкой, стремясь объяснить природу электрических и магнитных явлений, Фарадей пришел к выводу, что вращение магнитной стрелки обусловлено не электрическими зарядами, которые находятся в проводнике, а особым состоянием окружающей среды, которое возникало в месте нахождения магнитной стрелки. Это означало, что во взаимодействии тока с магнитной стрелкой активную роль играет окружающая проводник среда. В связи с этим он ввел понятие поля как множества магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять (индуцировать) электрический ток. Это открытие привело Фа-радея к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи новыми континуальными, непрерывными.

Теория электромагнитного поля Максвелла сводится к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое, в свою очередь, вызывает появление магнитного поля. Так в физику была

81

введена новая реальность — электромагнитное поле. Теория электромагнитного поля Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с этой теорией мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля.

Важнейшими понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля — сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Когда электрические заряды движутся друг относительно друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) — движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики, известных как уравнения Максвелла.

Сущность уравнений классической электродинамики сводится к закону Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона , а также к утверждениям о том,что магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца; магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем.

Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля, что позволяет единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.

Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардинальными, так как они осуществились в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.

Кардинально изменились лишь представления о материи: корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым). Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным

пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами — электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Согласно электромагнитной картине мира, материя существует в двух видах — вещество и поле. Они строго разделены, и их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, а значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, захватывая постоянно новые области пространства. Заполнение пространства электромагнитным полем нельзя описать на основе законов Ньютона, так как механика не понимает этого механизма. В электромагнетизме изменение одной сущности (магнитного поля) приводит к появлению другой сущности (электрического поля). Обе эти сущности образуют в совокупности электромагнитное поле. В механике же одно материальное явление не зависит от изменения другого, и вместе они не создают единой сущности.

Расширилось также и понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Максвелла.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы физического взаимодействия. Ньютоновский принцип дальнодействия заменялся фарадеевским принципом близкодействия, который утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точки к точке непрерывно и с конечной скоростью.

Концепция абсолютного пространства и абсолютного времени Ньютона не подходила к новым полевым представлениям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ и перекрывают друг друга. Кроме того, поля — это абсолютно непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет. Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами, происходящими в поле. Было ясно, что пространство и время нельзя рассматривать как самостоятельные, независимые от материи сущности. Но инерция мышления и сила привычки были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить в существование абсолютного пространства и абсолютного времени.

Первоначально в понимании пространства и времени электромагнитная картина мира исходила из убеждения, что абсолютное пустое пространство заполнено мировым эфиром. С неподвижным эфиром ученые пытались связать абсолютную систему отсчета. При этом для объяснения многих материальных явлений эфиру приходилось приписывать необычные свойства, зачастую противоречащие друг другу. Однако создание специальной теории относитель-

83

ности вынудило ученых отказаться от идеи эфира, поскольку данная теория исходила из относительности длины, времени и массы, т.е. из их зависимости от системы отсчета. Поэтому лишь к началу XX в. абсолютная концепция пространства и времени уступила место реляционной (относительной) концепции пространства и времени, в соответствии с которой пространство, время и материя существуют только вместе, полностью зависят друг от друга. При этом пространство и время являются свойствами материальных тел.

Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.

Законы электродинамики, как и законы классической механики, все еще однозначно предопределяли события, которые они описывали, поэтому случайность пытались исключить из физической картины мира. Однако в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

Не менялось в электромагнитной картине мира и представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь капризом природы. Эти взгляды еще более упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.

Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Однако дальнейшее ее развитие показало, что она имеет ограниченный характер. Главная проблема состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность ее многих свойств — заряда, излучения, действия. Оставалась также нерешенной проблема соотношения между полем и зарядом, не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, излучение абсолютно черного тела. Все

это свидетельствовало об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены новой физической картиной мира. Поэтому на смену ей пришла новая — квантовополевая — картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.

4.4. Квантово-полевая картина мира

Согласно электромагнитной картине мира окружающий человека мир представляет собой сплошную среду — поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному двигаться и т.д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира — дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта.

В рамках классической физики дискретность и непрерывность мира первоначально выступают как противоположные друг другу, отдельные и независимые, хотя в целом и взаимодополняющие свойства. В современной физике это единство противоположностей, дискретного и непрерывного нашло свое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.

В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория — квантовая механика, описывающая состояние и движение микрообъектов материального мира.

Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми опытным путем.

Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества. Они позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучить свойства элементарных частиц.

85


Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, то законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила определить строение и понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить явления ферромагнетизма, сверхтекучести, сверхпроводимости, понять природу астрофизических объектов — белых карликов, нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.

Разработка квантовой механики относится к началу XX в., когда были обнаружены физические явления, свидетельствующие о неприменимости механики Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и процессам, происходящим в атоме. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе теории привели к открытию законов квантовой механики.

Впервые в науке представления о кванте высказал в 1900 г. М. Планк в процессе исследования теплового излучения тел. Своими исследованиями он продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями — квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно и корпускулярными, и волновыми свойствами, представляя собой, таким образом, диалектическое единство этих противоположностей. Диалектика, в частности, выражается в том, что чем короче длина волны излучения, тем ярче проявляются квантовые свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света.

В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу, что корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т.е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Позднее эта идея была подтверждена экспериментально, и принцип корпускулярно-волнового дуализма был распространен на все процессы движения и взаимодействия в микромире.

В частности, Н. Бор применил идею квантования энергии к теории строения атома. Согласно его представлениям в центре атома находится положительно заряженное ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома, а вокруг ядра вращаются по орбитам отрицательно заряженные электроны. Вращающиеся электроны должны терять часть своей энергии, что влечет за собой нестабильное существование атомов. Однако на практике атомы не только существуют, но и являются весьма устойчивыми. Объясняя этот вопрос, Бор предположил, что электрон, совершая движение по своей орбите, не испускает квантов. Излучение происходит лишь при переходе электрона с одной орбиты на другую, т.е. с одного уровня энер-

86

гаи на другой, с меньшей энергией. В момент перехода и рождается квант излучения.

В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микрообъект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории движения и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Это можно сделать только через определение волновой функции в данный момент, а потом найти его волновую функцию в любой другой момент. Квадрат модуля дает вероятность нахождения частицы в данной точке пространства.

Кроме того, относительность пространства-времени в данной картине мира приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории движения микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.

Таким образом, материя двулика: она обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, которые проявляются в зависимости от условий. Отсюда общая картина реальности в квантово-полевой картине мира становится как бы двуплановой: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, а с другой — условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.

Итак, ушли в прошлое представления о неизменности материи и возможности достичь конечного предела ее делимости. Сегодня мы рассматриваем материю с точки зрения корпускулярноволнового дуализма. Одной из основных особенностей элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимозависимость. В современной физике основным материальным объектом является квантовое поле, переход его из одного состояния в другое меняет число частиц.

Кардинально меняется представление о движении, которое становится лишь частным случаем фундаментальных физических взаимодействий. Известно четыре вида фундаментальных физических взаимодействий: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Все они описываются на основе современного принципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие каждого типа передается соответствующим полем от точки к точке. При этом скорость передачи взаимодействия всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).

Окончательно утверждаются представления об относительности пространства и времени, их зависимости от материи. Пространство

87

и время перестают быть независимыми друг от друга и согласно теории относительности сливаются в едином четырехмерном пространстве-времени, которое не существует вне материальных тел.

Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов. Они соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.

Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропныи принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.

4.5. Соотношение динамических и статистических законов

Все положения физической картины мира тесно связывают физику с философией. Но одно из них прямо входит в философские основания науки — это положение о форме физических законов, отражающих причинно-следственные связи, существующие в природе.

Наука исходит из признания того, что все существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин, что все природные, социальные и психические явления связаны между собой причинноследственными связями, а беспричинных явлений не бывает. Такая позиция называется детерминизмом в противоположность индетерминизму, отрицающему объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.

В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей. Открытие этих закономерностей — существенных, повторяющихся связей между предметами и явлениями — задача науки, так же как и формулирование их в виде законов науки, которые являются нашим знанием о природных закономерностях.

Никакое научное знание, никакая научная теория не могут отразить окружающий мир, его отдельные фрагменты полностью, без упрощений и огрублений действительности. То же самое касается и законов науки. Они могут лишь в большей или меньшей степени приближаться к адекватному отображению объективных закономерностей, но искажения в ходе этого процесса неизбежны.

Поэто-

88

му для науки очень важно, какую форму имеют ее законы, насколько они соответствуют природным закономерностям.

Физика знает два типа физических законов (теорий) — динамические и статистические.

Динамический закон — это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно.

Динамической теорией является физическая теория, представляющая совокупность динамических законов. Исторически первой и наиболее простой теорией такого рода явилась классическая механика Ньютона.

Долгое время считалось, что никаких других законов, кроме динамических, не существует. Это было связано с установкой классической науки на механистичность и метафизичность, со стремлением построить любые научные теории по образцу механики Ньютона. Если какие-либо объективные процессы и закономерности не вписывались в предусмотренные динамическими законами рамки, считалось, что мы просто не знаем их причин, однако с течением времени это знание будет получено.

Такая позиция, связанная с отрицанием случайностей любого рода, с абсолютизацией динамических закономерностей и законов, называется механическим детерминизмом. Формулирование этого требования в жесткой форме обычно связывают с именем П. Лапласа, который заявлял, что если бы нашелся достаточно обширный ум, которому были бы известны для любого данного момента все силы, действующие на все тела Вселенной (от самых больших ее тел до мельчайших атомов), а также их местоположение, если бы он смог проанализировать эти данные в единой формуле движения, то не осталось бы ничего, что было бы недостоверным, и ему было бы открыто как прошлое, так и будущее Вселенной.

В середине XIX в. в физике были сформулированы законы, предсказания которых не являются определенными, а только вероятными. Они получили название статистических законов.

Так, в 1859 г. была доказана несостоятельность позиции механического детерминизма: Максвелл при построении статистической механики использовал законы нового типа и ввел в физику понятие вероятности. Это понятие было выработано ранее математикой при анализе случайных явлений.

При бросании игральной кости, как мы знаем, может выпасть любое число очков от 1 до 6. Предсказать, какое число очков выпа-

89

дет при данном броске кости, нельзя. Мы можем подсчитать лишь вероятность выпадения любого числа очков. В данном случае она будет равна 1/6. Эта вероятность имеет объективный характер, так как выражает объективные отношения реальности. Действительно, если мы бросим кость, то какая-то сторона с определенным числом очков выпадет обязательно. Это такая же строгая причинноследственная связь, как и та, что отражается динамическими законами, но она имеет другую форму, так как показывает вероятность, а не однозначность события.

Проблема в том, что для обнаружения такого рода закономерностей обычно требуется не единичное событие, а цикл событий, в результате чего мы можем получить статистические средние значения. Так, если бросить кость 300 раз, то среднее число выпадения любого значения будет равно 300 • 1/6 = 50 раз. При этом совершенно безразлично, бросать одну и ту же кость или одновременно бросить 300 одинаковых костей.

Несомненно, что поведение газовых молекул в сосуде — гораздо более сложный процесс. Но и здесь можно обнаружить определенные количественные закономерности, позволяющие вычислить статистические средние значения. Максвеллу удалось решить эту задачу и показать, что случайное поведение отдельных молекул подчинено определенному статистическому

(вероятностному) закону.

Статистические законы, в отличие от динамических, отражают однозначную связь не физических величин, а их статистических распределений. Но это такой же однозначный результат, как и в динамических теориях. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний. Различается только способ фиксации этих состояний.

На уровне статистических законов и закономерностей мы также сталкиваемся с причинностью. Но это иная, более глубокая форма детерминизма. В отличие от жесткого классического детерминизма, он может быть назван вероятностным (современным) детерминизмом. Эти законы меньше огрубляют действительность. Поэтому они способны учитывать и отражать те случайности, которые происходят в мире.

Сразу же после появления в физике понятия статистического закона возникла проблема существования статистических закономерностей и их соотношения с динамическими законами и закономерностями.

С развитием науки подход к этой проблеме и даже ее постановка менялись. Первоначально никаких сомнений в преимуществе динамических законов перед статистическими не было. Они считались временной мерой, которой можно пользоваться до открытия соответствующих динамических законов.

90

К началу XX в. стало очевидно, что нельзя отрицать роль статистических законов в описании физических явлений. Дело в том, что появлялось все больше статистических теорий, а все теоретические расчеты, проведенные в рамках этих теорий, полностью подтверждались экспериментальными данными. Результатом стало выдвижение теории равноправия динамических и статистических законов. Те и другие законы рассматривались как равноправные, но относящиеся к различным явлениям. Считалось, что каждый тип закона имеет свою сферу применения, что они не сводятся друг к другу, а взаимно дополняют друг друга. Обычно говорили, что индивидуальные объекты, простейшие формы движения должны описываться с помощью динамических законов, а большая совокупность этих же объектов, высшие, более сложные формы движения — с помощью статистических законов. Соотношение таких теорий, как термодинамика и статистическая механика, электродинамика Максвелла и электронная теория Лоренца, казалось, подтверждало это.

Ситуация в науке кардинально изменилась после возникновения и развития квантовой теории. Она привела к пересмотру всех представлений о роли динамических и статистических законов в отображении закономерностей природы. Был обнаружен статистический характер поведения отдельных элементарных частиц, никаких динамических законов в квантовой механике открыть не удалось. Таким образом, сегодня большинство ученых рассматривают статистические законы как наиболее глубокую, наиболее общую форму описания всех физических закономерностей.

После создания квантовой механики можно с полным основанием утверждать, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего мира. Статистические законы более полно отражают объективные связи в природе, являясь более высокой ступенью познания. На протяжении всей истории развития науки мы видим, как первоначально возникшие динамические теории, охватывающие определенный круг явлений, сменяются по мере развития науки статистическими теориями, описывающими тот же круг вопросов с новой, более глубокой точки зрения. Только они способны отразить случайность и вероятность, играющие огромную роль в окружающем нас мире. Только они соответствуют современному (вероятностному) детерминизму.

4.6. Принципы современной физики

Важной частью современной физической картины мира являются принципы современной физики — наиболее общие законы,

91

влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи.

Принцип симметрии

В той или иной степени представление о симметрии есть у всех людей, так как этим свойством обладают самые разные предметы, играющие важную роль в повседневной жизни.

Обычно под симметрией (от греч. symmetria — соразмерность) понимают однородность, пропорциональность, гармонию какихлибо материальных объектов.

Наглядных, классических симметрий известно довольно много. Многим творениям человеческих рук в силу самых разных причин придается симметричная форма. Симметричны мячи, многие здания и сооружения, произведения искусства. Также симметричны многие человеческие действия. Симметрию можно обнаружить в живописи, музыке, поэзии, танце. В изобилии симметрии встречаются в природе (снежинка, дождевая капля, различные кристаллы и т.д.).

Все названные нами типы симметрии связаны с представлениями о структуре предметов, которая не меняется при проведении некоторых преобразований. Долгое время это были единственные симметрии, известные в науке. Но постепенно было осознано, что симметрии могут быть не только наглядными, связанными с геометрическими операциями. Существует целый ряд симметрий, связанных с описанием каких-либо изменений сложных естественных процессов. Эти симметрии не фиксируются в наблюдениях, они становятся заметны лишь в уравнениях, описывающих природные процессы. Поэтому физики, исследуя математическое описание той или иной физической системы, время от времени открывают новые, часто неожиданные симметрии, которые достаточно тонко «запрятаны» в математическом аппарате и совсем не видны тому, кто непосредственно наблюдает физическую систему.

Поэтому сегодня математическое исследование, основанное на анализе симметрии, также может стать источником выдающихся открытий в физике. Даже если заложенные в математическом описании симметрии трудно или невозможно представить себе наглядно, тем не менее они могут указать путь к выявлению новых фундаментальных принципов природы. Поиск новых симметрий стал главным средством, помогающим физику продвигаться к более глубокому пониманию мира.

С точки зрения физики симметричным является объект, который в результате определенных преобразований остается неизмен-

92

ным, инвариантным. Инвариантность — это неизменность какойлибо величины при изменении физических условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях.

Симметрия в физике — это свойство физических величин, детально описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных их преобразованиях.

Симметрии в физике тесно связаны с законами сохранения физических величин — утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или определенных классах процессов.

Так, закон сохранения энергии вытекает из однородности времени. Время симметрично относительно начала отсчета, все момента времени равноправны.

Закон сохранения импульса следует из однородности пространства. Все точки пространства равноправны, поэтому перенос системы никак не повлияет на ее свойства.

Закон сохранения момента импульса исходит из изотропности пространства. Свойства пространства одинаковы по всем направлениям, поэтому поворот системы не влияет на ее свойства.

Также имеет место целый ряд симметрий, действующих в микромире. Они описывают различные аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов сохранения, как закон сохранения электрического заряда, барионного и лептонного зарядов и ряда других законов, открытых в последнее время. Таким образом, XX в. подтвердил огромную роль принципа симметрии в физике.

Принцип дополнительностии соотношения неопределенностей

Принцип дополнительности является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.

Прежде всего, Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя, и, конечно, измерительные приборы для регистрации элементарных частиц состоят из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами, ничем иным они быть не могут. Сам человек — существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира, — это макроскопические понятия. С их

помощью можно легко опи-

93

сать любые физические процессы, проходящие в макромире. Вместе с тем применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они неадекватны процессам микромира.

Но других понятий у нас нет и быть не может. Поэтому, чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представлений об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки зрения классической науки они взаимно исключают друг друга, — это понятия частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.

Частным выражением принципа дополнительности является соотношение неопределенностей, сформулированное В. Гейзенбергом в 1927 г. Этот принцип наглядно иллюстрирует отличие квантовой теории от классической механики.

Если в классической механике мы допускаем, что можно абсолютно точно знать координаты, импульс и энергию частицы в любой момент времени, то в квантовой механике это невозможно. В соответствии с принципом неопределенности, чем точнее фиксирован импульс, тем большая неопределенность будет содержаться в значении координаты, и наоборот. Также соотносятся энергия и время. Точность измерения энергии обратно пропорциональна длительности процесса измерения. Причина этого — во взаимодействии прибора с объектом измерения.

Принцип суперпозиции

Принцип суперпозиции (наложения) — это допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Этот принцип выполняется при условии, когда воздействующие явления не влияют друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике он неуниверсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно.

В микромире, наоборот, принцип суперпозиции — фундаментальный принцип, который наряду с принципом неопределенности составляет основу математического аппарата квантовой механики. Но, к сожалению, в квантовой теории принцип суперпозиции лишен той наглядности, которая характерна для механики Ньютона. Его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т.е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из возможных состояний.

94

Принцип соответствия

Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г., когда физики столкнулись с ситуацией, что рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, с механикой Ньютона), появились новые теории (теория относительности Эйнштейна), описывающие ту же область действительности. Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий, в частности, то, что никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.

Поэтому теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, но сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.

Каждая физическая теория как ступень познания является относительной истиной. Смена физических теорий — это процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.

Литература для самостоятельного изучения

1.Вигнер Е. Этюды о симметрии. М., 1971.

2.Воронов В.К., Гречнева М.В., Сагдеев Р.З. Основы современного естествознания. М., 1999.

3.Гудков Н.А. Идея «великого синтеза» в физике. Киев, 1990.

4.Девис П. Суперсила. М., 1989.

5.Единство физики. Новосибирск, 1993.

6.Мякишев Г.Я. Динамические и статистические закономерности в физике. М., 1973.

7.Николис Г., Пригожин И. Познание сложного. М., 1990.

8.Пахомов Б.Я. Становление современной физической картины мира. М., 1985.

9.Фундаментальная структура материи / Под ред. Д. Малви. М., 1984.

Глава 5Современные концепции физики

5.1. Структурные уровни организации материи

В самом общем виде материя представляет собой бесконечное множество всех сосуществующих в мире объектов и систем, совокупность их свойств, связей, отношений и форм движения. При этом она включает в себя не только все непосредственно наблюдаемые объекты и тела природы, но и все то, что не дано нам в ощущениях. Весь окружающий нас мир — это движущаяся материя в ее бесконечно разнообразных формах и проявлениях, со всеми свойствами, связями и отношениями. В этом мире все объекты обладают внутренней упорядоченностью и системной организацией. Упорядоченность проявляется в закономерном движении и взаимодействии всех элементов материи, благодаря чему они объединяются в системы. Весь мир, таким образом, предстает как иерархически организованная совокупность систем, где любой объект одновременно является самостоятельной системой и элементом другой, более сложной системы.

Согласно современной естественно-научной картине мира все природные объекты также представляют собой упорядоченные, структурированные, иерархически организованные системы. Исходя из системного подхода к природе вся материя делится на два больших класса материальных систем — неживую и живую природу. В системе неживой природы структурными элементами являются: элементарные частицы, атомы, молекулы, поля, макроскопические тела, планеты и планетные системы, звезды и звездные системы, галактики, метагалактики и Вселенная в целом. Соответственно в живой природе основными элементами выступают белки и нуклеиновые кислоты, клетка, одноклеточные и многоклеточные организмы, органы и ткани, популяции, биоценозы, живое вещество планеты.

В то же время как неживая, так и живая материя включают в себя ряд взаимосвязанных структурных уровней. Структура — это совокупность связей между элементами системы. Поэтому любая система состоит не только из подсистем и элементов, но и из разнообразных связей между ними. Внутри этих уровней главными являют-

96

ся горизонтальные (координационные) связи, а между уровнями — вертикальные (субординационные). Совокупность горизонтальных и вертикальных связей позволяет создать иерархическую структуру Вселенной, в которой основным квалификационным признаком является размер объекта и его масса, а также их соотношение с человеком. На основе этого критерия выделяют следующие уровни материи: микромир, макромир и мегамир.

Микромир — область предельно малых, непосредственно ненаблюдаемых материальных микрообъектов, пространственная размерность которых исчисляется в диапазоне от 10-8 до 10-16 см, а время жизни — от бесконечности до 10-24 с. Сюда относятся поля, элементарные частицы, ядра, атомы и молекулы.

Макромир — мир материальных объектов, соизмеримых по своим масштабам с человеком и его физическими параметрами. На этом уровне пространственные величины выражаются в миллиметрах, сантиметрах, метрах и километрах, а время — в секундах, минутах, часах, днях и годах. В практической действительности макромир представлен макромолекулами, веществами в различных агрегатных состояниях, живыми организмами, человеком и продуктами его деятельности, т.е. макротелами.

Мегамир — сфера огромных космических масштабов и скоростей, расстояние в которой измеряется астрономическими единицами, световыми годами и парсеками, а время существования космических объектов — миллионами и миллиардами лет. К этому уровню материи относятся наиболее крупные материальные объекты: звезды, галактики и их скопления.

На каждом из этих уровней действуют свои специфические закономерности, несводимые друг к другу. Хотя все эти три сферы мира теснейшим образом связаны между собой.

Структура мегамира

Основными структурными элементами мегамира являются планеты и планетные системы; звезды и звездные системы, образующие галактики; системы галактик, образующие метагалактики.

Планеты — несамосветящиеся небесные тела, по форме близкие к шару, вращающиеся вокруг звезд и отражающие их свет. В силу близости к Земле наиболее изученными являются планеты Солнечной системы, двигающиеся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам. К этой группе планет относится и наша Земля, расположенная от Солнца на расстоянии 150 млн. км.

Звезды — светящиеся (газовые) космические объекты, образующиеся из газово-пылевой среды (преимущественно водорода и гелия) в результате гравитационной конденсации.

Звезды удалены

97

друг от друга на огромные расстояния и тем самым изолированы друг от друга. Это означает, что звезды практически не сталкиваются друг с другом, хотя движение каждой из них определяется силой тяготения, создаваемой всеми звездами Галактики. Число звезд в Галактике — порядка триллиона. Самые многочисленные из них — карлики, массы которых примерно в 10 раз меньше массы Солнца. В зависимости от массы звёзды в процессе эволюции становятся либо белыми карликами, либо нейтронными звездами, либо черными дырами.

Белый карлик — это электронная постзвезда, образующаяся в том случае, когда звезда на последнем этапе своей эволюции имеет массу, меньшую 1,2 солнечной массы. Диаметр белого карлика равен диаметру нашей Земли, температура достигает около миллиарда градусов, а плотность — 10 т/см3 , т.е. в сотни раз больше земной плотности.

Нейтронные звезды возникают на заключительной стадии эволюции звезд, обладающих массой от 1,2 до 2 солнечных масс. Высокие температура и давление в них создают условия для образования большого количества нейтронов. В этом случае происходит очень быстрое сжатие звезды, в ходе которого в наружных ее слоях начинается бурное протекание ядерных реакций. При этом выделяется так много энергии, что происходит взрыв с разбросом наружного слоя звезды. Внутренние же ее области стремительно сжимаются. Оставшийся объект и получил название нейтронной звезды, поскольку он состоит из протонов и нейтронов. Нейтронные звезды также называют пульсарами.

Черные дыры — это звезды, находящиеся на заключительном этапе своего развития, масса которых превышает 2 солнечные массы, и имеющие диаметр от 10 до 20 км. Теоретические расчеты показали, что они обладают гигантской массой (1015 г) и аномально сильным гравитационным полем. Свое название они получили потому, что не обладают свечением, а за счет своего гравитационного поля захватывают из пространства все космические тела и излучение, которые не могут выйти из них обратно, они как бы проваливаются в них (затягиваются, как в дыру). Из-за сильной гравитации никакое захваченное материальное тело не может выйти за пределы гравитационного радиуса объекта, и поэтому они кажутся наблюдателю «черными».

Звездные системы (звездные скопления) — группы звезд, связанные между собой силами тяготения, имеющие совместное происхождение, сходный химический состав и включающие в себя до сотен тысяч отдельных звезд. Существуют рассеянные звездные системы, например Плеяды в созвездии Тельца. Такие системы не имеют правильной формы. В настоящее время известно более тысячи

98

звездных систем. Кроме того, к звездным системам относятся шаровые звездные скопления, насчитывающие в своем составе сотни тысяч звезд. Силы тяготения удерживают звезды в таких скоплениях миллиарды лет. В настоящее время ученым известно около 150 шаровых скоплений.

Галактики — совокупности звездных скоплений. Понятие «галактика» в современной интерпретации означает огромные звездные системы. Этот термин (от греч. «молоко, молочный») был введен в обиход для обозначения нашей звездной системы, представляющей собой тянущуюся через все небо светлую полосу с молочным оттенком и поэтому названную Млечным Путем.

Условно по внешнему виду галактики можно разделить на три вида. К первому (около 80%) относятся спиральные галактики. У этого вида отчетливо наблюдаются ядро и спиральные «рукава». Второй вид (около 17%) включает эллиптические галактики, т.е. такие, которые имеют форму эллипса. К третьему виду (примерно 3%) относятся галактики неправильной формы, которые не имеют отчетливо выраженного ядра. Кроме того, галактики различаются размерами, числом входящих в них звезд и светимостью. Все галактики находятся в состоянии движения, причем расстояние между ними постоянно увеличивается, т.е. происходит взаимное удаление (разбегание) галактик друг от друга.

Наша Солнечная система принадлежит к галактике Млечного Пути, включающей не менее 100 млрд. звезд и поэтому относящейся к разряду гигантских галактик. Она имеет сплюснутую форму, в центре которой находится ядро с отходящими от него спиральными «рукавами». Диаметр нашей Галактики составляет около 100 тыс., а толщина — 10 тыс. световых лет. Соседней с нами является галактика Туманность Андромеды.

Метагалактика — система галактик, включающая все известные космические объекты.

Поскольку мегамир имеет дело с большими расстояниями, то для измерения этих расстояний разработаны следующие специальные единицы:

1) световой год — расстояние, которое проходит луч света в течение одного года со скоростью 300 000 км/с, т.е. световой год составляет 10 трлн км;

2) астрономическая единица — это среднее расстояние от Земли до Солнца, 1 а.е. равна 8,3 световым минутам. Это значит, что солнечные лучи, оторвавшись от Солнца, достигают Земли через 8,3 мин;

3) парсек — единица измерения космических расстояний внутри звездных систем и между ними. 1пк — 206 265 а.е., т.е. приблизительно равен 30 трлн км, или 3,3 световым годам.

99

Структура макромира

Каждый структурный уровень материи в своем развитии подчиняется специфическим законам, но при этом между этими уровнями нет строгих и жестких границ, все они теснейшим образом связаны между собой. Границы микро- и макромира подвижны, не существует отдельного микромира и отдельного макромира. Естественно, что макрообъекты и мегаобъекты построены из микрообъектов. Тем не менее, выделим важнейшие объекты макромира.

Центральным понятием макромира является понятие вещества, которое в классической физике, являющейся физикой макромира, отделяют от поля. Под веществом понимают вид материи, обладающий массой покоя. Оно существует для нас в виде физических тел, которые обладают некоторыми общими параметрами — удельной массой, температурой, теплоемкостью, механической прочностью или упругостью, тепло- и электропроводностью, магнитными свойствами и т.п. Все эти параметры могут изменяться в широких пределах как от одного вещества к другому, так и для одного и того же вещества в зависимости от внешних условий.

Структура микромира

На рубеже XIX—XX вв. в естественно-научной картине мира произошли радикальные изменения, вызванные новейшими научными открытиями в области физики и затронувшие ее основополагающие идеи и установки. В результате научных открытий были опровергнуты традиционные представления классической физики об атомной структуре вещества. Открытие электрона означало утрату атомом статуса структурно неделимого элемента материи и тем самым коренную трансформацию классических представлений об объективной реальности. Новые открытия позволили:

1) выявить существование в объективной реальности не только макро-, но и микромира;

2) подтвердить представление об относительности истины, являющейся только ступенькой на пути познания фундаментальных свойств природы;

3) доказать, что материя состоит не из «неделимого первоэлемента» (атома), а из бесконечного многообразия явлений, видов и форм материи и их взаимосвязей.

Концепция элементарных частиц. Переход естественно-научных знаний с атомного уровня на уровень элементарных частиц привел ученых к заключению, что понятия и принципы классической физики оказываются неприменимыми к исследованию физических свойств мельчайших частиц материи (микрообъектов), таких, как

100

электроны, протоны, нейтроны, атомы, которые образуют невидимый нами микромир. В силу особых физических показателей свойства объектов микромира совершенно не похожи на свойства объектов привычного нам макромира и далекого мегамира. Отсюда возникла необходимость отказа от привычных представлений, которые навязаны нам предметами и явлениями макромира. Поиски новых способов описания микрообъектов способствовали созданию

концепции элементарных частиц.

Согласно этой концепции основными элементами структуры микромира выступают микрочастицы материи, которые не являются ни атомами, ни атомными ядрами, не содержат в себе каких-либо других элементов и обладают наиболее простыми свойствами. Такие частицы были названы элементарными, т.е. самыми простыми, не имеющими в себе никаких составных частей.

После того как было установлено, что атом не является последним «кирпичиком» мироздания, а построен из более простых элементарных частиц, их поиск занял главное место в исследованиях физиков. История открытия фундаментальных частиц началась в конце XIX в., когда в 1897 г. английский физик Дж. Томсон открыл первую элементарную частицу — электрон. История открытия всех известных сегодня элементарных частиц включает два этапа.

Первый этап приходится на 30—50-е гг. XX в. К началу 1930-х гг. были открыты протон и фотон, в 1932 г. — нейтрон, а спустя четыре года — первая античастица — позитрон, которая по массе равна электрону, но имеет положительный заряд. К концу этого периода стало известно о 32 элементарных частицах, причем каждая новая частица была связана с открытием принципиально нового круга физических явлений.

Второй этап приходится на 1960-е гг., кода общее число известных частиц превысило 200. На этом этапе основным средством открытия и исследования элементарных частиц стали ускорители заряженных частиц. В 1970-80-е гг. поток открытий новых элементарных частиц усилился, и ученые заговорили о семействах элементарных частиц. На данный момент науке известно более 350 элементарных частиц, различающихся массой, зарядом, спином, временем жизни и еще рядом физических характеристик.

Все элементарные частицы обладают некоторыми общими свойствами. Одно из них — свойство корпускулярно-волнового дуализма, т.е. наличие у всех микрообъектов как свойств волны, так и свойств вещества.

Другим общим свойством является наличие почти у всех частиц (кроме фотона и двух мезонов) своих античастиц. Античастицы — это элементарные частицы, схожие с частицами по всем признакам, но отличающиеся противоположными знаками электрического за-

101

ряда и магнитного момента. После открытия большого числа античастиц ученые заговорили о возможности существования антивещества и даже антимира. При соприкосновении вещества с антивеществом происходит процесс аннигиляции — превращение частиц и античастиц в фотоны и мезоны больших энергий (вещество превращается в излучение).

Еще одним важнейшим свойством элементарных частиц является их универсальная взаимопревращаемость. Этого свойства нет ни в макро-, ни в мегамире.

Классификация элементарных частиц. Элементарные частицы — основные «кирпичики», из которых состоит как материя, так и поле. При этом все элементарные частицы неоднородны: некоторые из них являются составными (протон, нейтрон), а другие — несоставными (электрон, нейтрино, фотон). Частицы, которые не являются составными, называют фундаментальными.

В целом элементарные частицы обладают довольно большим количеством характеристик. Некоторые из характеристик положены в основу классификации элементарных частиц.

Так, одной из важнейших характеристик частиц является их масса. Масса элементарной частицы — это масса ее покоя, которая определяется по отношению к массе покоя электрона, который, в свою очередь, считается самой легкой из всех частиц, имеющих массу. В зависимости от массы покоя все частицы можно подразделить на несколько групп:

частицы, не имеющие массы покоя. К этой группе частиц относят фотоны, движущиеся со скоростью света;

лептоны (от «лептос» — легкий) — легкие частицы (электрон и нейтрино);

мезоны (от «мезос» — средний, промежуточный) — средние частицы с массой от одной до тысячи масс электрона;

барионы (от «барос» — тяжелый) — тяжелые частицы с массой более тысячи масс электрона (протоны, нейтроны, гипероны, многие резонансы).

Второй важной характеристикой элементарных частиц является э л е к т р и ч е с к и й заряд. Он всегда кратен фундаментальной единице заряда — заряду электрона (—1), который рассматривается в качестве единицы отсчета зарядов. Заряд частиц может быть отрицательным, положительным либо нулевым. Как предполагают ученые, существуют также частицы с дробным электрическим зарядом — кварки, экспериментальное наблюдение которых пока невозможно.

Третьей характеристикой элементарных частиц служит тип ф и з и ч е с к о г о в з а и м о д е й с т в и я , в котором участвуют элементарные частицы. По данному показателю все многообразие элементарных частиц можно подразделить на три группы:

102

1)адроны (от «андрос» — крупный, сильный), участвующие в электромагнитном, сильном и слабом взаимодействии; 2) лептоны, участвующие только в электромагнитном и слабом взаимодействии;

3)частицы — переносчики взаимодействий. Частицы — переносчики взаимодействий непосредственно обеспечивают взаимодействие. К ним относятся фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия, глюоны — переносчики сильного взаимодействия, тяжелые векторные бозоны — переносчики слабого взаимодействия. Высказывается также предположение о существовании гравитонов — частиц, обеспечивающих гравитационное взаимодействие.

Четвертой основной характеристикой элементарных частиц выступает в р е м я их жизни, которое определяет их стабильность или нестабильность. По времени жизни частицы делятся на стабильные, квазистабильные и нестабильные. Большинство элементарных частиц нестабильно, время их жизни составляет 10-10 — 10-24 с, т.е. несколько микросекунд. Стабильные частицы не распадаются длительное время. Они могут существовать от бесконечности до 10-10 с. Стабильными частицами считаются фотон, нейтрино, нейтрон, протон и электрон. Квазистабильные частицы распадаются в результате электромагнитного и слабого взаимодействий, иначе их называют резонансами. Время жизни резонансов составляет от 10-24 до 10-26 с.

Важнейшей характеристикой частиц является спин — собственный момент количества движения (импульса) частицы. В классической механике такая величина характеризует вращение тела, например волчка. Но буквальный перенос этого понятия на микрочастицы теряет смысл, поскольку элементарные частицы невозможно представить вращающимися крохотными шариками. В физике спин интерпретируется как внутренняя степень свободы частицы, обеспечивающая ей дополнительное физическое состояние. В отличие от классического момента количества движения, который может принимать любые значения, спин принимает только пять возможных значений. Он может равняться целому (0, 1, 2) или полуцелому (1/2, 3/2) числу. Свойства и поведение частиц существенно зависят от того, целое или полуцелое значение имеет их спин. Частицы с полуцелым спином называются фермионами, а с целым спином — бозонами.

Фермионы — это не что иное, как частицы вещества, которые хотя и обладают волновыми свойствами, но в классическом пределе воспринимаются как истинные частицы. К ним относятся такие известные частицы, как электроны, протоны, нейтроны, спин которых равен 1/2. Известна частица, спин которой равен 3/2, — омега-гиперон. Все эти частицы обладают свойством, имеющим характер

103

закона: частицы с полуцелым спином могут находиться вместе лишь при условии, что их физические состояния, т.е. совокупность характеризующих частицу параметров, неодинаковы. Данный закон в квантовой механике называется запретом Паули. Если бы этого запрета не существовало, то еще в первые мгновения существования нашей Вселенной образовавшиеся частицы вещества слиплись и превратились в более или менее однородное «желе», не позволив образоваться современной структурной Вселенной.

Бозоны — это кванты полей, которые хотя и обладают корпускулярными свойствами, однако в классическом пределе выступают как поля. На них запрет Паули не распространяется. Примером бозонов служит фотон, спин которого равен 1, и мезон, спин которого равен 0. Возможно, существуют частицы со спином 2 — гравитоны.

Все перечисленные элементарные частицы являются переносчиками физических взаимодействий.

Теория кварков. В середине 60-х гг. XX в. число открытых адронов превысило сотню. В связи с этим возникла гипотеза, согласно которой наблюдаемые частицы не отражают предельного уровня делимости материи. На основе этой гипотезы была создана теория кварков. Ее авторами стали физики Калифорнийского университета М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг. Термин «кварк» они позаимствовали из романа Дж. Джойса «Поминки по Финнегану», герою которого снился сон, в котором летали чайки и кричали: «Три кварка для мистера Марка!». Само по себе слово «кварк» не имеет какого-либо смыслового значения и в переводе с немецкого языка оно означает «чепуха», но авторы теории понимали его как гипотетический материальный объект, существование которого еще не доказано наукой. Имея форму гипотезы, кварковая теория тем не менее позволила систематизировать известные частицы и предсказать существование новых.

Основные положения теории кварков заключаются в следующем. Аароны состоят из более мелких частиц — кварков, которые представляют собой истинно элементарные частицы и поэтому бесструктурны. Главная особенность кварков — их дробный электрический заряд. Кварки могут соединяться друг с другом двумя способами — парами и тройками. Соединение трех кварков приводит к образованию барионов, кварка и антикварка — к образованию мезонов, трех антикварков — к образованию антибарионов. Большинство образующихся частиц являются барионными и мезонными ре-зонансами. При таком соединении дробные заряды суммируются до нуля или единицы.

Кварки различаются ароматом и цветом. Аромат кварка не имеет никакого отношения к аромату, понимаемому буквально (т.е. как аромат цветов, духов и т.п.), это его особая физическая характеристика. Существует шесть видов кварков, различающихся ароматом:

104

u (up — верхний), d (down — нижний), s (strange — странный), с (charm — очарование), b (beauty — прелесть), t (top — верхний). Их обозначают первыми буквами своих названий.

Кроме того, считается, что каждый кварк имеет один их трех возможных цветов, которые самими учеными выбраны произвольно: красный, зеленый, синий. Также понятно, что цвет кварка не имеет никакого отношения к обычному оптическому цвету в макромире. Цвет кварка, как и аромат, — условное название для определенной физической характеристики этих частиц. Цвет кварка практически означает разновидность «заряда» сильного ядерного взаимодействия. «Заряд» сильного взаимодействия в физике именуется «цветом». Каждый кварк может быть носителем одного из трех основных «зарядов», или цветов, — синего, зеленого, красного. Иначе говоря, каждый кварк может иметь «заряд» красного цвета, или «заряд» синего цвета, или «заряд» зеленого цвета. Понятие цвета было введено, чтобы не отказываться от запрета Паули, так как в барионных и антибарионных частицах кварки одного аромата часто оказывались вместе. Например, протон является комбинацией кварков uud, а нейтрон — udd.

