Найдыш В. Концепции современного естествознания: Учебник

ОГЛАВЛЕНИЕ

7. ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ XVIII -ПЕРВОЙ ПОЛОВИНЫ XIX в.

XVIII в. — век Просвещения. Его называют также «золотой век» истории культуры. Это век расцвета материалистического мировоззрения, идеалов рационализма, выдающихся успехов классического естествознания.

Промышленный переворот, переход от мануфактурного к машинному производству революционизирует производительные силы, которые ставят перед наукой все более сложные и ответственные задачи. Решение научно-технических проблем становится делом государственной важности.

7.1. Общая характеристика развития физики

7.1.1. Становление основных отраслей классической физики.

На развитие физики в XVIII в. существенное влияние оказало наследие предыдущего, XVII в., и особенно учение Ньютона. Ньютониан-ство окончательно побеждает картезианство. Развитие физики в XVIII в. предстает именно как развитие идей Ньютона, выполнение завещанной им программы распространения основных положений механики на всю физику.

Особенно быстрыми темпами и в тесной связи с развитием математики развивается механика. Трудами так называемых континентальных математиков закладываются основы аналитической механики. Работами Л. Эйлера, Ж. Д'Аламбера, Ж. Лагранжа, П. Лапласа и др. создается аналитический аппарат механики, развивается математический анализ, теория дифференциальных уравнений, теория рядов, вариационное исчисление, теория вероятности, начертательная геометрия и др.

На развитие физики существенное влияние оказывает и технический прогресс. Развитие производительных сил определяет потребность в разработке теории машин и механизмов, механики твердого тела. Исследование законов теплоты — одна из центральных тем физики XVIII в. Термометрия, калориметрия, плавление,

218

испарение, горение — все эти вопросы становятся особенно актуальными. Проводятся серьезные исследования по теплофизике, электричеству и магнетизму. Эти разделы физики оформляются в самостоятельные области физической науки и достигают первых успехов. Таким образом, в XVIII в. в качестве самостоятельных складываются все основные разделы классической физики.

В меньшей мере развивается оптика. Но и здесь зарождается фотометрия; изучается люминесценция. В связи с открытием аберрации света английским астрономом Дж. Брадлеем в 1728 г. впервые возникает вопрос о влиянии движения источников света и приемников, регистрирующих световые сигналы, на оптические явления. Наблюдая за неподвижными звездами, Брадлей заметил, что они с Земли кажутся не совсем неподвижными, а описывают в течение года малые замкнутые траектории на небесной сфере. Придерживаясь господствовавшей тогда корпускулярной теории света, Брадлей очень просто объяснил это явление. Причиной его является движение телескопа вместе с Землей, в результате которого за то время, пока световая частица движется внутри трубы телескопа, весь телескоп (с окуляром) перемещается вместе с движением Земли. В простейшем случае, когда направление движения световой частицы и направление движения Земли составляют прямой угол, угол аберрации вычисляется по простой формуле

tgδ = v/с,

где v — скорость движения Земли по орбите, с — скорость света. Измерив величину аберрации (изменение угла аберрации в течение года) и зная скорость движения Земли по орбите, Брадлей подсчитал скорость света с и получил значение, близкое к полученному ранее О. Рёмером из наблюдений за движением спутников Юпитера.

Характерной особенностью физики на этом этапе является обособленность механики, оптики, тепловых, электрических и магнитных явлений. Перед физикой еще не встал вопрос об исследовании закономерностей превращений различных физических форм движения. Пока еще физика, выделившись из натурфилософии, не стремится к построению единой физической картины мира. Она нацелена главным образом на количественные исследования отдельных явлений, установление отдельных экспериментальных фактов, выявление частных закономерностей.

219

Огромные успехи небесной механики, достигнутые благодаря введению понятия силы (тяготения), способствовали распространению такой постановки вопроса и в других разделах физики. Не только движение планет, но и другие физические явления пытались представить как результат движения материальных тел поддействием сил. Последователи Ньютона пытались объяснить различные физические явления, введя понятия о различного рода силах: магнитных, электрических, химических и др., которые действуют на расстоянии так же, как и сила тяготения. Носители сил — тонкие невесомые «материи», определяющие те или иные свойства тел. Так появляется характерное для физики XVIII в. учение о «невесомых».

7.1.2. Принцип дальнодействия.

Но как это обычно бывает, большинство последователей Ньютона нередко отходили от его подлинно глубоких идей, забыв или вовсе не зная о его осторожных и тонких замечаниях. В XVIII в. они крайне упростили ту физическую картину мира, которая проступала перед мысленным взором Ньютона. Так, например, утвердилось представление о существовании бесконечного пустого межпланетного и межзвездного мирового пространства, между тем как Ньютон склонялся к идее крайней разреженности мировой материи, не вызывающей заметного торможения планет. Утвердился также и жесткий принцип дальнодействия как передачи действия тяготения через пустоту и мгновенно, т.е. с бесконечной скоростью. Принцип дальнодействия гласит, что если тело А, находящееся в точке а, действует на другое тело В, то тело В, находящееся в точке Ъ, испытывает это воздействие в тот оке момент.

Ньютон же считал необходимым наличие некоего передатчика этого действия, «агента», правда, допуская его, быть может, нематериальную природу. Но подобные тонкости уже не вдохновляли физиков века Просвещения, когда научная революция закончилась и набирало темпы развития экспериментальное естествознание. Критерии к результатам научных исследований на эволюционном этапе развития физики (по сравнению со временем ньютонианской революции) изменились — они стали более упрощенными, стандартизованными; при этом были нужны немедленный эффект и простейшее обоснование.

