Панорама современного естествознания. Тенденции развития

Двадцатый век называют веком неклассического естествознания. Развитие науки вXXв. было связано со сменой парадигмы естествознания, произошедшей в рамках третьейнаучной революции. К крушению классической картины мира привело формированиенескольких теорий, несовместимых с базовыми принципами классической науки.

Такую революционную роль сыграло развитие квантовой механики, которое было связано с открытием радиоактивного распада, выявлением существования элементарных частиц и изучением их свойств и строения атома. В 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (1852–1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли. Большой вклад в изучениерадиоактивного распада атомоввнесли Пьер Кюри (1859–1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867–1934). В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон (1856–1940) при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) открылпервую элементарную частицу – электрон. Эти открытия привели к коренному пересмотру классических представлений об атомах как вечных, неизменных и неразложимых корпускулах.

В 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937) предложилпланетарную модель атома. Эта модель, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное ядро, вокруг которого по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны,согласовывалась с экспериментальными данными, но противоречила законам электродинамикиМаксвелла. Для разрешения этих противоречий датский физик Нильс Бор (1885–1962) в 1913 г., приняв модель Резерфорда в качестве исходной, предложил модель, основанную наквантовой теории немецкого физика Макса Планка (1858–1947). Согласно модели Бора, атом излучает или поглощает квант (неделимую порцию) энергии лишь при переходе электрона с одного энергетического уровня на другой. Однако объяснение того, почему находясь на стационарной орбите, электрон не излучает энергию, было дано намного позже.

В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль (1892–1987) выдвинулидею о волновых свойствах материи. Уже в 1927 г. это положение было экспериментально подтверждено американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881–1958) и Лестером Джермером (1896–1971), обнаружившими дифракцию электронов. Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу квантовой механики. Согласно этой теории, на микроуровне ярко проявляетсякорпускулярно волновой дуализм: элементарные частицы диалектически сочетают свойства корпускул и волн одновременно.

Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире свидетельствует установленный в 1927 г. немецким физиком Вернером Гейзенбергом (1901–1976)принцип соотношения неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс, и наоборот, а также сформулированный в том же году Бором принципдополнительности.

Другой революционной теорией, основные положения которой, как и положения квантовой механики, не сопоставимы с обыденным человеческим опытом, стала теория относительности, созданная Альбертом Эйнштейном (1879–1955). В 1905 г. им была созданаспециальная теория относительности, в 1916 –общая теория относительности. Этатеория основана на принципах экспериментально установленного постоянства скорости светаи независимости законов природы от характера движения системы отсчета. Из двух указанныхпринципов (постулатов) следуетотносительность одновременности событий, времени (длительности) процессов, размеров объектов и их масс. Использование этих принципов привело Эйнштейна к отказу от Ньютоновского рассмотрения пространства и времени какабсолютного вместилища материи. Пространство и время органически связаны между собой и с материей. Распределение тяготеющих масс определяют геометрию пространства-времени. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории относительности в одной, повозможности понятной фразе, он ответил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство и время».

Эти революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменности химических элементов, о независимости пространства и времени от материи, универсальности жесткого детерминизма и т. д. Рождение и развитие атомной физики и теории относительности, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистическую картину мира. Наступил новый этап неклассического естествознания XX в., характеризующийся новыми квантово-релятивистскими представлениями, основанными на признании внутренней противоречивости материи, принципе относительности и вероятностном, статистическом описании явлений.

Большую роль в становлении современной парадигмы естествознания сыграло развитиетермодинамики. С течением времени от изучения закономерностей установления равновесияв изолированных системах ученые обратились к исследованию развития сложных открытыхнеравновесных термодинамических систем, какими и являются большинство объектов макро-и мегамира. Это привело к оформлению особой дисциплины – синергетики. Принципиальнуюроль в ее становлении сыграли работы профессора Штудгартского университета Г. Хакена и бельгийского физико-химика русского происхождения И. Пригожина и его сотрудников. Синергетика смогла раскрыть закономерности явления, не объяснимого с позиций классической термодинамики – способности макроскопических систем ксамоорганизации, то есть к уменьшению внутренней хаотичности и самопроизвольному возникновению упорядоченной структуры. Раскрытые синергетикой закономерности нелинейного характера саморазвития открытых неравновесных систем оказались применимы для сложных систем разного уровняорганизации: от физических и химических до биологических и социальных. Во многом с развитием этой науки связано установление принципа глобального эволюционизма – принципа, лежащего в основе современной научной картины мира.