Каждому кварку соответствует антикварк с противоположным цветом (антикрасный, антизеленый и антисиний). Таким образом, 6 кварков и 6 антикварков, т.е. 12 фундаментальных частиц, призваны объяснить почти все многообразие частиц, кроме лептонов.

При объединении кварков и антикварков должны выполняться два условия:

1) суммарный электрический заряд кварков в адроне должен быть целочисленным, скомпенсированным до нуля или единицы;

2) кварки, соединяющиеся в адрон, должны полностью компен сировать свои цветовые заряды и удовлетворять признаку бесцвет ности (конфайнмент). Их цвета («заряды») соединяются так же, как в оптике, где сложение красного, синего и зеленого дает белый (бесцветный) цвет. Белый цвет дает сумма красного, зеленого, си него или красного — антикрасного, синего — антисинего и т.п.

Кварки объединяются между собой благодаря сильному взаимодействию. Переносчиками сильного взаимодействия выступают глюоны, которые как бы «склеивают» кварки между собой. Предполагается, что кварки участвуют также в электромагнитных и слабых взаимодействиях. В электромагнитном взаимодействии кварки не меняют своего цвета и аромата. В слабых взаимодействиях кварки меняют аромат, но сохраняют цвет.

Долгое время ученые пытались обнаружить кварки в многочисленных экспериментах, доводя точность измерений в них до очень высоких значений, но сделать этого не удалось. Ученым пришлось признать, что законы нашего мира запрещают существование отдельных частиц с дробным электрическим зарядом. Однако в 1969 г.

105

в Стэнфордском университете США были проведены опыты, доказавшие существование кварков. В ходе экспериментов при бомбардировке электронами протонов бьио обнаружено, что электроны как бы налетали на твердые крохотные вкрапления и отскакивали от них под самыми невероятными углами. Ученые предположили, что эти твердые вкрапления и были кварками. В настоящее время теория кварков продолжает развиваться и уточняться, поэтому ее нельзя считать окончательно сформированной.

5.2. Движение и физическое взаимодействие

Связь, взаимодействие и движение представляет собой важнейшие атрибуты материи, без которых невозможно ее существование. Долгое время в научной картине мира ведущая роль отводилась движению. Оно считалось важнейшей характеристикой материи. В широком смысле движение трактовалось как любое изменение, происходящее в природе. Но в физике движение понималось как механическое перемещение, изменение положения тела в пространстве с течением времени относительно выбранной точки отсчета. При этом признавалось, что в мире существуют и другие формы движения: биологическая, социальная, химическая, геологическая и др.

Несмотря на качественное разнообразие, у всех форм движения есть одна общая черта. Все они сводятся к взаимодействию тел, которое обусловливает соединение различных материальных элементов в системы, их структурные связи и контакты с другими материальными системами. Взаимодействие — универсальная форма движения и развития, оно определяет существование и структурную организацию любой материальной системы. Таким образом, получается, что все свойства тел производны от взаимодействий. Для всякого объекта существовать — значит взаимодействовать, т.е. каким-либо образом проявлять себя по отношению к другим телам, находиться с ними в объективных отношениях.

Взаимодействие представляет собой развертывающийся во времени и пространстве процесс воздействия одних объектов на другие путем обмена материей и движением. Взаимодействие всегда выступает как движение материи, а любое движение включает в себя различные виды взаимодействия. По существу, эти понятия совпадают, хотя часто употребляются в разных контекстах. Когда мы говорим о движении, то имеем в виду не столько внутренние изменения, основанные на структурных взаимодействиях элементов системы, сколько внешнее пространственное перемещение тел, где взаимодействия как будто не видно. Но если взглянуть глубже, то и при пространственном перемещении тел обязательно есть их взаимодействие с окружающей средой и материальными полями, в ре-

106

зультате чего изменяются свойства тел. Не существует такого движения, в содержании которого не было бы взаимодействия элементов материи. В то же время всякое взаимодействие выступает как определенное изменение и движение.

Общая характеристика физического взаимодействия

Описание процесса взаимодействия, раскрытие его механизма и форм проявления составляют одну из центральных задач всей физики. В контексте этой задачи в науке сформировались два различных способа описания механизма физического взаимодействия, основывающиеся на принципах дальнодействия и близкодействия.

Исторически первым был сформулирован принцип дальнодействия. Как было отмечено ранее, его автором стал И. Ньютон, который с помощью данного принципа пытался объяснить механизм действия гравитационных сил. Согласно принципу дальнодействия взаимодействие между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без каких-либо материальных носителей и посредников (агентов взаимодействия).

В XIX в. был сформулирован принцип близкодействия, который в настоящее время существует в двух вариантах. Первый вариант был предложен М. Фарадеем, который считал, что взаимодействие между телами переносится полем от точки к точке с конечной скоростью. В XX в. принцип близкодействия был уточнен, в его современном варианте утверждается, что каждое фундаментальное физическое взаимодействие переносится соответствующим полем от точки к точке со скоростью, не превышающей скорость света в вакууме.

Обычно при физическом взаимодействии между двумя телами происходит частичный обмен импульсом и энергией. Если рассмотреть этот процесс более детально, то мы увидим, что в один момент времени первый объект потерял доли импульса и энергии, а второй объект в следующий момент времени их приобрел. В промежутке между первым и вторым моментами времени импульс и энергия должны принадлежать какому-то третьему материальному объекту — посреднику, который должен переместиться от первого объекта ко второму, затратив на это какое-то время.

На небольших расстояниях этим дополнительным временем можно пренебречь. Так, когда мы нажимаем кнопку выключателя, свет для нас загорается практически мгновенно. Однако чтобы свет дошел от Солнца до Земли, требуется уже около 8 минут, т.е. время для переноса взаимодействия становится заметным.

Таким образом, с точки зрения современной науки физическое взаимодействие всегда подчиняется принципу близкодействия, т.е.

107

идет с некоторым запаздыванием. Но во многих задачах, описывающих механические процессы с медленно движущимися объектами, этим запаздыванием можно пренебречь и приближенно считать его нулевым. Следовательно, многие процессы можно описывать, используя приближенный принцип дальнодействия.

В XX в. физика смогла еще глубже проникнуть в тайны физического взаимодействия, понять его механизм на уровне процессов, происходящих в микромире. Также удалось свести многочисленные виды взаимодействий, известные в физике, к небольшому числу фундаментальных физических взаимодействий. Любые формы движения, изучаемые физикой, есть проявление глубинных свойств материи — так называемых фундаментальных физических взаимодействий. Это силы гравитационного, электромагнитного, сильного и слабого взаимодействий.

В основе каждого фундаментального физического взаимодействия лежит изначально присущее веществу особое свойство, природу которого удастся выяснить лишь в ходе дальнейших исследований природы вещества и вакуума. В качестве носителя способности частиц к взаимодействию, а также количественной мерой самого взаимодействия служит понятие заряда. Каждая частица изначально обладает одним или несколькими зарядами, причем между собой взаимодействуют только однотипные заряды, а заряды разных типов друг друга «не замечают». Наименьшее дискретное значение заряда — квант — называют единичным зарядом. Сила взаимодействия во всех случаях пропорциональна произведению зарядов двух взаимодействующих частиц, более сложно она зависит от расстояния между частицами.

Согласно современным представлениям любое взаимодействие происходит в соответствии с принципом близкодействия. Поэтому взаимодействие любого вида должно иметь своего физического агента, без посредника оно не протекает. В основе такого требования лежит тот факт, что скорость передачи воздействия ограничена фундаментальным пределом — скоростью света. Воздействие передается через среду, разделяющую взаимодействующие частицы. Такой средой является вакуум, который в обыденном представлении ассоциируется с пустотой. На самом деле вакуум — это реальная физическая система, поле с минимальной энергией. Из него можно получить все другие состояния поля.

Для создания модели физического взаимодействия нужно вспомнить, что материя может быть разделена на поле и вещество, которые соответственно представлены частицами-бозонами и частицами-фермионами. В процессе физического взаимодействия всегда участвуют только частицы-фермионы (частицы вещества), а переносят взаимодействие частицы-бозоны (кванты полей).

108

Таким образом, теория физического взаимодействия использует следующую модель процесса:

• заряд-фермион создает вокруг частицы поле, порождающее присущие ему частицы-бозоны. Заряд частицы возмущает вакуум, и это возмущение с затуханием передается на определенное расстояние;

• частицы поля являются виртуальными — существуют очень короткое время и в эксперименте не могут быть обнаружены;

• оказавшись в радиусе действия однотипных зарядов, две реальные частицы начинают стабильно обмениваться виртуальными бозонами: одна частица испускает бозон и тут же поглощает идентичный бозон, испущенный частицейпартнером, и наоборот;

• обмен бозонами создает эффект притяжения или отталкивания частиц-хозяев.

Таким образом, каждой частице, участвующей в одном из фундаментальных взаимодействий, соответствует своя бозонная частица — переносчик взаимодействия.

Типы взаимодействий

Рассмотрим подробнее существующие физические взаимодействия. Для каждого взаимодействия можно назвать сферу его применения и значение для строения Вселенной, заряд — носитель взаимодействия и частицу — переносчик взаимодействия, результаты взаимодействия, место среди других взаимодействий, а также особенности, отличающие от других фундаментальных взаимодействий.

Гравитационное взаимодействие первым из всех известных сегодня фундаментальных взаимодействий стало предметом исследования ученых. В классической науке оно описывается законом всемирного тяготения, согласно которому между двумя телами существует сила притяжения, которая прямо пропорциональна произведению их масс и обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними. Отсюда следует, что любая материальная частица является источником гравитационного взаимодействия и испытывает его на себе. По мере увеличения массы вещества гравитационные взаимодействия возрастают, т.е. чем больше масса взаимодействующих веществ, тем сильнее действуют гравитационные силы.

Гравитационное взаимодействие является наиболее слабым из всех известных современной науке взаимодействий, оно в 1040 раз слабее силы взаимодействия электрических зарядов. Чтобы эта величина стала понятнее, можно провести следующую аналогию: если бы размеры атома водорода определялись гравитацией, а не электромагнитными силами, то радиус электрона в нем превосходил бы радиус доступной наблюдению части Вселенной.

109

,

Гравитация, будучи очень слабой силой, тем не менее определяет строение всей Вселенной: образование всех космических систем, существование планет, звезд и галактик, концентрацию рассеянной в ходе эволюции звезд и галактик материи и включение ее в новые циклы развития. Такая огромная роль гравитационного взаимодействия определяется его универсальностью. Ничто во Вселенной не может избежать этой силы. Все тела и частицы, не только имеющие массу, а также поля, участвуют в гравитационном взаимодействии. Это было выяснено еще Ньютоном в открытом им законе всемирного тяготения, который описывает гравитационное взаимодействие. Поэтому в микромире гравитационная сила слаба, она теряется на фоне куда более могучих сил. Зато в макромире она господствует. Правда, как считают ученые, при некоторых условиях гравитация может сравняться по своей значимости с другими силами, господствующими в микромире. Для этого требуется, чтобы вещество находилось в состоянии экстремально высокой плотности, равной 1094 г/см3 (планковская плотность).

Гравитационная сила действует на очень больших расстояниях, ее интенсивность с увеличением расстояния убывает, но не исчезает полностью.

С точки зрения современной науки гравитационное взаимодействие должно происходить по предложенной нами модели. Гравитационный заряд равен инертной массе вещества. Он создает вокруг себя гравитационное поле (поле тяготения). Это поле должно иметь свою бозонную частицу. Ее назвали гравитоном. Силы тяготения являются результатом постоянного обмена между гравитонами, или гравитационными волнами. Они переносят энергию, обладают пространственно-временными свойствами, импульсом и другими характеристиками, присущими материальным объектам. Поскольку экспериментально эта частица еще не обнаружена, она считается гипотетической. Тем не менее, косвенно ее существование удалось подтвердить.

Согласно современным представлениям движение тела, обладающего массой, под действием силы вызывает возмущение своего же гравитационного поля, распространяющегося со скоростью света в форме гравитационной волны. Поскольку гравитационная сила очень мала, то ее волна имеет малую амплитуду. Даже такие грандиозные космические события, как взрыв сверхновой или коллапс массивной звезды, создают гравитационные волны, лежащие за пределами чувствительности современных регистрирующих приборов. Именно поэтому гравитоны до сих пор не обнаружены.

Для гравитации не существует противоположной эквивалентной силы отталкивания (антигравитации). Даже в антимире, если он существует, все античастицы обладают положительными значения-

110

ми массы и энергии. Поэтому гравитация всегда проявляется только как притяжение.

Электромагнитное взаимодействие обладает универсальным характером и осуществляется между любыми телами в микро-, макро-и мегамире. Благодаря электромагнитным связям возникают атомы, молекулы и макроскопические тела. Все химические реакции представляют собой проявление электромагнитных взаимодействий, являются результатами перераспределения связей между атомами в молекулах, перестройки электронных оболочек атомов и молекул, а также количества и состава атомов в молекулах разных веществ. К электромагнитному взаимодействию сводятся все обычные силы: силы упругости, трения, поверхностного натяжения; им определяются агрегатные состояния вещества, оптические явления и др.

По своей величине электромагнитные силы намного превосходят гравитационные, занимая второе место на шкале взаимодействий. Поэтому эти силы легко наблюдать даже между телами обычных размеров. Но, как и гравитационные силы, электромагнитные взаимодействия являются дальнодействующими, их действие ощутимо на больших расстояниях от источника. Как и гравитация, электромагнитное взаимодействие подчиняется закону обратных квадратов, уменьшается с расстоянием, но не исчезает.

В отличие от гравитационной силы, электромагнитные взаимодействия существуют только между заряженными частицами: электрическое поле — между двумя покоящимися заряженными частицами, магнитное — между двумя движущимися заряженными частицами.

В современной физической картине мира основой теории электромагнитного взаимодействия является теория электромагнитного поля Дж. Максвелла. Однако современная физика создала более совершенную и точную теорию электромагнетизма, в которой учтены квантово-полевые аспекты явления. Эта теория названа квантовой электродинамикой. Электрический заряд создает поле, переносчиками этого типа взаимодействия являются фотоны. В случае разноименных зарядов обмен создает эффект притяжения, а в случае одноименных — отталкивания. В этом состоит еще одно отличие электромагнитного взаимодействия от гравитационного, которое проявляется только как притяжение.

Слабое взаимодействие — третий тип фундаментального взаимодействия, которое действует только в микромире. Физической основой этого типа взаимодействия служит процесс распада частиц, поэтому его открытие произошло вслед за открытием радиоактивности. Слабое взаимодействие ответственно за превращение элементарных частиц друг в друга и играет очень важную роль не только в микромире, но и во многих явлениях космического мас-

111

штаба. Благодаря слабому взаимодействию происходят термоядерные реакции, без которых погасло бы Солнце и большинство звезд.

Слабое взаимодействие значительно слабее электромагнитного, но больше гравитационного, и в отличие от них распространяется на небольших расстояниях. Именно поэтому долгое время слабое взаимодействие экспериментально не наблюдалось.

Первая теория слабого взаимодействия была создана в 1934 г. Э. Ферми и развита в 1950-е гг. М. Гелл-Манном, Р. Фейнманом и другими учеными. В ней утверждалось, что взаимодействие между частицами происходит контактно, посредством так называемых слабых токов, а не через обмен квантами поля. Благодаря этим токам нейтроны могли превращаться в протоны, кварки одного вида — в кварки другого вида.

Однако к концу 50-х гг. XX в. новые физические исследования показали, что данная теория несовершенна, поскольку она работает только при малых энергиях частиц, участвующих во взаимодействии. Поэтому в 1960-е гг. независимо друг от друга С. Вайнберг и А. Салам решили, что трудности теории удастся преодолеть, если допустить, что слабое и электромагнитное взаимодействия — это разные проявления одного взаимодействия наподобие того, как электричество и магнетизм — два проявления единой сущности. Так появилась единая теория электрослабого взаимодействия, в рамках которой удалось построить модель слабого взаимодействия.

Модель слабого взаимодействия рассматривает два типа фундаментальных взаимодействий как проявление единого, более глубокого электрослабого взаимодействия. Так, на расстоянии более 10-17 см преобладает электромагнитный тип, а на меньших расстояниях в одинаковой степени важны и элетромагнитный, и слабый типы.

Теория электрослабого взаимодействия исходит из существования единого фундаментального заряда, отвечающего одновременно и за слабое, и за электромагнитное взаимодействия. При очень высоких температурах (энергиях), сравнимых с теми, которые имели место в первые мгновения существования Вселенной после Большого взрыва, структура вакуума нарушается, и она не может помешать проявлению такого заряда. Тогда слабое и электромагнитное взаимодействия сливаются воедино. При понижении температуры наступает критический момент, после которого вакуум переходит в иную, более упорядоченную форму. В результате заряд распадается на две части — электромагнитный и слабый заряд, а переносчик электрослабого взаимодействия — на четыре составляющих (фотон — переносчик электромагнитного взаимодействия и три тяжелых векторных бозона — переносчики слабого взаимодействия).

Объединение электромагнитного и слабого взаимодействий стало важным научным открытием, поскольку позволило успешно описать все процессы, происходящие при энергиях от долей элек-

112

тронвольта до сотен гигаэлектронвольт. Кроме того, эта теория позволила также объяснить превращение элементарных частиц друг в друга и понять сущность и механизм протекания термоядерных реакций, происходящих на Солнце и большинстве звезд.

Сильное взаимодействие, занимающее первое место по силе и являющееся источником огромной энергии, также было открыто только в XX в. Основная функция сильного взаимодействия — соединять кварки и антикварки в адроны. С его помощью ученые объяснили, почему протоны ядра атома не разлетаются под действием электромагнитных сил отталкивания.

Исходным положением теории является постулат о существовании трех типов цветовых зарядов (красного, синего, зеленого). Они присущи кваркам и выражают способность вещества к сильному взаимодействию. Цвет кварков подобен электрическому заряду. Как и электрические заряды, одноименные цвета отталкиваются, разноименные — притягиваются. Когда три кварка или кварк и антикварк объединяются в адрон, суммарная комбинация цветовых зарядов в нем такова, что адрон в целом обладает цветовой нейтральностью.

Цветовые заряды создают поля с присущими им квантами — бозонами. Переносчики сильного взаимодействия названы глюонами (от англ. glue — клей). Они, подобно фотонам, имеют спин, равный единице, и массу, равную нулю. Но электромагнитное взаимодействие является дальнодействующим, а сильное взаимодействие имеет очень ограниченный радиус действия — до 1013 см (порядка атомного ядра).

Электрический заряд есть только один, хотя он и может принимать положительные и отрицательные значения. Поэтому фотоны — переносчики электромагнитного взаимодействия — электрически нейтральны, они не переносят заряда. Когда кварки взаимодействуют друг с другом, они излучают глюоны и переходят в другое цветовое состояние. Поэтому глюоны тоже имеют цветовой заряд. Всего существует восемь глюонов — переносчиков сильного взаимодействия.

Как мы видели ранее, все фундаментальные взаимодействия зависят от расстояния между зарядами — с уменьшением расстояния между ними сила взаимодействия возрастает (обратно пропорциональная зависимость). Сильное взаимодействие тоже зависит от расстояния между цветовыми зарядами, но прямо пропорционально. Из-за особых свойств глюонного поля цветовое взаимодействие между кварками тем меньше, чем они ближе расположены друг к другу. На малых расстояниях кварки перестают влиять друг на друга и ведут себя как свободные частицы. Но как только расстояние между кварками начинает увеличиваться, сила взаимодействия возрастает. Для разделения двух частиц с цветовыми зарядами понадобилась бы бесконечно большая энергия. Лишь в первые моменты по-

113

сле Большого взрыва в силу существовавших огромных температур было возможно свободное существование кварков.

Ядерное взаимодействие. До открытия кварков и цветового взаимодействия фундаментальным считалось ядерное взаимодействие, объединяющее протоны и нейтроны в ядрах атомов. Однако с открытием кваркового уровня вещества под сильным взаимодействием стали понимать цветовые взаимодействия между кварками, объединяющимися в адроны. Ядерные силы перестали считаться фундаментальными, они должны как-то выражаться через цветные силы. Теория предполагает, что при сближении барионов (протонов и нейтронов) на расстояние меньшее, чем 10-13 см, они теряют свои индивидуальные особенности, глюонный обмен между кварками, удерживающий их в адронах, принимает коллективный характер. Таким образом, кварки всех барионов связываются в единую систему — атомное ядро.

Ядерные силы — это только отголоски цветовых сил, слабое подобие настоящего сильного взаимодействия. Не случайно для того, чтобы расколоть атомное ядро, нужна совсем небольшая энергия. Расколоть же протон или нейтрон невозможно.

Теории Великого объединения и Суперобъединения

Существование отмеченных типов физического взаимодействия логично ставит перед физиками задачу поиска единой теории взаимодействия, которая позволила бы выявить универсальность всех фундаментальных сил, объяснить все четыре типа взаимодействий и объединить их в одной теории. Создание подобной теории означало бы также построение единой теории элементарных частиц. Поэтому физики-теоретики с 70-х гг. XX в. пытаются создать теорию Великого объединения фундаментальных взаимодействий, в которой электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия будут рассматриваться как различные проявления единого поля. Основанием для возможности создания такой теории служит то обстоятельство, что на малых расстояниях (менее 10-29 см) и при большой энергии (более 1014 ГэВ) электромагнитное, сильное и слабое взаимодействия описываются одинаковым образом, а кварки и лептоны становятся практически неразличимы. Косвенно это свидетельствует об общности природы указанных типов фундаментальных взаимодействий.

Считается, что проявление этих полей возможно при сверхвысоких энергиях, существовавших на ранних этапах эволюции Вселенной. По мере понижения энергии Великое объединение сначала распадается на сильное и электрослабое взаимодействия. При дальнейшем уменьшении энергии электрослабое взаимодействие разделяется на электромагнитное и слабое.

114

Физики пытаются построить еще более грандиозную теорию Суперобъединения. Она должна объединить все четыре фундаментальных взаимодействия, включая гравитационные силы. Данная теория строится на базе суперсимметрии и теории суперструн.

В основе нашего мира лежит симметрия. Поэтому квантовая физика предполагает, что должна существовать полная симметрия в описании вещества и поля, фермионов и бозонов. Иначе говоря, между этими частицами должно существовать полное физическое равноправие, они могут переходить друг в друга. Возможность такого перехода была открыта в 1970-е гг. и получила название

суперсимметрии.

Благодаря идее суперсимметрии новую жизнь получила теория струн (сегодня ее называют теорией суперструн), создателями которой стали английский физик М. Грин и американский физик Д. Шварц. Они попытались отказаться от уже привычного описания элементарных частиц как точечных объектов. Эта теория описывает некие протяженные объекты — струны. Хотя струны являются протяженными объектами, они одномерны и представляют собой отрезки либо со свободными концами, либо соединенными в виде восьмерки. Их размеры — примерно 10-33 см (планковская длина).

В данной теории понятие струны становится синонимом понятия микрочастицы или локализованного в пространстве объекта. Все частицы, которые мы знаем и, быть может, откроем в будущем, представляют собой определенное возбужденное состояние струны. Эти возбужденные состояния струн можно сравнить с набором гармоний, вызываемых колебанием скрипичной струны. Более высокие гармонии струны будут наблюдаться как новые частицы с массой больше массы предыдущих частиц. Полагают, что высшие гармонии струн рождались только на ранних стадиях эволюции Вселенной, когда энергии было в избытке. В обычных условиях существуют лишь состояния струн с наинизшей энергией. Введение понятия струны полностью исключает точечные представления из структуры микромира, и, по сути, эта теория сводит физику к геометрии очень сложных пространств.

В теории суперструн помимо очень сложных и громоздких вычислений есть еще некоторые сложности. В частности, теория предполагает, что на тех малых расстояниях, на которых существуют струны, должны проявляться дополнительные пространственные измерения. Есть варианты теорий для 11-мерного, 26-мерного и т.д. пространств. Эти лишние измерения, возможно, компактифицированы, т.е. свернуты в точки, замкнуты на себя и не распространяются в область макромира.

Теория суперструн ведет к некоторым нетривиальным следствиям. Так, согласно расчетам, среди порожденных струнами элементарных частиц должны быть гипотетические частицы — тахионы,

115

которые имеют мнимую массу и движутся со скоростью, большей скорости света.

Подтверждение или опровержение теории суперструн, возможность или невозможность создания теории

Суперобъединения — дело будущего. Над решением этих задач работают физики-теоретики, проверить экспериментально положения теории до сих пор не удалось.

В последние годы некоторые ученые начали обсуждать возможность существования еще одного типа взаимодействий — спинторсионного, фиксирующего и передающего информацию посредством торсионного поля (поля кручения). Существуют предположения, что эти поля обладают способностью передавать информацию практически без затрат энергии. Также считается, что именно торсионные поля обеспечивают все известные сегодня парапсихиче-ские феномены и биоинформационное

(энергоинформационное) воздействие. Если существование таких полей подтвердится, то это вновь приведет к пересмотру существующей физической картины мира.

5.3. Концепции пространства и времени в

современном естествознании

В процессе создания естественно-научной картины мира возникает вопрос о происхождении и изменении различных материальных предметов и явлений, об их количественных и качественных характеристиках. Физические, химические и другие величины непосредственно или опосредованно связаны с изменением длин и длительностей, т.е. пространственно-временных характеристик объектов. Поэтому для их описания в естествознании сформировались понятия пространства и времени.

Развитие представлений о пространстве и времени

Естественно-научные представления о пространстве и времени прошли длинный путь становления и развития. Уже в античности мыслители задумывались над природой и сущностью пространства и времени, однако их рассуждения носили стихийный и нередко противоречивый характер. Реальный эмпирический базис и строгое теоретическое описание представления о пространстве и времени обрели в ходе первой глобальной научной революции и классической науке Нового времени. Это было связано с развитием механики, которая описывала движение материальных тел, происходящее одновременно в пространстве и времени.

Вершиной классического естествознания стало творчество И. Ньютона. Именно Ньютон в своей знаменитой книге

«Математические

116

начала натуральной философии» ввел господствовавшие в науке до начала XX в. понятия пространства и времени, известные как абсолютное пространство и абсолютное время. Раскрывая сущность пространства и времени, Ньютон предложил различать два типа этих понятий: абсолютные (истинные, математические) и относительные (кажущиеся, обыденные) пространство и время.

Абсолютное пространство предстает как универсальное вместилище себя и всего существующего в мире. Оно безотносительно к чему бы то ни было внешнему, всегда остается одинаковым и неподвижным. Его можно попытаться представить в виде гигантского «черного ящика», в который можно поместить или убрать из него любые материальные тела.

Относительное пространство есть мера или какая-либо ограниченная подвижная часть, которая определяется нашими чувствами по положению ее относительно некоторых тел и в обыденной жизни принимается за пространство неподвижное.

Абсолютное время предстает как универсальная длительность любых процессов во Вселенной. Оно само по себе, без всякого отношения к чему-либо внешнему протекает равномерно. Абсолютное время можно представить в образе гигантской реки, которая будет течь, даже если не будет никаких материальных тел.

Относительное время есть или точная, или изменчивая, постигаемая чувствами внешняя мера продолжительности. Она употребляется в обыденной жизни вместо истинного математического времени. Это — минута, час, день, месяц, год.

С точки зрения этой концепции абсолютные пространство, время и материя представляют три независимые друг от друга сущности.

Некоторые философы и ученые, не соглашаясь с Ньютоном, выступили с критикой его взглядов. Среди них был давний научный соперник Ньютона Г. Лейбниц. Он предложил реляционную концепцию пространства и времени, отказывающую им в самостоятельном, независимом от материи существовании. Лейбниц рассматривал пространство как порядок сосуществования тел, а время — как порядок отношения и последовательность событий. Иными словами, он говорил о неразрывной связи материи с пространством и временем.

Однако взгляды Лейбница не смогли переубедить ученых, уверенных в правоте Ньютона. Сформулированные им законы движения и закон всемирного тяготения, ставшие основой классической механики, основывались на понятиях абсолютного пространства и времени. Поэтому на некоторые недостатки идей Ньютона предпочли не обращать внимания. Лишь в середине XIX в., когда Максвеллом была создана теория электромагнитного поля, ученым пришлось признать возможность ошибки, задуматься о замене абсо-

117

лютного пространства и времени относительными. Тем не менее утверждение новых взглядов на пространство и время произошло только в начале XX в. после создания А. Эйнштейном теории относительности. Пространство и время стали пониматься как атрибуты материи, свойства материальных тел, существующие только вместе друг с другом и с движущейся материей.

Теория относительности

Теория относительности стала результатом обобщения и синтеза классической механики Ньютона и электродинамики Максвелла, между которыми с середины XIX в. возникли серьезные противоречия. Так, в механике господствовал классический принцип относительности Галилея, утверждавший равноправность всех инерциаль-ных систем отсчета, а в электродинамике — концепция эфира, или ненаблюдаемой среды, заполняющей мировое пространство и являющейся абсолютной системой координат. Иными словами, в электродинамике выделялась одна система координат, имевшая предпочтение перед всеми другими системами.

Ряд ученых попытались решить данное противоречие. Среди них был нидерландский физик X. Лоренц, который вывел математические уравнения, называемые сегодня преобразованиями Лоренца, для вычисления реальных сокращений движущихся тел и промежутков времени между событиями, происходящими на этих телах, в зависимости от скорости движения.

А в 1905 г. в журнале «Анналы физики» появилась статья неизвестного тогда еще А. Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел». В ней и были сформулированы основы специальной теории относительности.

Специальная теория относительности. Около десяти лет размышлял Эйнштейн над проблемой влияния скорости движения тел на электромагнитные явления. В результате он пришел к выводу о невозможности существования ньютоновского абсолютного пространства и времени, так как это противоречит принципу относительности Галилея. Таким образом, Эйнштейн смог увидеть, что за рассуждениями Галилея скрывается принципиально иное представление о пространстве и времени. Сам Эйнштейн считал, что принцип относительности является квинтэссенцией классической механики, и поэтому должен быть сохранен. От концепции абсолютного пространства и времени, как не имеющих реального физического содержания, следовало отказаться.

Специальная теория относительности (СТО) базируется на двух постулатах. Первый постулат СТО — расширенный принцип относительности. Он уравнивал между собой не только инерциальные

118

системы, движущиеся равномерно и прямолинейно друг относительно друга, но и распространил действие принципа на законы электродинамики.

Классический принцип относительности Галилея очень прост. Он всего лишь заявляет, что между покоем и движением, если оно прямолинейно и равномерно, нет никакой принципиальной разницы. Разница лишь в точке зрения. Для путешественника, плывущего на корабле, книга, лежащая у него в каюте на столе, покоится, но для человека на берегу эта книга плывет вместе с кораблем. В данном примере бессмысленно спрашивать, движется или покоится книга. Такой спор был бы пустой тратой времени. Наблюдателям нужно лишь согласовать свои позиции и признать, что книга покоится относительно корабля и движется относительно берега вместе с кораблем.

Таким образом, слово «относительность» в названии принципа Галилея не скрывает в себе ничего особенного. Оно не имеет никакого иного смысла, кроме того, который мы вкладываем в утверждение о том, что движение или покой — всегда движение или покой относительно чего-то, что служит нам системой отсчета. Это, конечно, не означает, что между покоем и равномерным движением нет никакой разницы. Но понятия покоя и движения приобретают смысл лишь тогда, когда указана точка отсчета.

Эйнштейн развил классический принцип относительности и пришел к выводу, что этот принцип является всеобщим и действует не только в механике, но и в электродинамике.

Второй постулат СТО Эйнштейн позаимствовал из электродинамики — это принцип постоянства скорости света, которая в вакууме примерно равна 300 000 км/с. Второй постулат говорит о постоянстве скорости света во всех инерциальных системах отсчета. Он связан с принципом относительности, в соответствии с которым если и существует максимальная скорость, то она должна быть одинаковой во всех инерциальных системах отсчета.

Но почему так важна эта скорость, что суждение о ней приравнивается к принципу относительности? Дело в том, что скорость света — самая большая из всех скоростей в природе, предельная скорость физических взаимодействий, одна из немногих фундаментальных физических констант нашего мира.

Движение света принципиально отличается от движения всех других тел, скорость которых меньше скорости света. Скорости этих тел всегда складываются с другими скоростями. В этом смысле скорости относительны, их величина зависит от точки зрения (как в приведенном выше примере). Скорость света не складывается с другими скоростями, она абсолютна, всегда одна и та же, и, говоря о ней, нам не нужно указывать систему отсчета.

119

Скорость света — это верхний предел для скорости перемещения любых тел в природе, для скорости распространения любых волн и сигналов. Она максимальна — это абсолютный рекорд скорости. Она является предельной скоростью любых физических взаимодействий, да и вообще всех мыслимых взаимодействий в мире. Если бы это было не так, нарушился бы фундаментальный закон причинности, утверждающий, что причина всегда предшествует следствию. Тогда разрушилась бы логическая связь событий во Вселенной, в мире воцарился абсолютный хаос и случайность.

Разумеется, все сказанное нами о скорости света, противоречит тому, что мы видим в окружающем нас мире. Более того, одновременное действие этих двух постулатов кажется невозможным. Чтобы решить данный парадокс, Эйнштейн обращается к анализу проблемы одновременности, которая и составляет суть теории относительности.

Классическая физика решала эту проблему очень просто в рамках концепции абсолютного времени, в соответствии с которой любые события во всех точках Вселенной совершались в рамках одной системы отсчета (абсолютного времени). Поэтому одновременность событий считалась реально существующим фактом.

Чтобы доказать существование одновременности, нужно иметь в двух точках пространства, в которых находятся интересующие нас объекты, одинаково устроенные, синхронно идущие часы. Синхронизировать эти часы можно, воспользовавшись световыми сигналами, которые будут направляться из одной точки в другую, а потом возвращаться обратно. Если часы при этом будут показывать одинаковое время, значит, события в данных точках протекают одновременно. Если бы свет распространялся мгновенно, проблемы бы не существовало. Но так как свет обладает конечной скоростью, то наши сигналы в разных точках покажут разные результаты. Таким образом, события, одновременные для одного наблюдателя, окажутся неодновременными для другого. Следовательно, понятие одновременности всегда относительно.

Из нового понимания одновременности вытекают важнейшие выводы специальной теории относительности, которые известны под названием релятивистских эффектов. Относительными становятся не только скорости и траектории тел, как в классической механике, но и пространственно-временные характеристики тел, традиционно считавшиеся неизменными, — линейные размеры, масса и время протекания процессов. Оказывается, эти свойства зависят от скорости движения тел. Правда, изменения линейных размеров, массы и времени протекания процессов становятся заметными, если измерять их из другой системы, движущейся относительно первой системы с иной скоростью. При этом скорость движения наблюдаемой системы должна быть очень большой, сравнимой со скоро-

120

стью света. Таким образом, релятивистские эффекты — это изменения пространственно-временных характеристик тел, заметные на больших скоростях, сравнимых со скоростью света. Их три:1)сокращение линейных размеров тела в направлении его движения. Чем ближе скорость космического корабля, пролетающего мимо неподвижного наблюдателя, к скорости света, тем меньше будут его размеры для наблюдателя. Если бы корабль смог двигаться со скоростью света, то его наблюдаемая длина оказалась бы равной нулю, что невозможно;

2) увеличение массы быстродвижущихся тел. Масса движущегося тела с точки зрения неподвижного наблюдателя оказывается больше массы покоя того же тела. Чем ближе скорость тела к скорости света, тем больше возрастает его масса. Если бы тело смогло двигаться со скоростью света, то его масса возросла бы до бесконечности, что невозможно. Поэтому никакое тело с массой, отличной от нуля, нельзя разогнать до скорости света, так как это потребовало бы бесконечной энергии. В связи с этим появилась самая известная формула теории относительности, связывающая массу и энергию. Эйнштейну удалось доказать, что масса тела есть мера содержащейся в нем энергии: Е = тс2 ;

3) замедление времени в быстродвижущихся телах. Так, в быстро летящем космическом корабле время течет медленнее, чем для неподвижного наблюдателя. Эффект замедления времени на космическом корабле сказался бы не только на часах, но на всех процессах, протекающих в этом корабле, в том числе и на биологических ритмах его экипажа. Чтобы проиллюстрировать эту ситуацию был предложен так называемый парадокс близнецов. Если бы из двух близнецов один остался на Земле, а другой улетел к звездам, то космонавт с точки зрения земного наблюдателя старился бы медленнее, чем его брат-близнец. Поэтому после возвращения домой космонавт обнаружил бы, что брат значительно старше его. Интересно, что чем дальше совершается полет и чем ближе скорость корабля к скорости света, тем большей будет разница в возрасте между близнецами. Она может измеряться даже сотнями и тысячами лет, в результате чего экипаж корабля сразу перенесется в близкое или более отдаленное будущее, минуя промежуточное время, поскольку ракета вместе с экипажем выпала из хода развития на Земле.

Таким образом, специальная теория относительности утверждает, что пространство и время нельзя рассматривать изолированно друг от друга. На основании этих выводов в 1907 г. немецкий математик Г. Минковский высказал предположение, что три пространственных и одна временная размерность любых материальных тел тесно связаны между собой. Все события во Вселенной происходят в едином четырехмерном пространствевремени.

121

Обшая теория относительности. В рамках общей теории относительности, которая создавалась в течение десяти лет, с 1906 по 1916 г., А. Эйнштейн обратился к проблеме тяготения, давно привлекавшей к себе внимание ученых. Поэтому общую теорию относительности часто называют теорией тяготения. В ней были раскрыты новые стороны зависимости пространственно-временных отношений от материальных процессов. Общая теория относительности основывается уже не на двух, а на трех постулатах.

Первый постулат общей теории относительности — расширенный принцип относительности, который утверждает инвариантность законов природы в любых системах отсчета, как инерциальных, так и неинерциальных, движущихся с ускорением или замедлением. Он говорит о том, что нельзя приписывать абсолютный характер не только скорости, но и ускорению, которое имеет конкретный смысл только по отношению к фактору, его определяющему.

Второй постулат — принцип постоянства скорости света — остается неизменным.

Третий постулат — принцип эквивалентности инертной и гравитационной масс. Этот факт был известен еще в классической механике. Теоретический анализ, который был сделан ученым, позволил сделать вывод, что физика не знает способа отличить эффект гравитации от эффекта ускорения. Иначе говоря, кинематические эффекты, возникающие под действием гравитационных сил, эквивалентны эффектам, возникающим под действием ускорения. Так, если ракета взлетает с ускорением 2g, то экипаж ракеты будет чувствовать себя так, как будто он находится в удвоенном поле тяжести Земли.

Важнейшим выводом общей теории относительности стала идея, что изменение геометрических (пространственных) и временных характеристик тел происходит не только при движении с большими скоростями, как это было доказано специальной теорией относительности, но и в гравитационных полях.

Сделанный вывод неразрывно связывал общую теорию относительности с геометрией, но общепризнанная геометрия Евклида для этого не годилась. Эйнштейн использовал геометрию Б. Римана, которая верна для поверхности сферы, и сделал вывод о кривизне пространства-времени.

Как можно представить себе искривление пространства, о котором говорит общая теория относительности? Представим себе очень тонкий лист резины и будем считать, что это модель пространства. Расположим на этом листе большие и маленькие шарики — модели звезд и планет. Шарик будет прогибать лист резины тем больше, чем больше его масса. Это наглядно демонстрирует зависимость кривизны пространства-времени от массы тела, подтверждает правоту Римана.

122

Теория относительности установила не только искривление пространства под действием полей тяготения, но и замедление хода времени в сильных гравитационных полях. Даже тяготение Солнца, достаточно небольшой по космическим меркам звезды, влияет на темп протекания времени, замедляя его вблизи себя. Поэтому, если мы пошлем радиосигнал в какую-то точку, путь к которой проходит рядом с Солнцем, путешествие радиосигнала займет в таком случае больше времени, чем тогда, когда на пути этого сигнала, отправленного на такое же расстояние, Солнца не будет. Задержка сигнала при его прохождении вблизи Солнца составляет около 0,0002 с. Такие эксперименты проводились, начиная с 1966 г., в качестве отражателя использовались как поверхности планет (Меркурия, Венеры), так и оборудование межпланетных станций.