220

Принцип дальнодействия утвердился в физике еще и потому, что гравитационное взаимодействие макроскопических объектов незаметно, поскольку притяжение слишком слабо, чтобы его ощутить. Лишь высокочувствительные устройства в состоянии уловить гравитационные эффекты. Только в 1774 г. английский ученый Н. Маскелайн обнаружил незначительное отклонение отвеса от вертикали, вызванное гравитационным притяжением находящейся поблизости горы. В 1797 г. английский физик и химик Г. Кавендиш поставил знаменитый эксперимент по измерению едва уловимой силы притяжения между двумя шариками, прикрепленными на концах горизонтально подвешенного деревянного стержня, и двумя большими свинцовыми шарами; это было первое лабораторное наблюдение гравитационного притяжения между двумя телами.

7.1.3. Теория теплорода.

Если силы тяготения действуют между всеми материальными телами, то магнитными силами обладает только железо в намагниченном состоянии, а электрические силы присущи многим телам, но только в наэлектризованном состоянии. Поэтому физики стали приписывать эти силы не частицам вещества, а якобы находящимся в порах обычных материальных тел неким тонким жидкостям, или «материям». Между этими жидкостями и частицами вещества действуют определенного рода силы.

Так объясняли и природу теплоты. Нагревание тела связывали с присутствием некой жидкости — теплорода, частицам которого также присущи определенные силы. Например, между частицами теплорода действуют отталкивающие силы, а между частицами теплорода и частицами материальных тел — силы притяжения.

Тепловые явления изучали вне связи с другими физическими явлениями, не затрагивая процессы превращения теплоты в работу. Физики имели дело главным образом с явлениями перераспределения теплоты и ее передачей, когда общее количество теплоты остается неизменным. Они полагали, что теплота переходит от одного тела к другому подобно жидкости, переливаемой из одного сосуда в другой. Они также считали, что теплота «перетекает» по телу, например стержню, без потерь, подобно воде по трубам. Это хорошо укладывалось в представление о теплоте как о веществе. С помощью вещественной теории теплоты объяснялось наличие теплового баланса при калориметрических измерениях, явление теплопроводности и т.п.

221

Первые серьезные сомнения в теории теплорода принадлежат американцу Б. Румфорду. Он обратил внимание на выделение тепла при сверлении пушечных стволов и пришел к выводу (1798), что количество выделяемой теплоты не зависит от объема вещества, из ограниченного количества материи может быть получено неограниченное количество теплоты. Это опровергало теорию теплорода (теплота как вещество) и прокладывало дорогу для понимания теплоты как формы движения.

Теория теплорода, будучи весьма простой, удовлетворяла эмпирическим и формалистическим традициям науки того времени, общей направленности ньютонианской физики и была исторически необходимым этапом в развитии физики. Она сыграла и положительную роль, объединив целый ряд накопленных фактов и частных теорий, и позволила их систематизировать с единой точки зрения. Хотя и в искаженной форме, эта теория отражала некоторые действительные закономерности тепловых явлений. Поэтому она продержалась более столетия, так как не тормозила развития физической науки и не сразу пришла в противоречие с действительностью.

7.1.4. Развитие учения об электричестве и магнетизме в XVIII в.

В первой половине XVIII в. были получены качественно новые результаты в области изучения электрических явлений. Так, в 1729 г. англичанин С. Грей открыл явление электрической проводимости. Он обнаружил, что электричество способно передаваться некоторыми телами, и все тела разделил на проводники и непроводники. Француз Ш.Ф. Дюфе открыл существование отрицательного и положительного электричества и обнаружил, что «однородные электричества отталкиваются, а разнородные притягиваются». Важным шагом в изучении электрических явлений стало изобретение в 1745 г. лейденской банки, благодаря которому физики могли получать значительные электрические заряды и экспериментировать с ними. Это усилило интерес к изучению электрических явлений и способствовало утверждению представления о возможности практического применения электричества, в том числе в лечебных целях.

222

Опыты с электричеством стали модными: их проводили и в лабораториях ученых, и в аристократических гостиных, и даже в королевских дворцах, где они превратились в забаву. Известно, например, что французский король Людовик XV и его двор забавлялись, пропуская разряд электричества через цепь солдат.

Появляется мысль, что электричество играет важную роль в жизнедеятельности живого организма. Многие ученые, врачи занялись изучением действия электричества на человеческий организм. Появились трактаты об «электричестве человеческого тела», об «электрической лечебной материи» и т.п. [1] И хотя широкое использование свойств электрических (и магнитных) явлений в медицине (физиотерапия, например) пришло гораздо позже, тем не менее зарождение в XVIII в. идей о возможных способах такого применения стимулировало развитие исследований электрических явлений.

1 В качестве примера можно назвать сочинение одного из вождей Французской революции 1789 г. Ж. П. Марата, врача по образованию. В 1738 г. он написал сочинение по электротерапии и представил его на конкурс, объявленный Руан-ской академией на тему: «Насколько и в каких условиях можно рассчитывать на электричество как на положительное в лечении болезней?»

Изобретение лейденской банки способствовало и открытию электрической природы молнии. Известный ученый, общественный деятель, активный участник Войны за независимость в Северной Америке 1775—1783 гг. Б. Франклин, много занимавшийся исследованием электрических явлений, предложил гипотезу об электрической природе молнии и экспериментальный метод ее проверки, а также идею громоотвода. В работах Франклина, который рассматривал электрические явления как проявление некоторой «электрической материи», формулируется понятие электрического заряда и закон его сохранения. В России исследования атмосферного электричества проводили М.В. Ломоносов и Г. Рихман, который, проводя эксперименты во время грозы 26 июля 1753 г., был убит шаровой молнией.