Во многих отношениях близка к синергетике основанная Н. Винером наука об управлении системами – кибернетика, создание которой позволило с единых позиций рассматривать и математически моделировать процессы в самых разных системах материального мира.

Развитие квантовой механики, раскрывшее в том числе и закономерности строения электронных оболочек, привело к интенсивному развитию химических теорий. Дальнейшее развитие получает структурная химия, химическая кинетика, теория катализа и т. д. Больших успехов достигает органическая химия, биохимия, химия полупроводников, высокотемпературных процессов и т. д. (подробнее о развитии химии см. в теме 2.6 «Химические процессы в макросистемах»).

Особенностью развития естествознания XX в. стал и резкий скачок в развитии биологии, выразившийся в развитии таких наук и фундаментальных теорий, как генетика (хромосомнаятеория наследственности), молекулярная биология, синтетическая теория эволюции, экология(теория взаимоотношений живых существ с окружающей средой) и т. д.

Вступление в XX в. ознаменовалось бурным развитием генетики. В 1900 г. законы Менделя, основные законы наследственности, сформулированные им еще в XIX в., но не оцененные современниками, были “переоткрыты” сразу тремя учеными – Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. Понятия “ген”, “генотип”, “фенотип” были введены в биологию датским ученым В. Л. Иогансеном. Особенно большую роль в становлении генетики сыграла хромосомная теория наследственности, разработанная в 1910–1915 гг. в трудах А. Вейсмана, Т. Моргана, А. Стертеванта, Г. Дж. Меллера и др.

За относительно короткий срок (20–30 лет) в учении о наследственности был накопленколоссальный эмпирический и теоретический материал: открытие дискретного характеранаследственности; установление принципа чистоты гамет, законов доминирования,расщепления и сцепления признаков; обоснование представления о гене и хромосомах как носителяхгенов; представление о линейном расположении генов; доказательство существования мутаций и возможность вызывать их искусственно; открытие кроссинговера; разработка методов гибридологического анализа. Важно, что все эти и другие открытия были экспериментально подтверждены, строго обоснованы.

Важные идеи, намного опередившие свое время, были выдвинуты в 1927 г. Н. К. Кольцовым. Он высказал мысль о том, что при размножении клеток осуществляетсяматричная ауторепродукция материнских молекул. Правда, Кольцов считал, что эти процессыосуществляются на белковой основе. Но в 1944 г. американскими биохимиками (О. Эверии др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является ДНК. С этого времени началось лавинообразное развитиемолекулярной биологии. В 1949–1951 гг. Э. Чаргафф сформулировал знаменитые правила, объясняющие соотношение нуклеотидов в ДНК, М. Уилкинсом и др. провели рентгенографические исследования ДНК. Все это подготовило почву для расшифровки Ф. Криком и Д. Уотсоном в 1953 г. структуры ДНК. Было показано, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных полинуклеотидных цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза новых аналогичных цепей. Именно поэтому в хромосомах клеток молекула ДНК способна к самоудвоению. Свойство самоудвоения ДНК и обеспечивает явление наследственности. Расшифровка структуры ДНК была великим открытием, расширившим перспективы развития биологии и надолго определившим ее основные направления.

Далее за относительно непродолжительный срок времени был расшифрован генетический код, выяснена роль транспортной и информационной РНК, осуществлен синтез гена, теоретически решена проблема биосинтеза белка, расшифрована аминокислотная последовательность и установлена пространственная структура многих белков; на этой основе выяснен принцип и особенности функционирования ферментативных молекул. Развитие генетики и молекулярной биологии привело к появлению генной инженерии, задачей которой является направленное изменение свойств организмов путем изменения их наследственности.

Открытие в начале XX в. мутаций, внезапных изменений наследственного аппарата, приводящих к резкому изменению свойств организма, поставило под сомнение положение теории Дарвина о постепенном характере преобразования видов в ходе эволюции. Преодоление противоречий между эволюционной теорией и генетикой стало возможным с созданием синтетической теории эволюции, которая выступает основанием всей системы современной эволюционной биологии. Синтез генетики и эволюционного учения был качественным скачком в развитии как генетики, так и эволюционной теории. Он означал создание качественно нового ядра системы биологического познания, свидетельствовал о переходе биологии с классического на современный, неклассический уровень развития. Принципиальные положения синтетической теории эволюции были заложены работами С. С. Четверикова (1926), а также Р. Фишера, С. Райта, Дж. Холдейна, Н. П. Дубинина (1929–1932) и др. В основе этойтеории лежит представление о том, что элементарной “клеточкой” эволюции является неорганизм и не вид, а популяция. Наследственное изменение популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием ряда факторов: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный отбор. Естественный отбор является ведущим эволюционным фактором, направляющим эволюционный процесс. Формирование синтетической теории эволюции ознаменовало переход к популяционной концепции, интеграцию биологии на базе дарвинизма (в России – Н. И. Вавилов, И. И. Шмальгаузен, А. Н. Северцов, разработавший учение о главных направлениях биологического процесса –аромофозе и идиоадаптации и др.). Это открыло качественно новый этап в развитии биологии –переход к созданию единой системы биологического знания, воспроизводящей законы развития и функционирования органического мира как целого.