Одно из самых фантастических предсказаний общей теории относительности — полная остановка времени в очень сильном поле тяготения. Замедление времени тем больше, чем сильнее тяготение. Гравитационное замедление времени, мерой и свидетельством которого служит красное смещение, очень значительно вблизи нейтронных звезд, а у гравитационного радиуса черной дыры оно столь велико, что время там, с точки зрения внешнего наблюдателя, просто замирает.

Существование черных дыр было предсказано общей теорией относительности. Если бы наше светило вдруг сжалось и превратилось в шар с радиусом в 3 км или меньше (радиус Солнца равен 700 000 км), оно превратилось бы в черную дыру. Из-за такого сжатия сила тяготения на поверхности, откуда исходит свет, возрастет настолько, что гравитационное красное смещение окажется действительно бесконечным. Солнце просто станет невидимым, ни один фотон не вылетит за его пределы. С нашим Солнцем такого не случится, а вот звезды, превосходящие Солнце по массе в 3 раза, в конце своей эволюции превращаются в такие объекты.

Свойства пространства-времени

Поскольку пространство и время неотделимы от материи, правильнее было бы говорить о пространственно-временных свойствах и отношениях материальных систем. Однако при познании пространства и времени ученые часто абстрагируются от их материального содержания, рассматривая их как самостоятельные формы бытия. В учебных целях свойства пространства и времени также рассматриваются отдельно.

Общие свойства пространства. Общими свойствами пространства являются:

1) протяженность, понимая как рядоположенность, существование и связь различных элементов (точек, отрезков, объемов и др.),

123

возможность прибавления к каждому данному элементу некоторого следующего элемента либо возможность уменьшения числа элементов. Протяженность пространства проявляется как единство прерывности и непрерывности в его структуре. Для пространства в целом характерно отсутствие каких-либо «разрывов» и нарушений в распространении взаимодействий в природе. Но для отдельных материальных тел свойственна относительная прерывность, которая проявляется в раздельном существовании материальных объектов и систем, имеющих определенные размеры и границы;

2) трехмерность, в соответствии с которой все материальные процессы и явления, известные нам, реализуются в пространстве трех измерений, т.е. обладают длиной, шириной и высотой. Это общее свойство, которое обнаруживается на всех известных структурных уровнях организации материи и органически связано со структурностью систем и их движением.

Общие свойства времени. Общими свойствами времени являются:

1) длительность, которая выступает как последовательность сменяющих друг друга моментов или состояний, возникновение за каждым данным интервалом времени последующего. Длительность предполагает возможность прибавления к каждому данному момен ту времени другого, а также возможность деления любого отрезка времени на меньшие интервалы.

Длительность бытия объектов во времени выступает как единство прерывного и непрерывного. Общая непрерывность времени проявляется в постоянном переходе предшествующих состояний в последующие. Прежде чем произойдет какое-либо явление в будущем, должны осуществиться все предшествующие ему изменения в прошлом. Но конкретные объекты материального мира имеют начало и конец, определенную длительность, т.е. существуют конечный период. Поэтому можно говорить о прерывности бытия конечных материальных объектов, хотя она и относительна, так как между всеми сменяющими друг друга качествами имеется внутренняя связь и непрерывный переход;

2) необратимость времени — общее свойство времени, означаю щее однонаправленное изменение от прошлого к будущему. Про шлое порождает настоящее и будущее, переходит в них. К прошлому относятся все те события, которые уже осуществились и преврати лись в последующие. Будущие события — это те, которые возникнут из настоящих и непосредственно предшествующих им событий. На стоящее охватывает все те объекты, системы и процессы, которые реально существуют и способны к взаимодействию между собой.

Понятие настоящего, так же как и понятие современности, многозначно, так как охватывает различные временные интервалы. Так, для человека предельно суженное настоящее — это сиюсекундное переживание, фиксируемое с большим трудом; для элемен-

124

тарных частиц — очень малые отрезки, которые для Галактики возрастают до сотни тысяч лет, а в больших системах будут еще более значительными;

3) одномерность времени, проявляющаяся в линейной последовательности событий, генетически связанных между собой. Если для определения положения тела в пространстве необходимо задать три координаты, то для определения времени достаточно одной.

Общие свойства пространства и времени проявляются на всех структурных уровнях организации материи. У некоторых классов материальных объектов проявляются дополнительные, локальные свойства пространства и времени.

Так, в макромире все материальные тела имеют конкретные пространственные формы, размеры, скорости перемещения и т.д. Все материальные тела и процессы имеют конкретную длительность своего существования.

Также у материальных тел проявляются разные виды симметрии или асимметрии. В целом пространству присущи свойства изотропности и однородности. Изотропность — это отсутствие вьщеленных направлений (верх, низ и т.д.), независимость свойств тел, движущихся по инерции, от направления их движения. Однородность — это одинаковость свойств пространства по всем направлениям. Но в структуре отдельных тел можно отметить анизотропию (тела расщепляются в одних направлениях лучше, чем в других) и неоднородность.

Изучение пространства и времени продолжается и сегодня. Есть интересные исследования о социальном и биологическом пространстве и времени, гипотезы о природе времени.

Литература для самостоятельного изучения

1. Анисимов А. Что нас ждет в торсионном поле // Человек. 1994. № 5.

2. Вайнберг С. Открытие субатомных частиц. М., 1986.

3. Винокуров И., Гуртовой Г. Психотронная война. М., 1993.

4. Девис П. Суперсила. М., 1989.

5. Зигель Ф.Ю. Неисчерпаемость бесконечности. М., 1984.

6. Новиков И.Д. Куда течет река времени? М., 1990.

7. Пайерлс Р. Частицы и силы // Фундаментальная структура материи. М., 1984.

8. Паркер Б. Мечта Эйнштейна. В поисках единой теории строения Вселенной. М., 1991.

9. Фундаментальная структура материи / Под ред. Д. Малви. М.,

1984.

10.Хелзин Ф., Мартин А. Лептоны и кварки. М., 1987.

11.Хокинг С. Краткая история времени. СПб., 2001.

Глава 6Современные космологические концепции

6.1. Космология и космогония

Окружающий нас мир при всем его многообразии и изменчивости — не хаотическое скопление предметов и событий, а единое системное образование. В природе отчетливо просматривается многоступенчатая иерархия структурных уровней организации материи от элементарных частиц до крупномасштабных галактик. Каждый структурный уровень характеризуется специфической организацией и размерами, каждая ступень иерархической лестницы закономерно связана с другими. Благодаря взаимным связям этот огромный и разнообразный мир предстает перед нами как гармония, полная загадок и тайн. Большая их часть связана с вопросами происхождения и устройства Вселенной, ответы на которые дают космология, космогония и астрономия.

Космология

Начиная с самых ранних этапов своей истории человек стремился понять, как устроен окружающий мир, что такое звезды, планеты, солнце, как они возникли. Многовековые попытки дать ответы на эти вопросы привели к возникновению космологии.

Космология — астрофизическая теория структуры и динамики изменения Метагалактики, включающая в себя и определенное понимание свойств всей Вселенной.

Сам термин «космология» образован от двух греческих слов: kosmos — Вселенная и logos — закон, учение. По своей сути космология представляет собой раздел естествознания, использующий достижения и методы астрономии, физики, математики, философии. Естественно-научной базой космологии являются астрономические наблюдения Галактики и других звездных систем, общая

126

теория относительности, физика микропроцессов и высоких плотностей энергии, релятивистская термодинамика и ряд других новейших физических теорий.

Многие положения современной космологии кажутся фантастическими. Понятия Вселенной, бесконечности, Большого взрыва не поддаются наглядному физическому восприятию; такие объекты и процессы нельзя зафиксировать непосредственно. Из-за этого обстоятельства складывается впечатление, что речь идет о чемто сверхъестественном. Но такое впечатление обманчиво, поскольку функционирование космологии носит весьма конструктивный характер, хотя многие ее положения и оказываются гипотетичными.

Современная космология — это раздел астрономии, в котором объединены данные физики и математики, а также универсальные философские принципы, поэтому она представляет собой синтез научных и философских знаний. Такой синтез в космологии необходим, поскольку размышления о происхождении и устройстве Вселенной эмпирически трудно проверяемы и чаще всего существуют в виде теоретических гипотез или математических моделей. Космологические исследования обычно развиваются от теории к практике, от модели к эксперименту, и здесь исходные философские и общенаучные установки приобретают большое значение. По этой причине космологические модели существенно различаются между собой — в их основе зачастую лежат противоположные исходные философские принципы. В свою очередь, любые космологические выводы также влияют на общефилософские представления об устройстве Вселенной, т.е. изменяют фундаментальные представления человека о мире и самом себе.

Важнейший постулат современной космологии заключается в том, что законы природы, установленные на основе изучения весьма ограниченной части Вселенной, могут быть экстраполированы на гораздо более широкие области, а в конечном счете и на всю Вселенную. Космологические теории различаются в зависимости от того, какие физические принципы и законы положены в их основу. Построенные на их базе модели должны допускать проверку для наблюдаемой области Вселенной, а выводы теории — подтверждаться наблюдениями или во всяком случае не противоречить им.

Космогония

В Новое время рождается космогония.

Космогония — наука о происхождении и развитии космических тел и их систем.

127

Таким образом, космогония изучает звезды и звездные системы, галактики, туманности, Солнечную систему и все входящие в нее тела — планеты, спутники, астероиды, кометы и метеориты. Первоначально космогонические гипотезы касались только Солнечной системы. Лишь в XX в. появилась возможность начать серьезное изучение происхождения и развития звезд и галактик.

6.2. Космологические модели Вселенной

Результаты познания, получаемые в космологии, оформляются в виде моделей происхождения и развития Вселенной. Это связано с тем, что в космологии невозможно поставить воспроизводимые эксперименты и вывести из них какие-то законы, как это делается в других естественных науках. Кроме того, каждое космическое явление уникально. Поэтому космология оперирует моделями.

Формирование классической космологической модели

Уже древние мудрецы задавались вопросом о происхождении и устройстве Вселенной. Их взгляды и идеи были неотъемлемым компонентом философских систем древности. Эти первые космологические идеи, сохранившиеся до наших дней в виде мифов, основывались на астрономических наблюдениях. Жрецам Вавилона, Египта, Индии и Китая удалось точно вычислить продолжительность года, повторяемость солнечных и лунных затмений. Наблюдая за небесными телами, они смогли выявить две группы небесных тел: подвижные и неподвижные. Множество звезд долгое время считались неподвижными объектами. К числу подвижных тел относились Луна, Солнце и пять известных в то время планет, названных именами богов (впервые это было сделано в Вавилоне, сегодня же мы используем в качестве названий планет имена римских богов) — Меркурий, Венера, Марс, Юпитер и Сатурн. В их честь неделя была разделена на семь дней, каждый из которых в существующей и сегодня астрологической традиции связан с одним из подвижных тел. Из наблюдения видимого движения Солнца по небесной сфере были открыты двенадцать так называемых зодиакальных созвездий.

После того как появилась философия, пришедшая вместе с наукой на смену мифологии, ответ на «вечные» вопросы стали искать в основном в рамках философских концепций. В античности появилось несколько интересных космологических моделей Вселенной, принадлежащих Пифагору, Демокриту, Платону. Тогда же возникли и первые гелиоцентрические модели Вселенной. Так, Гераклид Понтийский признавал суточное вращение Земли и ее движение

128

вокруг покоящегося Солнца. Аристарх Самосский выдвигал идею о том, что Земля вращается по окружности, центром которой служит Солнце. Но гелиоцентрические идеи были отвергнуты большинством античных мыслителей, и общепризнанным итогом античной космологии стала геоцентрическая концепция, сформулированная Аристотелем и усовершенствованная Птолемеем. Данная модель просуществовала в течение всего Средневековья. Она была очень сложной, так как для компенсации видимого движения планет, совершающих петлеобразные движения, пришлось ввести систему деферентов и эпициклов.

С приходом Нового времени философия уступила свое первенство в создании космологических моделей науке, которая добилась особенно больших успехов в XX в., перейдя от различных догадок к достаточно обоснованным фактам, гипотезам и теориям. Первым результатом стало появление в XVI в. гелиоцентрической модели Вселенной, автором которой стал Николай Коперник. В этой модели Вселенная все еще представляла собой замкнутую сферу, в центре которой находилось Солнце, а вокруг него вращались планеты, в том числе и Земля.

Успехи космологии и космогонии в XVIII—XIX вв. завершились созданием классической полицентрической картины мира, ставшей начальным этапом развития научной космологии. Данная модель достаточно проста и понятна. Вселенная считается бесконечной в пространстве и во времени, иными словами, вечной. Основным законом, управляющим движением и развитием небесных тел, является закон всемирного тяготения. Пространство никак не связано с находящимися в нем телами, играя пассивную роль вместилища для этих тел. Время также не зависит от материи, являясь универсальной длительностью всех природных явлений и тел. Исчезни вдруг все тела, пространство и время сохранились бы неизменными. Количество звезд, планет и звездных систем во Вселенной бесконечно велико. Каждое небесное тело проходит длительный жизненный путь. На смену погибшим, точнее, погасшим, звездам приходят новые, молодые светила. Хотя детали возникновения и гибели небесных тел оставались неясными, в основном эта модель казалась стройной и логически непротиворечивой. В таком виде классическая полицентрическая модель просуществовала в науке вплоть до начала XX в.

Однако в данной модели Вселенной было несколько недостатков. Закон всемирного тяготения объяснял центростремительное ускорение планет, но не говорил, откуда взялось стремление планет, а также любых материальных тел двигаться равномерно и прямолинейно. Для объяснения инерциального движения пришлось допустить существование в ней божественного «первотолчка», приведшего в движение все материальные тела. Кроме того, для кор-

129

рекции орбит космических тел также допускалось вмешательство Бога. Таким образом, классическая полицентрическая модель Вселенной лишь частично носила научный характер, она не смогла дать научного объяснения происхождения Вселенной и поэтому была заменена другими моделями.

Космологические парадоксы

К концу XIX в. появились серьезные сомнения в классической космологической модели. Они приняли форму так называемых космологических парадоксов — фотометрического, гравитационного и термодинамического.

Фотометрический парадокс. Еще в XVIII в. швейцарский астроном Р. Шезо высказал сомнения в пространственной бесконечности Вселенной. Если предположить, утверждал Шезо, что в бесконечной Вселенной существует бесконечное множество звезд и они распределены в пространстве равномерно, то тогда по любому направлению взгляд земного наблюдателя непременно натыкался бы на какую-нибудь звезду. Тогда небосвод, сплошь усеянный звездами, имел бы бесконечную светимость, т.е. такую поверхностную яркость, что даже Солнце на его фоне казалось бы черным пятном. Однако этого не происходит. Независимо от Шезо к аналогичным же выводам пришел известный немецкий астроном Ф. Ольберс. Это парадоксальное утверждение получило в астрономии наименование фотометрического парадокса Шезо— Ольберса. Таков был первый космологический парадокс, поставивший под сомнение пространственную бесконечность Вселенной.

Гравитационный парадокс. В конце XIX в. немецкий астроном К. Зеелигер обратил внимание на другой парадокс, также неизбежно вытекавший из представлений о бесконечности Вселенной. Он получил название гравитационного парадокса. Нетрудно подсчитать, что в бесконечной Вселенной с равномерно распределенными в ней телами сила тяготения со стороны всех тел Вселенной на данное тело оказывается бесконечно большой или неопределенной. Результат зависит от способа вычисления. Поскольку этого не происходит, Зеелигер сделал вывод, что количество небесных тел во Вселенной ограничено, а значит, и сама Вселенная не бесконечна.

Термодинамический парадокс. Третий, термодинамический, парадокс также был сформулирован в XIX в. Он вытекает из второго начала термодинамики — принципа возрастания энтропии. Мир полон энергии, которая подчиняется важнейшему закону природы — закону сохранения энергии. Казалось бы, из этого закона неизбежно вытекает вечный круговорот материи во Вселенной. В самом деле, если в природе при всех изменениях материи она не исчезает и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы суще-

130

ствования в другую, то Вселенная вечна, а материя, ее составляющая, пребывает в вечном круговороте. Таким образом, погасшие звезды снова превращаются в источник света и тепла. Никто, конечно, не знал, как это происходит, но убеждение в том, что Вселенная в целом всегда одна и та же, было в то время почти всеобщим.

Тем неожиданнее прозвучал вывод из второго начала термодинамики, открытого в середине XIX в. англичанином Кельвином и немецким физиком Клаузиусом. При всех превращениях различные виды энергии в конечном счете переходят в тепло, которое, будучи предоставлено себе, стремится к состоянию термодинамического равновесия, т.е. рассеивается в пространстве. Так как процесс рассеяния тепла необратим, то рано или поздно все звезды погаснут, все активные процессы в природе прекратятся и Вселенная превратится в мрачное замерзшее кладбище. Наступит тепловая смерть Вселенной.

Встать на позицию Клаузиуса — значит признать, что Вселенная имела когда-то начало и неизбежно будет иметь конец. Действительно, если бы в прошлом Вселенная существовала вечно, то в ней давно наступило бы состояние тепловой смерти, а так как этого нет, то, по убеждению Клаузиуса и многих других его современников, Вселенная была сотворена сравнительно недавно, а в будущем, если не случится какого-нибудь чуда, Вселенную ждет тепловая смерть.

Таким образом, концепция тепловой смерти Вселенной, термодинамический парадокс подставили под сомнение вопрос о вечности Вселенной во времени. Три космологических парадокса заставили ученых усомниться в классической космологической модели Вселенной, побудили их к поискам новых непротиворечивых моделей.

Релятивистская модель Вселенной

Новая модель Вселенной была создана в 1917 г. А. Эйнштейном. Ее основу составила релятивистская теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн отказался от постулатов абсолютности и бесконечности пространства и времени, однако сохранил принцип стационарности, неизменности Вселенной во времени и ее конечности в пространстве. Свойства Вселенной, по мнению Эйнштейна, определяются распределением в ней гравитационных масс, Вселенная безгранична, но при этом замкнута в пространстве. Согласно этой модели, пространство однородно и изотропно, т.е. во всех направлениях имеет одинаковые свойства, материя распределена в нем равномерно, время бесконечно, а его течение не влияет на свойства Вселенной. На основании проведенных расчетов Эйнштейн сделал вывод, что мировое пространство представляет собой четырехмерную сферу.

131

При этом не следует представлять себе данную модель Вселенной в виде обычной сферы. Сферическое пространство есть сфера, но сфера четырехмерная, не поддающаяся наглядному представлению. По аналогии можно сделать вывод, что объем такого пространства конечен, как конечна поверхность любого шара, ее можно выразить конечным числом квадратных сантиметров. Поверхность всякой четырехмерной сферы также выражается конечным числом кубометров. Такое сферическое пространство не имеет границ, и в этом смысле оно безгранично. Летя в таком пространстве в одном направлении, мы в конце концов вернемся в исходную точку. Но в то же время муха, ползущая по поверхности шара, нигде не найдет границ и преград, запрещающих ей двигаться в любом избранном направлении. В этом смысле поверхность любого шара безгранична, хотя и конечна, т.е. безграничность и бесконечность — это разные понятия.

Итак, из расчетов Эйнштейна следовало, что наш мир является четырехмерной сферой. Объем такой Вселенной может быть выражен хотя и очень большим, но все же конечным числом кубометров. В принципе можно облететь всю замкнутую Вселенную, двигаясь все время в одном направлении. Такое воображаемое путешествие подобно земным кругосветным путешествиям. Но конечная по объему Вселенная в то же время безгранична, как не имеет границ поверхность любой сферы. Вселенная Эйнштейна содержит хотя и большое, но все же конечное число звезд и звездных систем, а поэтому к ней неприменимы фотометрический и гравитационный парадоксы. В то же время призрак тепловой смерти тяготеет и над Вселенной Эйнштейна. Такая Вселенная, конечная в пространстве, неизбежно идет к своему концу во времени. Вечность ей не присуща.

Таким образом, несмотря на новизну и даже революционность идей, Эйнштейн в своей космологической теории ориентировался на привычную классическую мировоззренческую установку статичности мира. Его более привлекал гармоничный и устойчивый мир, нежели мир противоречивый и неустойчивый.

Модель расширяющейся Вселенной

Модель Вселенной Эйнштейна стала первой космологической моделью, базирующейся на выводах общей теории относительности. Это связано с тем, что именно тяготение определяет взаимодействие масс на больших расстояниях. Поэтому теоретическим ядром современной космологии выступает теория тяготения — общая теория относительности. Эйнштейн допускал в своей космологической модели наличие некой гипотетической отталкивающей силы, которая должна была обеспечить стационарность, неизменность Вселенной. Однако последующее развитие естествознания внесло существенные коррективы в это представление.

132

Пять лет спустя, в 1922 г., советский физик и математик А. Фридман на основе строгих расчетов показал, что Вселенная Эйнштейна не может быть стационарной, неизменной. При этом Фридман опирался на сформулированный им космологический принцип, который строится на двух предположениях: об изотропности и однородности Вселенной. Изотропность Вселенной понимается как отсутствие выделенных направлений, одинаковость Вселенной по всем направлениям. Однородность Вселенной понимается как одинаковость всех точек Вселенной: мы можем проводить наблюдения в любой из них и везде увидим изотропную Вселенную.

Фридман на основе космологического принципа доказал, что уравнения Эйнштейна имеют и другие, нестационарные решения, согласно которым Вселенная может либо расширяться, либо сжиматься. При этом речь шла о расширении самого пространства, т.е. об увеличении всех расстояний мира. Вселенная Фридмана напоминала раздувающийся мыльный пузырь, у которого и радиус, и площадь поверхности непрерывно увеличиваются.

Первоначально модель расширяющейся Вселенной носила гипотетический характер и не имела эмпирического подтверждения. Однако в 1929 г. американский астроном Э. Хаббл обнаружил эффект «красного смещения» спектральных линий (смещение линий к красному концу спектра). Это было истолковано как следствие эффекта Допплера — изменение частоты колебаний или длины волн из-за движения источника волн и наблюдателя по отношению друг к другу. «Красное смещение» было объяснено как следствие удаления галактик друг от друга со скоростью, возрастающей с расстоянием. Согласно последним измерениям увеличение скорости расширения составляет примерно 55 км/с на каждый миллион парсек.

В результате своих наблюдений Хаббл обосновал представление, что Вселенная — это мир галактик, что наша Галактика — не единственная в ней, что существует множество галактик, разделенных между собой огромными расстояниями. Вместе с тем Хаббл пришел к выводу, что межгалактические расстояния не остаются постоянными, а увеличиваются. Таким образом, в естествознании появилась концепция расширяющейся Вселенной.

Какое же будущее ждет нашу Вселенную? Фридман предложил три модели развития Вселенной.

В первой модели Вселенная расширяется медленно для того, чтобы в силу гравитационного притяжения между различными галактиками расширение Вселенной замедлялось и в конце концов прекращалось. После этого Вселенная начинала сжиматься. В этой модели пространство искривляется, замыкаясь на себя, образуя сферу.

Во второй модели Вселенная расширялась бесконечно, а пространство искривлено как поверхность седла и при этом бесконечно.

133 А

В третьей модели Фридмана пространство плоское и тоже бесконечное.

По какому из этих трех вариантов идет эволюция Вселенной, зависит от отношения гравитационной энергии к кинетической энергии разлетающегося вещества.

Если кинетическая энергия разлета вещества преобладает над гравитационной энергией, препятствующей разлету, то силы тяготения не остановят разбегания галактик, и расширение Вселенной будет носить необратимый характер. Этот вариант динамичной модели Вселенной называют открытой Вселенной.

Если же преобладает гравитационное взаимодействие, то темп расширения со временем замедлится до полной остановки, после чего начнется сжатие вещества вплоть до возврата Вселенной в исходное состояние сингулярности (точечный объем с бесконечно большой плотностью). Такой вариант модели назван осциллирующей, или закрытой, Вселенной.

В граничном случае, когда силы гравитации точно равны энергии разлета вещества, расширение не прекратится, но его скорость со временем будет стремиться к нулю. Через несколько десятков миллиардов лет после начала расширения Вселенной наступит состояние, которое можно назвать квазистационарным. Теоретически возможна и пульсация Вселенной.

Наблюдаемое нами разбегание галактик есть следствие расширения пространства замкнутой конечной Вселенной. При таком расширении пространства все расстояния во Вселенной увеличиваются подобно тому, как растут расстояния между пылинками на поверхности раздувающегося мыльного пузыря. Каждую из таких пылинок, как и каждую из галактик, можно с полным правом считать центром расширения. Когда Э. Хаббл показал, что далекие галактики разбегаются друг от друга со все возрастающей скоростью, был сделан однозначный вывод о том, что наша Вселенная расширяется. Но расширяющаяся Вселенная — это изменяющаяся Вселенная, мир со всей своей историей, имеющий начало и конец. Постоянная Хаббла позволяет оценить время, в течение которого продолжается процесс расширения Вселенной. Получается, что оно не менее 10 млрд. и не более 19 млрд. лет. Наиболее вероятным временем существования расширяющейся Вселенной считают 15 млрд. лет. Таков приблизительный возраст нашей Вселенной.

6.3. Происхождение Вселенной —

концепция Большого взрыва

Представление о развитии Вселенной закономерно привело постановке проблемы начала эволюции (рождения) Вселенной и ее

134

конца (смерти). В настоящее время существует несколько космологических моделей, объясняющих отдельные аспекты возникновения материи во Вселенной, но они не объясняют причин и процесса рождения самой Вселенной. Из всей совокупности современных космологических теорий только теория Большого взрыва Г. Гамова смогла к настоящему времени удовлетворительно объяснить почти все факты, связанные с этой проблемой. Основные черты модели Большого взрыва сохранились до сих пор, хотя и были позже дополнены теорией инфляции, или теорией раздувающейся Вселенной, разработанной американскими учеными

А. Гутом и П. Стейн-хардтом и дополненной советским физиком

А.Д. Линде.

В 1948 г. выдающийся американский физик русского происхождения Г. Гамов выдвинул предположение, что физическая Вселенная образовалась в результате гигантского взрыва, происшедшего примерно 15 млрд. лет тому назад. Тогда все вещество и вся энергия Вселенной были сконцентрированы в одном крохотном сверхплотном сгустке. Если верить математическим расчетам, то в начале расширения радиус Вселенной был и вовсе равен нулю, а ее плотность равна бесконечности. Это начальное состояние называется сингулярностью — точечный объем с бесконечной плотностью. Известные законы физики в сингулярности не работают. В этом состоянии теряют смысл понятия пространства и времени, поэтому бессмысленно спрашивать, где находилась эта точка. Также современная наука ничего не может сказать о причинах появления такого состояния.

Тем не менее, согласно принципу неопределенности Гейзенберга вещество невозможно стянуть в одну точку, поэтому считается, что Вселенная в начальном состоянии имела определенную плотность и размеры. По некоторым подсчетам, если все вещество наблюдаемой Вселенной, которое оценивается примерно в 1061 г, сжать до плотности 1094 г/см3 , то оно займет объем около 10-33 см3 . Ни в какой электронный микроскоп разглядеть ее было бы невозможно. Долгое время ничего нельзя было сказать о причинах Большого взрыва и переходе Вселенной к расширению. Но сегодня появились некоторые гипотезы, пытающиеся объяснить эти процессы. Они лежат в основе инфляционной модели развития Вселенной.

«Начало» Вселенной

Основная идея концепции Большого взрыва состоит в том, что Вселенная на ранних стадиях возникновения имела неустойчивое вакуумоподобное состояние с большой плотностью энергии. Эта энергия возникла из квантового излучения, т.е. как бы из ничего.

Дело в том, что в физическом вакууме отсутствуют фиксируемые

135

частицы, поля и волны, но это не безжизненная пустота. В вакууме имеются виртуальные частицы, которые рождаются, имеют мимолетное бытие и тут же исчезают. Поэтому вакуум «кипит» виртуальными частицами и насыщен сложными взаимодействиями между ними. Причем, энергия, заключенная в вакууме, располагается как бы на его разных этажах, т.е. имеется феномен разностей энергетических уровней вакуума.

Пока вакуум находится в равновесном состоянии, в нем существуют лишь виртуальные (призрачные) частицы, которые занимают в долг у вакуума энергию на короткий промежуток времени, чтобы родиться, и быстро возвращают позаимствованную энергию, чтобы исчезнуть. Когда же вакуум по какой-либо причине в некоторой исходной точке (сингулярности) возбудился и вышел из состояния равновесия, то виртуальные частицы стали захватывать энергию без отдачи и превращались в реальные частицы. В конце концов в определенной точке пространства образовалось огромное множество реальных частиц вместе со связанной ими энергией. Когда же возбужденный вакуум разрушился, то высвободилась гигантская энергия излучения, а суперсила сжала частицы в сверхплотную материю. Экстремальные условия «начала», когда даже пространство-время было деформировано, предполагают, что и вакуум находился в особом состоянии, которое называют «ложным» вакуумом. Оно характеризуется энергией предельно высокой плотности, которой соответствует предельно высокая плотность вещества. В этом состоянии вещества в нем могут возникать сильнейшие напряжения, отрицательные давления, равносильные гравитационному отталкиванию такой величины, что оно вызвало безудержное и стремительное расширение Вселенной — Большой взрыв. Это и было первотолчком, «началом» нашего мира.

С этого момента начинается стремительное расширение Вселенной, возникают время и пространство. В это время идет безудержное раздувание «пузырей пространства», зародышей одной или нескольких вселенных, которые могут отличаться друг от друга своими фундаментальными константами и законами. Один из них стал зародышем нашей Метагалактики.

По разным оценкам, период «раздувания», идущий по экспоненте, занимает невообразимо малый промежуток времени — до

10-33 с после «начала». Он называется инфляционным периодом. За это время размеры Вселенной увеличились в 1050 раз, от миллиардной доли размера протона до размеров спичечного коробка.

К концу фазы инфляции Вселенная была пустой и холодной, но когда инфляция иссякла, Вселенная вдруг стала чрезвычайно «горячей». Этот всплеск тепла, осветивший космос, обусловлен огромными запасами энергии, заключенными в «ложном» вакууме. Такое состояние вакуума очень неустойчиво и стремится к распаду.

Когда

136

распад завершается, отталкивание исчезает, заканчивается и инфляция. А энергия, связанная в виде множества реальных частиц, высвободилась в виде излучения, мгновенно нагревшего Вселенную до 1027 К. С этого момента Вселенная развивалась согласно стандартной теории «горячего» Большого взрыва.

Ранний этап эволюции Вселенной

Сразу после Большого взрыва Вселенная представляла собой плазму из элементарных частиц всех видов и их античастиц в состоянии термодинамического равновесия при температуре 1027 К, которые свободно превращались друг в друга. В этом сгустке существовали только гравитационное и большое (Великое) взаимодействия. Потом Вселенная стала расширяться, одновременно ее плотность и температура уменьшались. Дальнейшая эволюция Вселенной происходила поэтапно и сопровождалась, с одной стороны, дифференциацией, а с другой — усложнением ее структур. Этапы эволюции Вселенной различаются характеристиками взаимодействия элементарных частиц и называются эрами. Самые важные изменения заняли менее трех минут.

Адронная эра продолжалась 10-7 с. На этом этапе температура понижается до 1013 К. При этом появляются все четыре фундаментальных взаимодействия, прекращается свободное существование кварков, они сливаются в адроны, важнейшими среди которых являются протоны и нейтроны. Наиболее значимым событием стало глобальное нарушение симметрии, которое произошло в первые мгновения существования нашей Вселенной. Число частиц оказалось чуть больше, чем число античастиц. Причины такой асимметрии точно неизвестны до сих пор. В общем плазмоподобном сгустке на каждый миллиард пар частиц и античастиц на одну частицу оказывалось больше, ей не хватало пары для аннигиляции. Это и определило дальнейшее появление вещественной Вселенной с галактиками, звездами, планетами и разумными существами на некоторых из них.

Лептонная эра продолжалась до 1 с после начала. Температура Вселенной понизилась до 1010 К. Главными ее элементами были лептоны, которые участвовали во взаимных превращениях протонов и нейтронов. В конце этой эры вещество стало прозрачным для нейтрино, они перестали взаимодействовать с веществом и с тех пор дожили до наших дней.

Эра излучения (фотонная эра) продолжалась 1 млн. лет. За это время температура Вселенной снизилась с 10 млрд. К до 3000 К. На протяжении данного этапа происходили важнейшие для дальнейшей эволюции Вселенной процессы первичного нуклеосинтеза — соединение протонов и нейтронов (их было примерно в 8 раз мень-

137

ше, чем протонов) в атомные ядра. К концу этого процесса вещество Вселенной состояло на 75% из протонов (ядер водорода), около 25% составляли ядра гелия, сотые доли процента пришлись на дейтерий, литий и другие легкие элементы, после чего Вселенная стала прозрачной для фотонов, так как излучение отделилось от вещества и образовало то, что в нашу эпоху называется реликтовым излучением.

Затем почти 500 тысяч лет не происходило никаких качественных изменений — шло медленное остывание и расширение Вселенной. Вселенная, оставаясь однородной, становилась все более разреженной. Когда она остыла до 3000 К, ядра атомов водорода и гелия уже могли захватывать свободные электроны и превращаться при этом в нейтральные атомы водорода и гелия. В итоге образовалась однородная Вселенная, представлявшая собой смесь трех почти не взаимодействующих субстанций: барионного вещества (водород, гелий и их изотопы), лептонов (нейтрино и антинейтрино) и излучения (фотоны). К этому времени уже не было высоких температур и больших давлений. Казалось, в перспективе Вселенную ждет дальнейшее расширение и остывание, образование «лептонной пустыни» — чтото вроде тепловой смерти. Но этого не случилось; напротив, произошел скачок, создавший современную структурную Вселенную, который, по современным оценкам, занял от 1 до 3 миллиардов лет.

6.4. Структурная самоорганизация Вселенной

После Большого взрыва образовавшееся вещество и электромагнитное поле были рассеяны и представляли собой газопылевое облако и электромагнитный фон. Спустя I млрд. лет после начала образования Вселенной стали появляться галактики и звезды. К этому времени вещество уже успело охладиться, и в нем стали возникать стабильные флуктуации плотности, равномерно заполнявшие космос. В сформировавшейся материальной среде появлялись и получали развитие случайные уплотнения вещества. Силы тяготения внутри таких уплотнений проявляют себя заметнее, чем за их границами. Поэтому, несмотря на общее расширение Вселенной, вещество в уплотнениях притормаживается, а его плотность начинает постепенно возрастать. Продолжая сжиматься и теряя при этом энергию на излучение, уплотнившееся вещество в результате своей эволюции превращалось в современные галактики. Появление подобных уплотнений и стало началом рождения крупномасштабных космических структур — галактик, а затем и отдельных звезд.

138

Рождение и эволюция галактик

Итак, первым условием появления галактик во Вселенной стало появление случайных скоплений и сгущений вещества в однородной Вселенной. Впервые подобная мысль была высказана И. Ньютоном, который утверждал, что если бы вещество было равномерно рассеяно по бесконечному пространству, то оно никогда бы не собралось в единую массу. Оно собиралось бы частями в разных местах бесконечного пространства. Данная идея Ньютона стала одним из краеугольных камней современной космогонии.

Второе условие появления галактик — наличие малых возмущений, флуктуаций вещества, ведущих к отклонению от однородности и изотропности пространства. Именно флуктуации и стали теми «затравками», которые привели к появлению более крупных уплотнений вещества. Эти процессы можно представить по аналогии с процессами образования облаков в атмосфере Земли. Известно, что водяной пар конденсируется на крохотных частичках — ядрах конденсации.

В середине XX в. были проведены расчеты, описывающие поведение таких сгущений. В частности, было доказано, что в расширяющейся Вселенной участки среды с большей плотностью расширяются медленнее, чем Вселенная в целом. Эти области постепенно отстают в расширении от остальной Вселенной, и в какой-то момент времени они совсем перестают расширяться. Изолированные участки вещества, как правило, очень велики по массе: она составляет в среднем 1015 —1016 масс Солнца. Данные массы под действием гравитации начинают сжиматься, причем, происходит это весьма своеобразно — анизотропно. Вначале исходные объекты имеют форму куба, а затем сжимаются в пластинку — «блин». Первоначально изолированные друг от друга плоские «блины» очень скоро вырастают в плотные слои. Эти слои пересекаются, и в процессе их взаимодействия образуется ячеистосетчатая структура, где стенками огромных пустот служат «блины». Отдельный «блин» представляет собой сверхскопление галактик и имеет уплощенную форму. Эти первичные сгустки, продолжая сжиматься, становятся сферически симметричными. Кроме того, внутри себя они одновременно фрагментируются на звезды.

Существуют предположения относительно того, почему чаще встречаются спиральные галактики (их около 80%), чем галактики других типов (эллиптические и неправильные). Возможно, спиральные галактики образуются в результате слияния протогалактик в скоплениях. Вначале образуется объект неправильной формы, затем за несколько сотен миллионов лет (немного по космическим меркам) неровности сглаживаются, и образуется массивная эллип-

139

J

тическая галактика. Постепенно в результате вращения такой галактики может образовываться дискообразная структура, которая со временем будет приобретать облик спиральной галактики. Подтверждением этой точки зрения является наличие галактик переходного типа, занимающих промежуточное положение между спиральными и эллиптическими галактиками.

Также есть предположение, почему в скоплениях галактик присутствует одна гигантская галактика, а остальные — мелкие. Считается, что вначале гигантская галактика лишь немного превосходила по своим размерам соседние галактики. Но по мере того, как галактика двигалась по спиральной траектории к центру скопления, она заглатывала более мелкие системы. Мелкие галактики, обреченные на «съедение», называют галактиками-миссионерами.

Были выдвинуты гипотезы, объясняющие вращение галактик. Сегодня считается, что на ранних стадиях эволюции протогалактики были гораздо больше, чем сейчас. Кроме того, космологическое расширение не успело их разогнать далеко друг от друга, поэтому между ними возникали значительные гравитационные силы. Эти силы принимали вид приливных взаимодействий, которые и вызывали вращение галактик.

Галактики существуют в виде групп (несколько галактик), скоплений (сотни галактик) и облаков скоплений (тысячи галактик). Одиночные галактики во Вселенной встречаются очень редко. Средние расстояния между галактиками в группах и скоплениях в 10—20 раз больше, чем размеры самых крупных галактик. Гигантские галактики имеют размеры до 18 млн. световых лет. Наиболее удаленные из наблюдаемых ныне галактик находятся на расстоянии 10 млрд. световых лет. Свет этих звезд идет к нам миллионы лет, поэтому мы наблюдаем их такими, какими они были много световых лет назад. Пространство между галактиками заполнено газом, пылью и разного рода излучениями. Основное вещество, составляющее межзвездный газ, — водород, на втором месте — гелий. Следует отметить, что водород и гелий — наиболее распространенные вещества не только в межзвездном пространстве, но и вообще во Вселенной.

Наша Галактика — Млечный путь — имеет форму диска с выпуклостью в центре — ядром, от которого отходят спиралевидные рукава. Ее толщина — 1,5 тыс. световых лет, а диаметр — 100 тыс. световых лет. Возраст нашей Галактики составляет около 15 млрд. лет. Она вращается довольно сложным образом: значительная часть ее галактической материи вращается дифференциально, как планеты вращаются вокруг Солнца, не обращая внимания на то, по каким орбитам движутся другие, достаточно далекие космические тела, и скорость вращения этих тел уменьшается с увеличением их

140

расстояния от центра. Другая часть диска нашей Галактики вращается твердотельно, как музыкальный диск, крутящийся на проигрывателе. В этой части галактического диска угловая скорость вращения одинакова для любой точки. Наше Солнце находится в таком участке Галактики, в котором скорости твердотельного и дифференциального вращения равны. Такое место называется коротаци-онным кругом. В нем создаются особые, спокойные и стационарные условия для процессов звездообразования.