Во второй половине XVIII в. учение об электричестве и магнетизме развивается более быстрыми темпами. Среди многих ярких открытий этого времени — изобретение А. Вольта источника постоянного тока (вольтов столб). Выявляется способность электричества вызывать химические действия, зарождается электрохимия. В это же время намечаются две основные концепции в понимании электрических и магнитных явлений — дальнодействия и близкодействия.

223

Новый этап в истории учения об электричестве и магнетизме начинается с непосредственного измерения в 1780-х гг. французским физиком Ш.О. Кулоном величины сил, действующих между электрическими зарядами, и установления основного закона электростатики — закона Кулона, который гласит, что электрические силы ослабевают обратно пропорционально квадрату расстояния, т.е. так же, как гравитационная сила. Но по величине электрические силы намного превосходят гравитационные. В отличие от слабого гравитационного взаимодействия, наличие которого Г. Кавендишу удалось продемонстрировать только с помощью специального прибора, электрические силы, действующие между телами обычных размеров, можно легко наблюдать.

Таким образом, к рубежу XVIII—XIX вв. природа электричества частично прояснилась.

7.1.5. Физика первой половины XIX в.: общая характеристика.

Первая половина XIX в. — время бурного развития капиталистического способа производства в Европе и Америке. Французская революция 1789 г., а затем наполеоновские войны способствовали разложению феодализма и открывали простор росту капитализма в странах Европы. В первой половине XIX в. промышленный переворот происходит во всех передовых странах Европы.

Основой промышленного производства становится крупная машинная индустрия. Еще более высокими темпами, чем в XVIII в., развиваются металлургическая, горнодобывающая, химическая, металлообрабатывающая и другие отрасли промышленности. Машинная индустрия требует постоянного совершенствования техники — внедрения новых технологических методов, улучшения организации производства и т.д., а это в свою очередь требует применения и постоянного развития естественно-научных знаний. Естествознание все в большей степени становится элементом производительных сил, его развитие во многом определяется потребностями промышленного и сельскохозяйственного производства. В этих условиях все более быстрыми темпами развивается физическая наука. Производство непрерывно ставит перед ней все новые и новые проблемы, доставляя одновременно и новый эмпирический материал.

224

В тесном единстве с естествознанием происходит становление прикладных наук, прежде всего технических. Например, значительное развитие получает новая отрасль — теплотехника. Ее возникновение было непосредственной реакцией на промышленный переворот, энергетической основой которого являлась паровая машина. Изобретенная еще в XVIII в. паровая машина становится универсальным двигателем и применяется не только на промышленных предприятиях, но и на транспорте [1].

1 В 1807 г. в Америке Р. Фултоном был построен первый пассажирский колесный пароход. На первых порах Фултону пришлось затратить немало усилий для убеждения людей в практической возможности парохода. Даже Наполеон не поверил изобретателю и выгнал его из своего кабинета со словами: «Он уверял меня, что можно двигать суда с помощью кипятка». В 1830-е гг. налаживаются регулярные речные, морские и океанские пароходные сообщения.

Паровую машину используют в качестве двигателя и на сухопутном транспорте. Первая железная дорога (с локомотивом Дж. Сте-фенсона) была открыта в 1825 г. в Англии. В течение короткого времени сеть железных дорог покрыла территорию Европы и Северной Америки. В России пассажирское железнодорожное сообщение (на линии Петербург — Царское село) было открыто в 1837 г. В первой половине XIX в. теплотехника своими обобщениями и потребностями оказывала значительное влияние на развитие физики.

Зарождающаяся электротехника изучает закономерности применения электричества в технике. Прежде всего электричество используют для связи. Вскоре после открытия Х.К. Эрстедом в 1819 г. действия электрического тока на магнитную стрелку возникает идея построить электромагнитный телеграф [2]. Были предприняты первые попытки использовать электричество в качестве двигательной силы. Возникает новая область электротехники — гальванопластика, изобретателем которой был русский академик Б.С. Якоби.

2 В 1832 г. в Петербурге уже демонстрировался первый практически действующий телеграф русского изобретателя ПЛ. Шиллинга. Вскоре появляются другие конструкции телеграфа. В 1844 г. в Америке была построена первая телеграфная линия, а в конце 1840-х годов их там было уже несколько десятков. В середине века телеграфные линии начинают появляться и в Европе.

Говоря о технике первой половины XIX в., следует упомянуть о фотографии. Первый практически применимый метод получения фотографических снимков (так называемый метод дагеротипий) был разработан французом Л. Дагером в 1839 г. Позитивное изображение получалось на стеклянной пластинке, покрытой све-

225

точувствительной пленкой. Несмотря на несовершенство, метод Дагера быстро получил распространение. В 1850-х гг. его заменяет обычный метод фотографирования. Изобретение фотографии и ее совершенствование оказали несомненное влияние на развитие оптики, а в дальнейшем и других разделов физики, особенно после того как фотографию стали широко применять в экспериментальных исследованиях.

В первой половине XIX в. быстро развиваются все разделы физики, но особенно оптика. Возникает новый, быстро развивающийся раздел — учение об электромагнетизме. В этот период складываются основы волновой оптики, теории дифракции, интерференции и поляризации.

В 1840-х гг. весь ход развития физических наук по пути изучения связей между различными физическими явлениями, взаимных превращений различных форм энергии завершается установлением закона сохранения и превращения энергии.

7.1.6. Волновая теория света.