Ярким примером таких особенностей естествознания XX в., как интеграция дисциплин,системный и эволюционный подходы, статистическое описание являетсяэкология. Одно из основополагающих понятий экологии – “экосистема” – единый природный комплекс, образованный живыми организмами и средой их обитания, – было введено английским геоботаником А. Тенсли в 1935 г. Крупнейшей экосистемой Земли является биосфера. Этот термин был предложен еще в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом, ноучение о биосферекак активной оболочке Земли было создано российским ученым, геобиохимиком В. И. Вернадским в 1926 г. Изучив роль живой материи на всем протяжении ее эволюции, он пришел к выводу о том, что в рамках биосферы совокупная деятельность живых существ проявляется как глобальный геохимический фактор, преобразующий облик планеты. Живые существа, аккумулируя энергию солнечного излучения и преобразуя ее в энергию земных процессов, вовлекают в круговорот неорганические вещества планеты.

В современном мире прикладная функция науки стала сравнима с познавательной.Практические приложения знаний человек использовал всегда, но они долгое время развивалисьнезависимо от науки. Сама наука долгое время не была ориентирована на сознательное применение знаний в технической сфере. С наступлением Нового времени в западной культуре стали все более интенсивно развиваться практические приложения науки.

Научная революция XXв. быстро превратилась внаучно-техническую революцию – НТР.Это значит, что наука стала непосредственной производительной силой, превратилась в ведущий фактор развития общественного производства и всей жизни общества.В жизни общества стали широко использоваться электричество, механизация и автоматизацияпроизводства, развились средства связи, появились радиосвязь и телевидение, новые источникиэнергии. Успехи в химии и биологии привели к разработке технологий синтеза органических веществ, разработке методов управления химическими процессами, в частности синтеза многих лекарств, взрывчатых веществ, красителей, продуктов питания, получения новых веществ с заданными свойствами.

В середине XXв. научно-технический прогресс стал оказывать решающее влияние на мировую политическую жизнь. Создание атомной бомбы показало, что судьбы стран и человечества определяет овладение передовыми наукой и технологиями. Следующей вехой НТР стало овладение космосом – создание спутников, полет Гагарина, исследование космическими аппаратами других планет, выход человека в открытый космос и на Луну.

В конце XXв.продукция высоких технологий занимает все большее место в валовомпродукте развитых стран, обеспечивая его прирост, и развитость технологий определяетположение государства в современном мире. Экономический рост отождествляется с научно-техническим прогрессом и интеллектуализацией основных факторов производства. Высокие технологии – передний край современной промышленности, работающей на пределевозможностей человека и техники. Распространение высоких технологий и резко выросшаядоля стоимости научных исследований в цене продукта (наукоемкость) повышает требованияк уровню подготовленности участников производства.

Роль науки в обществе сильно возросла, оказывая огромное влияние на мировоззрение, экономику, политику, социальную жизнь. В условиях исчерпания возможностей экстенсивногоразвития человечество снова осознало свое единство. Нарастают и глобальные проблемы, которые могут быть решены только общими усилиями (ядерное разоружение, экологическая безопасность, строительство и поддержание глобальной информационной и коммутационной инфраструктуры). И высокий профессионализм стал неотделим от нравственности, гуманизма, цельного видения единства и взаимосвязи природы и общества, Человека и Космоса.

Поэтому приобретают первостепенное значение подготовка общественного сознания к правильному восприятию достижений НТР, разработка грамотных законов, разумноограничивающих потребление, повышение уровня компетентности управляющих кадров.Фундаментальная наука относится к высшим духовным ценностям человечества и несет в себе объединительное начало. Великий физиолог, лауреат Нобелевской премии И. П. Павлов еще в началеXXв. сказал: «Что нам, русским, нужно сейчас в особенности – это пропаганда научных стремлений, обилие научных средств и страстная научная работа. Очевидно, наука становится главнейшим рычагом жизни народов, без нее нельзя удержать ни самостоятельности, ни тем более достойного положения в мире».