Рождение и эволюция звезд

Звезды рождаются из космического вещества в результате его конденсации под действием гравитационных, магнитных и других сил. Под влиянием сил всемирного тяготения из газового облака образуется плотный шар — протозвезда, эволюция которой проходит три этапа.

Первый этап эволюции связан с обособлением и уплотнением космического вещества. Второй представляет собой стремительное сжатие протозвезды. В какой-то момент давление газа внутри протозвезды возрастает, что замедляет процесс ее сжатия, однако температура во внутренних областях пока остается недостаточной для начала термоядерной реакции. На третьем этапе протозвезда продолжает сжиматься, а ее температура — повышаться, что приводит к началу термоядерной реакции. Давление газа, вытекающего из звезды, уравновешивается силой притяжения, и газовый шар перестает сжиматься. Образуется равновесный объект — звезда. Такая звезда является саморегулирующейся системой. Если температура внутри не повышается, то звезда раздувается. В свою очередь, остывание звезды приводит к ее последующему сжатию и разогреванию, ядерные реакции в ней ускоряются. Таким образом, температурный баланс оказывается восстановлен. Процесс преобразования протозвезды в звезду растягивается на миллионы лет, что сравнительно немного по космическим масштабам.

Рождение звезд в галактиках происходит непрерывно. Этот процесс компенсирует также непрерывно происходящую смерть звезд. Поэтому галактики состоят из старых и молодых звезд. Самые старые звезды сосредоточены в шаровых скоплениях, их возраст сравним с возрастом галактики. Эти звезды формировались, когда про-тогалактическое облако распадалось на все более мелкие сгустки. Молодые звезды (возраст около 100 тыс. лет) существуют за счет энергии гравитационного сжатия, которая разогревает центральную область звезды до температуры 10—15 млн. К и «запускает» термоядерную реакцию преобразования водорода в гелий. Именно термоядерная реакция является источником собственного свечения звезд.

141

С момента начала термоядерной реакции, превращающей водород в гелий, звезда типа нашего Солнца переходит на так называемую главную последовательность, в соответствии с которой будут изменяться с течением времени характеристики звезды: ее светимость, температура, радиус, химический состав и масса. После выгорания водорода в центральной зоне у звезды образуется гелиевое ядро. Водородные термоядерные реакции продолжают протекать, но только в тонком слое вблизи поверхности этого ядра. Ядерные реакции перемещаются на периферию звезды. Выгоревшее ядро начинает сжиматься, а внешняя оболочка — расширяться. Оболочка разбухает до колоссальных размеров, внешняя температура становится низкой, и звезда переходит в стадию красного гиганта. С этого момента звезда выходит на завершающий этап своей жизни. Наше Солнце это ждет примерно через 8 млрд. лет. При этом его размеры увеличатся до орбиты Меркурия, а может быть, и до орбиты Земли, так что от планет земной группы ничего не останется (или останутся оплавленные камни).

Для красного гиганта характерна низкая внешняя, но очень высокая внутренняя температура. При этом в термоядерные процессы включаются все более тяжелые ядра, что приводит к синтезу химических элементов и непрерывной потере красным гигантом вещества, которое выбрасывается в межзвездное пространство. Так, только за один год Солнце, находясь в стадии красного гиганта, может потерять одну миллионную часть своего веса. Всего за десять — сто тысяч лет от красного гиганта остается лишь центральное гелиевое ядро, и звезда становится белым карликом. Таким образом, белый карлик как бы вызревает внутри красного гиганта, а затем сбрасывает остатки оболочки, поверхностных слоев, которые образуют планетарную туманность, окружающую звезду.

Белые карлики невелики по своим размерам — их диаметр даже меньше диаметра Земли, хотя их масса сравнима с солнечной. Плотность такой звезды в миллиарды раз больше плотности воды. Кубический сантиметр его вещества весит больше тонны. Тем не менее, это вещество является газом, хотя и чудовищной плотности. Вещество, из которого состоит белый карлик, — очень плотный ионизированный газ, состоящий из ядер атомов и отдельных электронов.

В белых карликах термоядерные реакции практически не идут, они возможны лишь в атмосфере этих звезд, куда попадает водород из межзвездной среды. В основном эти звезды светят за счет огромных запасов тепловой энергии. Время их охлаждения — сотни миллионов лет. Постепенно белый карлик остывает, цвет его меняется от белого к желтому, а затем — к красному. Наконец, он превращается в черный карлик — мертвую холодную маленькую звезду

142

размером с земной шар, который невозможно увидеть из другой планетной системы.

Несколько иначе развиваются более массивные звезды. Они живут всего несколько десятков миллионов лет. В них очень быстро выгорает водород, и они превращаются в красные гиганты всего за 2,5 млн. лет. При этом в их гелиевом ядре температура повышается до нескольких сотен миллионов градусов. Такая температура дает возможность для протекания реакций углеродного цикла (слияние ядер гелия, приводящее к образованию углерода). Ядро углерода, в свою очередь, может присоединить еще одно ядро гелия и образовать ядро кислорода, неона и т.д. вплоть до кремния. Выгорающее ядро звезды сжимается, и температура в нем поднимается до 3—10 млрд. градусов. В таких условиях реакции объединения продолжаются вплоть до образования ядер железа — самого устойчивого во всей последовательности химического элемента. Более тяжелые химические элементы — от железа до висмута также образуются в недрах красных гигантов, в процессе медленного захвата нейтронов. При этом энергия не выделяется, как при термоядерных реакциях, а, наоборот, поглощается. В результате сжатие звезды все убыстряется.

Образование же наиболее тяжелых ядер, замыкающих таблицу Менделеева, предположительно происходит в оболочках взрывающихся звезд, при их превращении в новые или сверхновые звезды, которыми становятся некоторые красные гиганты. В зашлакованной звезде нарушается равновесие, электронный газ более не способен противостоять давлению ядерного газа. Наступает коллапс — катастрофическое сжатие звезды, она «взрывается внутрь». Но если отталкивание частиц или какие-либо другие причины все же останавливают этот коллапс, происходит мощный взрыв — вспышка сверхновой звезды. Одновременно при этом в окружающее пространство сбрасывается не только оболочка звезды, но и до 90% ее массы, что приводит к образованию газовых туманностей. При этом светимость звезды увеличивается в миллиарды раз. Так, был зафиксирован взрыв сверхновой звезды в 1054 г. В китайских летописях было записано, что она видна днем, как Венера, в течение 23 дней. В наше время астрономы выяснили, что эта сверхновая звезда оставила после себя Крабовидную туманность, являющуюся мощным источником радиоизлучения.

Взрыв сверхновой звезды сопровождается выделением чудовищного количества энергии. При этом рождаются космические лучи, намного повышающие естественный радиационный фон и нормальные дозы космического излучения. Так, астрофизики подсчитали, что примерно раз в 10 млн. лет сверхновые звезды вспыхивают в непосредственной близости от Солнца, повышая естественный фон в 7 тысяч раз. Это чревато серьезнейшими мутациями

143

живых организмов на Земле. Кроме того, при взрыве сверхновых идет сброс всей внешней оболочки звезды вместе с накопившимися в ней «шлаками» — химическими элементами, результатами деятельности нуклеосинтеза. Поэтому межзвездная среда сравнительно быстро обретает все известные на сегодняшний день химические элементы тяжелее гелия. Звезды следующих поколений, в том числе и Солнце, с самого начала содержат в своем составе и в составе окружающего их газопылевого облака примесь тяжелых элементов.

6.5. Дальнейшее усложнение вещества во Вселенной

Хотя появление крупномасштабных структур во Вселенной привело к образованию множества разновидностей галактик и звезд, среди которых есть совершенно уникальные объекты, все же с точки зрения дальнейшей эволюции Вселенной особое значение имело появление звезд — красных гигантов. Именно в этих звездах в ходе процессов звездного нуклеосинтеза появилось большинство элементов таблицы Менделеева. Это открыло возможность для новых усложнений вещества. В первую очередь, появилась возможность образования планет и появления на некоторых из них жизни и, возможно, разума. Поэтому образование планет стало следующим этапом в эволюции Вселенной.

Состав Солнечной системы

Солнце наша звезда. Солнечная система включает Солнце, девять планет со спутниками, а также пояс астероидов, кометы и метеориты.

Солнце — звезда среднего размера, его радиус составляет около 700 тыс. км, температура на поверхности — около 6000°С. Солнце относится к числу рядовых звезд нашей Галактики (желтый карлик) и расположено ближе к ее краю в одном из спиралевидных рукавов. Солнечная система обращается вокруг Галактики со скоростью около 220 км/с. При этом одновременно оно совершает один оборот вокруг центра Галактики за 250 млн. лет. Данный период называют галактическим годом.

Солнце представляет собой плазменный шар со средней плотностью 1,4 г/см3 , окруженный так называемой короной, которую можно наблюдать. Активность Солнца циклична, периодичность циклов составляет 11 лет. Источником солнечной энергии являются термоядерные реакции превращения водорода в гелий, которые происходят в его недрах. Солнце состоит из водорода, гелия и

144

других элементов, соотношение которых изменяется от поверхности к ядру. В верхних слоях содержится около 90% водорода и около 10% гелия. Ядро состоит из водорода лишь на 37%. Соотношение между водородом и гелием с течением времени изменяется в пользу гелия, поскольку уже в течение 4,5 млрд. лет на Солнце протекают термоядерные реакции, превращающие ядра водорода в ядра гелия. Ежесекундно при температуре около 15 млн. градусов 600 млн. т ядер водорода, сливаясь, образуют ядра гелия, при этом 4,3 млн. т трансформируются в лучистую энергию, освещающую всю Солнечную систему. При сохранении таких темпов выгорания водорода Солнце будет светить с той же интенсивностью еще 5—6 млрд. лет, после чего оно превратится в красный гигант, а затем в белого карлика. После этого вновь возможна вспышка термоядерного синтеза, после которого звезда превратится в холодное темное тело — черный карлик.

Планеты Солнечной системы. Крупнейшими после Солнца объектами Солнечной системы являются планеты и их спутники. Считается, что все планеты Солнечной системы возникли одновременно примерно 4,6 млрд. лет назад. В современной космогонии доминирует концепция холодного начального состояния планет, которые под влиянием электромагнитных и гравитационных сил образовались в результате объединения твердых частиц газопылевого облака, окружавшего Солнце.

Все планеты Солнечной системы можно разделить на две группы: 1) планеты-гиганты (Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун) и 2) планеты земного типа (Меркурий, Венера, Земля, Марс, Плутон). Оба типа планет отличаются друг от друга по химическому составу. Так, в составе твердых оболочек Юпитера и Сатурна преобладают водород и гелий, эти планеты по химическому составу близки к Солнцу. Планеты земной группы в этом смысле резко отличаются от Солнца, поскольку наиболее распространенными элементами в их составе являются железо, кислород, кремний и магний.

Строение всех планет Солнечной системы слоистое. Слои различаются по плотности, химическому составу и другим физическим характеристикам. В недрах планет происходит радиоактивный распад элементов. Поверхность планет формируется под действием двух типов факторов: эндогенных и экзогенных. Эндогенные факторы — это процессы, происходящие в ядре планеты и меняющие ее внешний облик: перемещения участков коры, вулканические извержения, горообразование и т.п. Экзогенные факторы связаны с внешними воздействиями: химические реакции при соприкосновении с атмосферой, изменения под воздействием ветра, падение метеоритов и т.п.

В настоящее время в составе Солнечной системы насчитывается девять планет, которые расположены в следующем порядке от

145

Солнца: Меркурий, Венера, Земля, Марс, Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон. Между Марсом и Юпитером находится кольцо астероидов, которые движутся вокруг Солнца. Сейчас ученым известно около 2000 астероидов. Расстояние от центра Солнечной системы до последней ее планеты — Плутона — составляет примерно 5,5 световых лет.

Размеры планет значительно меньше Солнца. Некоторые планеты Солнечной системы имеют собственные спутники: Земля и Плутон — по одному, Марс и Нептун — по два, Уран — пять, у Сатурна, по последним данным, — 32 спутника, а у Юпитера — 39. Все планеты Солнечной системы, а также их спутники освещаются солнечным светом и именно поэтому могут наблюдаться учеными.

В современном естествознании каждая из планет характеризуется девятью основными параметрами. К ним относятся расстояние от Солнца, период обращения вокруг Солнца, период обращения вокруг своей оси, средняя плотность, диаметр экватора в километрах, относительная масса, температура поверхности, число спутников, преобладание газа в атмосфере.

Ближайшей к Солнцу планетой является Меркурий, который состоит из большого железного ядра, расплавленной каменистой мантии и твердой коры. По внешнему виду Меркурий напоминает Луну. Его поверхность испещрена кратерами. Сила тяжести на планете в два раза меньше земной, поэтому атмосфера практически отсутствует, газы могут свободно покидать планету. Температура на Меркурии — от +350°С на освещенной Солнцем (дневной) стороне до — 170°С на ночной.

Венера по размерам, массе и плотности сходна с Землей. Однако она имеет очень плотную атмосферу, пропускающую солнечное излучение внутрь и не выпускающую его обратно. Поэтому на Венере давно действует парниковый эффект, который начинает отмечаться сейчас и на Земле. В результате парникового эффекта температура поверхности Венеры составляет 400—500°С. Венера, как и Меркурий, состоит из металлического (железоникелевого) ядра, расплавленной мантии и твердой коры. Поверхность Венеры представляет собой знойную пустыню с небольшими низинами и нагорьями высотой до 3 км.

Отличительной особенностью Марса является высокое содержание железа и окислов других металлов в поверхностном слое. Поэтому его поверхность имеет вид красной каменистой пустыни, окутанной тучами красного песка. Наряду с абсолютно плоскими пустынями на Марсе есть горные хребты, глубокие каньоны, огромные вулканы. Крупнейший марсианский вулкан — пик Олимп — имеет диаметр 700 км и высоту 26 км. На Марсе существуют также полярные шапки, состоящие из сухого льда (замерзшего углекисло-146

го газа). Обнаруженные русла высохших рек свидетельствуют о теплом климате, существовавшем на этой планете ранее.

Юпитер — самая крупная планета Солнечной системы. Вместе со своими 16 спутниками он составляет Солнечную систему в миниатюре. Масса Юпитера в три раза превосходит массу всех остальных планет Солнечной системы и в 318 раз больше массы Земли. В центре Юпитера находится небольшое каменное ядро. Его окружает вначале слой металлического водорода, по свойствам напоминающего жидкий металл, затем слой жидкого водорода. Плотная атмосфера Юпитера состоит из водорода, гелия, метана и аммиака и по толщине в 8—10 раз превосходит земную атмосферу. Быстрое вращение Юпитера вокруг своей оси вызывает мощные ветры и вихри на его поверхности. По этой же причине сутки на Юпитере длятся всего 10 часов.

Сатурн широко известен своими кольцами, которые состоят из огромного количества кусков льда различного размера — от пылинок до глыб. Эта планета имеет самую низкую плотность среди всех планет Солнечной системы. Его небольшое ядро изо льда и камня окружено слоями металлического и жидкого водорода. В атмосфере Юпитера бушуют ветры, скорость которых достигает 1800 км/ч.

Уран и Нептун — более далекие и хуже изученные планеты. Они имеют более высокую плотность, чем Сатурн, поэтому на них больше веществ тяжелее водорода и гелия. Эти планеты имеют ядра диаметром 16 000 км, которые окружены мантиями, состоящими изо льда. Далее идут газовые оболочки, состоящие из водорода с примесью метана. Уран и Нептун так же, как и Сатурн, имеют спутники, но о них нам почти ничего не известно.

Плутон — самая далекая малая планета, не входящая в семейство газовых гигантов. Его размеры сопоставимы с размерами Луны. Температура на поверхности Плутона составляет всего 50 К, поэтому все газы, кроме водорода и гелия, там выморожены. Считается, что поверхность планеты состоит из метанового льда. В 1978 г. был открыт спутник Плутона — Харон. Так же, как и Земля с Луной, Платон и Харон образуют двойную планетную систему. Интересно, что масса Харона составляет 1/10 массы Плутона, это самый высокий показатель в Солнечной системе.

Кометы, астероиды и метеоры. Помимо девяти крупных планет в Солнечной системе имеется огромное множество мелких спутников, называемых астероидами, кометами и метеорами. Большинство из них находится в поясе астероидов, между орбитами Марса и Юпитера.

Астероиды представляют собой малые планеты, имеющие в поперечнике диаметр до 1000 км. Всего в астрономических каталогах зафиксировано более 6000 малых планет. Из них самой крупной

147

является планета Церера. Сталкиваясь друг с другом, астероиды дробятся на метеориты.

Помимо астероидов, движущихся по орбитам, Солнечную систему пересекают кометы. В переводе на русский слово «комета» означает «хвостатая звезда». Комета состоит из головы, небольшого плотного ядра и хвоста длиной в десятки миллионов километров. Ядра комет имеют размеры несколько километров и состоят из каменных и металлических образований, заключенных в ледяную оболочку из замерзших газов. Согласно современным данным, кометы являются побочными продуктами формирования планетгигантов. Кометы живут сравнительно недолго: от нескольких столетий до нескольких тысячелетий, со временем они рассыпаются, оставляя после себя облака космической пыли.

Кроме астероидов и комет в межпланетном пространстве беспорядочно двигаются небольшие небесные тела, которые довольно часто попадают в земную атмосферу. Самые мелкие из них — метеоры — имеют массу от нескольких десятков килограммов до нескольких граммов, более крупные — метеориты — достигают нескольких десятков тонн. Большинство из них полностью сгорает в верхних слоях атмосферы на высоте 40—70 км, а самые крупные могут достигать земной поверхности, оставляя на ней кратеры.

Образование Солнечной системы

До настоящего времени вопрос о происхождении Солнечной системы не получил своего точного научного описания. Тем не менее достоверно известно, что Солнечная система образовалась примерно 5 млрд. лет назад, причем Солнце — звезда второго (или еще более позднего) поколения. Так что Солнечная система возникла на продуктах жизнедеятельности звезд предыдущего поколения, скапливавшихся в газопылевых облаках.

Гипотеза X. Альвена и С. Аррениуса. На протяжении XX в. выдвигался целый ряд противоречащих друг другу гипотез о происхождении Солнца и Солнечной системы, из которых наиболее убедительной и популярной стала гипотеза шведских астрономов X. Альвена и С. Аррениуса. Они исходили из предположения, что в природе существует единый механизм планетообразования, действие которого проявляется и в случае образования планет около звезды, и в случае появления планет-спутников около планеты. Для объяснения - этого механизма они привлекают совокупность различных сил — гравитацию, магнитогидродинамику, электромагнетизм, плазменные процессы.

Альвен и Аррениус отказались от традиционного допущения об образовании Солнца и планет из одного массива вещества в одном

148

нераздельном процессе. Они считают, что сначала из газопылевого облака возникло первичное тело — звезда, а затем к нему из другого газопылевого облака, через которое по своей орбите двигалось Солнце, поступил материал для образования вторичных тел. Таким образом, к моменту, когда начали образовываться планеты, центральное тело системы уже существовало. К такому выводу исследователи пришли в результате многолетнего изучения изотопного состава вещества метеоритов, Солнца и Земли. При этом были обнаружены отклонения в изотопном составе ряда элементов, содержащихся в метеоритах и земных породах, от изотопного состава тех же элементов на Солнце. Это говорит о различном происхождении этих элементов. Отсюда следует, что основная масса вещества Солнечной системы поступила из одного газопылевого облака, и из него образовалось Солнце. Значительно меньшая часть вещества, не превышающая 0,15 массы Солнца, с другим изотопным составом поступила из другого газопылевого облака, и она послужила материалом для формирования планет и метеоритов. Если бы масса этого облака была больше, оно аккумулировалось бы не в систему планет, а в звездообразный спутник Солнца.

Чтобы образовать планетную систему, звезда должна обладать рядом признаков:

• мощным магнитным полем, величина которого превышает определенное критическое значение;

• пространство в окрестностях звезды должно быть заполнено разреженной плазмой, создающей солнечный ветер.

Молодое Солнце, предположительно обладавшее значительным магнитным моментом, имело размеры, превышавшие нынешние, но не доходившие до орбиты Меркурия. Его окружала гигантская сверхкорона, представлявшая собой разреженную намагниченную плазму. Как и в наши дни, с поверхности Солнца вырывались протуберанцы, но выбросы тех лет имели протяженность в сотни миллионов километров и достигали орбиты современного Плутона. Токи в них оценивались в сотни миллионов ампер и более. Это способствовало стягиванию плазмы в узкие каналы. В них возникали разрывы, пробои, откуда разбегались мощные ударные волны, уплотнявшие плазму на пути их следования. Плазма сверхкороны быстро становилась неоднородной и неравномерной.

Когда молодое Солнце начало свое прохождение через газопылевое облако, мощное гравитационное воздействие звезды начало притягивать поток газовых и пылевых частиц, послуживших материалом для образования вторичных тел. Поступавшие из внешнего резервуара нейтральные частицы вещества под действием гравитации падали к центральному телу. Но при этом они попадали в сверхкорону Солнца. Там они ионизировались, и в зависимости от

149

химического состава тормозились на разных расстояниях от центрального тела. Таким образом, с самого начала имела место дифференциация допланетного облака по химическому и весовому составу. В конечном счете, выделились три-четыре концентрические области, плотность частиц в которых примерно на семь порядков превышала их плотности в промежутках. Это объясняет тот факт, что вблизи Солнца располагаются планеты земной группы, которые при относительно малых размерах имеют высокую плотность (от 3 до 5,5 г/см3 ), а планеты-гиганты — намного меньшие плотности (12 г/см3 ).

Сверхкорона, по мере накопления в ней выпадающего вещества, начинала отставать в своем вращении от вращения центрального тела. Стремление выровнять угловые скорости тела и короны заставляли плазму вращаться быстрее. Но это происходило за счет замедления вращения центрального тела. Ускорение плазмы увеличивало центробежные силы, оттесняя их от звезды. Между центральным телом и плазмой образовалась область с очень низкой плотностью вещества. Таким образом, создалась благоприятная обстановка для конденсации нелетучих веществ путем их выпадения из плазмы в виде отдельных зерен. Эти зерна получали от плазмы импульс и, двигаясь по орбитам будущих планет, уносили с собой часть момента количества движения в Солнечной системе. Сегодня на долю планет, суммарная масса которых составляет только 0,1% массы всей системы, приходится 99% суммарного момента количества движения.

Множественные соударения между зернами приводили к их агрегации в большие группы. Затем эти зерна слипались в зародышевые ядра, к которым продолжали прилипать частицы, и они постепенно разрастались до крупных тел — планетезималий. Сталкиваясь друг с другом, планетезималии образовывали допланетные тела. Их первоначальное количество оценивается во множество миллионов. Образование планетезималий продолжалось десятки тысяч лет. Формирование же самих планет заняло от 105 до 108 лет. Столкновение планетезималий друг с другом привело к тому, что наиболее крупные «з них начали еще более увеличиваться в размерах, вследствие чего и образовались планеты. А как только планетные тела оформились настолько, что возле них появилось достаточно сильное собственное магнитное поле, то начался процесс образования спутников, в миниатюре повторяющий то, что произошло при образовании самих планет.

Так, в теории Альвена и Аррениуса пояс астероидов — это струйный поток, в котором из-за нехватки выпавшего вещества процесс планетообразования прервался на стадии планетезималий.

Метеориты и кометы, согласно данной модели, формировались на

150

окраине Солнечной системы, за орбитой Плутона. В отдаленных от Солнца областях существовала слабая плазма. В ней механизм выпадения вещества еще работал, но струйные потоки, в которых рождаются планеты, образоваться уже не могли. Слипание выпавших там частиц привело к единственно возможному результату — образованию кометных тел.

6.6. Проблема существованияи поиска внеземных цивилизаций

Эволюция Вселенной привела к образованию планет, на некоторых из них могут появиться жизнь и разум. Для этого нужны разнообразные химические элементы, которые могут объединяться в молекулы разных уровней сложности. Причины, заставляющие атомы объединяться в молекулы, известны науке достаточно хорошо.

В основе этих процессов лежат химические силы, за которыми скрывается одна из фундаментальных сил природы — электромагнитное взаимодействие. Процессы соединения атомов в молекулы широко распространены во Вселенной. В межзвездной среде, где концентрация вещества ничтожно мала, тем не менее, обнаруживаются молекулы водорода. Там же встречаются мельчайшие пылинки, в их основе — кристаллики льда или углерода с примесью гидратов разных соединений. Молекулярный водород вместе с гелием образуют газопылевые облака. Но самое интересное, с чем столкнулись наблюдатели, — это неожиданно большое присутствие в космосе разнообразных органических молекул, вплоть до таких сложных, как молекулы аминокислот. В межзвездных облаках насчитали более 50 видов органических молекул. Еще удивительнее, что органические молекулы находят во внешних оболочках некоторых не очень горячих звезд и в сложных соединениях, температура которых незначительно отличается от температуры абсолютного нуля. Таким образом, синтез молекул, в том числе органических, распространенное и вполне обыденное явление в космосе.

В связи с этим возникает вопрос, способно ли усложнение вещества достигнуть самых высоких уровней вне планет, в межзвездной среде или в оболочках не очень горячих звезд. Иначе говоря, возможна ли там жизнь? Существует ли жизнь на других планетах? Данная тема неоднократно обыгрывалась в научнофантастических произведениях, однако современная наука не позволяет дать ни положительного, ни отрицательного ответа на этот вопрос. Пока мы знаем только один вариант жизни в Космосе — на Земле, хотя вопрос о том, одиноки ли мы во Вселенной, волнует не только уче-151

ных, но и обычных людей. Не случайно тема контакта с иным разумом — один из излюбленных сюжетов научно-фантастических романов. Кроме того, постоянно появляются люди, утверждающие, что они видели НЛО, контактировали с инопланетянами и т.д.

Представления о том, что Вселенная обитаема, были широко распространены в древности. Так, античные философы Анаксагор, Демокрит, Лукреций Кар считали, что, поскольку Космос образован из одной субстанции (например, из атомов) и подчиняется единому закону — Логосу, то в разных частях Космоса, как и на Земле, должна возникать жизнь. Позже аналогичные аргументы использовал Д. Бруно, выдвигая свою идею о множественности миров. Но до XX в. вопрос о возможности жизни на других планетах звучал настолько фантастично, что серьезными учеными практически не обсуждался. Лишь в XX в. о распространенности жизни и разума во Вселенной заговорили всерьез, и это были не умозрительные рассуждения, а подкрепленные точными расчетами выводы. Среди тех, кто сыграл вьщающуюся роль в утверждении новых взглядов на эту проблему, были К.Э. Циолковский, В. И. Вернадский, П. Тейяр де Шарден и другие крупнейшие ученые и философы.

Поиск внеземных цивилизаций

Особенно остро вопрос о поиске внеземных цивилизаций — обществах разумных существ, которые могут возникать и существовать вне Земли, встал во второй половине XX в. в связи с выходом человека в космос. Стала ясна принципиальная возможность космических полетов не только внутри Солнечной системы, но и за ее пределы (к сожалению, в наши дни такие полеты пока невозможны из-за отсутствия надлежащей технической базы). На этом основании заговорили не только о полетах человека в космос, но и о возможном посещении нашей планеты представителями других цивилизаций. Следы посещений инопланетных существ являются предметом поиска многих энтузиастов от науки.

На волне этого энтузиазма в 60-х гг. XX в. появились первые международные программы, ставящие своей целью поиск и контакт с внеземными цивилизациями — SETI (поиск внеземных цивилизаций) и CETI (связь с внеземными цивилизациями). А в 1982 г. Международный астрономический союз организовал специальную комиссию по этой проблеме. Основным направлением работы данной комиссии и международных программ стали поиск радиосигналов от других цивилизаций и отправка собственных сообщений.

Эти исследования в основном велись и ведутся на волне в 21 см, так как считается, что она должна быть известна всем цивилизациям как излучение нейтрального межзвездного водорода. На этой

152

длине волны ученые всего мира ведут исследование распределения водорода в Галактике и других галактиках. Поэтому считается, что если сигнал будет послан на этой волне, то велика вероятность его обнаружения.

Правда, сегодня ученые сомневаются в том, что внеземные цивилизации хотят вступить с нами в контакт. Поэтому И.С. Шкловский предложил искать сигналы внеземных цивилизаций по непреднамеренному радиоизлучению, которое может создаваться телевидением, радиолокацией и внутренней связью в своей системе. Так, несущая частота современного земного телевидения может быть обнаружена на расстоянии до 10 световых лет, а излучение мощных локаторов — на расстоянии до 30 световых лет.

Еще одним направлением поиска внеземных цивилизаций стал поиск следов их астроинженерной деятельности. Долгое время среди ученых господствовала идея о том, что высокоразвитые цивилизации должны располагать практически неограниченными источниками энергии, распоряжаясь полностью не только энергией своего солнца, но и энергией в масштабах всей своей галактики. Поэтому следы деятельности таких цивилизаций должны быть хорошо заметны. Ведь они могут делать все, что не запрещено законами природы: создавать гигантские «эфирные города» и сферы Дайсона, перерабатывая при этом планетное вещество и сооружая сферу вокруг своего солнца, чтобы не терять энергии его излучения; перемещать планеты и звезды, взрывать ненужные звезды и зажигать новые.

Поиск следов пребывания представителей внеземных цивилизаций на Земле — еще одно направление работы. Предполагалось, что в нашей Галактике должно существовать большое число старых цивилизаций, начавших свое развитие за несколько миллиардов лет до появления жизни на Земле. В связи с этим считалось, что Земля могла неоднократно посещаться представителями этих цивилизаций в прошлом, и поэтому достаточно активно велись поиски следов таких посещений, а также их возможного влияния на развитие земных цивилизаций.

И, наконец, ученых не оставляла надежда на возможный прилет представителей внеземных цивилизаций в наше время.

Научный анализ проблемы внеземных цивилизаций

С позиций современной науки предположение о возможности существования внеземных цивилизаций имеет под собой основания. Физика и астрономия установили факт тождественности физических законов во всей видимой части Вселенной. Астрономия показала, что наше Солнце — обычная звезда, желтый карлик, ка-

153

ких много в нашей Галактике. Галактика, в свою очередь, также является типичным объектом во Вселенной. Кроме того, нам известны механизмы появления разнообразных химических элементов в результате звездного нуклеосинтеза, проходившего в звездах первого поколения. Поэтому звезды второго и третьего поколений появлялись в разных местах Вселенной, многие из них должны были создать собственные планетные системы, на некоторых планетах могла появляться и развиваться жизнь.

Разумеется, физические и химические условия в разных уголках Вселенной очень разные. Мы сегодня не знаем, возможны ли иные формы жизни, отличные от тех, которые появились у нас на Земле. Если мы будем считать, что жизнь в любом уголке Вселенной должна быть похожей на земные формы, то мы можем определить необходимые для нее условия. К их числу, в частности, относятся:

• возникновение звезд второго поколения возле старых звезд при условии, что возле них есть остатки тяжелых элементов, оставшиеся после взрывов сверхновых звезд первого поколения;

• соответствующие температурные условия на планете, исключающие слишком высокие или слишком низкие температуры;

• масса планеты, достаточная для того, чтобы планета не потеряла свою атмосферу, но при этом не слишком большая, иначе у нее останется первичная водородная и гелиевая атмосфера;

• наличие жидкой оболочки на поверхности планеты, так как жизнь, скорее всего, зародилась в воде.

Таким образом, планета, на которой может зародиться жизнь, должна по своим характеристикам быть похожа на Землю. Конечно, таких планет не может быть очень много, ведь и в нашей Солнечной системе лишь одна такая планета. Тем не менее, примерное число планет, на которых не просто появилась жизнь, но и развилась до уровня появления высокоразвитой цивилизации, сегодня известно. Безусловно, эти оценки весьма приблизительны, все они очень неопределенны и носят субъективный характер. Тем не менее, оптимисты считают, что у 1—2% звезд в Галактике могут быть планетные системы, на которых появилась жизнь, а затем и цивилизация. По самым оптимальным оценкам, таких звезд не более 1 млрд. Пессимисты же считают, что подобные звезды будут еще более редкими.

Редкость внеземных цивилизаций может быть одной из причин, почему мы не фиксируем их существование. Другой причиной может являться недостаток наблюдаемых данных. Кроме того, мы можем не осознавать, что получаемые нами сигналы имеют искусственное происхождение. В таком случае неверны наши исходные теоретические представления о внеземных цивилизациях и их возможностях. Также существует предположение, что жизнь в космосе

154

не является уникальным явлением, кроме того она возникла в разных местах Вселенной примерно в одно и то же время, около 4 млрд. дет назад. Тогда во Вселенной нет слишком большой разницы в технических уровнях развившихся цивилизаций, и искать следы этих цивилизаций просто бессмысленно, так как их еще нет. Возможно, правы те ученые, которые утверждают, что цивилизации, достигшие в своем развитии технологической фазы, быстро гибнут от загрязнения окружающей среды или от ядерной войны. И, конечно, могут быть правы скептики, говорящие об уникальности жизни во Вселенной, считающие, что жизнь и разум появились только на нашей планете.

Тем не менее, поиск следов внеземных цивилизаций не прекращается. Более того, ученые думают о том, как передать этим цивилизациям информацию о существовании земной цивилизации. Так, в 1974 г. с помощью американского радиотелескопа в Аресибо (Пуэрто-Рико) было направлено радиопослание в созвездие Геркулеса. Там есть несколько десятков звезд солнечного типа, а значит, есть шансы на существование разумной жизни. В этом послании были переданы числа 1 и 2, а также метки чисел; атомные номера водорода, углерода, азота и фосфора — химических элементов-органогенов; химические формулы для Сахаров и оснований в нук-леотидах ДНК; число нуклеотидов в ДНК; двойная спираль ДНК; человек, его рост и численность населения Земли; радиотелескоп, передавший послание, и его диаметр. Всего это послание содержало 1679 бит информации.

Информационные пластинки с записью звуковых и видеосигналов были также установлены на межпланетных станциях «Пионер-10», «Вояджер-1» и «Вояджер-2», запущенных в 1970-х гг. Сейчас эти станции уже покинули пределы Солнечной системы и летят в межзвездной среде. Правда, им потребуется не менее 80 тысяч лет, чтобы достичь ближайшей звезды. Поэтому шансы на то, что послания будут кем-то получены и прочитаны, ничтожны. Но надежда на это живет. Поэтому разрабатываются самые разные сценарии контактов. А население земного шара, благодаря многочисленным книгам и фильмам, готово признать факт существования иных форм жизни, встретиться с иным разумом. Насколько оправданы наши надежды — покажет будущее.

Литература для самостоятельного изучения

1. Болдинг К. Большие проблемы Большого взрыва. Истоки, наука высших измерений. М., 1990.

2. Бронштэн В.А. Гипотезы о звездах и Вселенной. М., 1991.

3. Вайнберг С. Первые три минуты. М., 1981.

155

4. Дэникен Э. Воспоминания о будущем. СПб., 1992.

5. Еремеева А.И. Астрономическая картина мира и ее творцы. М., 1984.

6. Зельдович Я.Б., Блинников СИ., Шакура Н.И. Физические основы строения и эволюции звезд. М., 1981.

7. Зигель Ф.Ю. Неисчерпаемость бесконечности. М., 1984.

8. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М., 1993.

9. Новиков И.Д. Как взорвалась Вселенная М., 1988. 10.Силк Д. Большой взрыв. М., 1990.

11.Проблемы поиска жизни во Вселенной. М., 1986.

12.Прошлое и будущее Вселенной. М., 1986.

13.Хокинг С. От Большого взрыва до черных дыр. М., 1990.

14.Пибблс Ф. Структура Вселенной в больших масштабах. М., 1983

15.Уитни Ч. Открытие нашей Галактики. М., 1975.

16.Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М., 1988.

Глава 7Земля как предмет естествознания

7.1. Форма и размеры Земли

Комплекс наук о Земле

В настоящее время Земля является объектом изучения многих наук — от геологии и географии до экономики и политологии. В совокупности этих наук выделяются отраслевые науки, изучающие отдельные части вертикальной и горизонтальной структуры Земли (геология, климатология, почвоведение и др.), а также системные науки, синтезирующие в себе всю совокупность знаний о Земле для решения теоретических или прикладных проблем (география, физическая география, социально-экономическая география и др.).

Среди отраслевых наук особое развитие получили геология (наука о литосфере), гидрология (наука о гидросфере), климатология (наука об атмосфере), геофизика (наука о Земле как физическом теле), геохимия (наука о естественных химических процессах, протекающих в пределах Земли), геоморфология (наука о рельефе Земли), почвоведение (наука о почвах), биогеография (наука о распределении живого вещества на поверхности Земли).

К системным наукам относится география, синтезирующая знания отраслевых наук применительно к поверхности Земли. При этом география подразделяется на физическую, изучающую естественные природные комплексы, формирующиеся на поверхности Земли, и социально-экономическую, предметом которой являются социально-экономические комплексы, формирующиеся на поверхности Земли в результате освоения человеком территорий. В рамках этих наук с древности развивались представления о Земле, неразрывно связанные с историей представления об устройстве Вселенной в целом.

История развития представлений

Долгое время, пока господствовала мифологическая картина мира, Земля считалась плоским диском, стоящим на грех слонах,

157

китах или черепахе и покрытым сверху полукруглым небесным сводом. Лишь в VI в. до н.э. один из основоположников античной науки Пифагор высказал мысль о шарообразности Земли. То, что Земля имеет шарообразную форму, доказал Аристотель в IV в. до н.э. В качестве аргументов он использовал лунные затмения, которые происходят из-за того, что Земля, встав между Солнцем и Луной, отбрасывает на Луну круглую тень. Кроме того, было известно, что в южных странах на небе появляются созвездия, невидимые на севере. Так, постепенно утвердилось представление о том, что Земля — это шар, неподвижно висящий в центре Космоса без всякой опоры, а вокруг него вращаются по идеальным круговым орбитам Луна, Солнце и пять известных тогда планет. Неподвижные звезды замыкали сложившуюся в античности геоцентрическую модель мира.

В 300 г. до н.э. географ Эратосфен достаточно точно определил размеры земного шара. Он заметил, что в день летнего солнцестояния в городе Сиене Солнце находится в зените и освещает дно самого глубокого колодца. Затем он измерил угол падения солнечных лучей в тот же день в Александрии. Зная расстояние между городами, Эратосфен вычислил длину окружности земного шара.

Тем не менее, представления о шарообразности Земли во многом вытекали из чисто умозрительных рассуждений об идеальных телах. В античности такими телами считались шар, сфера, круг, а потому в гармоничном соразмерном Космосе Земля должна иметь форму самой совершенной фигуры — шара. Ничем другим она просто не могла быть.

Лишь с началом эпохи Великих географических открытий шарообразность Земли была подтверждена на опыте. В 1522 г. португальский мореплаватель Фернан Магеллан завершил первое кругосветное путешествие, в ходе которого он обогнул Землю и доказал наличие единого Мирового океана.

Казалось бы, вопрос о форме Земли можно было считать закрытым. Но в это же время было опровергнуто античное учение об идеальных телах. Поэтому встал вопрос, насколько близка форма Земли к идеальной сфере. К концу XVII в. сложились две точки зрения по этому вопросу. С одной стороны, И. Ньютон считал, что Земля имеет форму сфероида, несколько сплющенного у полюсов, вследствие ее вращения и действия сил притяжения составляющих ее масс (напоминает тыкву). С другой стороны, Р. Декарт, основываясь на теории вихрей, утверждал, что Земля сплющена у экватора и удлинена по направлению к полюсам (похожа на дыню).

Чтобы решить этот вопрос, надо было измерить кусочки дуг меридиана на разных широтах и посмотреть, как соотносятся расстояния, приходящиеся на один градус. В 1735 г. Парижская акаде-

158

мия наук отправила с этой целью две экспедиции: одну — в Перу, на экватор, а другую — в Лапландию, к полюсу. Восемь лет потребовалось ученым, чтобы измерить с помощью сосновых жердей с выверенной длиной в десять метров дугу длиной в три градуса восемь минут. Выяснилось, что чем ближе к полюсу, тем длиннее становился градус.