Интерес к оптическим проблемам в начале XIX в. был продиктован развитием учения об электричестве, химии и паротехнике. Казалось очень вероятным, что в природе теплоты, света и электричества есть нечто общее. Открытие и изучение фотохимических реакций, химических реакций с выделением теплоты и света, тепловых и химических действий электричества — все это заставляло думать, что изучение света окажется полезным для решения важных научных и практических задач.

В XVIII в. подавляющее большинство ученых придерживалось корпускулярной теории света, которая хорошо объясняла многие, но не все оптические явления. В начале XIX в. в поле зрения физиков попадают вопросы интерференции, дифракции и поляризации света, которые неудовлетворительно объяснялись корпускулярной теорией. Это приводит к возрождению, казалось, забытых идей волновой оптики. В оптике происходит настоящая научная революция, закончившаяся победой волновой теории света над корпускулярной.

226

Первым в защиту волновой теории света выступил в 1799 г. английский врач Т. Юнг, разносторонне образованный человек, занимавшийся исследованиями в области математики, физики, механики, ботаники и т.д., обладавший обширными знаниями в литературе, истории, многое сделавший для расшифровки египетских иероглифов. Юнг критиковал корпускулярную теорию света, указывая на явления, которые нельзя объяснить с ее позиций, в частности, одинаковые скорости световых корпускул, выбрасываемых слабыми и сильными источниками, а также то обстоятельство, что при переходе из одной среды в другую одна часть лучей постоянно отражается, а другая постоянно преломляется. Юнг предложил рассматривать свет как колеблющееся движение частиц эфира: «...Светоносный эфир, в высокой степени разреженный и упругий, заполняет Вселенную... Колебательные движения возбуждаются в этом эфире каждый раз, как тело начинает светиться». Волновую природу света он обосновывал прежде всего явлением интерференции света.

Опыт, демонстрирующий явление интерференции света, состоит в следующем. В экране прокалывают два маленьких отверстия на близком расстоянии друг от друга и освещают его солнечным светом, проходящим через отверстие в окне. За этим экраном помещают второй экран, на который падают два световых конуса, образовавшиеся за первым экраном. В том месте, где эти конусы перекрываются, на втором экране видны светлые и темные полосы. От присоединения света к свету образуется темнота! Юнг правильно предположил, что темные полосы образуются там, где гребни световых волн поглощают друг друга. Если закрыть одно отверстие, то полосы пропадают, а на экране видны только дифракционные кольца. Измеряя расстояние между кольцами, Юнг определил длины волн красного, фиолетового и некоторых других цветов. Он рассмотрел и некоторые случаи дифракции света. Появление дифракционных полос он объяснял интерференцией двух волн: прошедшей прямо и отраженной от края препятствия. Кроме того, он высказал важную догадку о том, что явление поляризации света возможно только в том случае, если световая волна является поперечной, а не продольной.

Хотя работы Юнга свидетельствовали в пользу волновой теории света, они тем не менее не привели к отказу от корпускулярной теории, которая продолжала господствовать в оптике.

227

В 1815 г. против корпускулярной теории выступил французский ученый О.Френель. После окончания Политехнической школы в Париже он работал в провинции инженером по прокладке и ремонту дорог, а в свободное время занимался научными исследованиями. Заинтересовался вопросами оптики и самостоятельно пришел к убеждению, что справедлива не корпускулярная, а волновая теория света. В 1818 г. Френель объединил полученные результаты и изложил их в работе о дифракции света, представленной на конкурс, объявленный Французской академией наук.

Работу Френеля рассматривала специальная комиссия в составе Ж.Б. Био, Д.Ф. Араго, П.С. Лапласа, Ж.Л. Гей-Люссака и С.Д. Пуассона — сторонников корпускулярной теории. Но результаты работы Френеля настолько соответствовали эксперименту, что просто отвергнуть ее было невозможно. Пуассон заметил, что из теории Френеля можно вывести следствие, противоречащее здравому смыслу: как будто в центре тени от круглого экрана должно наблюдаться светлое пятно. Эту «несообразность» подтвердил опыт: возражение превратилось в свою противоположность. Комиссия в конце концов признала правильность результатов волновой теории Френеля и присудила ему премию [1]. Однако теория Френеля еще не стала общепринятой, и большинство физиков продолжало придерживаться старых взглядов.

1 Араго Ф. Биографии знаменитых астрономов, физиков и геометров. Ижевск, 2000. Т. И. С. 97.

Заключительным аккордом в борьбе корпускулярной и волновой теорий света явились результаты измерения скорости света в воде. Согласно корпускулярной теории, скорость света в оптически более плотной среде должна быть больше, чем в оптически менее плотной, а по волновой теории — наоборот. В 1850 г. французские физики Ж.Б.Л. Фуко и А.И.Л. Физо, измеряя скорость света с помощью вращающегося зеркала, показали, что скорость света в воде меньше, чем в воздухе, и тем самым окончательно подтвердили волновую теорию света. К середине XIX в. приверженцев корпускулярной теории света осталось уже мало.

7.1.7. Проблема эфира.

Любая новая теория, решая одни проблемы, вместе с тем ставит и ряд новых. Так случилось и с волновой теорией света. В отличие от корпускулярной волновая теория света должна была решить вопрос о свойствах среды — носителя световой волны. Такую среду еще со времен Декарта назвали эфиром. Ответ на вопрос, каковы свойства эфира, предполагал решение двух фундаментальных проблем:

228

во-первых, какую волну представляют собой световые колебания — продольную или поперечную. Если бы световые волны были продольными, как звуковые колебания, то теорию эфира следовало строить по аналогии с акустикой и теорией газов. Теория поперечных колебаний гораздо сложнее, поскольку такие колебания распространяются только в плотных (не газообразных) средах;

во-вторых, каким образом эфир взаимодействует с движущимся источником света (не увлекается им или увлекается, полностью либо частично). Иначе говоря, может ли эфир служить абсолютной системой отсчета для механического движения, поиск которой считал необходимым для обоснования физического знания И. Ньютон.

