Революція в природознавстві
Наприкінці 19 і початку 20 століття в природознавстві були зроблені найбільші відкриття, які докорінно змінили наші уявлення про картину миру. Насамперед це відкриття, зв'язані з будовою речовини, і відкриття взаємозв'язку речовини й енергії. Якщо раніше останніми неподільними частками матерії, своєрідними цеглинками, з яких складається природа, уважалися атоми, то наприкінці минулого століття були відкриті електрони, що входять до складу атомів. Пізніше була встановлена будова ядер атомів, що складаються із протонів (позитивно заряджених часток) і нейтронів (позбавлених заряду часток).
Відповідно до першої моделі атома, побудованої англійським ученим Ернестом Резерфордом (1871-1937), атом уподібнювався мініатюрній сонячній системі, у якій навколо ядра обертаються електрони. Така система була, однак, нестійкої: обертові електрони, втрачаючи свою енергію, зрештою повинні були впасти на ядро. Але досвід показує, що атоми є досить стійкими утвореннями й для їхнього руйнування потрібні величезні сили. У зв'язку із цим колишня модель будови атома була значно вдосконалена видатним датським фізиком Нільсом Бором (1885-1962), що припустив, що при обертанні по так званих стаціонарних орбітах електрони не випромінюють енергію. Така енергія випромінюється або поглинається у вигляді кванта, або порції енергії, тільки при переході електрона з однієї орбіти на іншу.
Значно змінилися також погляди на енергію. Якщо раніше передбачалося, що енергія випромінюється безупинно, то ретельно поставлені експерименти переконали фізиків, що вона може випускатися окремими квантами. Про це свідчить, наприклад, явище фотоефекта, коли кванти енергії видимого світла викликають електричний струм. Це явище, як відомо, використовується у фотоекспонометрах, якими користуються у фотографії для визначення витримки при експозиції.
В 30-е роки XX в. було зроблено інше найважливіше відкриття, що показало, що елементарні частки речовини, наприклад, електрони володіють не тільки корпускулярними, але й хвильовими властивостями. Таким шляхом було доведено експериментально, що між речовиною й полем не існує непрохідної границі: у певних умовах елементарні частки речовини виявляють хвильові властивості, а частки поля - властивості корпускул. Це явище одержало назву дуалізму хвилі й частки - уявлення, що ніяк не укладалася в рамки звичайного здорового глузду. До цього фізики дотримувалися переконання, що речовина, що складається з різноманітних матеріальних часток, може мати лише корпускулярні властивості, а енергія поля - хвильовими властивостями. Сполука в одному об'єкті корпускулярних і хвильових властивостей зовсім виключалося. Але під тиском незаперечних експериментальних результатів учені змушені були визнати, що мікрочастинки одночасно володіють як властивостями корпускул, так і хвиль.
В 1925-1927 р. для пояснення процесів, що відбуваються у світі дрібних часток матерії - мікросвіті, була створена нова хвильова, або квантова механіка. Остання назва й затвердилося за новою наукою. Згодом виникли й різноманітні інші квантові теорії: квантова електродинаміка, теорія елементарних часток і інші, які досліджують закономірності руху мікросвіту.
Інша фундаментальна теорія сучасної фізики - теорія відносності, яка у корені змінила наукові уявлення про простір і час. У спеціальній теорії відносності набутив подальшого застосування встановлений ще Галілеєм принцип відносності в механічному русі. Відповідно до цього принципу, у всіх інерціальних системах, тобто системах відліку, що рухаються друг щодо друга рівномірно й прямолінійно, всі механічні процеси відбуваються однаковим образом, і тому їхні закони мають коваріантну, або ту ж саму математичну форму. Спостерігачі в таких системах не помітять ніякої різниці в протіканні механічних явищ. Надалі принцип відносності був використаний і для опису електромагнітних процесів. Точніше кажучи, сама спеціальна теорія відносності з'явилася у зв'язку з подоланням труднощів, що виникли в цій теорії.
Важливий методологічний урок, що був отриманий зі спеціальної теорії відносності, полягає в тому, що вона вперше ясно показала, що всі рухи, що відбуваються в природі, мають відносний характер. Це означає, що в природі не існує ніякої абсолютної системи відліку й, отже, абсолютного руху, які допускала ньютонівська механіка.
Ще більш радикальні зміни у вченні про простір і час відбулися у зв'язку зі створенням загальної теорії відносності, що нерідко називають новою теорією тяжіння, принципово відмінної від класичної ньютонівської теорії. Ця теорія вперше ясно й чітко встановила зв'язок між властивостями матеріальних тіл, що рухаються, і їхньою просторово-тимчасовою метрикою. Теоретичні висновки з її були експериментально підтверджені під час спостереження сонячного затьмарення. Відповідно до пророкувань теорії, промінь світла, що йде від далекої зірки й проходить поблизу Сонця, повинен відхилитися від свого прямолінійного шляху й скривитися, що й було підтверджено спостереженнями. Тут же досить відзначити, що загальна теорія відносності показала глибокий зв'язок між рухом матеріальних тіл, а саме мас, що тяжіють, і структурою фізичного простору - часу.