С тех пор форма Земли уточнялась еще несколько раз. С большой точностью ее удалось определить лишь в XX в. с помощью приборов, установленных на искусственных спутниках Земли. Сегодня точно известно, что Земля — не вполне правильный шар. Она немного сжата у полюсов и несколько вытянута к Северному полюсу. Эта фигура называется геоидом. Термин для обозначения фигуры Земли был введен в 1873 г. немецким физиком И. Листингом. Сжатие у полюсов объясняется вращением Земли вокруг своей оси. Вытянутость Земли к Северному полюсу до сих пор окончательного объяснения не получила.

Окружность Земли по экватору равна 40 075,7 км, окружность по меридиану — 40 008,5 км.

Масса Земли была вычислена на основе закона всемирного тяготения в опытах Г. Кавендиша с крутильными весами, на которых он измерял, с какой силой большой свинцовый шар притягивает к себе маленькие свинцовые шарики, а затем сравнивал эту силу с силой притяжения маленьких шариков Землей, т.е. с их весом. Этот опыт был поставлен в 1798 г. Масса Земли оказалась равной 5976 • 1021 кг.

Поверхность Земли составляет приблизительно 510 млн. км2 , при этом на долю суши приходится 149 млн. км2 , или около 29%, так что правильнее было бы назвать нашу планету не Землей, а Океаном.

7.2. Земля среди других планет Солнечной системы

В последнее время среди многочисленных наук, изучающих нашу планету, появилась еще одна — сравнительная планетология. Она позволяет сопоставить данные о Земле с тем, что нам известно о других планетах Солнечной системы. Мы уже говорили, что в состав Солнечной системы входит девять планет. Они делятся на д в е группы:

1) внутренние планеты (планеты земной группы) — Меркурий, Венера, Земля, Марс;

2) внешние планеты (газовые гиганты) — Юпитер, Сатурн, Уран, Нептун, Плутон.

Отличия планет земной группы от газовых гигантов очевидны.

Поэтому посмотрим, чем отличаются друг от друга внутренние пла-

159

неты. Среди них нет двух одинаковых планет. Они отличны по размерам, физико-химическим параметрам, строению недр и поверхностей, составом атмосфер. В основном эти различия обусловлены начальными условиями формирования планет — химическим составом, плотностью вещества в тех частях протопланетного облака, где эти планеты формировались, а также расстоянием от Солнца, резонансным взаимодействием с ним и другими планетами.

Из всех планет земной группы Земля — самая большая планета. Но как показывают оценки, даже такие размеры и масса оказываются минимальными, при которых планета способна удержать свою газовую атмосферу. Тем не менее, Земля теряет водород и другие легкие газы, что заметно по шлейфу, который тянется за нашей планетой. Венера почти равна по размерам и массе Земле, но она ближе к Солнцу и получает от него больше тепла. Поэтому она давно потеряла весь свой свободный водород. У остальных двух планет атмосфера либо вообще отсутствует (Меркурий), либо сохранилась в очень разреженном состоянии (Марс).

Из всех планет только Земля обладает сильным магнитным полем, на два порядка превосходящим значения магнитных полей у других планет. Как считают ученые, это одна из причин появления жизни на Земле.

Ни одна из планет не имеет развитой системы спутников, как у планет — газовых гигантов. Луна — спутник Земли, не вписывается ни в одну из современных гипотез образования Солнечной системы. Тем более, что Луна имеет планетные размеры (сравнимые с размерами Меркурия).

Различия в составе и плотности атмосферы

Важнейшей характеристикой любой планеты является наличие (или отсутствие) атмосферы. Три из четырех планет обладают заметной атмосферой. Атмосфера Земли кардинально отличается от атмосфер других планет: в ней мало углекислого газа, много молекулярного кислорода и паров воды. Это связано с тем, что вода морей и океанов Земли хорошо поглощает углекислый газ, а живое вещество биосферы планеты насыщает атмосферу кислородом, образующимся в процессе фотосинтеза. Подсчеты показывают, что если освободить всю поглощенную водой океанов углекислоту и одновременно убрать из атмосферы кислород, накопленный за счет жизнедеятельности растений, то состав земной атмосферы станет подобным составу атмосфер Венеры и Марса.

Относительно малые размеры Марса не позволили ему удержать плотную атмосферу. Тем не менее, раньше она была более плотной из-за процессов активного выделения газов из недр планеты. Тогда,

160


очевидно, условия на планете были более мягкими, без резких перепадов дневных и ночных температур. Сейчас же в разреженной атмосфере Марса возникают настолько мощные пылевые бури, что они поднимают массы песка на высоту многих километров, практически скрывая поверхность планеты от наблюдателей за непроницаемой пылевой завесой.

Венера, напротив, имеет очень плотную атмосферу, в основном состоящую из углекислого газа. Возникший в связи с этим парниковый эффект обусловил разогревание поверхности Венеры до огромных температур.

Наличие или отсутствие гидросферы

Близость Венеры к Солнцу способствовала быстрой потере планетой водорода, что, в свою очередь, привело к невозможности появления воды и снижению температуры на поверхности планеты до приемлемого уровня.

На Венере, таким образом, отсутствует гидросфера. Да и в атмосфере пары воды присутствуют в очень незначительном количестве. Причины этого до сих пор неизвестны. Тем не менее, существует предположение, что отсутствие гидросферы, очень медленное обратное вращение и отсутствие собственного магнитного поля у Венеры — все это следствия некоей общей причины, породившей различия в путях развития Венеры и Земли.

На Марсе в прошлом (примерно, миллиард лет назад) существовала гидросфера. А три миллиарда лет назад там, возможно, был океан. В наши дни вода на Марсе существует в виде инея и льда в полярных шапках этой планеты. Также вода должна быть на планете в слое вечной мерзлоты. Поэтому на Марсе может существовать жизнь, по крайней мере, простейшие ее формы.

Лишь на Земле гидросфера развита настолько хорошо, что существует в виде Мирового океана, занимающего большую часть поверхности нашей планеты.

Различия в рельефе

Существенно различаются также и рельефы планет земной группы. Это обусловлено различием вулканических и геологических процессов на них. Сегодня считается, что тектоническая активность может служить мерилом жизнеспособности планеты в целом. Если тектоническая деятельность отсутствует или значительно сокращается, то можно делать вывод об умирании планеты. Это связано с тем, что при тектонической деятельности идет активный обмен веществом и энергией между поверхностью и недрами планеты. При

этом формируется и поддерживается атмосфера, гидросфера и господствующие типы рельефа местности. С прекращением тектонической активности планета превращается в мертвое небесное тело, на котором преобладают процессы деградации.

В прошлом Земля отличалась большой геологической активностью. Однако и в наши дни для Земли характерна высокая тектоническая активность, а потому ее геологическая история далека от завершения. Это проявляется в периодически случающихся землетрясениях и извержениях вулканов, иногда носящих катастрофический характер. Поэтому современный рельеф Земли продолжает меняться. Огромную роль при этом играет воздействие не только эндогенных (тектонических), но и экзогенных процессов — гидро-сферных, атмосферных и биосферных. На других планетах подобное сочетание факторов отсутствует.

Рельеф земной поверхности отличается глобальной асимметрией. Она хорошо заметна при сравнении Северного и Южного полушарий. Одно из них в основном заполнено водой, в другом же сосредоточены поднятия коры, образующие континенты. То, что участки суши и моря асимметричны относительно центра Земли, хорошо заметно на глобусе.

Асимметричны не только рельефы, но и тепловые режимы Северного и Южного полушарий. Северное полушарие более теплое, чем Южное. Так, в Северном полушарии температура опускается до —70°С, а в Южном — до -90°С. Кроме того, в Южном полушарии расположен абсолютный полюс ветров (в Антарктиде) и «ревущие сороковые» широты — зона постоянных бурь и ураганов. Неодинаковы также тепловые режимы Западного и Восточного полушарий. Так, в Америке климат более умеренный, чем в Азии. Это связано с тем, что в Азии горные цепи расположены по параллелям и задерживают перемещение воздушных масс в направлении с юга на север. Поэтому значительная часть азиатской территории содержит многолетнемерзлые фунты. А в Восточной Сибири зимой обьино устанавливается устойчивый антициклон с низкими температурами. Кроме того, в Западном полушарии больше воды, чем в Восточном. Это также смягчает климат американского континента.

Рельефы Марса и Венеры формировались в иных условиях, чем на Земле. Отсутствие гидросферы исключает разделение на океанский и континентальный рельефы. Иначе проходила и тектоническая деятельность на этих планетах.

В наши дни на Марсе отсутствует вулканическая активность, хотя еще сто миллионов лет назад она была довольно бурной. От того времени сохранились конусы потухших вулканов, покрытая лавами большая часть поверхности планеты, а также характерные разломы и сбросы марсианской коры.

162

Одним из следствий затухания вулканической деятельности стало резкое сокращение поступления газов из недр планеты в атмосферу. А поскольку масса Марса недостаточна для удержания плотной атмосферы, она начала редеть. Все говорит о том, что геологическая эволюция Марса завершилась.

Поверхность Венеры в основном представляет собой равнину, на фоне которой выделяются две обширные горные области — Земля Иштар и Земля Афродиты. Их средняя высота над равниной составляет около 4 км, простираются они на несколько тысяч километров. Средний возраст исследованной территории Венеры оценивается в 1 млрд. лет. Процессы разрушения поверхностных структур, бурно протекающие на Земле, на Венере идут удивительно медленно: за миллиард лет разрушенный слой не превысил нескольких десятков метров. Такие темпы разрушения характерны для малых безатмосферных планет типа Меркурия. На Венере причинами такой стабильности являются отсутствие гидросферы, окислительной атмосферы, а также тектонической активности в наши дни.

Таким образом, утверждения о том, что Венера — молодая планета, только начинающая свою геологическую историю, неверны. Она уже миновала пору активного планетного развития и в этом отношении близка к Марсу. Сходство Венеры и Марса объяснимо — основным геологообразующим процессом на этих планетах была тектоническая активность.

В современную эпоху только Земля остается «живой» планетой, ее геологическое развитие продолжается. По-иному, чем на Марсе и Венере, протекают процессы в недрах Земли. На это указывает существование континентальной коры с гранитными породами и явно выраженных литосферных плит с их перемещениями.

Главным же отличием Земли от других планет является хорошо развитая биосфера. Вершиной эволюции жизни на нашей планете стал человек, обладающий разумом.

7.3. Образование Земли

В современном естествознании существует несколько противоречивых точек зрения, касающихся образования Земли как космического тела. Одну из них — гипотезу Альвена—Аррениуса мы рассматривали ранее.

Возраст Земли

Согласно современным космологическим представлениям,

Земля образовалась примерно 4,5 млрд. лет назад. К такому выводуученые пришли в результате исследования возраста древнейших минералов и горных пород, а также на основе изучения процессов распада радиоактивных веществ. Кроме того, на данный возраст Земли указывают и материалы исследования метеоритов. Они относятся к числу наиболее изученных космических объектов и несут ценную научную информацию. Исследования метеоритов показывают, что возраст как железных, так и каменных метеоритов совпадает и составляет примерно 4,5—4,6 млрд. лет.

Схожие данные получены и при исследовании лунных пород. Образцы этих пород были доставлены на Землю как с помощью космических станций «Луна», так и экипажами американских космических кораблей «Аполлон». Оказалось, что возраст самых древних лунных образцов совпадает с возрастом самой Луны и составляет 4—4,5 млрд. лет. Значит, первичная лунная кора возникла вскоре после образования Луны, и отдельные участки этой коры сохранились до сегодняшнего дня. Такое совпадение данных для разных тел Солнечной системы не может считаться случайным, поэтому делается вывод о возрасте нашей планеты, равном примерно 4,5 млрд. лет. К этому времени завершилось формирование. При этом считается, что ее геологическая история составляет около 4 млрд. лет, из них 0,6 млрд. лет — это ранняя история Земли.

Древнейший период в истории нашей планеты, составляющий 5/6 всей геологической истории Земли, называется докембрийским, или криптозойским. Он делится на архей (закончился 3,5 млрд. лет назад) и протерозой (до 600 млн. лет назад). Последние 600 млн. лет называются фанерозоем и делятся на три эры: палеозой (240 млн. лет), мезозой (163 млн. лет) и кайнозой (67 млн. лет). Эти эры, в свою очередь, подразделяются на более мелкие периоды (табл. 7.1).

Т а б л и ц а 7.1

Геохронологическая шкала фанерозоя

Группа (эра) Система (период) Начало, млн. лет назад Продолжительность, млн. лет
1 2 3 4
Кайнозойская (67 млн. лет)

Антропогеновая

(четвертичная)

Неогеновая

Палеогеновая

1,5

25 67

1,5

23,5 42

Мезозойская (163 млн. лет)

Меловая

Юрская

Триасовая

137

195

230

70

58

35

164

Окончание табл. 7.1

1 2 3 4
Палеозойская Пермская 285 55
(240 млн. лет) Каменноугольная 350 75-65
Девонская 410 60
Силурийская 440 30
Ордовикская 500 60
Кембрийская 570 70 ■

Ранняя история развития Земли

Ранняя история развития Земли включает три фазы эволюции:

1) фазу аккреции (рождения);

2) фазу расплавления внешней сферы земного шара; 3)фазу первичной коры (лунную фазу).

Фаза аккреции представляла собой непрерывное выпадение на растущую Землю все большего количества крупных тел, укрупняющихся в своем полете при соударениях между собой, а также в результате притяжения к ним более удаленных мелких частиц. Кроме того, на Землю падали и самые крупные объекты — планетезима-лии, достигавшие в поперечнике многих километров. В фазу аккреции Земля приобрела примерно 95% современной массы. На это ушло около 17 млн. лет (правда, некоторые исследователи увеличивают этот срок до 400 млн. лет). При этом Земля оставалась холодным космическим телом, и только в конце этой фазы, когда началась предельно интенсивная бомбардировка ее крупными объектами, произошло сильное разогревание, а затем и полное расплавление вещества поверхности планеты.

Фаза расплавления внешней сферы земного шара наступила в промежутке 4—4,6 млрд. лет назад. В это время произошла общепланетарная химическая дифференциация вещества, которая привела к формированию центрального ядра Земли и обволакивающей его мантии. Позже образовалась земная кора.

В этой фазе поверхность Земли представляла собой океан тяжелой расплавленной массы с вырывающимися из него газами. В него продолжали стремительно падать мелкие и крупные космические тела, вызывая всплески тяжелой жидкости. Над раскаленным океаном нависало сплошь затянутое густыми тучами небо, с которого не могло упасть ни капли воды.

Лунная фаза — это время остывания расплавленного вещества поверхности Земли из-за излучения тепла в космос и ослабления метеоритной бомбардировки. Так образовалась первичная кора базальтового состава. Тогда же происходило образование гранитного

слоя материковой коры. Правда, механизм этого процесса до сих пор неясен.

В лунную фазу шло постепенное остывание поверхности Земли от температуры плавления базальтов, составляющей 800— 1000°С до 100°С. Когда температура опустилась ниже 100°С, из атмосферы выпала вся вода, покрывшая Землю. В результате сформировались поверхностные и грунтовые стоки, появились водоемы, в том числе и океан.

Геологическое развитие и строение Земли

Результатом геологического развития Земли стало формирование самых верхних оболочек — атмосферы, гидросферы и литосферы. Это произошло в результате остывания поверхности Земли и привело к образованию первичной базальтовой или близкой к ней по составу коры Земли. Почти одновременно за счет конденсации водяных паров образовалась водная оболочка планеты — гидросфера.

Образование и строение литосферы. Земная кора образована горными породами, имеющими различные формы залегания. Породы лежат горизонтальными слоями или нарушены разломами и смяты складками. Залегание горных пород чаще всего обусловлено внутренними (эндогенными) силами. Строение земной коры, созданное эндогенными процессами, называется тектоническим строением, или тектоникой.

Современный рельеф планеты складывался на протяжении многих сотен миллионов лет и продолжает видоизменяться под влиянием совместного действия на ее поверхности тектонических, гид-росферных, атмосферных и биологических процесов. Начало этому было положено около 3,5 млрд. лет назад, когда начали формироваться вулканические дуги. Формирование вулканических дуг происходило на первичной остаточной или вторичной коре, образованной при растяжении океанической коры над зонами подлезания (столкновения литосферных плит и подлезания их друг под друга с образованием вулканической дуги). В результате примерно 2,7—

2,5 млрд. лет назад возникли значительные площади континентальной коры, которые, по-видимому, соединились в единый суперконтинент — первую Пангею в истории Земли. Толщина этой коры уже достигала современной толщины в 35—40 км. Ее нижняя часть под влиянием высоких давлений и температур испытывала значительные превращения, а на средних уровнях произошло выплавление больших масс гранита.

Следующий важный момент в развитии Земли имел место примерно 2,5 млрд. лет назад. Возникший на предыдущем этапе суперконтинент — первая Пангея — претерпел существенные изменения и 2,2 млрд. лет назад распался на отдельные, относительно неболь-166

шие континенты, разделенные бассейнами с новообразованной океанической корой. Отдельные следы этих этапов тектоники плит можно обнаружить и сейчас. Первый этап (до возникновения Пангеи) принято называть эмбриональной тектоникой плит, а второй — тектоникой малых плит. К концу второго периода, около 1,7 млрд. лет назад, континенты вновь слились в единый суперконтинент. Образовалась Пангея-Н. Ее распад начался около 1 млрд. лет назад, хотя частичные разъединения и воссоединения могли иметь место и до этого.

В интервале 1—0,6 млрд. лет назад структурный план Земли претерпел радикальные изменения и существенно приблизился к современному. С этого момента началась полномасштабная тектоника плит. Она связана с тем, что литосфера Земли разделена на ограниченное число крупных (5 тыс. км) и средних (1 тыс. км) по размерам поперечника жестких и монолитных плит, которые расположены на более пластичной и вязкой оболочке — астеносфере. Литосферные плиты стали двигаться по астеносфере в горизонтальном направлении, образуя раздвижения и подлезания, которые в среднем компенсируют друг друга в масштабах планеты. Таким образом, в истории Земли как планеты неоднократно происходил процесс формирования и распада Пангеи. Длительность таких циклов составляет 500—600 млн. лет. На эту крупномасштабную периодичность накладывается периодичность меньших масштабов, связанная с растяжением и сжатием земной коры.

В результате тектонической активности рельеф земной поверхности сегодня характеризуется глобальной асимметрией двух полушарий (Северного и Южного): одно из них представляет собой гигантское пространство, заполненное водой. Это океаны, занимающие более 70% всей поверхности. В другом полушарии сосредоточены поднятия коры, образующие континенты. Глобальная асимметрия в строении поверхности нашей планеты была замечена давно, что позволило планетарный рельеф поделить на две основные области — океаническую и континентальную. Дно океанов и континенты отличаются друг от друга строением земной коры, химическим и петрографическим составом, а также историей геологического развития. Кора имеет повышенную мощность в области континентов и пониженную в областях океанического дна.

Средняя мощность континентальной коры — 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, нижний — базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Ее мощность — 5—10 км. Кроме того, континентальная кора содержит больше радиоактивных элементов, генерирующих тепло, чем тонкая океаническая кора.

Земная кора, образующая верхнюю часть литосферы, в основном состоит из восьми химических элементов: кислорода, кремния, алю-миния, железа, кальция, магния, натрия и калия. Половина всей массы коры приходится на кислород, который содержится в ней в связанном состоянии, главным образом, в виде окислов металлов.

Земная кора сложена горными породами различного типа и различного происхождения. Более 70% приходится на магматические породы, 20% — на метаморфические, 9% составляют осадочные породы.

Не следует забывать и о том, что поверхность Земли сложена из литосферных плит, число и положение которых менялось от эпохи к эпохе. Плита — это вся масса земной коры и подстилающей мантии, которые движутся как единое целое по поверхности Земли. Сегодня выделяют 8—9 больших плит и более 10 малых. Плиты медленно перемещаются горизонтально (глобальная тектоника плит). В районах рифтовых долин, где вещество мантии выносится наружу, плиты расходятся, а в местах, где горизонтальные смещения соседних плит оказываются встречными, они надвигаются друг на друга. Вдоль границ литосферных плит расположены зоны повышенной тектонической активности. При движении плит сминаются их края, образуя горные хребты или целые горные области. Океанические плиты, берущие свое начало в рифтовых разломах, наращивают толщину по мере приближения к континентам. Они уходят под островные дуги или континентальную плиту, увлекая за собой накопившиеся осадочные породы. Вещество погружающейся плиты достигает в мантии глубин до 500—700 км, где оно начинает плавиться.

Возникновение атмосферы и гидросферы. Составные части атмосферы и гидросферы Земли являются летучими веществами, которые появились в результате ее химической дифференциации. Согласно имеющимся данным, пары воды и газы атмосферы возникли в недрах Земли и поступили на ее поверхность в результате внутреннего разогрева совместно с наиболее легкоплавкими веществами первичной мантии в процессе вулканической активности.

Вода и углекислый газ как компоненты газопылевого облака долго пребывали в виде молекул, когда большая часть твердых конденсатов уже сформировалась. Поэтому оставшиеся газы в какой-то мере поглощались пылевыми частицами путем адсорбции и различных химических реакций. Так летучие вещества внедрились в планеты земного типа. Из недр Земли они поступают на поверхность в результате вулканической деятельности. Кроме того, как считают Альвен и Аррениус, уже в период бомбардировки Земли планетезималиями, когда шел разогрев и плавление земных пород, выделялись газы и пары воды, содержавшиеся в породах. При этом Земля теряла водород и гелий, но сохраняла более тяжелые газы. Таким образом, именно дегазация земных недр стала источником атмо-

168


сферы и гидросферы. По некоторым расчетам, от 65 до 80% общего количества летучих компонентов Земли выделилось в результате ударной дегазации.

Мировой океан возник из паров мантийного материала, и первые порции конденсированной воды были кислыми. Затем появились минерализованные воды, а собственно пресные воды образовались значительно позже в результате испарения с поверхности первичных океанов в процессе естественной дистилляции.

Проблема происхождения океана связана с проблемой происхождения не только воды, но и растворенных в ней веществ. Гидросфера Земли, как и атмосфера, также появилась в результате дегазации недр планеты. Материал океана и вещество атмосферы возникли из общего источника.

Океаническая вода представляет собой уникальный природный раствор, содержащий в среднем 3,5% растворенных веществ, что и обеспечивает соленость воды. В воде земных океанов содержится множество химических элементов. Среди них важнейшую роль играют натрий, магний, кальций, хлор, азот, фосфор, кремний. Эти элементы усваиваются живыми организмами, и их концентрация в морской воде контролируется ростом и размножением морских растений и животных. Большую роль в составе морской воды играют растворенные в ней природные газы — азот, кислород, углекислый газ, которые тесно связаны с атмосферой и живым веществом суши и моря.

Как считается сегодня, первичная атмосфера Земли по своему составу была близка к составу вулканических и метеоритных газов. Скорее всего, она напоминала современную атмосферу Венеры. На поверхность Земли поступали вода, углекислый газ, окись углерода, метан, аммиак, сероводород и др. Они и составили первичную атмосферу Земли. В целом первичная атмосфера имела восстановительный характер и была практически лишена свободного кислорода, хотя незначительные его доли образовывались в верхней части атмосферы в результате фотолиза воды.

Таким образом, состав первичной атмосферы Земли, возникшей в результате ударной дегазации и вулканической активности, весьма сильно отличался от состава современной атмосферы. Эти отличия связаны с наличием жизни на Земле, оказывающей самое существенное воздействие на все процессы, протекающие на нашей планете. Таким образом, химическая эволюция атмосферы и гидросферы проходила с неизменным участием живых организмов, причем ведущую роль при этом играли фотосинтезирующие зеленые растения.

Современная азотно-кислородная атмосфера — результат деятельности Жизни на Земле. То же можно сказать и о современном составе вод Мирового океана планеты. Поэтому сегодня на нашей

169

планете жизнь и преобразованная им окружающая среда образуют самостоятельную оболочку Земли — биосферу.

7.4. Геосферы Земли

Формирование Земли сопровождалось дифференциацией вещества, результатом которой явилось разделение Земли на концентрически расположенные слои — геосферы. Геосферы различаются химическим составом, агрегатным состоянием и физическими свойствами. В центре образовалось ядро Земли, окруженное мантией. Из наиболее легких компонентов вещества, выделившихся из мантии, возникла расположенная над мантией земная кора. Это так называемая «твердая» Земля, заключающая в себе почти всю массу планеты. Далее возникли водная и воздушная оболочки нашей планеты. Кроме того, Земля обладает гравитационным, магнитным и электрическими полями.

Таким образом, можно выделить ряд геосфер, из которых состоит Земля: ядро, мантия, литосфера, гидросфера, атмосфера, магнитосфера.

Кроме названных оболочек Земли, ниже мы будем рассматривать биосферу и ноосферу. Кроме того, в литературе можно встретить анализ и других оболочек — антропосферы, техносферы, со-циосферы, но их рассмотрение выходит за рамки естествознания.

Геосферы различаются, главным образом, плотностью составляющих их веществ. Самые плотные вещества сосредоточены в центральных частях планеты. Ядро составляет 1/3 массы Земли, кора и мантия — 2/3.

Все земные оболочки взаимосвязаны и проникают друг в друга. Гидросфера всегда присутствует в литосфере и атмосфере, атмосфера — в литосфере и гидросфере и т.д. С атмосферой, гидросферой и литосферой тесно связаны внутренние оболочки Земли. Кроме того, во всех оболочках, кроме мантии и ядра, присутствует биосфера.

Ядро Земли

Ядро занимает центральную область нашей планеты. Это самая глубокая геосфера. Средний радиус ядра составляет около 3500 км, располагается оно глубже 2900 км. Ядро состоит из двух частей — большого внешнего и малого внутреннего ядер.

Внутреннее ядро Природа внутреннего ядра Земли начиная с глубины 5000 км остается загадкой. Это шар диаметром 2200 км, который, как полагают ученые, состоит из железа (80%) и никеля

170

(20%). Соответствующий сплав при существующем давлении внутри земных недр имеет температуру плавления порядка 4500° С.

Внешнее ядро. Судя по геофизическим данным, внешнее ядро представляет собой жидкость — расплавленное железо с примесью никеля и серы. Это связано с тем, что давление в этом слое меньше. Внешнее ядро представляет собой шаровой слой толщиной 2900—5000 км. Чтобы внутреннее ядро оставалось твердым, а внешнее — жидким, температура в центре Земли не должна превышать 4500° С, но и не быть ниже 3200° С.

С жидким состоянием внешнего ядра связывают представления о природе земного магнетизма. Магнитное поле Земли изменчиво, из года в год меняется положение магнитных полюсов. Палеомагнитные исследования показали, что, например, на протяжении последних 80 млн. лет имело место не только изменение напряженности поля, но и многократное систематические перемагничивание, в результате которого Северный и Южный магнитные полюса Земли менялись местами. В периоды смены полярности наступали моменты полного исчезновения магнитного поля. Следовательно, земной магнетизм не может создаваться постоянным магнитом за счет стационарной намагниченности ядра или какой-либо его части. Предполагается, что магнитное поле создается процессом, названным эффектом динамо-машины с самовозбуждением. Роль ротора (подвижного элемента), или динамо, может играть масса жидкого ядра, перемещающаяся при вращении Земли вокруг своей оси, а система возбуждения образуется токами, создающими замкнутые петли внутри сферы ядра.

Мантия

Мантия — наиболее мощная оболочка Земли, занимающая 2/3 ее массы и большую часть объема. Она также существует в виде двух шаровых слоев — нижней и верхней мантии. Толщина нижней части мантии — 2000 км, верхней — 900 км. Все слои мантии расположены между радиусами 3450 и 6350 км.

Данное о химическом составе мантии получены на основании анализов наиболее глубинных магматических горных пород, поступивших в верхние горизонты в результате мощных тектонических поднятий с выносом мантийного материала. Материал верхней мантии собран со дна разных участков океана. Плотность и химический состав мантии резко отличаются от соответствующих характеристик ядра. Мантию образуют различные силикаты (соединения на основе кремния), прежде всего, минерал оливин.

Благодаря высокому давлению вещество мантии, скорее всего, находится в кристаллическом состоянии. Температура мантии со-

171

ставляет около 2500°С. Именно высокие давления обусловили такое агрегатное состояние вещества, в ином случае указанные температуры привели бы к его расплавлению.

В расплавленном состоянии находится астеносфера — нижняя часть верхней мантии. Это подстилающий верхнюю мантию и литосферу слой. Литосфера как бы «плавает» в нем. В целом же верхняя мантия обладает интересной особенностью — по отношению к кратковременным нагрузкам она ведет себя как жесткий, а по отношению к длительным нагрузкам — как пластичный материал.

На не слишком вязкую и пластичную астеносферу опирается более подвижная и легкая литосфера. В целом литосфера, астеносфера и остальные слои мантии могут рассматриваться в качестве трехслойной системы, каждая из частей которой подвижна относительно других компонентов.

Литосфера

Литосферой называют земную кору с частью подстилающей ее мантии, которая образует слой толщиной порядка 100 км. Земная кора обладает высокой степенью жесткости, но вместе с тем и большой хрупкостью. В верхней части она слагается гранитами, в нижней — базальтами.

Резкая асимметрия строения поверхности нашей планеты была замечена давно. Поэтому планетарный рельеф делится на две основные области — океаническую и континентальную. Средняя мощность континентальной коры — 35 км. Ее верхний слой богат гранитными породами, а нижний — базальтовыми магмами. На дне океанов гранитный слой отсутствует, и земная кора состоит только из базальтового слоя. Мощность океанической коры составляет 5—10 км.

Первые порции вулканического материала имели состав базальтов или близкий к нему. Базальтовая магма, поднимаясь к поверхности, теряла газы, уходившие в атмосферу, и превращалась в базальтовую лаву, которая растекалась по первичной поверхности планеты. При остывании она образовывала твердые покровы — первичную кору океанического типа. Однако процесс выплавления этих масс был асимметричным, и на одном полушарии планеты их сосредоточилось больше, чем на другом. В областях будущих континентов молодая земная кора была динамически неустойчивой и перемещалась вверх и вниз под влиянием внутренних причин, природа которых еще недостаточно хорошо изучена.

При общих колебательных движениях отдельные части первичной коры временами оказывались выше уровня океана и подвергались разрушению под воздействием химически активных газов первичной атмосферы, воды, а также других физических агентов. Про-

172

дукты разрушения сносились в пониженные участки суши и водоемы, образуя осадочные породы с механической сортировкой частиц по величине и минералогическому составу. Еще более активно эти процессы пошли с появлением биосферы. Области поднятия суши — места будущих континентов — стали обрастать поясами, образованными толщами осадочных пород, возникших за счет разрушения более приподнятых участков суши. Эти пояса впоследствии подвергались складчатости и поднятиям, в них проявлялась вулканическая деятельность. Возникли древние горные цепи вокруг ядер материков, впоследствии также разрушенные геологическими агентами. Так формировалась континентальная часть земной коры.

Океаническая часть, вероятно, редко или совсем не выступала выше уровня Мирового океана, и в ней не происходили процессы дифференциации вещества, не шли отложения осадочных пород.

Геологические особенности земной коры определяются совместными действиями на нее атмосферы, гидросферы и биосферы — трех внешних оболочек планеты. Состав коры и внешних оболочек непрерывно обновляется. Благодаря выветриванию и сносу вещество континентальной поверхности полностью обновляется за 80—100 млн. лет. Убыль вещества континентов восполняется поднятиями их коры. Если бы этих поднятий не было, то за несколько геологических периодов вся суша оказалась снесенной в океан, а наша планета покрылась сплошной водной оболочкой.

На поверхности литосферы в результате совокупной деятельности ряда факторов возникает почва. Основоположник почвоведения русский ученый В. В. Докучаев назвал почвой наружные горизонты горных пород, естественно измененных совместным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов, включая их остатки. Таким образом, почва — это сложнейшая система, стремящаяся к равновесному взаимодействию с окружающей средой.

Гидросфера

Водная оболочка Земли представлена на нашей планете Мировым океаном, пресными водами рек и озер, ледниковыми и подземными водами. Общие запасы воды на Земле составляют 1,5 млрд. км3 . Из этого количества 97% приходится на соленую морскую воду, 2% составляет замерзшая вода ледников и 1% — пресная вода.

Гидросфера — это сплошная оболочка Земли, так как моря и океаны переходят в подземные воды на суше, а между сушей и морем идет постоянный круговорот воды, ежегодный объем которого оценивается в 100 тыс. км3 . Большая часть воды, испаренной с поверхности морей и океанов, выпадает в виде осадков над ними же,

173

около 10% — уносится на сушу, падает на нее, а затем или реками уносится в океан, или уходит под землю, или консервируется в ледниках. Круговорот воды в природе не является абсолютно замкнутым циклом. Сегодня доказано, что наша планета постоянно теряет часть воды и воздуха, которые уходят в мировое пространство. Поэтому с течением времени встанет проблема сохранения воды на нашей планете.

Вода — вещество, обладающее многими уникальными физическими и химическими свойствами. В частности, вода имеет высокую теплоемкость, теплоту плавления и испарения и в силу этих качеств является важнейшим климатообразующим фактором на Земле. Вода — хороший растворитель, поэтому в ней содержится множество химических элементов и соединений, необходимых для поддержания жизни. Не случайно именно Мировой океан стал колыбелью Жизни на нашей планете.

Мировой океан. Большую часть поверхности Земли занимает Мировой океан (71% поверхности планеты). Он окружает материки (Евразию, Африку, Северную и Южную Америку, Австралию и Антарктиду) и острова. Океан делится материками на четыре части: Тихий (50% площади Мирового океана), Атлантический (25), Индийский (21) и Северный Ледовитый (4%) океаны. Мировой океан часто называют «печкой планеты». В теплое время года вода согревается медленнее суши, поэтому она охлаждает воздух, зимой же, наоборот, теплая вода согревает холодный воздух.

В Мировом океане постоянно происходят поступательные движения масс воды — морские течения. Они образуются под влиянием господствующих ветров, приливных сил Луны и Солнца, а также из-за существования слоев воды разной плотности. Под влиянием вращения Земли все течения в Северном полушарии отклоняются вправо, а в Южном полушарии — влево. Огромную роль в морях и океанах играют приливы и отливы, вызывающие периодические колебания уровня воды и смену приливных течений. В открытом океане высота прилива достигает одного метра, у берегов — до 18 метров. Самые высокие приливы наблюдаются у берегов Франции (14,7 м) и в Англии, в устье реки Северн (16,3 м), в России — в Мензен-ском заливе Белого моря (10 м) и в Пенжинской губе Охотского моря (11 м).

Огромны продовольственные, энергетические и минеральные запасы Мирового океана.

Реки. Важной частью гидросферы Земли являются реки — водные потоки, текущие в естественных руслах и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока с их бассейнов. Реки с притоками образуют речную систему. Течение и расход воды в них зависят от уклона русла. Обычно выделяют горные реки с быстрым те-

174

чением и узкими речными долинами и равнинные реки с медленным течением и широкими речными долинами.

Реки являются важной частью круговорота воды в природе. Их суммарный годовой сток в Мировой океан составляет 38,8 тыс. км3 . Реки — это источники питьевой и промышленной воды, источник гидроэнергии. В реках обитает большое количество растений, рыб и других пресноводных организмов. Самые большие реки на планете — Амазонка, Миссисипи, Енисей, Лена, Обь, Нил, Амур, Янцзы, Волга.

Озера и болота — также часть гидросферы Земли. Озера — это заполненные водой водоемы, вся поверхность которых открыта атмосфере и которые не имеют уклонов, создающих течения, а также не связаны с морем иначе, чем через реки и протоки. Понятие «озера» включает в себя большой круг водоемов, в том числе пруды (небольшие мелкие озера), водохранилища, а также болота и трясины со стоячей водой. По происхождению озера могут быть ледниковыми, проточными, термокарстовыми, солеными. С геологической точки зрения озера имеют малую продолжительность жизни. Как правило, они постепенно исчезают из-за нарушения равновесия между притоком и стоком воды из озера. К числу крупнейших озер относятся: Каспийское и Аральское моря, Байкал, озера Верхнее, Гурон и Мичиган в США и Канаде, Виктория, Ньянза и Танганьика в Африке.

Подземные воды — еще одна часть гидросферы. Подземными являются все воды, находящиеся под земной поверхностью. Существуют подземные реки, свободно текущие по подземным каналам — трещинам и пещерам. Есть также фильтрующиеся воды, просачивающиеся через рыхлые породы (песок, гравий, гальку). Самый ближний к поверхности земли горизонт подземных вод называют грунтовыми водами.

Вода, попавшая в грунт, доходит до водоупорного слоя, накапливается на нем и пропитывает вышележащие породы. Так образуются водоносные горизонты, могущие служить источниками воды. Иногда водоупорный слой может создавать вечная мерзлота.

Ледники, образующую ледяную оболочку Земли (криосферу), также являются частью гидросферы нашей планеты. Они занимают площадь, равную 16 млн. км2 , что примерно составляет 1/10 часть поверхности планеты. Именно в них содержатся основные запасы пресной воды (3/4). Если бы льды, находящиеся в ледниках, вдруг растаяли, уровень Мирового океана повысился бы на 50 метров.

Ледяные массивы образуются там, где возможно не только накопление снега, выпавшего за зиму, но и сохранение его в течение лета. Со временем такой снег уплотняется до состояния льда и может закрыть собой всю местность как ледниковый покров или ледяная шапка. Места, где может происходить накопление многолет-

175

него льда, определяются географической широтой и высотой над уровнем моря. В полярных районах граница многолетнего льда лежит на уровне моря, в Норвегии — на высоте 1,2—1,5 км над уровнем моря, в Альпах — на высоте 2,7 км, а в Африке — на высоте 4,9 км.

Гляциологи различают материковые покровы, или щиты, и горные ледники. Самые мощные материковые ледниковые покровы расположены в Антарктиде и Гренландии. В некоторых местах толщина льда достигает 3,2 км. Постепенно сползающие к океану толщи льда рождают ледяные горы — айсберги. Горные ледники — это ледяные реки, спускающиеся по склонам гор, хотя их движение идет очень медленно — со скоростью от 3 до 300 м в год. При своем движении ледники меняют картину ландшафта, увлекая за собой валуны, обдирая склоны гор и обламывая при этом значительные куски породы. Продукты разрушения уносятся ледником по склону и оседают по мере его таяния.

Вечная мерзлота. Частью криосферы Земли помимо ледников являются многолетнемерзлые грунты (вечная мерзлота). Толщина таких грунтов в среднем достигает 50—100 м, а в Антарктиде доходит до 4 км. Вечная мерзлота занимает огромные территории в Азии, Европе, Северной Америке и Антарктиде, ее общая площадь составляет 35 млн. км2 . Вечная мерзлота возникает в местах, где среднегодовые температуры имеют отрицательные значения. В ней содержится до 2% общего объема льда на Земле.

Атмосфера

Атмосфера — это воздушная оболочка Земли, окружающая ее и вращающаяся вместе с ней. По химическому составу атмосфера представляет собой смесь газов, состоящую из 78% азота, 21% кислорода, а также инертных газов, водорода, углекислого газа, паров воды, на которые приходится около 1% объема. Кроме того, воздух содержит большое количество пыли и различных примесей, порождаемых геохимическими и биологическими процессами на поверхности Земли.

Масса атмосферы довольно велика и составляет 5,15 • 1018 кг. Это значит, что каждый кубический метр окружающего нас воздуха весит около 1 кг. Вес воздуха, давящего на нас, называют атмосферным давлением. Среднее атмосферное давление на поверхности Земли равно 1 атм, или 760 мм ртутного столба. Это означает, что на каждый квадратный сантиметр нашего тела давит груз атмосферы массой в 1 кг. С высотой плотность и давление атмосферы быстро убывают.

В атмосфере есть районы с устойчивыми минимумами и максимумами температур и давлений. Так, в районе Исландии и

Алеут-

176

ских островов располагается такая область, являющаяся традиционным местом рождения циклонов, определяющих погоду в Европе. А в Восточной Сибири область низкого давления летом сменяется областью высокого давления зимой. Неоднородность атмосферы вызывает перемещение воздушных масс — так появляются ветры.