Для ответа на первый вопрос решающим оказалось объяснение поляризации света, которое (как показал еще Т. Юнг) было возможным только на основе гипотезы поперечных колебаний. Теорию поляризации света также разработал Френель. Согласно этой теории свет, испускаемый светящимся телом, не является поляризованным. Хотя каждая молекула тела в каждый момент времени излучает плоскополяризованный свет, но вследствие хаотичности движения каждой молекулы они колеблются в разных направлениях, причем направление колебаний каждой молекулы непрерывно изменяется в результате беспорядочных толчков, которые испытывает молекула нагретого тела. Складываясь, волны, испускаемые молекулами светящегося тела, дают одну волну, которая колеблется непрерывно и хаотично, меняя направление колебаний. Это и есть естественный свет. Поляризация света в твердом кристалле объясняется разложением колебаний естественного света вдоль осей кристалла по двум взаимно перпендикулярным направлениям. А из того, что поляризованные лучи не интерферируют, не влияют друг на друга, Френель сделал правильный вывод о поперечно-сти световых колебаний.

Но выявление поперечного характера световых колебаний привело к ряду новых затруднений: с одной стороны, эфир как носитель поперечных колебаний (с высочайшей скоростью распространяющихся) должен быть чрезвычайно твердым веществом, а с другой стороны, он не должен оказывать заметного препятствия прохождению через него небесных тел. Объяснить это противоречие было очень сложно. Выдвигалось множество (в том числе и очень остроумных) гипотез по поводу свойств эфира, но ни одна из них не удержалась в науке [1].

1 См.: Уиттекер Э. История теории эфира и электричества. Ижевск, 2001. Гл. 5.

229

В волновой теории света возникает еще одна кардинальная проблема — определение характера взаимодействия между движущейся Землей и эфиром как носителем световых волн; более широко — проблема взаимодействия между эфиром и веществом. Конкретно она выражалась в вопросе: увлекается или не увлекается эфир Землей при ее движении в Космосе. Если эфир не увлекается движущимися телами, значит, он является абсолютной системой отсчета, и тогда механические, электрические, магнитные и оптические процессы можно связать в единое целое. Если эфир увлекается движущимися телами, то он не является абсолютной системой отсчета, значит, существует взаимодействие между эфиром и веществом в оптических явлениях, но такое взаимодействие отсутствует в механических явлениях, следовательно, необходимо было по-разному объяснять явление аберрации, эффект Доп-плера и др. Эта проблема в течение всего XIX в., вплоть до возникновения специальной теории относительности, определяла развитие фундаментальных проблем теоретической физики. Особенно она обострилась после создания Дж.К. Максвеллом теории электромагнитного поля.

7.1.8. Возникновение полевой концепции.

Для физика начала XIX в. не существовало понятия о поле как реальной среде, являющейся носителем определенных сил. Но в первой половине XIX в. началось становление континуальной, полевой физики. Одновременно с возникновением волновой теории света формировалась совершенно новая парадигма физического исследования — полевая концепция в физике. Здесь особая заслуга принадлежит великому английскому физику М. Фарадею.

Даже в плеяде величайших физиков последних трех столетий Фарадей особенно выделяется. Его взгляды на проблемы физической науки, на материю, движение, на метод исследования в области физики и ее задачи были необычными. То, что научные взгляды Фарадея сильно отличались от воззрений его современников, не случайно. Это определялось своеобразием его пути в

230

науку. Выходец из предместья Лондона, из семьи кузнеца, он не получил систематического образования, был гениальным самоучкой, самостоятельно поднялся до вершин физического знания. Те пути в науке, которые он выбирал, не были скованы традициями и предрассудками.

Получив лишь начальное образование, в 13 лет он был отдан в обучение к книготорговцу и переплетчику. Работая в книжной лавке, Фарадей пристрастился к чтению. Он познакомился с сочинениями видных ученых и философов XVIII — начала XIX в., а особенный интерес проявил к химии. Это пробудило у Фарадея стремление заняться наукой, которое укрепилось после посещения публичных лекций Г. Дэви. В 1812 г. по просьбе Фарадея Дэви взял его к себе в лабораторию. С 1816 г. Фарадей занимается самостоятельными научными исследованиями. Узнав об открытии датского физика Х.К. Эрстеда, он сосредоточился на исследовании электрических и магнитных явлений.

В начале XIX в. выяснилось, что между электричеством и магнетизмом существует глубокая связь. В 1819 г. Эрстед обнаружил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Примерно в это же время A.M. Ампер установил закон взаимодействия электрических токов и пришел к выводу, что все магнитные явления сводятся к взаимодействию токов, магнитных же зарядов не существует.

Мысль о тесной двусторонней связи электричества и магнетизма кажется Фарадею совершенно очевидной, и уже в 1821 г. он ставит перед собой задачу «превратить магнетизм в электричество». Но только в 1831 г. Фарадей показал, что переменное магнитное поле индуцирует в проводнике электрический ток. Это открытие привело к разработке принципов электродвигателя и электрогенератора, играющих важнейшую роль в современной технике.