Науково-технічна революція, що розгорнулася в останні десятиліття, внесла багато нового в наші подання про природничо-наукову картину миру. Виникнення системного підходу дозволило глянути на навколишній нас мир як єдине, цілісне утворення, що складається з величезної безлічі взаємодіючих один з одним систем. З іншого боку, поява такого міждисциплінарного напрямку досліджень, як сінергетика, або вчення про самоорганізацію, дало можливість, не тільки розкрити внутрішні механізми всіх еволюційних процесів, які відбуваються в природі, але й представити увесь світ як мир процесів, що самоорганізуються. Заслуга сінергетики складається насамперед у тім, що вона вперше показала, що процеси самоорганізації можуть відбуватися в найпростіших системах неорганічної природи, якщо для цього є певні умови (відкритість системи і її достатнє видалення від крапки рівноваги й деякі інші). Ніж складніше система, тим більше високий рівень мають у них процеси самоорганізації. Так, уже на передбіологічному рівні виникають процеси самовідновлення, які в живих системах виступають у вигляді взаємозалежних процесів асиміляції й дисиміляції. Головне досягнення сінергетики й виниклої на її основі нової концепції самоорганізації полягає в тому, що вони допомагають глянути на природу як на мир, що перебуває в процесі безперестанної еволюції й розвитку.
У якому відношенні сінергетичний підхід перебуває до загальносистемного?
Насамперед підкреслимо, що два цих підходи не виключають, а навпаки, припускають і доповнюють один одного. Дійсно, коли розглядають безліч яких-небудь об'єктів як систему, то звертають увагу на їхній взаємозв'язок, взаємодію й цілісність.
Сінергетичний підхід орієнтується на дослідження процесів зміни й розвитку систем. Він вивчає процеси виникнення й формування нових систем у процесі самоорганізації. Ніж складніше протікають ці процеси в різних системах, тим вище перебувають такі системи на еволюційних сходах. Таким чином, еволюція систем прямо пов'язана з механізмами самоорганізації. Дослідження конкретних механізмів самоорганізації й заснованої на ній еволюції становить завдання конкретних наук. Сінергетика ж виявляє й формулює загальні принципи самоорганізації будь-яких систем і щодо цього вона аналогічна системному методу, що розглядає загальні принципи функціонування, розвитку й будови будь-яких систем. У цілому ж системний підхід має більше загальний і широкий характер, оскільки поряд з динамічними, що розвиваються системами розглядає також системи статичні.
Ці нові світоглядні підходи до дослідження природничо-наукової картини миру вплинули як на конкретний характер пізнання в окремих галузях природознавства, так і на розуміння природи наукових революцій у природознавстві. Але ж саме з революційними перетвореннями в природознавстві зв'язана зміна подань про картину природи.
У найбільшій мері зміни в характері конкретного пізнання торкнулися наук, що вивчають живу природу. Перехід від клітинного рівня дослідження до молекулярного ознаменувався найбільшими відкриттями в біології, пов'язаними з розшифровкою генетичного коду, переглядом колишніх поглядів на еволюцію живих організмів, уточненням старих і появою нових гіпотез походження життя й багато чого іншого. Такий перехід став можливий у результаті взаємодії різних природничих наук, широкого використання в біології точних методів фізики, хімії, інформатики й обчислювальної техніки.
У свою чергу живі системи послужили для хімії тією природною лабораторією, досвід якої вчені прагнули втілити у своїх дослідженнях із синтезу складних сполук. Очевидно, у неменшому ступені навчання й принципи біології зробили свій вплив на фізику. Дійсно, як ми покажемо в наступних главах, подання про закриті системи і їхню еволюцію убік безладдя й руйнування перебувало в явному протиріччі з еволюційною теорією Дарвіна, що доводила, що в живій природі відбуваються виникнення нових видів рослин і тварин, їхнє вдосконалювання й адаптація до навколишнього середовища. Це протиріччя було дозволено завдяки виникненню нерівновагої термодинаміки, що опирається на нові фундаментальні поняття відкритих систем і принцип необоротності.
Висування на передній край природознавства біологічних проблем, а також особлива специфіка живих систем дали привід цілому ряду вчених заявити про зміну лідера сучасного природознавства. Якщо раніше таким безперечним лідером уважалася фізика, то тепер у такій якості усе більше виступає біологія. Основою пристрою навколишнього світу тепер зізнається не механізм і машина, а живий організм. Однак численні супротивники такого погляду не без підстави заявляють, що оскільки живий організм складається з тих же молекул, атомів, елементарних часток і кварків, те як і раніше лідером природознавства повинна залишатися фізика.