Атмосфера Земли имеет слоистое строение, причем слои отличаются по физическим и химическим свойствам. Важнейшими из них являются температура и давление, изменение которых лежит в основе выделения атмосферных слоев. Таким образом, в атмосфере Земли выделяют: тропосферу, стратосферу, ионосферу, мезосферу, термосферу и экзосферу.

Тропосфера — это нижний слой атмосферы, определяющий погоду на нашей планете. Его толщина — 10—18 км. С высотой падает давление и температура, опускаясь до —55°С. В тропосфере содержится основное количество водяных паров, образуются облака и формируются все виды осадков.

Следующий слой атмосферы — это стратосфера, простирающаяся до 50 км в высоту. Нижняя часть стратосферы имеет постоянную температуру, в верхней части наблюдается повышение температуры из-за поглощения солнечного излучения озоном.

Ионосфера — эта часть атмосферы, которая начинается с высоты 50 км. Ионосфера состоит из ионов — электрически заряженных частиц воздуха. Ионизация воздуха происходит под действием Солнца. Ионосфера обладает повышенной электропроводностью и в силу этого отражает короткие радиоволны, позволяя осуществлять дальнюю связь.

С высоты в 80 км начинается мезосфера, роль которой состоит в поглощении озоном, водяным паром и углекислым газом ультрафиолетовой радиации Солнца.

На высоте 90 — 200—400 км находится термосфера. В ней происходят основные процессы поглощения и преобразования солнечного ультрафиолетового и рентгеновского излучений. На высоте более 250 км постоянно дуют ураганные ветры, причиной которых считают космические излучения.

Верхняя область атмосферы, простирающаяся от 450—800 км до 2000—3000 км, называется экзосферой. В ней содержится атомарный кислород, гелий и водород. Часть этих частиц постоянно уходит в мировое пространство.

Результатом саморегулирующихся процессов в атмосфере Земли является климат нашей планеты. Это не то же самое, что погода, которая может меняться каждый день. Погода очень изменчива и зависит от колебаний тех взаимосвязанных процессов, в результате которых она формируется. Это — температура, ветры, давление, осадки. Погода в основном является результатом взаимодействия атмосферы с сушей и океаном.

177

Климат — это состояние погоды какого-либо региона за длительный промежуток времени. Он формируется в зависимости от географической широты, высоты над уровнем моря, воздушных потоков. Меньше влияют рельеф и тип почвы. Выделяют ряд климатических зон мира, обладающих комплексом сходных характеристик, относящихся к сезонным температурам, количеству осадков и силе ветра:

зона влажного тропического климата — среднегодовые температуры больше 18°С, холодов не бывает, осадков выпадает больше, чем испаряется воды;

зона сухого климата — область малого количества осадков. Сухой климат может быть жарким, как в тропиках, или свежим, как в континентальной Азии;

зона теплого климата — средние температуры в самое холодное время здесь не опускаются ниже —3°С, и хотя бы один месяц имеет среднюю температуру больше 10°С. Хорошо выражен переход от зимы к лету;

зона холодного северного таежного климата — в холодное время средняя температура опускается ниже — 3°С, но в теплое время она выше 10°С;

зона полярного климата — даже в самые теплые месяцы средние температуры здесь ниже 10°С, поэтому в этих районах прохладное лето и очень холодные зимы;

зона горного климата — районы, отличающиеся по климатическим характеристикам от той климатической зоны, в которой они находятся. Появление таких зон связано с тем, что с высотой падают средние температуры и сильно меняется количество осадков.

Климат Земли имеет ярко выраженную цикличность. Самым известным примером цикличности климата являются периодически случавшиеся на Земле оледенения. За два последних миллиона лет наша планета пережила от 15 до 22 ледниковых периодов. Об этом свидетельствуют исследования осадочных пород, накопившихся на дне океанов и озер, а также исследования образцов льда из глубин Антарктического и Гренландского ледниковых покровов. Так, в последний ледниковый период Канада и Скандинавия были покрыты гигантским ледником, а Северо-Шотландское нагорье, горы Северного Уэльса и Альпы имели огромные ледяные шапки.

Сейчас мы живем в период глобального потепления. С 1860 г. средняя температура Земли поднялась на 0,5°С. В наши дни увеличение средних температур идет еще более быстрыми темпами. Это грозит серьезнейшими изменениями климата на всей планете и другими последствиями, которые более подробно будут рассмотрены в главе, посвященной проблемам экологии.

178

Магнитосфера

Магнитосфера — самая внешняя и протяженная оболочка Земли — представляет собой область околоземного пространства, физические свойства которой определяются магнитным полем Земли и его взаимодействием с потоками заряженных частиц космического происхождения. С дневной стороны она простирается на 8—24 земных радиусов, с ночной — доходит до нескольких сотен радиусов и образует магнитный хвост Земли. В магнитосфере находятся радиационные пояса.

Магнитное поле Земли образуется во внешней оболочке ядра благодаря циркуляции электрических токов. Поэтому Земля представляет собой огромный магнит с четко выраженными магнитными полюсами. Северный магнитный полюс находится в Северной Америке на полуострове Ботия, Южный магнитный полюс — в Антарктиде на станции Восток.

В настоящее время установлено, что магнитное поле Земли не является неизменным. Его полярность в истории существования Земли менялась несколько раз. Так, 30 000 лет назад Северный магнитный полюс находился на Южном полюсе. Кроме того, периодически происходят возмущения магнитного поля Земли — магнитные бури, главной причиной возникновения которых является колебание солнечной активности. Поэтому особенно часты магнитные бури в годы активного Солнца, когда на нем появляется много пятен, а на Земле возникают полярные сияния.

7.5. Геодинамические процессы

Облик нашей планеты не является чем-то застывшим, раз и навсегда сформировавшимся. Благодаря разнообразным геодинамическим процессам на планете постоянно происходит видоизменение земной коры и ее поверхности. Эти процессы в геологии делят на две большие группы — эндогенные (внутренние) и экзогенные (внешние).

Эндогенные процессы

Геодинамические процессы, вызванные внутренними силами Земли и протекающие в ее недрах, называются эндогенными.

Они обусловлены энергией и действием сил тяжести, возникающих при вращении Земли, а проявляются в виде тектонических движений (поднятие и опускание земной коры, землетрясения, образование крупных элементов рельефа и т.п.), процессов магматиз-

179

ма (вулканизма), метаморфизма горных пород и формирования месторождений полезных ископаемых.

Движение тектонических плит — это грандиозный геологический процесс, ведущий к деформации верхних частей земной коры, но протекающий очень медленно. Поэтому в течение исторического времени движение континентов можно зафиксировать только с помощью особо точных измерений. Кроме того, движение плит вызывает эффекты, проявляющиеся в форме бедствий и катастроф.

Линии, по которым стыкуются плиты, — это эквивалент трещин в земной коре. Они называются «сдвигами» и представляют собой слабые места, через которые тепло и расплавленный камень, находящийся под корой, могут выйти наверх. Такое тепло способно согревать грунтовые воды, образовывать выходы пара и горячие источники. Иногда вода может нагреваться до тех пор, пока давление не достигает критической точки, после чего она вырывается на поверхность высоко в воздух. Так образуются гейзеры.

Вулканическая деятельность. В некоторых районах вверх по трещинам поднимается и застывает расплавленный камень. Новый расплавленный камень вскипает сквозь возвышенность отвердевшего камня и увеличивает ее высоту. Так образуется гора с центральным проходом, по которому расплавленная каменистая масса, или лава, может подниматься и оседать. Также она может затвердевать на более или менее длительный период, а затем плавиться снова. Этот процесс получил название магматизма. Магматизм — проявление глубинной активности Земли, он тесно связан с ее тепловыми процессами и тектонической эволюцией. В результате магматизма формируются горные породы внутри земли или вулканы, т.е. происходят излияния расплавленной магмы из глубин Земли на ее поверхность.

По степени активности вулканы могут быть действующими или недействующими. Если вулкан демонстрирует определенную активность в течение длительных периодов времени, он не очень опасен, хотя периодические извержения, в ходе которых потоки лавы изливаются наружу, вынуждают эвакуировать находящиеся поблизости населенные пункты.

Намного опаснее вулканы, длительное время пребывающие в неактивном состоянии. У таких вулканов центральный проход, по которому лава поднималась раньше, обычно затвердевает, и потому новые потоки лавы, поднимающиеся из глубин в период усиления активности, не находят себе прохода. Нарастающее давление приводит к тому, что верхушка вулкана прорывается. При этом происходит резкий, неожиданный выброс газа, пара, твердых камней и раскаленной лавы. Если до этого вулкан долгое время оставался неактивным и возле него возникли людские поселения, то последствия из-

180

вержения могут быть катастрофическими. В результате извержения Везувия в 79 г. н.э. были полностью уничтожены города Помпеи и Геркуланум, располагавшиеся на его южном склоне.

Самое крупное вулканическое извержение произошло на острове Кракатау 27 августа 1883 г., в результате которого остров был практически полностью разрушен. В воздух оказалось выброшено около 21 км3 вулканического вещества. Пепел выпал на площади 800 тыс. км2 и затемнил окружающий район на два с половиной дня. Пыль достигла стратосферы и распространилась по всей Земле, вызывая эффектные закаты на протяжении почти двух лет. Звук взрыва был слышен на расстоянии 1/13 земного шара, а сила извержения в 26 раз превосходила мощность самой современной водородной бомбы. Кроме того, взрыв вызвал волну цунами, которая достигла высоты 36 метров и уничтожила 163 деревни и унесла жизни почти 40 тысяч человек.

Землетрясения. Еще более губительным следствием движения тектонических плит являются землетрясения.

Землетрясениями называют подземные толчки и колебания земной поверхности, возникающие в результате внезапных смещений и разрывов в земной коре или верхней части мантии и передающиеся на большие расстояния в виде упругих колебаний.

Их сложно предсказать, так как они зарождаются по разным причинам и на разной глубине. Небольшие тектонические поднятия и опускания образуются в результате процессов, происходящих внутри земной коры на глубине 10—20 км, а самые глубокие очаги землетрясений локализованы на глубине 700 км. В основном землетрясения происходят на границах соединения тектонических плит, которые могут подниматься или опускаться друг относительно друга, а также двигаться в разных направлениях.

Само землетрясение продолжается лишь несколько минут и состоит из нескольких толчков. Но за это время оно может нанести огромный ущерб обширному району. Сила землетрясений характеризуется по специальной 12-балльной шкале, предложенной в 1935 г. американским сейсмологом Ч. Рихтером и носящей его имя. Каждая последующая цифра этой шкалы соответствует десятикратному увеличению количества энергии, высвобождаемой при землетрясении. Так, разрушение зданий начинается при 5 баллах. Землетрясение в 7 баллов считается сильным, а в 8 баллов и выше — катастрофическим.

В историческом масштабе самое сильное землетрясение произошло в Китае в 1556 г., когда одновременно погибло 830 тыс. человек. В Западной Европе очень крупным было землетрясение 1755 г.

181

в Португалии. При этом полностью была разрушена столица Португалии город Лиссабон, погибло 60 тыс. человек. Часто случаются землетрясения в Сан-Франциско, который стоит на тектоническом разломе. На территории бывшего СССР также достаточно много сейсмически опасных зон. В 1988 г. произошло землетрясение в Армении, при котором погибло свыше 20 тыс. человек и более 500 тыс. остались без крова. А в 1995 г. сильнейшее землетрясение полностью разрушило город Нефтегорск на Сахалине.

Экзогенные процессы

К экзогенным относятся геодинамические процессы, которые происходят на поверхности Земли или на небольшой глубине в земной коре и обусловлены энергией солнечного излучения, гравитационной силой и жизнедеятельностью организмов.

Экзогенными являются следующие процессы: выветривание, заболачивание, оползни, лавины, обвалы, криогенные процессы, деятельность водных потоков, морей, озер и ледников. Внешние экзогенные процессы происходят на поверхности Земли при давлениях и температурах, близких к нормальным, поэтому они доступнее для изучения, чем эндогенные процессы.

Выветривание. Основу всех экзогенных процессов составляет выветривание — процесс механического разрушения и химического изменения горных пород и минералов в условиях земной поверхности, происходящий под влиянием различных атмосферных явлений, грунтовых и поверхностных вод, жизнедеятельности растительных и животных организмов и продуктов их разложения. Выветривание имеет большое значение, поскольку с ним тесно связан процесс почвообразования, т.е. зарождение и формирование почвы.

Флювиальные процессы. Преобразованию земной поверхности в огромной мере способствуют также флювиальные процессы — совокупность процессов, осуществляемых текучими поверхностными водными потоками. Результатом флювиальных процессов является размыв водными потоками земной поверхности в одних местах и одновременный перенос и отложение продуктов размыва в других. Флювиальные процессы развиваются в пределах речных бассейнов, в которые входят речные, овражно-балочные и склоновые системы. Главным элементом этих процессов являются реки — водные потоки, текущие в естественных условиях и питающиеся за счет поверхностного и подземного стока со своих бассейнов.

Гляциальные процессы. К экзогенным относятся также и гляциальные процессы, связанные с деятельностью льда, т.е. современным и прошлым оледенением территории. Такие процессы проис-

182

ходят в условиях длительного существования большого количества льда в пределах участка земной поверхности, в первую очередь в виде ледников — движущихся скоплений льда. Эрозионная деятельность ледников сводится к выпахиванию коренного ложа ледника обломками горных пород, к формированию специфических отложений в виде скопления несортированных обломков горных пород, переносимых или отложенных ледниками образований. В результате таяния ледников образуются мощные водные потоки, которые формируют флювиогляциальные отложения и рельеф.

Гравитационные процессы. Наконец, в пределах Мирового океана распространены гравитационные процессы, в возникновении и развитии которых основная роль принадлежит силе тяжести. В настоящее время среди гравитационных процессов дна Мирового океана ученые особо вьщеляют процесс медленного сползания или оплывания толщ осадков на относительно пологих склонах, подводные оползни, донные и постоянные поверхностные течения и т.д.

Литература для самостоятельного изучения

1. Азимов А. Выбор катастроф. СПб., 2001.

2. Будыко М.И. Климат в прошлом и будущем. Л., 1980.

3. Войткевич Г. В. Рождение Земли. Р-н-Д, 1996.

4. Гаврилов В.П. Путешествие в прошлое Земли. М., 1987.

5. Гангус А.А. Тайна земных катастроф. М., 1985.

6. Грушинский Н.П. Круглая ли Земля? М., 1989.

7. Зигель Ф.Ю. Планета Земля, ее прошлое, настоящее и будущее. М., 1974.

8. Израилев В.М. Земля — планета парадоксов. М., 1991.

9. Криволуцкий А.Е. Голубая планета Земля среди планет. М., 1985. 10.Львович М.И. Вода и жизнь. М., 1986.

11.Максаковский В.П. Географическая культура. М., 1998.

12.Монин А.С. История земли. М., 1977.

13.Мукитанов U.K. От Страбона до наших дней. Эволюция географических представлений и идей. М., 1985.

14.Рингвуд А.Е. Происхождение Земли и Луны. М., 1982.

15.Сорохтин О.Г., Ушаков СА. Глобальная эволюция Земли. М., 1991.

16.Ушаков С.А., Ясаманов Н.А. Дрейф материков и климат Земли. М., 1984.

Глава 8Современные концепции химии

8.1. Специфика химии как науки

Основные задачи химии

Одной из важнейших для жизни человека естественных наук является химия.

Химия — наука о составе, внутреннем строении и превращении вещества, а также о механизмах этих превращений.

Практически ежедневно каждый человек может наблюдать, как те или иные вещества подвергаются различным изменением: железный предмет под воздействием влаги покрывается ржавчиной, опавшие листья деревьев постепенно истлевают, превращаясь в перегной, и т.д. Результат этих изменений — появление новых веществ с совершенно иными свойствами. Такого рода процессы называются химическими явлениями, при которых из одних веществ образуются другие, новые вещества, а наука, изучающая превращения веществ, называется химией.

Еще Д. И. Менделеев обратил внимание на то, что химия, в отличие от многих других наук (например, биологии или географии), сама создает свой предмет исследования. Как никакая другая наука, она является одновременно и наукой, и производством. Химия всегда была нужна человечеству для того, чтобы получать из природных веществ материалы с необходимыми для повседневной жизни и производства свойствами. Поэтому все химические знания, приобретенные за многие столетия и представленные в виде теорий, законов, методов, технологий, объединяет одна-единственная непреходящая, главная задача химии — получение веществ с заданными свойствами. Но это — производственная задача, и, чтобы ее реализовать, нужно уметь из одних веществ производить другие, т.е. осуществлять качественные превращения веществ. А поскольку качество — это совокупность свойств вещества, то необходимо знать, от чего зависят эти свойства. Иначе говоря, чтобы решить названную производственную

184

задачу, химия должна справиться с теоретической проблемой генезиса (происхождения) свойств вещества.

Таким образом, основанием химии выступает основная двуединая проблема — получение веществ с заданными свойствами (на достижение ее направлена производственная деятельность человека) и выявление способов управления свойствами вещества (на реализацию этой задачи направлена научно-исследовательская работа ученых).

Система химии

Основная двуединая проблема химии является системообразующим началом данной науки. Она возникла в глубокой древности и не потеряла своей актуальности в наши дни. Естественно, что в разные исторические эпохи данная задача решалась по-разному, так как способы ее решения зависят от уровня материальной и духовной культуры общества, а также внутренних закономерностей, присущих ходу научного познания. Достаточно сказать, что изготовление таких материалов, как, например, стекло и керамика, краски и душистые вещества, в древности осуществлялось совершенно иначе, чем в XVIII в. и позже.

Важнейшей особенностью основной проблемы химии является то, что она имеет всего четыре способа решения. Речь при этом идет не о частных методах изучения превращений веществ — их множество, а о самых общих способах решения вопроса: от чего, ot каких факторов зависят свойства веществ. А зависят они от четырех факторов:

1) от элементного и молекулярного состава вещества;

2) структуры молекул вещества;

3) термодинамических и кинетических (наличие катализаторов и ингибиторов, воздействие материала стенок сосудов и т.д.) условий, в которых вещество находится в процессе химической реакции; 4)высоты химической организации вещества.

Поскольку способы решения основной проблемы химии появлялись последовательно, то в истории химии можно выделить четыре последовательно сменявших друг друга этапа. В то же время с каждым из названных способов решения основной проблемы химии связана собственная концептуальная система знаний. Эти четыре концептуальных системы знания находятся в отношениях иерархии (субординации). В системе химии они являются подсистемами, так же как сама химия представляет собой подсистему естествознания в целом. Концептуальные системы химии можно представить наглядно в виде схемы.

Середина XX века 4. Эволюционная химия
XX век 3. Учение о химических процессах
XIX век 2. Структурная химия
XVII век 1. Учение о составе вещества

185

В развитии химии происходит не смена, а строго закономерное, последовательное появление концептуальных систем. При этом каждая вновь появляющаяся система не отрицает предыдущую, а, наоборот, опирается на нее и включает в себя в преобразованном виде. Таким образом, формируется система химии — единая целостность всех химических знаний, которые возникают и существуют не отдельно друг от друга, а в тесной взаимосвязи, дополняют друг друга и объединяются в концептуальные системы химических знаний, которые находятся между собой в отношениях иерархии.

8.2. Первый уровень химического знания.

Учение о составе вещества

Первый по-настоящему действенный способ решения проблемы происхождения свойств вещества появился в XVII в. в работах английского ученого Р. Бойля. Его исследования показали, что качества и свойства тел не имеют абсолютного характера и зависят от того, из каких химических элементов эти тела составлены. У Бойля наименьшими частичками вещества оказывались неосязаемые органами чувств мельчайшие структуры — атомы, или, как он их называл, minima naturalia. Эти частицы могли связываться друг с другом, образуя более крупные соединения — кластеры, по терминологии Бойля. Связь частиц в кластерах была достаточно прочной, и поэтому кластеры сами были невидимыми глазу кирпичиками для построения реальных физических тел. В зависимости от объема и формы кластеров, от того, находились ли они в движении или покоились, зависели и свойства природных тел. Сегодня мы вместо термина «кластер» используем понятие «молекула».

В период с середины XV11 в. до первой половины XIX в. учение о составе вещества представляло собой всю тогдашнюю химию. Оно существует и сегодня, представляя собой первую концептуальную систему химии. На этом уровне химического знания ученые решали и решают три важнейшие проблемы: химического элемента, химического соединения и задачу создания новых материалов с использованием вновь открытых химических элементов.

Концепция химического элемента

Концепция химического элемента появилась в химии как результат стремления человека обнаружить первоэлемент природы. Корни решения данной проблемы уходят в Древнюю Грецию, где возникли учения о первоэлементах природы. Там же возникла и атомистическая концепция природы, возрожденная в Новое время

186

в химии Р. Бойлем. Именно он положил начало современному представлению о химическом элементе как о простом теле, пределе химического разложения вещества, переходящем без изменения из состава одного сложного тела в другое.

Но еще целый век после этого химики делали ошибки в выделении химических элементов. Дело в том, что, сформулировав понятие химического элемента, химики еще не знали ни одного из них. Стремясь получить элементы в чистом виде, они пользовались считавшимся тогда универсальным методом прокаливания, и окалину принимали за чистый элемент. Так что известные тогда металлы — железо, медь, свинец — принимали за сложные тела, состоявшие из соответствующего элемента и флогистона. Однако именно флогистонная теория, ложная по сути, оказалась двигателем многих исследований, приведших в итоге к истинным выводам.

Этот вывод был сделан Д.И. Менделеевым, доказавшим, что свойства химического элемента зависят от места данного атома в периодической системе. Сам Менделеев определял это место по атомной массе, но в XX в. было выяснено, что порядковый номер элемента зависит не от атомной массы, а от заряда атомного ядра и количества электронов. В настоящее время известно, что атом представляет собой сложную квантово-механическую систему, состоящую из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженной электронной оболочки. Выяснены особенности строения электронных орбиталей атомов всех элементов и особая роль внешнего электронного уровня атома, от количества электронов в котором зависит реакционная способность элемента — химическая активность вещества, учитывающая как разнообразие реакций, возможных для данного вещества, так и их скорость. Наиболее активными с химической точки зрения являются элементы, имеющие минимальную атомную массу и 6—7 электронов на внешнем электронном уровне (фтор, хлор, кислород). Это связано с тем, что они стремятся достроить свою электронную оболочку путем присоединения недостающего числа электронов. Также большой реакционной способностью отличаются металлы, обладающие большой атомной массой и имеющие 1—2 электрона на внешнем электронном уровне (барий, цезий), стремящиеся отдать их для его достройки.

Современный окружающий человека мир заполнен многочисленными соединениями, образованными элементами периодической системы Менделеева. Во времена самого Менделеева было известно всего 62 химических элемента. В 30-е гг. XX в. таблица Менделеева включала 88 элементов, а всего в ней было 92 клетки (элемент под номером 92 — это уран). Сегодня науке известно 110 химических элементов (элемент 109 получил название мейтнерий, 110-й элемент еще не имеет официального названия), и химиков продолжает волновать вопрос, сколько всего элементов в таблице Менделеева.

187

Предполагается, что на первоначальной стадии развития Земли существовали трансурановые элементы с порядковыми номерами до 106-го. Такие элементы имели небольшую продолжительность жизни по сравнению с возрастом Земли и поэтому полностью распались, не сохранившись до наших дней. Самым долгоживущим элементом из данной группы оказался плутоний-244 с периодом полураспада 82,2 млн. лет. В 1971 г. из минерала бастнезита удалось выделить некоторое количество атомов этого элемента. Но в основном все трансурановые элементы были получены искусственным путем. В 1940 г. был синтезирован нептуний, после этого были зарегистрированы еще 15 трансурановых элементов с номерами до 107-го.

Трансурановые элементы с атомными номерами до 100-го можно получить в ядерном реакторе путем бомбардировки ядер изотопа урана-238 нейтронами. Более тяжелые элементы получают только в ускорителях в очень незначительных количествах. Для этого уран бомбардируют ионами ксенона, гадолиния, самария, гафния или самого урана. В результате этого образуются очень тяжелые промежуточные ядра. Но такие реакции стали возможны лишь с 1971 г., когда появились новые мощные ускорители, способные разогнать тяжелые ионы до высоких энергий.

Современная теория позволяет с большой вероятностью рассчитать стабильность сверхтяжелых элементов и предсказать их физические и химические свойства. Поэтому химики предполагают, что элементы с порядковыми номерами между 114-м и 164-м должны обладать неожиданно высокой стабильностью. Считается, что в районе этих порядковых номеров в периодической системе должен существовать так называемый островок стабильности, на котором возможно получение изотопов с периодом полураспада 108 лет. Верхняя граница стабильности должна приближаться к номеру 174. Если эти элементы будут получены, то их можно будет использовать в промышленном производстве и энергетике. Но для их синтеза нужны новые экспериментальные методы и технические средства.

Химическим элементом называют все атомы, имеющие одинаковый заряд ядра.

Особой разновидностью химических элементов являются изотопы, у которых ядра атомов отличаются числом нейтронов (поэтому у них разная атомная масса), но содержат одинаковое число протонов и поэтому занимают одно и то же место в периодической системе элементов. Термин «изотоп» был введен в 1910 г. Фредериком Содди, известным английским радиохимиком, лауреатом Нобелевской премии. Различают стабильные

(устойчивые) и нестабильные (радиоактивные) изотопы.188

С момента открытия изотопов наибольший интерес вызвали радиоактивные изотопы, которые стали широко использоваться в атомной энергетике, приборостроении, медицине и т.д. В настоящее время выпускается огромное количество различных приборов, содержащих радиоактивные изотопы. Они служат для определения плотности, однородности, гигроскопичности и других характеристик материалов.

Довольно широко используется метод меченых атомов, который позволяет проследить за перемещением химических соединений при физических, химических и биологических процессах Для этого в исследуемое вещество вводятся радиоактивные изотопы определенных элементов и ведется наблюдение за их продвижением. Так можно проследить за превращением веществ как в доменной печи, так и в живом организме. Например, с помощью изотопа кислорода-18 стало возможным выяснение механизма дыхания живых организмов.

В медицине с помощью радиоактивных изотопов лечат многие заболевания, в том числе онкологические. Кроме того, батареи небольшой мощности на изотопах плутония-238 и кюрия-224 применяются в приборах для стабилизации ритма сердца. В химической промышленности изотопы используются для облучения полиэтилена и других полимеров с целью повышения их термостойкости и прочности.

Таким образом, правильное использование радиоактивных изотопов приносит несомненную пользу человечеству. К сожалению, в последнее время об этом стали забывать, все меньше доверяя радиации, которая ассоциируется с атомной бомбой или Чернобыльской катастрофой. Забыты те времена, когда радиоактивность и рентгеновское излучение были только что открыты и их посчитали панацеей в медицине. Мало кто помнит о том, что в начале XX в. в свободной продаже были радиевые подушки, радиоактивная зубная паста и косметика, считавшиеся полезными для здоровья. Уже в 20—30-е гг. XX в. появились первые свидетельства того, что радиоактивное излучение неблагоприятно влияет на живые организмы, вызывая генетические изменения — мутации, а также различные виды онкологических заболеваний. Последствия атомной бомбардировки Хиросимы и Нагасаки подтвердили эти выводы. Поэтому современная медицина двойственно относится к радиации. С одной стороны, говорится, что только в малых дозах радиация безопасна (в природе существует естественный радиоактивный фон), с другой — продолжают использовать рентгеновское обследование и лучевую терапию в лечебных целях.

Концепция химических соединений

Долгое время химики эмпирическим путем определяли, что относится к химическим соединениям, а что — к простым телам или

189

смесям. Еще в начале XIX в. Ж. Пруст сформулировал закон постоянства состава, в соответствии с которым любое индивидуальное химическое соединение обладает строго определенным, неизменным составом — прочным притяжением составных частей (атомов) и тем самым отличается от смесей. Также Пруст установил, что всякое чистое вещество независимо от его происхождения и способа получения имеет один и тот же состав.

Теоретическое обоснование закона Пруста было дано Дж. Дальтоном в законе кратных отношений. Согласно этому закону состав любого вещества можно представить как простую формулу, а эквивалентные составные части молекулы — атомы, обозначавшиеся соответствующими символами, могли замещаться на другие атомы.

После этого долго считали, что состав химического соединения может быть только постоянным. Но дальнейшее развитие химии и изучение все большего числа соединений приводили химиков к мысли, что наряду с веществами, имеющими постоянный состав, существуют еще и соединения переменного состава, или бертоллиды. В результате были переосмыслены представления о молекуле в целом. Молекулой, как и прежде, продолжали называть наименьшую частичку вещества, способную определять его свойства и существовать самостоятельно. Но в XX в. была понята сущность химической связи, которая стала пониматься как вид взаимодействия между атомами и атомно-молекулярными частицами, обусловленный совместным использованием их электронов. Существуют кова-лентные полярные, ковалентные неполярные ионные, водородные и металлические химические связи, отличающиеся характером физического взаимодействия частиц между собой.

Поэтому теперь под химическим соединением понимают определенное вещество, состоящее из одного или нескольких химических элементов, атомы которых за счет взаимодействия друг с другом объединены в частицу, обладающую устойчивой структурой — молекулу, комплекс, монокристалл или иной агрегат.

Проблема создания новых материалов

На сегодняшний день науке известно 110 химических элементов, но по удельному весу они распределены крайне неравномерно. Так, 98,6% массы физически доступного слоя Земли составляют всего восемь химических элементов: кислород (47%), кремний (27,5), алюминий (8,8), железо (4,6), кальций (3,6), натрий (2,6), калий (2,5), магний (2,1). Однако все эти элементы используются непропорционально. Например, железа содержится в

Земле в два

190

раза меньше, чем алюминия. Однако для более 95% всех металлических изделий изготавливаются из железорудного сырья. Поэтому для современной химии важнейшей задачей является рациональное использование имеющихся ресурсов. Для этого нужно использовать химические элементы в производстве в соответствии с их реальными ресурсами в природе, заменить дефицитное сырье имеющимся в изобилии, утилизировать отходы и использовать вторичное сырье.

Сегодня на смену старым материалам приходят новые. Это связано с тем, что новые материалы более эффективны, чем старые. Кроме того, нужно искать заменители традиционным видам сырья. Поэтому исследования ученых направлены на изучение и использование силикатов, которые составляют 97% массы земной коры. Именно они должны стать основным сырьем для производства всех строительных материалов и полуфабрикатов при изготовлении керамики, способной конкурировать с металлами.

Внимание химиков к металлам и керамике не случайно, именно они составляют на 90% современную материально-техническую базу производства. В мире ежегодно выплавляется около 600 млн. т металла — более 150 кг на каждого жителя планеты. Примерно столько же производится и керамики вместе с кирпичом. Но металлов не так много, кроме того, их изготовление обходится в сотни и тысячи раз дороже, чем получение керамики. Разница в их стоимости до недавнего времени никого особенно не волновала, так как каждый материал имел свое строго определенное назначение. Однако благодаря развитию химии открывается все больше возможностей для замены металла керамикой. Очевидное преимущество керамики состоит в том, что ее плотность на 40% ниже, чем плотность металлов. Это позволяет соответственно снизить массу изготовляемых из керамики деталей. А используя в производстве керамики такие химические элементы, как цирконий, титан, бор, германий, хром, молибден, вольфрам и др., можно получать керамические изделия с заранее заданными свойствами.

Так, стекло долгое время использовалось лишь в качестве украшений, из него изготавливались бусины. Затем из стекла стали изготавливать посуду, оконные стекла и т.д. К XX в. научились уже выплавлять стекло более 800 разновидностей, из него делали около 43 тысяч различных изделий. Но стекло обладало серьезным недостатком — оно было хрупким, изделия из него легко бились и ломались. Поэтому важнейшей задачей ученых и инженеров в XX в. стало получение небьющегося стекла. Это стало возможным после того, как в 20—30-е гг. XX в. была выяснена его структура. После этого появилась возможность делать стекло не только небьющимся, но и жаропрочным, способным выдерживать перепады температур от 1000°С до комнатной температуры. Кроме того, было получено стек-

191

ло, которое можно обрабатывать, как обычный металл. А композиционные материалы, изготовленные из химически обработанного стекла со слоями пластика, обладают прочностью металла (бронестекло). Стекла с напыленным на них тонким слоем металла летом задерживают лучи палящего солнца, а зимой сохраняют тепло.

Производится огромное количество стекловолокнистых материалов, которые используются для армирования, отделки, склеивания, декорирования, изолирования и т.п. Кроме того, стекловолокно используется в качестве светопровода, по которому можно передать большое количество информации.

Если традиционное стекло является хорошим изолятором, то в последнее время появилось стекло с полупроводниковыми свойствами, которое изготавливается методом тонкопленочной технологии. Таким образом, область применения стекла постоянно расширяется, традиционный материал приобрел новые свойства.

Меняют в наши дни свои свойства и силикатные и керамические материалы, также давно известные человеку. 90% всех производимых в мире строительных материалов приходится на силикаты. К ним относятся давно известные человеку (со времен этрусков) бетон и цемент, а также современные материалы — высокопрочный полимербетон; огнеупорный бетон, выдерживающий температуру до 1800°С; легкий бетон, в который можно забивать гвозди; бетон с высокими теплоизолирующими свойствами; бетон с малым влагопоглощением.

Традиционная керамика — это фаянс, фарфор, каменная керамика, которую получают из смеси глины, кварца и полевого шпата, обработанной при высокой температуре. Из керамики изготавливаются кирпичи разных видов, изоляторы, а также различные виды посуды. В последнее время была получена керамика высокой термической и коррозионной стойкости и прочности. Некоторые керамические материалы начинают разрушаться только при температуре выше 1600°С. В сосудах из такой керамики можно плавить металлы, из нее можно делать камеры сгорания для космических ракет и детали для металлорежущих инструментов. А в начале 90-х гг. XX в. был синтезирован керамический материал на основе оксидов меди, обладающий свойством высокотемпературной сверхпроводимости — он переходит в сверхпроводящее состояние при 170 К.

В XX в. наряду с традиционными материалами появились новые — полимерные и синтетические. Они находят все большее применение, потеснив традиционные материалы.

На основе природных и синтетических полимеров получают пластмассы — материалы, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Области применения полимеров весьма разнообразны — от текстильной промышленности до микроэлектроники. Главное достоинство этих материалов — их дешевизна и легкость в переработке.

192

Кроме того, созданы пластмассы, способные заменить металлы, термостойкие пластмассы для авиационной и ракетной техники. Все больше пластмасс используется в строительстве — пластмассовые рамы, облицовочные материалы, кровля и т.д. Существуют проекты создания полностью пластмассовых автомобилей, т.е. доля пластмасс по сравнению с металлами становится все больше.

Настоящая революция произошла в текстильной промышленности, в которой увеличивается доля искусственных тканей и синтетических материалов. Более 50% современных волокон производится из материалов, синтезированных за последние полвека, — вискозы, полиамида, полиакрилонитрила и полиэфиров. Разработаны технологии химической обработки и отделки тканей из натуральных волокон — обработка шерсти для обеспечения устойчивости против моли, уменьшение усадки материала и придание ему несминаемости, обеспечение антистатических, антимикробных и гря-зеотталкивающих свойств.

В настоящее время химики работают над созданием нового поколения искусственных волокон со свойствами, максимально приближенными к естественным материалам. Уже созданы ткани, обладающие высокой степенью защиты от солнечных лучей. Производятся ткани, обладающие лучшими свойствами льна, хлопка, шерсти. Появились микроволокна с диаметром в десять раз тоньше волоса. Они позволяют ткать материалы мягкие, защищающие от сырости, но пропускающие при этом воздух к телу. Пустотелые волокна, также разработанные химиками, лучше противостоят холоду. Есть волокна с триклозаном — веществом, останавливающим размножение микробов. Одной из разновидностей синтетических тканей является кевлар — материал, который в пять раз прочнее на разрыв, чем сталь. Он идет на изготовление пуленепробиваемых жилетов, курток и т.д. Создание космических скафандров — также заслуга химиков. В ткань скафандра встроены миллионы микроскопических капсул с парафином, которые при нагревании плавятся и отбирают тепло у веществ, находящихся рядом, а при охлаждении отвердевают и выделяют тепло, согревающее космонавта.

Синтез уникальных материалов заставляет по-новому исследовать все химические элементы и накапливать данные для производства новых материалов.

8.3. Второй уровень химического знания.

Структурная химия

Многочисленные эксперименты по изучению свойств химических элементов в первой половине XIX в. привели ученых к убеж-

193

дению, что свойства веществ и их качественное разнообразие обусловлены не только составом элементов, но и структурой их молекул. К этому времени мануфактурное производство сменилось фабричным, опирающимся на машинную технику и широкую сырьевую базу. В химическом производстве стала преобладать переработка огромных масс вещества растительного и животного происхождения. Качественное разнообразие данных веществ потрясающе велико — сотни тысяч химических соединений, состав которых, тем не менее, крайне однообразен, так как они состоят из нескольких элементов-органогенов. Это — углерод, водород, кислород, сера, азот, фосфор. Объяснение необычайно широкому разнообразию органических соединений при столь бедном элементном составе было найдено в явлениях, получивших названия изомерии и полимерии. Так было положено начало второму уровню развития химических знаний, который получил название структурной химии.

Структурная химия стала более высоким уровнем по отношению к учению о составе вещества. При этом химия из науки преимущественно аналитической превратилась в науку синтетическую. Главным достижением этого этапа развития химии стало установление связи между структурой молекул и реакционной способностью веществ.

Сам термин «структурная химия» — понятие условное. В нем, прежде всего, подразумевается такой уровень химических знаний, при котором, комбинируя атомы различных химических элементов, можно создать структурные формулы любого химического соединения. Возникновение структурной химии означало, что появилась возможность для целенаправленного качественного преобразования веществ, создания схемы синтеза любых химических соединений, в том числе и ранее неизвестных.

Основы структурной химии были заложены еще Дж. Дальтоном, который показал, что любое химическое вещество представляет собой совокупность молекул, состоящих из определенного количества атомов одного, двух или трех химических элементов. Затем И. Бер-целиус выдвинул идею, что молекула представляет собой не простое нагромождение атомов, а определенную упорядоченную структуру атомов, связанных между собой электростатическими силами. Как позже показал химик Ш. Жерар, это утверждение было верно не всегда, поэтому еще в середине XIX в. структура молекул оставалась загадочной.

В 1857 г. немецкий химик А. Кекуле опубликовал свои наблюдения о свойствах некоторых элементов, могущих заменять атомы водорода в ряде соединений, и ввел новый термин — сродство. Он стал обозначать количество атомов водорода, которые может заместить данный химический элемент. Число единиц сродства, прису-

194

щее данному химическому элементу, Кекуле назвал вагентностыо. При объединении атомов в молекулу происходило замыкание свободных единиц сродства. Таким образом, понятие «структура молекулы» свелось к построению наглядных формульных схем, которые служили химикам руководством в их практической работе, показывали, какие исходные вещества нужно брать для получения конечного продукта.

Структурная химия позволяет наглядно демонстрировать валентность химических элементов как число единиц сродства, присущих атому: =С=; -О-; Н-. Комбинируя атомы различных химических элементов с их единицами сродства, можно создать структурные формулы любого химического соединения. А это означает, что химик в принципе может создавать план синтеза любого химического соединения — как уже известного, так и еще неоткрытого. То есть химик может прогнозировать получение неизвестного соединения и проверить свой прогноз синтезом.

К сожалению, схемы Кекуле не всегда можно было осуществить на практике. Часто придуманная химиками реакция, которая должна была привести к получению вещества с нужной структурной формулой, не происходила. Это было вызвано тем, что подобные формальные схемы не учитывали реакционной способности веществ, вступавших в химическую реакцию.

Поэтому важнейшим шагом в развитии структурной химии стало создание теории химического строения органических соединений русским химиком А.М. Бутлеровым. Бутлеров вслед за Кекуле признавал, что образование молекул из атомов происходит за счет замыкания свободных единиц сродства, но при этом он указывал на то, с какой энергией (большей или меньшей) это сродство связывает вещества между собой. Иными словами, Бутлеров впервые в истории химии обратил внимание на энергетическую неравноценность разных химических связей. Эта теория позволила строить структурные формулы любого химического соединения, так как показывала взаимное влияние атомов в структуре молекулы, а через это объясняла химическую активность одних веществ и пассивность других. Кроме того, она указывала на наличие активных центров и активных группировок в структуре молекул.