Фарадей придерживался оригинальных взглядов на природу материи. Он возражал против атомистического взгляда на строение вещества: наличие атомов и пустого пространства между ними. Если пустота — проводник, то все тела должны быть проводниками, а если пустота — не проводник, то все тела должны быть изоляторами. Но ни того, ни другого не наблюдается. Фарадей создает новую теорию структуры вещества: исходным материальным образованием являются не атомы, а поле; атомы — лишь сгустки силовых линий поля.

231

Материя, по Фарадею, занимает все пространство. Материя активна и немыслима без движения. Ее основными характеристиками являются силы притяжения и отталкивания. Под силой Фарадей подразумевает характеристику активности тела или материи вообще, т.е. его понятие силы скорее ближе к понятию движения, чем собственно силы [1]. Атомы, по Фарадею, являются лишь центрами этих сил притяжения и отталкивания [2]. Они проницаемы и простираются на бесконечно большое пространство. Таким образом, в концепции Фарадея среда между зарядами выступает не просто передатчиком взаимодействия одного заряда с другим, а является носителем сил; заряды же он низводит до ранга вторичных образований, продуктов такого реального силового поля.

1 Не случайно Фарадей наряду со словом «force» употреблял часто и слово «power», что значит еще и способность, мощность, энергия.
2 См.: Фарадей М. Экспериментальные исследования по электричеству. М.; Л., 1951. Т. II. С. 400.

Общие взгляды Фарадея на материю нашли конкретное выражение в его понимании электромагнитных явлений, основанном на представлении о поле и принципе близкодействия. В основе его теории электричества и магнетизма лежит представление об электрических и магнитных силовых линиях. Силовая линия — это замкнутая кривая, которая проходит через магнит или электрический заряд, к которому принадлежит. Все пространство заполнено тонкими силовыми линиями. Силовые линии объединяются в объемные силовые трубки, по толщине которых можно судить о напряженности поля в данной области пространства.

Фарадей не конкретизировал, что представляют собой эти силовые линии. Он писал: «Те, кто в какой-нибудь мере придерживаются гипотезы эфира, могут рассматривать эти линии как потоки, или как распространяющиеся колебания, или как стационарные волнообразные движения, или как состояние напряжения». В любом случае силовые линии для него — это не просто математический прием, полученный на основе гидродинамических аналогий, а физическое понятие, имеющее реальный аналог в природе. Силовые линии есть характеристики реального электромагнитного поля — некоторого особого вида материи, носителя и передатчика энергии. Возникновение полевой концепции в трудах Фарадея стало началом становления современной континуальной физики.

232

Экспериментальные открытия Фарадея были хорошо известны, и он еще при жизни приобрел огромный авторитет и славу. Однако к его теоретическим взглядам современники в лучшем случае оставались безразличными. Первым обратил на них серьезное внимание Дж.К. Максвелл. Он воспринял эти представления, развил их и построил теорию электромагнитного поля. Выработанное в оптике понятие «эфир» и сформулированное в теории электрических и магнитных явлений понятие «электромагнитное поле» сначала сближаются, а затем, уже в начале XX в., с созданием специальной теории относительности, полностью отождествляются.

Таким образом, понятие поля оказалось очень полезным. Будучи вначале лишь вспомогательной моделью, это понятие становится в физике XIX в. все более и более конструктивной абстракцией. Она позволяла понять многие факты, уже известные в области электрических и магнитных явлений, и предсказывать новые явления. Со временем становилось все более очевидным, что этой абстракции соответствует некоторая реальность. Постепенно понятие поля завоевало центральное место в физике и сохранилось в качестве одного из основных физических понятий.

7.1.9. Закон сохранения и превращения энергии.

В первой половине XIX в. постепенно вызревает и утверждается идея единства различных типов физических процессов, их взаимного превращения. Изучение процесса превращения теплоты в работу и обратно, установление механического эквивалента теплоты сыграли основную роль в открытии закона сохранения и превращения энергии. Все большее место в физических исследованиях занимали исследования взаимопревращения различных форм движения. Исследования химических, тепловых, световых действий электрического тока, изучение его моторного действия, процессов превращения теплоты в работу и т.д. — все это способствовало возникновению и развитию идеи о взаимопревращаемости «сил» природы. Энергия не возникает из ничего и не уничтожается, она лишь переходит из одного вида в другой — так гласит закон сохранения и превращения энергии.

233

Эту идею в первой половине XIX в. все чаще высказывали ученые, и нужен был один шаг, чтобы эта идея оформилась в физический закон. Этот шаг в 1840-х гг. был сделан многими учеными. Основную роль в установлении закона сохранения и превращения энергии сыграли: немецкий врач Р. Майер, немецкий ученый Г. Гельмгольц и англичанин Дж. Джоуль — манчестерский пивовар, занимавшийся изобретательством и физическими исследованиями.

Значение этого закона выходило далеко за пределы физики и касалось всего естествознания. Наряду с законом сохранения масс этот закон, выражая принцип неуничтожимости материи и движения, образует краеугольный камень материалистического мировоззрения естествоиспытателей. Логическим его развитием и обобщением выступал принцип материального единства мира.

Закон сохранения энергии и в настоящее время является важнейшим принципом физической науки. Новая форма действия этого закона основана, в частности, на учете взаимосвязи массы и энергии (Е = mс2): закон сохранения массы применяется в современной физике совместно с законом сохранения энергии.

7.1.10. Концепции пространства и времени.

В обосновании классической механики большую роль играли введенные И. Ньютоном понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Эти понятия лежат в основании субстанциальной концепции пространства и времени, в соответствии с которой материя, абсолютное пространство и абсолютное время — три независимые друг от друга субстанции, начала мира.

Абсолютное пространство — это чистое и неподвижное вместилище тел; абсолютное время — чистая длительность, абсолютная равномерность событий. Ньютон считал, что вполне возможно допустить существование мира, в котором есть только одно абсолютное пространство и нет ни материи, ни абсолютного времени; либо же существование мира, в котором есть пространство и время, но нет материи; либо же существование мира, в котором есть только время, но нет ни пространства, ни материи. По мнению Ньютона, абсолютное пространство и абсолютное время — это реальные физические характеристики мира, но они не даны непосредственно органам чувств, и их свойства могут быть постигнуты лишь в абстракции; возможно, только в будущем физика сумеет найти реальные системы, соответствующие абсолютному пространству и абсолютному времени. В своей же повседневной действительности человек имеет дело с относительными движениями, связывая системы отсчета с теми или иными конкретными телами, т.е. имеет дело с относительным пространством и относительным временем.

234

Физики долгое время полностью придерживались субстанциальной концепции Ньютона, повторяли его определения понятий абсолютного пространства и времени. Только некоторые философы критиковали понятия абсолютного пространства и абсолютного времени. Так, Г.В. Лейбниц, «вечный оппонент» Ньютона, выступил с критикой субстанциальной концепции и отстаивал принципы реляционной теории пространства и времени, считая «пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство — порядком существований, а время — порядком последовательностей. Ибо пространство... обозначает порядок одновременных вещей, поскольку они существуют совместно, не касаясь их специфического способа бытия» [1]. Однако в XVIII в. критика субстанциальной концепции Ньютона и философская разработка реляционной теории пространства и времени не оказали существенного воздействия на физику. Естествоиспытатели продолжали пользоваться представлениями Ньютона об абсолютном пространстве и времени, различаясь между собой лишь признанием или непризнанием наличия пустого пространства.

1 Лейбниц Г.В. Переписка с Кларком // Соч.: В 4т. М., 1982. Т. 1. С. 441.

Проблема пространства — особая проблема, объединяющая физику и геометрию. Долгое время молчаливо предполагалось, что свойства физического пространства являются свойствами ев-клидового пространства. Для многих это была само собой разумеющаяся истина. «Здравый смысл» был философски воплощен И. Кантом в его взглядах на пространство и время как неизменные априорные «формы чувственного созерцания». Из этого взгляда следовало, что те представления о пространстве и времени, которые выражены в геометрии Евклида и механике Ньютона, вообще являются единственно возможными.

235

Впервые по-новому вопрос о свойствах пространства был поставлен в связи с открытием неевклидовой геометрии. Безуспешность попыток ряда ученых многих поколений доказать пятый постулат Евклида привела к мысли о его недоказуемости, а вместе с тем и о возможности построения геометрии, основанной на других постулатах. Одним из первых пришел к этой мысли немецкий математик К.Ф. Гаусс, который еще в начале XIX в. стал размышлять над вопросом о возможности создания другой, неевклидовой, геометрии. Гаусс высказал мысль, что представления о свойствах пространства не являются априорными, а имеют опытное происхождение. Однако он не пожелал втягиваться в острую дискуссию и скрывал от современников свои идеи о возможности неевклидовых геометрий, но когда эти идеи были «озвучены» другими, внимательно следил за исследованиями в этой области [1].

Родиной неевклидовых геометрий стала Россия. В 1826 г. на заседании физико-математического факультета Казанского университета Н. И. Лобачевский сделал сообщение об открытии им неевклидовой геометрии, а в 1829 г. опубликовал работу «Начала геометрии», в которой показал, что можно построить непротиворечивую геометрию, отличную от всем известной и казавшейся единственно возможной геометрии Евклида [2]. Лобачевский считал, что вопрос о том, законам какой геометрии подчиняется реальное пространство — евклидовой или неевклидовой геометрии — должен решить опыт, и прежде всего астрономические наблюдения. Он полагал, что свойства пространства определяются свойствами материи и ее движения, и считал вполне возможным, что «некоторые силы в природе следуют одной, другие своей особой геометрии» [3].

1 Интересно, что когда вышли в свет работы Н.И. Лобачевского по основаниям геометрии, то Гаусс овладел русским языком с основной целью изучать работы Лобачевского.
2 В 1832 г. венгерский математик Я. Больяй опубликовал работу, в которой (независимо от Лобачевского) также развил основные идеи неевклидовой геометрии.
3 Лобачевский Н.И. Полн. собр. соч. М.; Л., 1949. Т. 2. С. 159.

Спустя почти 40 лет после работ Лобачевского, в 1868 г. была опубликована работа Б. Римана «О гипотезах, лежащих в основании геометрии». Опираясь на идею о возможности геометрии, отличной от евклидовой, Риман подошел к этому вопросу с несколько иных позиций, чем Лобачевский. Он вводит обобщенное понятие пространства как непрерывного многообразия n-го порядка или совокупности любого рода однотипных объектов — точек, определяемых системой чисел (x1, x2, ..., хn). Используя работы Гаусса по внутренней геометрии поверхностей в обычном

236

трехмерном пространстве и ее аналитический аппарат, позволяющий определять линейный элемент поверхности, Риман вводит для характеристики многообразия n-го порядка понятие расстояния между бесконечно близкими точками ds и понятие кривизны для каждой точки этого многообразия. В искривленном пространстве нет прямых линий, а свойства геометрических фигур другие, чем на плоскости. Прямая заменена здесь линиями, которые являются кратчайшими расстояниями между точками. Риман высказал новое понимание бесконечности пространства: пространство нужно признать неограниченным; однако если оно может иметь положительную постоянную кривизну, то оно уже не бесконечно, подобно тому как поверхность сферы хотя и не ограничена, но тем не менее ее размеры не являются бесконечными. Так зарождалось представление о разграничении бесконечности и безграничности пространства (и времени).