В XX в. структурная химия получила дальнейшее развитие. В частности, было уточнено понятие структуры, под которой стали понимать устойчивую упорядоченность качественно неизменной системы. Также было введено понятие атомной структуры — устойчивой совокупности ядра и окружающих его электронов, находящихся в электромагнитном взаимодействии друг с другом, и молекулярной структуры — сочетания ограниченного числа атомов, имеющих закономерное расположение в пространстве и связанных друг с другом химической связью с помощью валентных электронов.

195

На основе достижений структурной химии у исследователей появилась уверенность в положительном исходе экспериментов в области органического синтеза. Сам термин «органический синтез» появился в 1860—1880-е гг. и стал обозначать целую область науки, названную так в противоположность общему увлечению анализом природных веществ. Этот период в химии был назван триумфальным шествием органического синтеза. Химики гордо заявляли о своих ничем не сдерживаемых возможностях, обещая синтезировать из угля, воды и воздуха все самые сложные тела, вплоть до белков, гормонов и пр. И действительность, казалось, подтверждала эти заявления: за вторую половину XIX в. число органических соединений за счет вновь синтезированных возросло с полумиллиона до двух миллионов.

В это время появились всевозможные азокрасители для текстильной промышленности, различные препараты для фармации, искусственный шелк и т.д. До этого подобные материалы добывались в ограниченных количествах и с огромными затратами низкопроизводительного, преимущественно сельскохозяйственного, труда.

Современная структурная химия достигла больших результатов. Синтез новых органических веществ позволяет получить полезные и ценные материалы, отсутствующие в природе. Так, ежегодно в мире синтезируют тысячи килограммов аскорбиновой кислоты (витамина С), множество новых лекарств, среди которых — безвредные антибиотики, лекарства против гипертонии, язвенной болезни и др.

Самым последним достижением структурной химии является открытие совершенно нового класса металлорганических соединений, которые за свою двухслойную структуру получили название «сэндвичевых» соединений. Молекула этого вещества представляет собой две пластины из соединений водорода и углерода, между которыми находится атом какого-либо металла.

Исследования в области современной структурной химии идут по двум перспективным направлениям:

1) синтез кристаллов с максимальным приближением к идеальной решетке для получения материалов с высокими техническими показателями: максимальной прочностью, термической стойкостью, долговечностью в эксплуатации и др.;

2) создание кристаллов с заранее запрограммированными дефектами кристаллической решетки для производства материалов с заданными электрическими, магнитными и другими свойствами.

Решение каждой из этих проблем имеет свои сложности. Так, для решения первой проблемы необходимо соблюдение таких условий выращивания кристаллов, которые исключали бы воздействие на процесс всех внешних факторов, в том числе и поля гравитации (земного притяжения). Поэтому кристаллы с заданными свойства-

196

ми выращиваются на орбитальных станциях в космосе. Решение второй проблемы затруднено тем, что, наряду с запрограммированными дефектами, практически всегда образуются и нежелательные нарушения.

Тем не менее, классическая структурная химия была ограничена рамками сведений только о молекулах вещества, находящегося в дореакционном состоянии. Этих сведений недостаточно для того, чтобы управлять процессами превращения вещества. Так, согласно структурным теориям должны быть вполне осуществимы многие химические реакции, которые на практике не происходят. Большое количество реакций органического синтеза, основанных лишь на принципах структурной химии, имеют столь низкие выходы продукции и такие большие отходы в виде побочных продуктов, что не могут быть использованы в промышленности. К тому же подобный синтез требовал в качестве исходного сырья дефицитных активных реагентов и сельскохозяйственной продукции, в том числе и пищевой, что крайне невыгодно в экономическом отношении.

Поэтому изумление успехами структурной химии было недолгим. Интенсивное развитие автомобилестроения, авиации, энергетики, приборостроения в первой половине XX в. выдвинуло новые требования к производству материалов. Необходимо было получить высокооктановое моторное топливо, специальные синтетические каучуки, пластмассы, высокостойкие изоляторы, жаропрочные органические и неорганические полимеры, полупроводники. Для получения этих материалов способ решения основной проблемы химии, основанный на учении о составе и структурных теориях, был явно недостаточен. Он не учитывал резких изменений свойств вещества в результате влияния температуры, давления, растворителей и многих других факторов, воздействующих на направление и скорость протекания химических процессов. Учет и использование этих факторов вывело химию на новый качественный уровень ее развития.

8.4. Третий уровень химического знания.

Учение о химическом процессе

Под влиянием новых требований производства возникло учение о химических процессах, в котором учитывается изменение свойств вещества под влиянием температуры, давления, растворителей и других факторов. После этого химия становится наукой уже не только и не столько о веществах как законченных предметах, но и наукой о процессах и механизмах изменения вещества. Благодаря этому она обеспечила создание производства синтетических материалов, заменяющих дерево и металл в строительных работах, пи-

197

щевое сырье в производстве олифы, лаков, моющих средств и смазочных материалов. Производство искусственных волокон, каучу-ков, этилового спирта и многих растворителей стало базироваться на нефтяном сырье, а производство азотных удобрений — на основе азота воздуха. Появилась технология нефтехимических производств с ее поточными системами, обеспечивающими непрерывные высокопроизводительные процессы.

Так, еще в 1935 г. такие материалы, как кожа, меха, резина, волокна, моющие средства, олифа, лаки, уксусная кислота, этиловый спирт, производились всецело из животного и растительного сырья, в том числе из пищевого. На это расходовались десятки миллионов тонн зерна, картофеля, жиров, сырой кожи и т.д. Но уже в 1960-е гг. 100% технического спирта, 80% моющих средств, 90% олифы и лаков, 40% волокон, 70% каучука и около 25% кожевенных материалов изготовлялись на основе газового и нефтяного сырья. Помимо этого, химия дает ежегодно сотни тысяч тонн мочевины и нефтяного белка в качестве корма скоту и около 200 млн. т удобрений.

Столь впечатляющие успехи были достигнуты на основе учения о химических процессах — области науки, в которой осуществлена наиболее глубокая интеграция физики, химии и биологии. В основу данного учения положены химическая термодинамика и кинетика, поэтому этот раздел науки в равной степени принадлежит физике и химии. Одним из основоположников этого научного направления стал русский химик Н.Н. Семенов — лауреат Нобелевской премии, основатель химической физики. Он в своей Нобелевской лекции 1965 г. заявил, что химический процесс — это то основное явление, которое отличает химию от физики, делает ее более сложной наукой. Химический процесс становится первой ступенью при восхождении от таких относительно простых физических объектов, как электрон, протон, атом, молекула, к сложным, многоуровневым живым системам. Ведь любая клетка живого организма, по существу, представляет собой своеобразный сложный реактор. Поэтому химия становится мостом от объектов физики к объектам биологии.

Учение о химических процессах базируется на идее, что способность к взаимодействию различных химических реагентов определяется кроме всего прочего и условиями протекания химических реакций. Эти условия могут оказывать воздействие на характер и результаты химических реакций.

Подавляющее большинство химических реакций находится во власти стихии. Конечно, есть реакции, которые не требуют особых средств управления или особых условий. Таковы всем известные реакции кислотно-основного взаимодействия (нейтрализации). Однако подавляющее большинство реакций являются трудноконтро-лируемыми. Есть реакции, которые просто не удается осуществить,

198

хотя они в принципе осуществимы. Существуют реакции, которые трудно остановить: горения и взрывы. И, наконец, встречаются реакции, которые трудно ввести в одно желательное русло, так как они самопроизвольно создают десятки непредвиденных ответвлений с образованием сотен побочных продуктов. Поэтому важнейшей задачей для химиков становится умение управлять химическими процессами, добиваясь нужных результатов.

В самом общем виде методы управления химическими процессами можно подразделить на термодинамические и кинетические. Термодинамические методы влияют на смещение химического равновесия реакции. Кинетические методы влияют на скорость протекания химической реакции.

Выделение химической термодинамики в самостоятельное направление обычно связывают с появлением в 1884 г. книги голландского химика Я. Вант-Гоффа «Очерки по химической динамике». В ней обоснованы законы, устанавливающие зависимость направления химической реакции от изменения температуры и теплового эффекта реакции. Энергетика химических процессов тесно связана с законами термодинамики. Химические реакции, протекающие с выделением энергии, называются экзотермическими реакциями. В них энергия высвобождается одновременно с уменьшением внутренней энергии системы. Существуют также эндотермические реакции, протекающие с поглощением энергии. В этих реакциях идет повышение внутренней энергии системы за счет притока тепла. Измеряя количество энергии, выделяющейся при реакции (тепловой эффект химической реакции), можно судить об изменении внутренней энергии системы.

Тогда же французский химик А. Ле-Шателье сформулировал свой знаменитый принцип подвижного равновесия, вооружив химиков методами смещения равновесия в сторону образования целевых продуктов. Эти методы управления и получили название термодинамических методов.

Каждая химическая реакция в принципе обратима, но на практике равновесие смещается в ту или иную сторону. Это зависит как от природы реагентов, так и от условий протекания процесса. Существует много реакций, равновесие в которых смещено в сторону образования конечных продуктов: к ним относятся реакция нейтрализации, реакции с удалением готовых продуктов в виде газов или осадков.

Однако существует немало химических реакций, равновесие в которых смещено влево, в сторону образования исходных веществ. Чтобы их осуществить, требуются особые термодинамические рычаги — увеличение температуры и давления (если реакция происходит

199

в газовой фазе), а также концентрации реагирующих веществ (если реакция протекает в жидкой фазе).

Термодинамические методы преимущественно влияют на направление химических процессов, а не на их скорость. Управлением скоростью химических процессов занимается химическая кинетика, в которой изучается зависимость протекания химических процессов от различных структурно-кинетических факторов — строения исходных реагентов, их концентрации, наличия в реакторе катализаторов и других добавок, способов смешения реагентов, материала и конструкции реактора и т.п.

Задача исследования химических реакций является очень сложной. Ведь при ее решении необходимо выяснить механизм взаимодействия не просто двух реагентов, а еще и «третьих тел», которых может быть несколько. В этом случае наиболее целесообразно поэтапное решение, при котором вначале выделяется наиболее сильное действие какого-нибудь одного из «третьих тел», чаще всего катализатора.

Кроме того, следует понять, что практически все химические реакции представляют собой отнюдь не простое взаимодействие исходных реагентов, а сложные цепи последовательных стадий, где реагенты взаимодействуют не только друг с другом, но и со стенками реактора, могущими как катализировать (ускорять), так и инги-бировать (замедлять) процесс.

Также на интенсивность химических процессов оказывают влияние случайные примеси. Вещества различной степени чистоты проявляют себя в одних случаях как более активные реагенты, а в других — как инертные. Примеси могут оказывать как каталитическое, так и ингибирующее воздействие. Поэтому для управления химическим процессом в реагирующие вещества вносятся те или иные добавки.

Таким образом, влияние «третьих тел» на ход химических реакций может быть сведено к катализу, т.е. положительному воздействию на химический процесс, или ингибированию, сдерживающему процесс.

Как уже отмечалось выше, способность химических элементов к взаимосвязи определяется не только их молекулярной структурой, но и условиями, при которых происходит соединение. Эти условия оказывают воздействие на результат химических реакций. Наибольшее воздействие испытывают при этом вещества с переменным составом, у которых связи между отдельными компонентами слабее. Именно на реакцию таких веществ оказывают сильное влияние различные катализаторы.

Катализ — ускорение химической реакции в присутствии особых веществ — катализаторов, которые взаимодействуют с реагентами, но

200

в реакции не расходуются и не входят в состав конечных продуктов. Катализ был открыт в 1812 г. русским химиком К.С. Кирхгофом. Каталитические процессы различаются по своей физической и химической природе на следующие типы:

гетерогенный катализ — химическая реакция взаимодействия жидких или газообразных реагентов идет на поверхности твердого катализатора;

гомогенный катализ — химическая реакция идет либо в газовой смеси, либо в жидкости, где растворены как катализатор, так и реагенты;

электрокатализ — реакция идет на поверхности электрода в контакте с раствором и под действием электрического тока;

фотокатализ — реакция идет на поверхности твердого тела или в жидком растворе и стимулируется энергией поглощенного излучения.

Наибольшее распространение имеет гетерогенный катализ, — с его помощью осуществляется 80% всех каталитических реакций в современной химии.

Применение катализаторов послужило основанием коренной ломки всей химической промышленности. Благодаря им стало возможным использовать в качестве сырья для органического синтеза парафины и циклопарафины, до сих пор считавшиеся «химическими мертвецами». Катализ необходим при производстве маргарина, многих пищевых продуктов, а также средств защиты растений. Почти вся промышленность основной химии (производство неорганических кислот, оснований и солей) и «тяжелого» органического синтеза, включая получение горючесмазочных материалов, базируется на катализе. Последнее время тонкий органический синтез становится все более каталитическим. 60—80% всей химии основано на каталитических процессах. Химики не без основания говорят, что некаталитических процессов вообще не существует, поскольку все они протекают в реакторах, материал стенок которых служит своеобразным катализатором.

Долгое время сам катализ оставался загадкой природы, вызывая к жизни самые разнообразные теории, как чисто химические, так и физические. Эти теории, даже будучи ошибочными, оказывались полезными хотя бы потому, что наталкивали ученых на новые эксперименты. Все дело в том, что для большинства промышленно важных химических процессов катализаторы подбирались путем бесчисленных проб и ошибок. Так, например, для реакции синтеза аммиака в 1913—1914 гг. немецкие химики испробовали в качестве катализаторов более 20 тысяч химических соединений, следуя периодической системе элементов и разноообразно сочетая их.

Сегодня можно сделать некоторые выводы о сущности катализа.

201

1. Реагирующие вещества вступают в контакт с катализатором, взаимодействуют с ним, в результате чего происходит ослабление химических связей. Если реакция происходит в отсутствие катализатора, то активация молекул реагирующих веществ должна происходить за счет подачи в реактор энергии извне.

2. В общем случае любую каталитическую реакцию можно представить проходящей через промежуточный комплекс, в котором происходит перераспределение ослабленных химических связей.

3. В подавляющем большинстве случаев в качестве катализаторов выступают соединения бертоллидного типа с переменным составом, отличающиеся наличием ослабленных химических связей или даже свободных валентностей, что придает им высокую химическую активность. Молекулы соединений бертоллидного типа содержат широкий набор энергетически неоднородных связей или даже свободные атомы на поверхности.

4. Следствиями взаимодействия реагентов с катализатором являются ход реакции в заданном направлении и увеличение скорости реакции, так как на поверхности катализатора увеличивается число встреч реагирующих молекул. Кроме того, катализатор захватывает некоторую часть энергии экзотермической реакции для энергетической подпитки все новых актов реакции и ее общего ускорения.

На современном этапе своего развития химия открыла множество эффективных катализаторов. Среди них — ионнообменные смолы, металлорганические соединения, мембранные катализаторы. Каталитическими свойствами обладают многие химические элементы периодической системы, но важнейшую роль играют металлы платиновой группы и редкоземельные металлы.

С участием катализаторов скорость некоторых реакций возрастает в 10 млрд. раз. Есть катализаторы, позволяющие не просто контролировать состав конечного продукта, но и способствующие образованию молекул определенной формы, что сильно влияет на физические свойства продукта (твердость, пластичность).

В современных условиях одно из важнейших направлений развития учения о химических процессах — создание методов управления этими процессами, поэтому химическая наука занимается разработкой таких проблем, как химия плазмы, радиационная химия, химия высоких давлений и температур.

Химия плазмы изучает химические процессы в низкотемпературной плазме при температурах от 1000 до 10 000°С. Такие процессы характеризуются возбужденным состоянием частиц, столкновением молекул с заряженными частицами и очень высокими скоростями протекания химических реакций. В плазмохимических процессах скорость перераспределения химических связей очень высока: длительность элементарных актов химических превращений составляет

202

около 10-13 с при почти полном отсутствии обратимости реакции. Скорость аналогичных химических процессов в обычных реакторах из-за обратимости снижается в тысячи раз. Поэтому плазмохимические процессы очень производительны. Например, производительность метанового плазмохимического реактора (его размеры: длина — 65 см, диаметр — 15 см) составляет 75 т ацетилена в сутки. В этом реакторе при температуре 3000—3500°С за одну десятитысячную долю секунды около 80% метана превращается в ацетилен.

Плазменная химия в последнее время все больше внедряется в промышленное производство. Уже созданы технологии производства сырья для порошковой металлургии, разработаны методы синтеза для целого ряда химических соединений. В 1970-е гг. были созданы плазменные сталеплавильные печи, позволяющие получать самые высококачественные металлы. Разработаны методы ионно-плазменной обработки поверхности инструментов, износостойкость которых увеличивается в несколько раз.

Плазмохимия позволяет синтезировать ранее неизвестные материалы, такие, как металлобетон, в котором в качестве связующего элемента используются различные металлы. Металлобетон образуется при сплавлении частиц горной породы и прочном сжатии их с металлом. По своим качествам он превосходит обычный бетон в десятки и сотни раз.

Одним из самых молодых направлений в исследовании химических процессов является радиационная химия, которая зародилась во второй половине XX в. Предметом ее разработок стали превращения самых разнообразных веществ под воздействием ионизирующих излучений. Источниками ионизирующего излучения служат рентгеновские установки, ускорители заряженных частиц, ядерные реакторы, радиоактивные изотопы. В результате радиационно-химических реакций вещества получают повышенную термостойкость и твердость.

Наиболее важными процессами радиационно-химической технологии являются полимеризация, вулканизация, производство композиционных материалов, в том числе получение полимербетонов путем пропитки обычного бетона каким-либо полимером с его последующим облучением. Такие бетоны имеют в четыре раза более высокую прочность, обладают водонепроницаемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Принципиально новой и исключительно важной областью учения о химических процессах является самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких и керамических материалов. Обычно их производство осуществляется методом порошковой металлургии, суть которого заключается в прессовании и сжатии при высокой температуре (1200—2000°С) металлических порошков. Са-

203

мораспространяющийся синтез происходит гораздо проще: он основан на горении одного металла в другом или горении металла в азоте, углероде, кремнии и т.п.

Давно известно, что процесс горения представляет собой соединение кислорода с горючим веществом, поэтому горение — это реакция окисления горючего вещества. При этом происходит перемещение электронов от атомов окисляемого вещества к атомам кислорода. С этой точки зрения горение возможно не только в кислороде, но и в других окислителях. На этом выводе и основан самораспространяющийся высокотемпературный синтез — тепловой процесс горения в твердых телах. Он представляет собой, например, горение порошка титана в порошке бора, или порошка циркония в порошке кремния. В результате такого синтеза получаются сотни тугоплавких соединений самого высокого качества.

Очень важно, что данная технология не требует громоздких процессов, отличается высокой технологичностью и легко поддается автоматизации.

Еще одна область развития учения о химических процессах — химия высоких и сверхвысоких давлений. Химические превращения веществ при давлениях выше 100 атм относятся к химии высоких давлений, а при давлениях выше 1000 атм — к химии сверхвысоких давлений. Высокие давления в химии используются с начала XX в. — аммиачное производство осуществлялось при давлении 300 атм и температуре 600°С. Но в последнее время используются установки, в которых достигается давление 5000 атм, а испытания проводятся при давлении 600 000 атм, которое достигается за счет ударной волны при взрыве в течение миллионной доли секунды. При ядерных взрывах возникают еще более высокие давления.

При высоком давлении сближаются и деформируются электронные оболочки атомов, что ведет к повышению реакционной способности веществ. При давлении 102 —103 атм исчезает различие между жидкой и газовой фазами, а при 103 —105 атм — между твердой и жидкой фазами. При высоком давлении сильно меняются физические и химические свойства веществ. Например, при давлении 20 000 атм металл становится эластичным, как каучук. Обычная вода при высоких температуре и давлении становится химически активной. С повышением давления многие вещества переходят в металлическое состояние. Так, в 1973 г. ученые наблюдали металлический водород при давлении 2,8 млн. атм.

Одним из важнейших достижений химии сверхвысоких давлений стал синтез алмазов. Он идет при давлении 50 000 атм и температуре 2000°С. При этом графит кристаллизуется в алмазы. Также алмазы можно синтезировать и с применением ударных волн. В последнее время ежегодно производятся тонны синтетических

ал-

204

мазов, которые лишь незначительно отличаются от природных по своим свойствам. Получающиеся алмазы используются для промышленных целей — в режущем и буровом оборудовании. Удалось синтезировать черные алмазы — карбонадо, которые тверже природных алмазов. Они используются для обработки самих алмазов.

В настоящее время налажено промышленное производство не только искусственных алмазов, но и других драгоценных камней — корунда (красного рубина), изумруда и др. При высоких давлениях синтезируют и другие материалы, отличающиеся высокой термостойкостью. Так, из нитрида бора при давлении 100 000 атм и температуре 2000°С синтезирован боразон — материал, пригодный для сверления и шлифования деталей из чрезвычайно твердых материалов при очень высоких температурах.

8.5. Четвертый уровень химического знания.

Эволюционная химия

В 60—70-е гг. XX в. появился четвертый способ решения основной проблемы химии, открывающий пути для использования в производстве материалов самых высокоорганизованных химических систем, какие только возможны в настоящее время. В основе этого способа лежит принцип использования в процессах получения целевых продуктов таких условий, которые приводят к самосовершенствованию катализаторов химических реакций, т.е. к самоорганизации химических систем. В сущности, речь идет об использовании химического опыта живой природы. Химический реактор предстает как некое подобие живой системы, для которой характерны саморазвитие и определенные черты поведения. Так появилась эволюционная химия как высший уровень развития химического знания.

Под эволюционными процессами в химии понимают процессы самопроизвольного (без участия человека) синтеза новых химических соединений, являющихся более сложными и высокоорганизованными продуктами по сравнению с исходными веществами.

Поэтому эволюционную химию заслуженно считают предбиологией, наукой о самоорганизации и саморазвитии химических систем.

До последней трети XX в. об эволюционной химии ничего не было известно. В отличие от биологов, которые вынуждены были использовать эволюционную теорию Дарвина для объяснения происхождения многочисленных видов растений и животных, вопрос о происхождении вещества для химиков не представлял интереса, поскольку получение любого нового химического индивида всегда

205

было делом рук и разума человека. Молекулы новых химических соединний конструировались по законам структурной химии из атомов и атомных групп, как здание из кирпичей. Живые же организмы из блоков собрать было нельзя. Но изучение и освоение опыта живой природы было давней мечтой ученых.

Первые шаги на этом пути были сделаны еще И. Берцелиусом, который установил, что в основе функционирования живого организма лежит биокатализ. Затем исследования в этом направлении велись Ю. Либихом, П. Бертло и, наконец, Н.Н. Семеновым. Работы этих ученых способствовали укреплению связи химии с биологией.

Постепенное развитие науки в XIX в., приведшее к раскрытию структуры атома и детальному познанию строения и состава клетки, открыло перед химиками и биологами практические возможности совместной работы над химическими проблемами учения о клетке. На повестке дня стояло изучение характера химических процессов в живых тканях, обусловленность биологических функций химическими реакциями.

Как было установлено учеными в XIX в., основой исключительной эффективности биологических процессов является биокатализ. Поэтому химики ставят своей целью создать новую химию, основанную на каталитическом опыте живой природы. Они стремятся к новым принципам управления химическими процессами, в которых будет применяться синтез себе подобных молекул, по принципу ферментов будут созданы катализаторы с таким разнообразием качеств, которые далеко превзойдут существующие в нашей промышленности до сих пор.

Несмотря на то, что ферменты обладают общими свойствами, присущими всем катализаторам, тем не менее, они не тождественны последним, поскольку функционируют в рамках живых систем. Поэтому все попытки использовать опыт живой природы для ускорения химических процессов в неорганическом мире сталкиваются с серьезными ограничениями. Пока речь может идти только о моделировании некоторых функций ферментов и использовании этих моделей для теоретического анализа деятельности живых систем. Также возможно частичное практическое применение выделенных ферментов для ускорения некоторых химических реакций. Для этого нужно изучить весь каталитический опыт живой природы, в том числе и опыт формирования самого фермента, клетки и даже организма. На этой основе и возникла эволюционная химия как новая наука, пролагающая пути принципиально новой химической технологии, способной стать аналогом живых систем.

Таким образом, возникновению эволюционной химии способствовали исследования в области моделирования биокатализаторов-ферментов. Для освоения опыта живой природы и реализации по-

206

лученных знаний в промышленности химики наметили ряд перспективных путей.

Во-первых, химики ведут исследования в области металлокомплексного катализа, который обогащается приемами, используемыми живыми организмами в реакциях с участием ферментов.

Во-вторых, ученые пытаются моделировать биокатализаторы. Уже удалось создать модели многих ферментов, которые извлекаются из живой клетки и используются в химических реакциях. Но проблема осложняется тем, что ферменты, устойчивые внутри живой клетки, вне клетки быстро разрушаются.

В-третьих, развивается химия иммобилизованных систем. При этом ферменты, выделенные из живого организма, закрепляются на твердой поверхности путем адсорбции. Пионером в этой области выступил русских химик И.В. Березин. Благодаря его исследованиям биокатализаторы стали стабильными, устойчивыми в химических реакциях, появилась возможность их многократного использования.

В-четвертых, глобальной целью современной химии является решение самой широкой задачи — освоение и использование всего опыта живой природы. Это позволит химикам создать полные аналоги живых систем, в которых будут синтезироваться самые разнообразные вещества. Таким образом, человечество получит в свое распоряжение принципиально новые химические технологии.

Зарождение эволюционной химии произошло в 1960-е гг., когда были открыты случаи самосовершенствования катализаторов в ходе реакции, тогда как обычно в процессе работы они дезактивировались, ухудшались и выбрасывались. Так химики обратили внимание на процессы самоорганизации в химических системах, подняв тем самым химию на качественно новый уровень. При этом впервые было обращено внимание на существование в природе химических систем разной степени сложности, а также на процесс перехода от химических систем к биологическим.

Изучение процессов самоорганизации в химии привело к формированию двух подходов к анализу предбиологических систем: субстратного и функционального.

Субстратный подход к проблеме биогенеза

В рамках субстратного подхода было отмечено, что при переходе к простейшим формам жизни шел особый дифференцированный отбор лишь таких химических элементов и их соединений, которые являются основным строительным материалом для образования биологических систем. Эти элементы в химии получили название

органогенов.

Результатами такого подхода стала информация об отборе химических элементов и структур, который оказался подобным биологической эволюции. В настоящее время наукой открыто 110 хи-

207

мических элементов. Большинство из них попадает в живые организмы и участвует в их жизнедеятельности. Однако основу жизнедеятельности обеспечивают только шесть химических элементов-органогенов — углерод, водород, кислород, азот, фосфор и сера. Их суммарная весовая доля в структуре живого организма составляет 97,4%. За ними следуют 12 элементов, которые принимают участие в построении многих физиологически важных компонентов биологических систем (натрий, калий, кальций, магний, алюминий, железо, кремний, хлор, медь, цинк, кобальт, никель). Их весовая доля в организме составляет 1,6%. Кроме того, существует еще 20 элементов, участвующих в построении и функционировании отдельных узкоспецифических биосистем, весовая доля которых составляет около 1%. Все остальные элементы в построении биосистем практически не участвуют.

Общая химическая картина мира также весьма убедительно свидетельствует об отборе химических соединений. В настоящее время химической науке известно около 8 млн. химических соединений. Из них подавляющее большинство (96%) составляют органические соединения, которые образованы на основе все тех же 6—18 элементов. А из остальных 90 химических элементов природа создала всего лишь около 300 тысяч неорганических соединений. Из миллионов органических соединений в построении живого участвуют лишь несколько сотен. Из 100 известных аминокислот в состав белков входит только 20. Лишь по четыре нуклеотида ДНК и РНК лежат в основе всех сложных полимерных нуклеиновых кислот, ответственных за наследственность и регуляцию белкового синтеза в любых живых организмах.

Химикам важно понять, каким образом из минимума химических элементов и химических соединений образовались сложнейшие биосистемы. Без этого ученые не смогут приспособить к своим нуждам простые химические системы и получить из них более сложные соединения.

Можно предположить, что определяющими факторами в отборе химических элементов при формировании органических систем, а тем более биосистем, выступают условия соответствия этих элементов определенным требованиям:

• способность образовывать прочные и, следовательно, энергоемкие связи;

• эти связи должны быть лабильными (изменчивыми), способными к образованию новых разнообразных связей.

Данным условиям отвечает углерод — органоген номер один. Он, как никакой другой элемент, способен вмещать и удерживать внутри себя самые редкие химические противоположности, реализовывать их единство, выступать в качестве носителя внутреннего противоречия.

208

Азот, фосфор и сера как органогены, а также железо и магний, составляющие активные центры ферментов, также лабильны. Кислород и водород свойством лабильности обладают в меньшей мере, поэтому являются носителями окислительных и восстановительных процессов.

Сегодня также ясно, что в ходе эволюции отбирались те структуры, которые способствовали резкому повышению активности и селективности действия каталитических групп. Есть уже и некоторые выводы:

• на ранних этапах химической эволюции органического мира катализ отсутствовал. Условия высоких температур (выше 5000 К), электрических разрядов и радиации, с одной стороны, препятствовали образованию конденсированного состояния вещества, а с другой — с лихвой перекрывали те порции энергии, которые необходимы для протекания большинства реакций;

• первые проявления катализа начались при смягчении условий и образовании первичных твердых тел;

• роль катализаторов возрастала по мере того, как физические условия приближались к земным. Но общее значение катализа вплоть до образования более или менее сложных

органических молекул все еще не могло быть высоким;

• после того, как был накоплен определенный количественный минимум органических и неорганических соединений, прежде всего Сахаров и аминокислот, роль катализа начала резко возрастать.

Функциональный подход в эволюционной химии

В рамках функционального подхода также изучается роль катализа и выявляются законы, которым подчиняются процессы самоорганизации химических систем. Было отмечено, что ведущую роль на предбиологической стадии эволюции играл катализ. Роль каталитических процессов усиливалась по мере усложнения состава и структуры химических систем. Именно на этом основании некоторые ученые напрямую стали связывать химическую эволюцию с самоорганизацией и саморазвитием каталитических систем. Иными словами, такая эволюция если не целиком, то в значительной мере связана с процессами самоорганизации каталитических систем.

Исходя из этого профессор МГУ А.П. Руденко выдвинул теорию саморазвития открытых каталитических систем. Очень скоро она была преобразована в общую теорию химической эволюции и биогенеза. В ней решены вопросы о движущих силах и механизмах эволюционного процесса, т.е. о законах химической эволюции, отборе элементов и структур и их причинной обусловленности, о высоте химической организации и иерархии химических систем как следствии эволюции.

Сущность данной теории состоит в том, что химическая эволюция представляет собой саморазвитие каталитических систем, а сле-

209

довательно, эволюционирующим веществом являются катализаторы, а не молекулы. Выше мы упоминали, что при катализе идет реакция химического взаимодействия катализатора и реагентов с образованием промежуточных комплексов со свойствами переходного состояния. Именно такой промежуточный каталитический комплекс Руденко назвал элементарной каталитической системой. Если в ходе реакции идет постоянный приток новых реактивов извне и отвод готовой продукции, а также выполняются некоторые дополнительные условия, то реакция может идти неограниченно долго, находясь на одном и том же стационарном уровне. Такие многократно возобновляемые комплексы являются элементарными открытыми каталитическими системами.

Саморазвитие, самоорганизация и самоусложнение каталитических систем происходит за счет постоянного притока трансформируемой энергии. А так как основным источником энергии является базисная реакция, то максимальное эволюционное преимущество получают каталитические системы, развивающиеся на базе экзотермических реакций. Таким образом, базисная реакция — не только источник энергии, но и орудие отбора наиболее прогрессивных эволюционных изменений катализаторов.

Тем самым Руденко сформулировал основной закон химической эволюции, согласно которому с наибольшей скоростью и вероятностью реализуются те пути эволюционных изменений катализаторов, которые связаны с ростом их абсолютной каталитической активности. При этом по параметру абсолютной каталитической активности складываются механизмы конкуренции и естественного отбора.

Возникает явление автокатализа, при котором продукты реакции выступают как катализаторы, ускоряющие дальнейшее протекание реакции. При этом реакция становится саморазвивающейся, и элементарная открытая каталитическая система подходит к первому пределу в своем развитии, когда рост скорости базисной реакции начинает ограничиваться постоянной температурой системы. Тогда некоторые элементарные каталитические центры становятся способными осуществлять не один, а несколько циклов базисной реакции.

На следующем этапе развития элементарной каталитической системы скорость реакции начинает ограничиваться концентрацией реагирующих веществ. При этом система подходит ко второму пределу в своем развитии, который преодолевается с помощью пространственного дублирования каталитических систем, их разъединения и дальнейшего самостоятельного существования. А самовоспроизведение (точное пространственное дублирование) является признаком не химической, а биологической эволюции. Именно так с матричных молекул ДНК считывается наследственная информация и на этой основе строится новая молекула. Таким образом, второй кинетический предел саморазвития элементарных открытых

210

каталитических систем является пределом добиологической химической эволюции. После этого возможности добиологической эволюции, проходящей по законам химии, исчерпываются, и начинается эволюция биологическая.

Практическим следствием теории саморазвития открытых каталитических систем является так называемая нестационарная кинетика, которая занимается теорией управления нестационарными процессами — реакциями с меняющимися условиями. Сегодня исследователи приходят к выводу, что стационарный режим, надежная стабилизация которого казалась залогом высокой эффективности промышленного процесса, является лишь частным случаем нестационарного режима. При этом было обнаружено множество нестационарных режимов, способствующих интенсификации реакции.

Таким образом, рассмотренные концепции химии позволяют говорить о существовании химической картины мира, т.е. такого взгляда на природу с точки зрения химии, в котором определяются место и роль химических объектов и процессов в реальном природном многообразии. Ее содержанием является:

• обобщенное знание эпохи о том, что представляют собой объекты живой и неживой природы с точки зрения их химического содержания. Сюда входит учение о многообразии частиц вещества и его химической организации;

• представление о едином происхождении всех основных типов природных объектов, их естественной эволюции;

• зависимость химических свойств природных объектов от их структуры;

• общие закономерности природных процессов как процессов химического движения — взаимодействия реагирующих веществ друг с другом и окружающей средой;

• знание о специфических объектах, синтезируемых в практической деятельности химиков.

Литература для самостоятельного изучения

1.Васильева Т.С., Орлов В.В. Химическая форма материи. М., 1983.

2.Данцев А.А. Философия и химия. Ростов-на-Дону, 1991.

3.Кузьменко Н.Е., Еремин В.В., Попков В.А Начала химии М., 1997.

4.Пиментпел Дж., Кунрод Дж. Возможности химии сегодня и завтра. М., 1992.

5.Поллер 3. Химия на пути в третье тысячелетие. М., 1982. 6.Соловьев Ю.И., Курашов В.И. Химия на перекрестке наук. М, 1989.

7. Фигуровский Н.А. История химии. М., 1979.

8. Химия и мировоззрение. М., 1986.

9. Хомченко Т.П. Химия для поступающих в вузы. М., 1996.

10. Эмсли Дж. Элементы. М., 1993.

Глава 9Структурные уровни жизни

9.1. Структура биологического знания

Биология как наука

В настоящее время наиболее динамично развивающейся наукой является биология — наука о жизни и живой природе. Основные задачи биологии — дать научное определение жизни, указать на принципиальное отличие живого от неживого, выяснить специфику биологической формы существования материи. Развитие биологических знаний приводит к постепенной трансформации представлений о сущности жизни, единстве космической и биологической эволюции, взаимодействии биологического и социального в человеке и т.п. Новые биологические данные изменяют ту картину мира, которая на протяжении длительного времени формировалась физикой. Можно говорить о том, что сегодня открытия в биологии определяют развитие всего естествознания. Именно поэтому современная научная картина мира невозможна без биологических знаний. Более того, биология становится тем основанием, на котором формируются новые мировоззренческие принципы, определяющие самосознание человека.

В современной науке биология определяется как совокупность наук о живой природе, многообразии существовавших и существующих живых организмов, их строении и функциях, происхождении, распространении и развитии, связях друг с другом и неживой природой.

В соответствии с этим биология изучает как общие, так и частные закономерности живого во всех его проявлениях (обмен веществ, воспроизводство, наследственность, изменчивость, приспособляемость и др.).

Современная биология — динамичное, меняющееся на глазах знание. Лавинообразное накопление новых экспериментальных данных подчас опережает возможности их теоретической интерпретации и объяснения. Стремительно растет в биологии число меж-

212

дисциплинарных исследовании на стыке с другими естественными науками. Поэтому в структуре биологического знания сегодня насчитывается более 50 частных наук: ботаника, зоология, генетика, молекулярная биология, анатомия, морфология, цитология, биофизика, биохимия, палеонтология, эмбриология, экология и т.п. Данное многообразие научных дисциплин объясняется, главным образом, сложностью основного объекта биологических исследований — живой материи.

Структуру биологии как науки можно рассматривать с точки зрения объектов, свойств, уровней организации живого, основных этапов и биологических парадигм.

По о б ъ е к т а м исследования биологию подразделяют на вирусологию, бактериологию, ботанику, зоологию, антропологию.

По с в о й с т в а м и проявлениям живого существует следующая классификация биологических дисциплин: эмбриология — наука, изучающая зародышевое (эмбриональное) развитие организмов; физиология — наука о функционировании организмов; морфология — наука о строении живых организмов; молекулярная биология — наука об образе жизни сообществ растительного и животного мира, их взаимосвязях с окружающей средой; генетика — наука о наследственности и изменчивости.

По у р о в н ю о р г а н и з а ц и и живых организмов выделяют: анатомию — науку о макроскопическом строении животных и человека; гистологию — науку о строении тканей; цитологию — науку о строении живых клеток.

В своем развитии биология прошла длительный и трудный путь, включающий в себя три наиболее крупных этапа, принципиально различающихся между собой своей главной идеей: 1) период систематики, 2) эволюционный период и 3) период биологии микромира. Отмеченные периоды не имеют между собой четких временных границ, так же как и не имеют резких переходов. Более того, поскольку биология еще не вышла на уровень теоретических обобщений и не имеет собственной научной картины мира, она существует в трех «ипостасях» — натуралистической, физикохимической и эволюционной биологии. Каждая из них появилась в соответствующий период развития биологической науки.

Период систематики. Натуралистическая биология

Как и всякая естественная наука, биология начала развиваться как описательная (феноменологическая) наука о многообразных формах, видах и взаимосвязях живого мира. Главной ее задачей было изучение природы в ее естественном состоянии. Для этого наблюдались, описывались и систематизировались явления живой природы. Именно в этот период сложился натуралистический под-

213

ход к изучению жизни. Началом научного подхода послужила постоянно растущая совокупность практических знаний, получаемых человеком в процессе его взаимодействия с Окружающей природной средой. Помимо накапливающихся знаний необходимо было систематизировать и объекты, составлявшие предмет практических интересов человека. Идея систематики зародилась в античности. Первым систематизатором науки стал Аристотель, который собрал накопленный к его времени фактический материал и сделал первую попытку классификации животных и растений, основанную на понятии целесообразности.

Систематизации биологических знаний он посвятил ряд работ: «История животных», «О частях животных», «О возникновении животных». В них Аристотель разделил царство животных на две группы: имеющих кровь и лишенных крови. Среди имеющих кровь он выделял: четвероногих живородящих, птиц, четвероногих и безногих яйцеродящих, безногих живородящих и рыб.

Соответственно лишенные крови делились на: мягких (головоногих) мягкокожих многоногих (раки), многоногих членистых и раковинных безногих (моллюски и морские ежи). Кроме того, Аристотель выделил ряд групп, переходных между этими двумя. Человеку Аристотель отвел место на вершине кровяных животных (антропоцентризм).

Благодаря работам Аристотеля хаотичные знания о живой природе приобрели относительно упорядоченный характер, и это обстоятельство дает основания считать, что становление биологии как науки началось в те далекие времена. Идеи Аристотеля пользовались непререкаемым авторитетом вплоть до Нового времени, лишь тогда они были подвергнуты проверке.

Подъем биологических наук произошел лишь в XVI в. и связан с эпохой Великих географических открытий, которые обогатили науку множеством новых фактов, собранных на вновь открытых землях. Данные факты требовали своей систематизации и классификации, которая и была предложена в трудах шведского ученого К. Линнея. Он в своей работе «Система природы» смог разработать стройную иерархию всех животных и растений.

В основе систематики Линнея лежит вид, близкие виды объединяются в роды, сходные роды — в отряды, а отряды — в классы. Кроме того, Линней ввел точную терминологию для описания растений и животных. Ему также принадлежит введение бинарной (двойной) номенклатуры: обозначение каждого вида двумя терминами — названием рода и вида по латыни. Линней точно определил соотношение между различными систематическими группами — классами, отрядами, родами, видами и подвидами, четко выделив названные таксоны и показав их иерархическую соподчиненность.

Помимо систематизации и классификации органического мира в XVIII—XIX вв. в области традиционной биологии появился еще

214

целый ряд фундаментальных работ, считающихся классикой биологической мысли. Это 44-томный труд французского ученого Ж. Бюффона и его соавторов «Естественная история», знаменитая «Жизнь животных» А. Брема и работы Э. Геккеля по морфологии организмов.

Натуралистическая биология не утратила своего значения и в наши дни. По-прежнему продолжается изучение флоры и фауны нашей планеты, открываются и описываются новые виды. Несмотря на то, что современная биология смогла осуществить анализ и классификацию огромного числа животных и растительных организмов, она, тем не менее, не смогла сделать полное описание всего природного мира. Считается, что до сих пор описано только две трети существующих видов, т.е. 1,2 млн. животных, 5000 тыс. растений, сотни тысяч грибов, около 3 тыс. бактерий и т.п. Все более важной становится экология — наука, исследующая взаимоотношения организмов как между собой, так и со средой обитания. Эта наука появилась в рамках традиционной биологии, рассматривает природу как единое целое и требует к ней бережного, гуманного отношения.

Период микромира. Физико-химическая биология

При всех достоинствах натуралистической биологии с ее целостным подходом к изучению природы биология все же нуждалась в понимании механизмов, явлений и процессов, происходящих на разных уровнях жизни и живых организмов. Поэтому от традиционной описательной биологии ученые были вынуждены перейти к изучению анатомии и физиологии растений и животных, процессов жизнедеятельности организмов в целом и их отдельных органов, а затем — все дальше вглубь живой природы, к изучению жизни на клеточном и молекулярно-генетическом уровнях.

Основы анатомических и физиологических знаний были заложены в античности и связаны с работами Гиппократа, Герофила, Клавдия Галена и их учеников. Однако подлинное развитие данного направления биологии началось лишь в Новое время. В XVI—XVII вв. благодаря исследованиям Р. Гука, Н. Грю, Я. Гельмонта, М. Мальпиги, проводившимся с использованием микроскопа, получила развитие анатомия растений, были открыты клеточный и тканевый уровни организации растений. В биологию проникает эксперимент — искусственная гибридизация, что закладывает отдаленные предпосылки возникновения генетики.

Важно отметить, что биология в Новое время все шире использовала методы других естественных наук — более развитых физики и химии. Так в науку проникла мысль, что все явления жизни подчиняются законам физики и химии и могут быть объяснены с их помощью. Таким образом, биология все шире использует идеи ре-

215

л

дукционизма. Первое время это был лишь методологический подход, но с XIX в. можно было говорить о рождении физикохимической биологии, изучавшей жизнь на молекулярном и надмолекулярном уровнях. Большую роль в утверждении нового образа биологии сыграли ученые XIX в., использовавшие методы физики и химии в своих исследованиях: Л. Пастер, И.М. Сеченов, И.П. Павлов, И.И. Мечников и др. Необходимо также назвать основоположников клеточной теории М. Шлейдена и Т. Шванна, положивших в 1838 г. начало изучению живой клетки. Их теория привела к появлению цитологии — науки о живой клетке.

Дальнейшее изучение клеточного строения вызвало рождение генетики — науки о наследственности и изменчивости. В XX в. появилась молекулярная генетика, что вывело биологию на новый уровень анализа жизни и еще теснее сблизило ее с физикой и химией. Удалось понять генетическую роль нуклеиновых кислот, были открыты молекулярные механизмы генетической репродукции и биосинтеза белка, а также молекулярно-генетические механизмы изменчивости, изучен обмен веществ на молекулярном уровне. При этом открытия в физике и химии, непрерывное совершенствование физических и химических методов исследования и их применение в биологии создали возможность по-новому подойти к изучению множества биологических проблем.

С точки зрения химии живые организмы представляют собой открытые системы, постоянно обменивающиеся веществом и энергией с окружающей средой. При этом вместе с пищей они получают огромное количество органических и минеральных соединений, которые участвуют в биохимических реакциях организма, а затем в виде продуктов распада выводятся в окружающую среду. Строительным материалом для живой клетки являются макромолекулы — белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты. Гормональная регуляция, происходящая в организме, также представляет собой систему химических реакций.

Объединение биологии с химией дало начало новой науке — биохимии, которая изучает структуру и свойства биомолекул одновременно с их метаболизмом в живых тканях и органах. Иными словами, биохимия анализирует изменения биомолекул внутри живого организма. Биохимикам удалось выяснить, как переносится энергия в клетке, расшифровать механизмы метаболизма (обмена веществ), установить роль мембран, рибосом и других внутриклеточных структур. Именно биохимики расшифровали структуру и определили функции белков и нуклеиновых кислот, заложив тем самым основы молекулярной генетики. Рекомендациями биохимиков сегодня пользуется медицина, фармация, сельское хозяйство.

Поскольку современная химия основывается на физике, ученые стремятся объяснить биологические явления и процессы на основе

216

физических закономерностей. В результате в 1950 г. на стыке биохимии, биологии и физики родилась новая наука — биофизика. Биофизики, рассматривая какое-либо биологическое явление, расчленяют его на несколько более элементарных, доступных для понимания актов и исследуют их физические свойства. Таким образом были объяснены механизмы мышечного сокращения, проведения нервного импульса, тайны фотосинтеза и ферментативного катализа.

С помощью биохимии и биофизики ученые смогли объединить знания о структуре и функциях организма. Но ни этим наукам, ни физико-химической биологии в целом не удается дать ответ на основной вопрос биологии — вопрос о происхождении и сущности жизни.

Эволюционный период. Эволюционная биология

Идея развития живой природы проникла в биологию лишь в XIX в., хотя предпосылки эволюционной биологии сформировались еще в античности. Так, в основе систематики живого у Аристотеля лежит идея лестницы существ: он расположил организмы от простого к сложному, человека при этом он поместил на вершине пирамиды животного мира. От этой идеи нужно было сделать лишь шаг к идее эволюции как развитию животного мира путем постоянного усложнения.

Начало эволюционному периоду развития биологии было положено в трудах французского биолога Ж. Б. Ламарка, предложившего первую эволюционную теорию. Она была изложена в его книге «Философия зоологии», вышедшей в 1809 г. Ламарк первым заговорил об изменении организмов под влиянием окружающей среды и передаче приобретенных признаков потомкам. Однако Ламарк в своей теории опирался на ряд неверных исходных положений, из-за которых ему не удалось решить вопрос о соотношении внутренних и внешних факторов эволюции.

Значительный вклад в развитие биологии на данном этапе внесла теория катастроф, автором которой стал французский ученый Ж. Кювье. Он исходил из представлений о том, что природные силы, действующие сейчас и господствовавшие в прошлом, качественно отличаются друг от друга. Поэтому в прошлом периодически могли происходить глобальные природные катаклизмы, прерывающие спокойное течение геологических и биологических процессов на Земле. В результате этих глобальных катастроф почти полностью изменялся не только облик Земли, но и ее органический мир. Причины этих катастроф наука установить не в состоянии, но можно сделать вывод, что именно катастрофы привели к появлению все более сложных органических форм.

Подлинная революция в биологии связана с появлением в 1859 г. теории эволюции Ч. Дарвина, изложенной им в книге «Происхождение видов путем естественного отбора». Эволюционная теория Дар-

217

вина построена на трех постулатах: изменчивости, наследственности и естественном отборе. Изменчивость, по Дарвину, — это способность организмов приобретать новые свойства и признаки и изменять их по разным причинам. Именно изменчивость является первым и главным звеном эволюции. Наследственность — это способность живых организмов передавать свои свойства и признаки последующим поколениям. Естественный отбор является результатом борьбы за существование и означает выживание и успешное размножение наиболее приспособленных организмов. Под действием естественного отбора группы особей одного вида из поколения в поколение накапливают различные приспособительные признаки и в результате приобретают настолько существенные отличия, что превращаются в новые виды. К сожалению, положения о наследственности и изменчивости, также входившие в эту теорию, были разработаны намного хуже. Это дало основания для серьезной критики дарвиновской теории эволюции, которая развернулась в конце XIX - начале XX в.

Современная (синтетическая) теория эволюции появилась лишь к концу 20-х гг. XX в. Она представляла собой синтез генетики и дарвинизма. С этого времени стало возможным говорить об эволюционной биологии как о платформе, на которой происходит синтез разнородного биологического знания. Сегодняшняя эволюционная биология — это результат объединения двух потоков знания: самого эволюционного учения и знаний, полученных другими биологическими науками о процессах и механизмах эволюции. На протяжении XX в. содержание эволюционной биологии постоянно расширялось. Оно дополнено данными генетики, молекулярной биологии, цитологии, палеонтологии. Многие ученые считают, что именно эволюционная биология сможет стать фундаментом теоретической биологии, являющейся основной целью биологов XXI в.

9.2. Структурные уровни организации жизни

Жизнь характеризуется диалектическим единством противоположностей: она одновременно целостна и дискретна. Органический мир представляет собой единое целое, так как составляет систему взаимосвязанных частей (существование одних организмов зависит от других), и в то же время дискретен, поскольку состоит из отдельных единиц — организмов, или особей. Каждый живой организм, в свою очередь, также дискретен, так как состоит из отдельных органов, тканей, клеток, но вместе с тем каждый из органов, обладая определенной автономностью, действует как часть целого. Каждая клетка состоит из органоидов, но функционирует как единое целое. Наследственная информация осуществляется генами, но

218

ни один из генов вне всей совокупности не определяет развитие признака и т.д.

С дискретностью жизни связаны различные уровни организации органического мира, которые можно определить как дискретные состояния биологических систем, характеризуемых соподчи-ненностью, взаимосвязанностью и специфическими закономерностями. При этом каждый новый уровень обладает особыми свойствами и закономерностями прежнего, низшего уровня, поскольку любой организм, с одной стороны, состоит из подчиненных ему элементов, а с другой — сам является элементом, входящим в состав какой-то макробиологической системы.

На всех уровнях жизни проявляются такие ее атрибуты, как дискретность и целостность, структурная организация, обмен веществом, энергией и информацией. Существование жизни на более высоких уровнях организации подготавливается и определяется структурой низшего уровня; в частности, характер клеточного уровня определяется молекулярным и субклеточным, организменный — клеточным, тканевым уровнями и т.д.

Структурные уровни организации жизни чрезвычайно многообразны, но при этом основными являются молекулярный, клеточный, онтогенетический, популяционно-видовой, биоценотический, биогеоценотический и биосферный.

Молекулярно-генетический уровень

Молекулярно-генетический уровень жизни — это уровень функционирования биополимеров (белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов) и других важных органических соединений, лежащих в основе процессов жизнедеятельности организмов. На этом уровне элементарной структурной единицей является ген, а носителем наследственной информации у всех живых организмов — молекула ДНК. Реализация наследственной информации осуществляется при участии молекул РНК. В связи с тем, что с молекулярными структурами связаны процессы хранения, изменения и реализации наследственной информации, данный уровень называют молекуляр-но-генетическим.

Важнейшими задачами биологии на этом уровне являются изучение механизмов передачи генной информации, наследственности и изменчивости, исследование эволюционных процессов, происхождения и сущности жизни.

Все живые организмы имеют в своем составе простые неорганические молекулы: азот, воду, двуокись углерода. Из них в ходе химической эволюции появились простые органические соединения, ставшие, в свою очередь, строительным материалом для более крупных молекул. Так появились макромолекулы — гигантские мо-

219

лекулы-полимеры, построенные из множества мономеров. Существуют три типа полимеров: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды.

Белки и нуклеиновые кислоты являются «информационными» молекулами, так как в их строении важную роль играет последовательность мономеров, которая может быть весьма разнообразной. Полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза) играют роль источника энергии и строительного материала для синтеза более крупных молекул.

Белки — это макромолекулы, представляющие собой очень длинные цепи из аминокислот — органических (карбоновых) кислот, содержащих, как правило, одну или две аминогруппы (— NH2 ).

В растворах аминокислоты способны проявлять свойства как кислот, так и оснований. Это делает их своеобразным буфером на пути опасных физико-химических изменений. В живых клетках и тканях встречается свыше 170 аминокислот, однако в состав белков их входит только 20. Именно последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями[2] , образует первичную структуру белков. На долю белков приходится свыше 50% общей сухой массы клеток.

Большинство белков выполняет функцию катализаторов (ферментов). В их пространственной структуре есть активные центры в виде углублений определенной формы. В такие центры попадают молекулы, превращение которых катализируется данным белком. Кроме того, белки играют роль переносчиков; например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям. Мышечные сокращения и внутриклеточные движения — результат взаимодействия молекул белков, функция которых заключается в координации движения. Функцией белков-антител является защита организма от вирусов, бактерий и т.д. Активность нервной системы зависит от белков, с помощью которых собирается и хранится информация из окружающей среды. Белки, называемые гормонами, управляют ростом клеток и их активностью.

Нуклеиновые кислоты. Процессы жизнедеятельности живых организмов определяет взаимодействие двух видов макромолекул — белков и ДНК. Генетическая информация организма хранится в молекулах ДНК, которая служит носителем наследственной информации для следующего поколения и определяет биосинтез белков, контролирующих почти все биологические процессы. Поэтому нук-

леиновым кислотам принадлежит такое же важное место в организме, как и белкам.

Как белки, так и нуклеиновые кислоты обладают одним очень важным свойством — молекулярной дисимметрией (асимметрией), или молекулярной хиральностью. Это свойство жизни было открыто в 40—50-е гг. XIX в. Л. Пастером в ходе исследования строения кристаллов веществ биологического происхождения — солей виноградной кислоты. В своих опытах Пастер обнаружил, что не только кристаллы, но и их водные растворы способны отклонять поляризованный луч света, т.е. являются оптически активными.

Позже они получили название оптических изомеров. У растворов веществ небиологического происхождения данное свойство отсутствует, строение их молекул симметрично.

Сегодня идеи Пастера подтверждены, и считается доказанным, что молекулярная хиральность (от греч. cheir — рука) присуща только живой материи и является ее неотъемлемым свойством. Вещество неживого происхождения симметрично в том смысле, что молекул, поляризующих свет влево и вправо, в нем всегда поровну. А в веществе биологического происхождения всегда присутствует отклонение от этого баланса. Белки построены из аминокислот, поляризующих свет только влево (L-конфигурация). Нуклеиновые кислоты состоят из Сахаров, поляризующих свет только вправо (Dконфигурация). Таким образом, хиральность заключается в асимметрии молекул, их несовместимости со своим зеркальным отражением, как у правой и левой руки, что и дало современное название этому свойству. Интересно отметить, что если бы человек вдруг превратился в свое зеркальное отражение, то с его организмом все было бы нормально до тех пор, пока он не стал бы есть пищу растительного или животного происхождения, которую он просто не смог бы переварить.

Нуклеиновые кислоты — это сложные органические соединения, представляющие собой фосфорсодержащие биополимеры (полинуклеотиды).

Существует два типа нуклеиновых кислот — дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК). Свое название нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) получили из-за того, что впервые были выделены из ядер лейкоцитов еще во второй половине XIX в. швейцарским биохимиком Ф. Мишером. Позже было обнаружено, что нуклеиновые кислоты могут находиться не только в ядре, но и в цитоплазме и ее органоидах. Молекулы ДНК вместе с белками-гистонами образуют вещество хромосом.

221

В середине XX в. американский биохимик Дж. Уотсон и английский биофизик Ф. Крик раскрыли структуру молекулы ДНК. Рентгеноструктурные исследования показали, что ДНК состоит из двух цепей, закрученных в двойную спираль. Роль остовов цепей играют сахарофосфатные группировки, а перемычками служат основания пуринов и пиримидинов. Каждая перемычка образована двумя основаниями, присоединенными к двум противоположным цепям, причем, если у одного основания одно кольцо, то у другого — два. Таким образом, образуются комплементарные пары: А-Т и ГЦ. Это значит, что последовательность оснований одной цепи однозначно определяет последовательность оснований в другой, комплементарной ей цепи молекулы.

Ген — это участок молекулы ДНК или РНК (у некоторых вирусов). РНК содержит 4—6 тысяч отдельных нуклеотидов, ДНК — 10—25 тысяч. Если бы можно было вытянуть ДНК одной человеческой клетки в непрерывную нить, то ее длина составила бы 91 см.

И все же рождение молекулярной генетики произошло несколько раньше, когда американцы Дж. Бидл и Э. Тэйтум установили прямую связь между состоянием генов (ДНК) и синтезом ферментов (белков). Именно тогда появилось знаменитое высказывание: «один ген — один белок». Позже было выяснено, что основной функцией генов является кодирование синтеза белка. После этого ученые сконцентрировали свое внимание на вопросе, как записана генетическая программа и как она реализуется в клетке. Для этого нужно было выяснить, как всего четыре основания могут кодировать порядок расположения в молекулах белка целых двадцати аминокислот. Основной вклад в решение этой проблемы внес знаменитый физик-теоретик Г. Гамов в середине 1950-х гг.

По его предположению, для кодирования одной аминокислоты используется сочетание из трех нуклеотидов ДНК. Эта элементарная единица наследственности, кодирующая одну аминокислоту, получила название кодона. В 1961 г. гипотеза Гамова была подтверждена исследованиями Ф. Крика. Так был расшифрован молекулярный механизм считывания генетической информации с молекулы ДНК при синтезе белков.

В живой клетке имеются органеллы — рибосомы, которые «читают» первичную структуру ДНК и синтезируют белок в соответствии с записанной в ДНК информацией. Каждой тройке нуклеотидов ставится в соответствие одна из 20 возможных аминокислот. Именно так первичная структура ДНК определяет последовательность аминокислот синтезируемого белка, фиксирует генетический код организма (клетки).

Генетический код всего живого, будь то растение, животное или бактерия, одинаков. Такая особенность генетического кода вместе со сходством аминокислотного состава всех белков свидетельствует

222

о биохимическом единстве жизни, происхождении всех живых существ на Земле от единого предка.

Также был расшифрован механизм воспроизводства ДНК. Он состоит из трех частей: репликации, транскрипции и трансляции.

Репликация — это удвоение молекул ДНК. Основой репликации является уникальное свойство ДНК к самокопированию, что дает возможность деления клетки на две идентичные. При репликации ДНК, состоящая из двух скрученных молекулярных цепочек, раскручивается. Образуются две молекулярные нити, каждая из которых служит матрицей для синтеза новой нити, комплементарной к исходной. После этого клетка делится, и в каждой клетке одна нить ДНК будет старой, а вторая — новой. Нарушение последовательности нуклеотидов в цепи ДНК приводит к наследственным изменениям в организме — мутациям.

Транскрипция — это перенос кода ДНК путем образования одноцепочной молекулы информационной РНК (и-РНК) на одной из нитей ДНК. и-РНК — это копия части молекулы ДНК, состоящей из одного или группы расположенных рядом генов, несущих информацию о структуре белков.

Трансляция — это синтез белка на основе генетического кода иРНК в особых органоидах клетки — рибосомах, куда транспортная РНК (т-РНК) доставляет аминокислоты.

В конце 1950-х гг. русскими и французскими учеными одновременно была выдвинута гипотеза о том, что различия в частоте встречаемости и порядке расположения нуклеотидов в ДНК у разных организмов имеют специфический для видов характер. Данная гипотеза позволила изучать на молекулярном уровне эволюцию живого и характер видообразования.

Существует несколько механизмов изменчивости на молекулярном уровне. Важнейшим из них является уже упоминавшийся механизм мутации генов — непосредственное преобразование самих генов, находящихся в хромосоме, под воздействием внешних факторов. Факторами, вызывающими мутацию (мутагенами), являются радиация, токсичные химические соединения, а также вирусы. При этом механизме изменчивости порядок расположения генов в хромосоме не меняется.

Еще один механизм изменчивости — рекомбинация генов. Это создание новых комбинаций генов, располагающихся в конкретной хромосоме. При этом сама молекулярная основа гена не меняется, а происходит его перемещение с одного участка хромосомы на другой или идет обмен генами между двумя хромосомами. Рекомбинация генов имеет место при половом размножении у высших организмов. При этом не происходит изменения общего объема генетической информации, он остается неизменным. Этот механизм объясняет, почему дети лишь частично похожи на своих родителей —

223

они наследуют признаки от обоих родительских организмов, которые сочетаются случайным образом.

Другой механизм изменчивости — неклассическая рекомбинация генов — был открыт лишь в 1950-е гг. При неклассической рекомбинации генов происходит общее увеличение объема генетической информации за счет включения в геном клетки новых генетических элементов. Чаще всего новые элементы привносятся в клетку вирусами. Сегодня обнаружено несколько типов трансмиссивных генов. Среди них — плазмиды, представляющие собой двухцепочную кольцевую ДНК. Из-за них после длительного использования каких-либо лекарств наступает привыкание, после чего они перестают оказывать медикаментозное воздействие. Патогенные бактерии, против которых действует наше лекарство, связываются с плазми-дами, что и придает бактериям устойчивость к лекарству, и они перестают его замечать.

Мигрирующие генетические элементы могут вызывать как структурные перестройки в хромосомах, так и мутации генов. Возможность использования таких элементов человеком привела к появлению новой науки — генной инженерии, целью которой является создание новых форм организмов с заданными свойствами. Таким образом, с помощью генетических и биохимических методов конструируются новые, не существующие в природе сочетания генов. Для этого видоизменяется ДНК, кодирующая производство белка с нужными свойствами. Данный механизм лежит в основе всех современных биотехнологий.

С помощью рекомбинантной ДНК можно синтезировать разнообразные гены и вводить их в клоны (колонии идентичных организмов) для направленного синтеза белка. Так, в 1978 г. был синтезирован инсулин — белок для лечения сахарного диабета. Нужный ген был введен в плазмиду и внедрен в обычную бактерию.

Генетики работают над созданием безопасных вакцин от вирусных инфекций, так как традиционные вакцины представляют собой ослабленный вирус, который должен вызывать выработку антител, поэтому их введение связано с определенным риском. Генная инженерия позволяет получить ДНК, кодирующую поверхностный слой вируса. В этом случае иммунитет вырабатывается, но заражение организма исключено.

Сегодня в генной инженерии рассматривается вопрос об увеличении продолжительности жизни и возможности бессмертия путем изменения генетической программы человека. Достичь этого можно, увеличив защитные ферментные функции клетки, оберегая молекулы ДНК от различных повреждений, связанных как с нарушением обмена веществ, так и с влиянием окружающей среды. Кроме того, ученым удалось открыть пигмент старения и создать специальный препарат, освобождающий клетки от него. В опытах с мы-

224

шами было получено увеличение продолжительности их жизни. Также ученым удалось установить, что в момент деления клетки уменьшаются теломеры — особые хромосомные структуры, расположенные на концах клеточных хромосом. Дело в том, что при репликации ДНК специальное вещество — полимераза — идет по спирали ДНК, снимая с нее копию. Но копировать ДНК полимераза начинает не с самого начала, а оставляет каждый раз недокопированный кончик. Поэтому с каждым последующим копированием спираль ДНК укорачивается за счет концевых участков, не несущих никакой информации, или теломер. Как только теломеры исчерпываются, при последующих копированиях начинает сокращаться часть ДНК, несущая генетическую информацию. Это и есть процесс старения клеток. В 1997 г. в США и Канаде был проведен эксперимент по искусственному удлинению теломер. Для этого использовался вновь открытый клеточный фермент — теломераза, способствующий наращиванию теломер. Полученные таким образом клетки обрели способность многократно делиться, полностью сохранив свои нормальные функциональные свойства и не превращаясь в раковые клетки.

В последнее время стали широко известны успехи генных инженеров в области клонирования — точного воспроизведения того или иного живого объекта в определенном количестве копий из соматических клеток. При этом выращенная особь генетически неотличима от родительского организма.

Получение клонов у организмов, размножающихся посредством партеногенеза, без предшествующего оплодотворения, не является чем-то особенным и давно используется генетиками. У высших организмов также известны случаи естественного клонирования — рождение однояйцевых близнецов. Но искусственное получение клонов высших организмов связано с серьезными трудностями. Тем не менее, в феврале 1997 г. в лаборатории Яна Вильмута в Эдинбурге был разработан метод клонирования млекопитающих, и с его помощью была выращена овечка Долли. Для этого у овцы породы Шотландской черномордой извлекли яйцеклетки, поместили их в искусственную питательную среду и удалили из них ядра. Затем взяли клетки молочной железы взрослой беременной овцы породы Финский дорсет, несущие полный генетический набор. Эти клетки через некоторое время слили с безъядерными яйцеклетками и активировали их развитие посредством электрического разряда. Затем развивающийся зародыш в течение шести дней рос в искусственной среде, после чего эмбрионы были трансплантированы в матку приемной матери, где и развивались до рождения. Но из 236 опытов успешным оказался лишь один — выросла овечка Долли.

После этого Вильмут заявил о принципиальной возможности клонирования человека, вызвавшей самые оживленные дискуссии

225

не только в научной литературе, но и в парламентах многих стран, поскольку такая возможность связана с очень серьезными моральными, этическими и юридическими проблемами. Не случайно в некоторых странах уже приняты законы, запрещающие клонирование человека. Ведь большинство клонированных эмбрионов гибнет. Кроме того, велика вероятность рождения уродов. Так что опыты по клонированию не только аморальны, но и просто опасны с точки зрения сохранения чистоты вида Homo sapiens. To, что риск слишком велик, подтверждается информацией, пришедшей в начале 2002 г. и сообщающей о заболевании овечки Долли артритом — болезнью, не характерной для овец, после чего ее вскоре пришлось усыпить.

Поэтому намного более перспективным направлением исследований является изучение генома (совокупности генов) человека. В 1988 г. по инициативе Дж. Уотсона была создана международная организация «Геном человека», которая объединила множество ученых из разных стран мира и поставила задачу расшифровки всего генома человека. Это грандиозная задача, так как число генов в организме человека составляет от 50 до 100 тысяч, а весь геном — это более 3 млрд. нуклеотидных пар.

Считается, что первый этап данной программы, связанный с расшифровкой последовательности расположения нуклеотидных пар, будет завершен к концу 2005 г. Уже проведена работа по созданию «атласа» генов, набора их карт. Первая такая карта составлена в 1992 г. Д. Коэном и Ж. Доссе. В окончательном варианте она бьыа представлена в 1996 г. Ж. Вайсенбахом, который, изучая под микроскопом хромосому, с помощью специальных маркеров отмечал ДНК различных ее участков. Затем он клонировал эти участки, выращивая их на микроорганизмах, и получал фрагменты ДНК — последовательность нуклеотидов одной цепочки ДНК, из которой состояли хромосомы. Таким образом, Вайсенбах определил локализацию 223 генов и выявил около 30 мутаций, приводящих к 200 заболеваниям, среди которых гипертония, диабет, глухота, слепота, злокачественные опухоли.

Одним из результатов этой программы, пусть и не законченной, является возможность выявления генетических патологий на ранних стадиях беременности и создание генотерапии — метода лечения наследственных заболеваний с помощью генов. Перед проведением процедуры генотерапии выясняют, какой ген оказался дефектным, получают нормальный ген и вводят его во все больные клетки. При этом очень важно отследить, чтобы введенный ген работал под контролем механизмов клетки, иначе будет получена раковая клетка. Уже есть первые больные, вылеченные таким образом. Правда, пока не ясно, насколько радикально они излечены и

226

не вернется ли болезнь в будущем. Также пока не ясны и отдаленные последствия такого лечения.

Конечно, использование биотехнологии и генной инженерии имеет как положительные, так и отрицательные стороны. Об этом говорит опубликованный в 1996 г. Федерацией европейских микробиологических обществ меморандум. Связано это с тем, что широкая общественность с подозрением и враждебностью относится к генным технологиям. Страх вызывают возможность создания генетической бомбы, способной исказить геном человека и привести к рождению уродов; появление неизвестных заболеваний и производство биологического оружия.

И, наконец, в последнее время широко обсуждается проблема повсеместного распространения трасгенных продуктов питания, созданных путем внедрения генов, блокирующих развитие вирусных или грибковых заболеваний. Уже созданы и продаются трансгенные помидоры и кукуруза. На рынок поставляются хлеб, сыр и пиво, изготовленные с помощью трансгенных микробов. Такие продукты устойчивы по отношению к вредным бактериям, обладают улучшенными качествами — вкусом, питательной ценностью, крепостью и т.д. Так, в Китае выращивают устойчивые к вирусам табак, томаты и сладкий перец. Известны трансгенные томаты, устойчивые к бактериальной инфекции, картофель и кукуруза, устойчивые к грибкам. Но до сих пор неизвестны отдаленные последствия использования таких продуктов, прежде всего, механизм их воздействия на организм и геном человека.

Конечно, за двадцать лет использования биотехнологий не случилось ничего из того, чего опасаются люди. Все новые микроорганизмы, созданные учеными, менее болезнетворны, чем их исходные формы. Ни разу не произошло вредного или опасного распространения рекомбинантных организмов. Тем не менее, ученые тщательно следят за тем, чтобы трансгенные штаммы не содержали генов, которые после их переноса в другие бактерии могут дать опасный эффект. Существует теоретическая опасность создания новых видов бактериологического оружия на основе генных технологий. Поэтому ученые должны учитывать этот риск и содействовать развитию системы надежного международного контроля, способного зафиксировать и приостановить подобные работы.

С учетом возможной опасности использования генных технологий разработаны документы, регламентирующие их применение, правила безопасности проведения лабораторных исследований и промышленного освоения, а также правила внесения генетически модифицированных организмов в окружающую среду.

Таким образом, сегодня считается, что при соблюдении соответствующих предосторожностей польза, приносимая генными технологиями, перевешивает риск возможных отрицательных последствий.

227

Клеточный уровень

На клеточном уровне организации основной структурной и функциональной единицей всех живых организмов является клетка. На клеточном уровне так же, как и на молекулярно-генетическом, отмечается однотипность всех живых организмов. У всех организмов только на клеточном уровне возможны биосинтез и реализация наследственной информации. Клеточный уровень у одноклеточных организмов совпадает с организменным. История жизни на нашей планете начиналась с этого уровня организации.

Сегодня наукой точно установлено, что наименьшей самостоятельной единицей строения, функционирования и развития живого организма является клетка.

Клетка представляет собой элементарную биологическую систему, способную к самообновлению, самовоспроизведению и развитию, т.е. наделена всеми признаками живого организма.

Клеточные структуры лежат в основе строения любого живого организма, каким бы многообразным и сложным ни представлялось его строение. Наука, изучающая живую клетку, называется цитологией. Она изучает строение клеток, их функционирование как элементарных живых систем, исследует функции отдельных клеточных компонентов, процесс воспроизводства клеток, приспособление их к условиям среды и др. Также цитология изучает особенности специализированных клеток, становление их особых функций и развитие специфических клеточных структур. Таким образом, современная цитология может быть названа физиологией клетки. Успехи современной цитологии неразрывно связаны с достижениями биохимии, биофизики, молекулярной биологии и генетики.

В основе цитологии лежит утверждение, что все живые организмы (животные, растения, бактерии) состоят из клеток и продуктов их жизнедеятельности. Новые клетки образуются путем деления существовавших ранее клеток. Все клетки сходны по химическому составу и обмену веществ. Активность организма как целого слагается из активности и взаимодействия отдельных клеток.

Открытие существования клеток произошло в конце XVII в., когда был изобретен микроскоп. Впервые клетка была описана английским ученым Р. Гуком в 1665 г., когда он рассматривал кусочек пробки. Поскольку его микроскоп был не очень совершенным, то, что он увидел, было на самом деле стенками отмерших клеток. Потребовалось почти двести лет, чтобы биологи поняли, что главную роль играют не стенки клетки, а ее внутреннее содержимое. Среди создателей клеточной теории следует также назвать А. Левенгука, показавшего, что ткани многих растительных

228

организмов построены из клеток. Он же описал эритроциты, одноклеточные организмы и бактерии. Правда, Левенгук, как и другие исследователи XVII в., видел в клетке лишь оболочку, заключавшую в себе полость.

Значительное продвижение в изучении клеток произошло в начале XIX в., когда на них стали смотреть как на индивидуумы, обладающие жизненными свойствами. В 1830-е гг. было открыто и описано клеточное ядро, что привлекло внимание ученых к содержимому клетки. Тогда же удалось увидеть деление растительных клеток. На основе этих исследований и была создана клеточная теория, ставшая величайшим событием в биологии XIX в. Именно клеточная теория дала решающие доказательства единства всей живой природы, послужила фундаментом для развития эмбриологии, гистологии, физиологии, теории эволюции, а также понимания индивидуального развития организмов.

Мощный толчок цитология получила с созданием генетики и молекулярной биологии. После этого были открыты новые компоненты, или органеллы, клетки — мембрана, рибосомы, лизосомы и др.

По современным представлениям, клетки могут существовать как самостоятельные организмы (например, простейшие), так и в составе многоклеточных организмов, где есть половые клетки, служащие для размножения, и соматические клетки (клетки тела). Соматические клетки различаются по строению и функциям — существуют нервные, костные, мышечные, секреторные клетки. Размеры клеток могут варьироваться от 0,1 мкм (некоторые бактерии) до 155 мм (яйцо страуса в скорлупе). Живой организм образован миллиардами разнообразных клеток (до 1015 ), форма которых может быть самой причудливой (паук, звезда, снежинка и пр.).

Установлено, что несмотря на большое разнообразие клеток и выполняемых ими функций, клетки всех живых организмов сходны по химическому составу: особенно велико в них содержание водорода, кислорода, углерода и азота (эти химические элементы составляют более 98% всего содержимого клетки); 2% приходится на примерно 50 других химических элементов.

Клетки живых организмов содержат неорганические вещества — воду (в среднем до 80%) и минеральные соли, а также органические соединения: 90% сухой массы клетки приходится на биополимеры — белки, нуклеиновые кислоты, углеводы и липиды. И, наконец, научно доказано, что все клетки состоят из трех основных частей:

1) плазматической мембраны, контролирующей переход веществ из окружающей среды в клетку и обратно;

2) цитоплазмы с разнообразной структурой;

3) клеточного ядра, в котором содержится генетическая информация.

229

Кроме того, все животные и некоторые растительные клетки содержат центриоли — цилиндрические структуры, образующие клеточные центры. У растительных клеток также есть клеточная стенка (оболочка) и пластиды — специализированные структуры клеток, часто содержащие пигмент, от которого зависит окраска клетки.

Клеточная мембрана состоит из двух слоев молекул жироподобных веществ, между которыми находятся молекулы белков. Мембрана поддерживает нормальную концентрацию солей внутри клетки. При повреждении мембраны клетка погибает.

Цитоплазма представляет собой водно-солевой раствор с растворенными и взвешенными в нем ферментами и другими веществами. В цитоплазме располагаются органеллы — маленькие органы, отграниченные от содержимого цитоплазмы собственными мембранами. Среди них — митохондрии — мешковидные образования с дыхательными ферментами, в которых высвобождается энергия. Также в цитоплазме располагаются рибосомы, состоящие из белка и РНК, с помощью которых осуществляется биосинтез белка в клетке. Эн-доплазматическая сеть — это общая внутриклеточная циркуляционная система, по каналам которой осуществляется транспорт веществ, а на мембранах каналов находятся ферменты, обеспечивающие жизнедеятельность клетки. Важную роль в клетке играет клеточный центр, состоящий из двух центриолей. С него начинается процесс деления клетки.

Важнейшей частью всех клеток (кроме бактерий) является ядро, в котором находятся хромосомы — длинные нитевидные тельца, состоящие из ДНК и присоединенного к ней белка. Ядро хранит и воспроизводит генетическую информацию, а также регулирует процессы обмена веществ в клетке.

Клетки размножаются путем деления исходной клетки на две дочерние. При этом дочерним клеткам передается полный набор хромосом, несущих генетическую информацию, поэтому перед делением число хромосом удваивается. Такое деление клеток, обеспечивающее одинаковое распределение генетического материала между дочерними клетками, называется митозом.

Многоклеточные организмы также развиваются из одной клетки — яйца. Однако в процессе эмбриогенеза клетки видоизменяются. Это приводит к появлению множества разных клеток — мышечных, нервных, кровяных и т.д. Разные клетки синтезируют разные белки. Тем не менее, каждая клетка многоклеточного организма несет в себе полный набор генетической информации для построения всех белков, необходимых для организма.

В зависимости от типа клеток все организмы делятся на д в е группы:

230

1) прокариоты — клетки, лишенные ядра. В них молекулы ДНК не окружены ядерной мембраной и не организованы в хромосомы. К прокариотам относятся бактерии;

2) эукариоты — клетки, содержащие ядра. Кроме того, в них есть митохондрии — органеллы, в которых идет процесс окисления. К эукариотам относятся простейшие, грибы, растения и животные, поэтому они могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Таким образом, между прокариотами и эукариотами есть существенные отличия в структуре и функционировании генетического аппарата, клеточных стенок и мембранных систем, синтезе белка и т.д. Предполагается, что первыми организмами, появившимися на Земле, были прокариоты. Так считалось до 1960-х гг., когда углубленное изучение клетки привело к открытию архебактерий, строение которых сходно как с прокариотами, так и с эукариотами. Вопрос о том, какие одноклеточные организмы являются более древними, о возможности существования некой первоклетки, из которой потом появились все три эволюционные линии, до сих пор остается открытым.

Изучая живую клетку, ученые обратили внимание на существование двух основных типов ее питания, что позволило все организмы по способу питания разделить на д в а вида:

1) автотрофные организмы — организмы, не нуждающиеся в органической пище и могущие осуществлять жизнедеятельность за счет ассимиляции углекислоты (бактерии) или фотосинтеза (растения), т.е. автотрофы сами производят необходимые им

питательные вещества;

2) гетеротрофные организмы — это все организмы, которые не могут обходиться без органической пищи.

Позднее были уточнены такие важные факторы, как способность организмов синтезировать необходимые вещества (витамины, гормоны и т.д.) и обеспечивать себя энергией, зависимость от экологической среды и др. Таким образом, сложный и дифференцированный характер трофических связей свидетельствует о необходимости системного подхода к изучению жизни и на онтогенетическом уровне. Так была сформулирована концепция функциональной системности П.К. Анохина, в соответствии с которой в одноклеточных и многоклеточных организмах согласованно функционируют различные компоненты систем. При этом отдельные компоненты содействуют и способствуют согласованному функционированию других, обеспечивая тем самым единство и целостность в осуществлении процессов жизнедеятельности всего организма. Функциональная системность также проявляется в том, что процессы на низших уровнях организуются функциональными связями на высших уровнях организации. Особенно заметно функциональная системность проявляется у многоклеточных организмов.

231

Онтогенетический уровень.

Многоклеточные организмы

Основной единицей жизни на онтогенетическом уровне выступает отдельная особь, а элементарным явлением является онтогенез. Биологическая особь может быть как одноклеточным, так и многоклеточным организмом, однако в любом случае она представляет собой целостную, самовоспроизводящуюся систему.

Онтогенезом называется процесс индивидуального развития организма от рождения через последовательные морфологические, физиологические и биохимические изменения до смерти, процесс реализации наследственной информации.

Минимальной живой системой, кирпичиком жизни является клетка, изучением которой занимается цитология.

Функционирование и развитие многоклеточных живых организмов составляет пред