С точки зрения Римана, вопрос о том, является ли геометрия нашего физического пространства евклидовой, что соответствует его нулевой кривизне, или эта кривизна не равна нулю, должен решить эксперимент. При этом он допускает, что свойства пространства должны зависеть от материальных тел и процессов, которые в нем происходят. Риман вообще ориентировался на тесную связь геометрии физики. Так, в частности, дал приложение своей теории к задаче распространения тепла в анизотропном теле.

Такие приложения стали более разнообразными после создания на рубеже XIX—XX вв. итальянскими математиками Р. Риччи-Курбастро и Т. Леви-Чивита тензорного исчисления. Оно оказалось наиболее удачным аналитическим аппаратом для разработки римановой геометрии, в частности ее приложений к изучению свойств различных анизотропных тел. Но подлинным триумфом стало применение его теории в создании общей теории относительности.

Идеи неевклидовых геометрий первое время имели весьма мало сторонников, так как противоречили «здравому смыслу» и устоявшимся в течение многих веков воззрениям. Обоснование реальности таких геометрий состояло в поиске таких объектов, в которых воплотились бы положения неевклидовых геометрий. Перелом наступил только во второй половине XIX в. Окончательные сомнения в логической правильности неевклидовых геометрий были развеяны в работах итальянского математика Э. Бельтрами, который показал, что на поверхностях постоянной отрицательной кривизны (псевдосферы) осуществляется именно неевклидова геометрия Лобачевского. Интерес к работам Лобачевского и Римана вновь ожил и вызвал многочисленные исследования в области неевклидовых геометрий и оснований геометрии.

237

Здесь следует упомянуть «Эрлангенскую программу Ф. Клейна» (1872), которая вплоть до настоящего времени является руководящей не только для построения новых систем геометрии, но и для теоретической физики. По Ф. Клейну, для построения некоторой геометрии необходимо задать: определенное многообразие элементов; группу преобразований, дающую возможность отображать элементы заданного многообразия друг на друга. А соответствующая геометрия должна изучать те отношения элементов, которые инвариантны при всех преобразованиях данной группы. С этих позиций геометрические теории могут быть типологизированы следующим образом: геометрия Евклида, изучающая инварианты перемещений; аффинная геометрия; проективная геометрия (геометрия Лобачевского трактуется как часть проективной геометрии); конформная геометрия; а также топология (геометрия групп непрерывных преобразований, т.е. таких, при которых сохраняется бесконечная близость точек), играющая большую роль в современной космологии, квантовой теории гравитации и др.

Развитие теории неевклидовых пространств привело в свою очередь к задаче построения механики в таких пространствах: не противоречат ли неевклидовы геометрии принципам механики? Если механику невозможно построить в неевклидовом пространстве, то, значит, реальное неевклидово пространство невозможно. Однако исследования показали, что механика в принципе может быть построена в неевклидовом пространстве.

И тем не менее появление неевклидовых геометрий, а затем неевклидовой механики, на первых порах не оказало влияния на физику. В классической физике пространство оставалось евклидовым, и большинство физиков не видели никакой необходимости рассматривать физические явления в неевклидовом пространстве.

238

7.1.11. Методологические установки классической физики (конец XVII — начало XX в.).

К середине XIX в. в основном завершилось становление системы методологических установок классической физики — того теоретико-методологического каркаса, в рамках которого получали свое обоснование и понимание основные понятия, категории, принципы и допущения классической теоретической физики. Смена этой системы установок происходит только в ходе научных революций.

К методологическим установкам классической физики относятся следующие представления.

+ Важнейшей исходной предпосылкой классической физики (как и всей науки) является признание объективного существования (до и независимо от человека и его сознания) физического мира (совокупности устойчивых явлений, вещей, процессов, расположенных в определенном порядке в пространственно-временном континууме).

+ Каждая вещь, находясь в определенном месте пространства, существует в определенный промежуток времени независимо (в пространственно-временном отношении) от других вещей. Хотя вещи и способны в принципе взаимодействовать друг с другом, это не приводит к существенному изменению структуры взаимодействующих тел, а если и приводит, то всегда можно уточнить характер происшедших изменений и ввести соответствующую поправку, восстановив тем самым идеальный образ первоначального состояния.

+ Лаппасовский детерминизм. Все элементы физического мира связаны между собой причинно-следственными связями таким образом, что, зная в определенный момент времени координаты каждого элемента, можно в принципе однозначно предсказать положение этого элемента через любой промежуток времени (см.: 7.2.4).

+ Материальный мир познаваем. На основе имеющихся познаваемых средств (теоретических и эмпирических) возможно в принципе объективно описать и объяснить все исследуемые физические явления.

+ Основой физического познания и критерием его истинности является эксперимент, ибо только в эксперименте исследователь через средства исследования непосредственно взаимодействует с объектом; при этом исследователь свободен в выборе условий проведения эксперимента.

239

+ В процессе исследования физический объект по существу остается неизменным, он не зависит от условий познания. Если же прибор и оказывает какое-либо воздействие на объект, то это воздействие всегда можно учесть, внеся соответствующую поправку. В процессе исследования всегда можно четко разграничить поведение объекта и поведение средств исследования, средств наблюдения, экспериментирования. Поэтому описание поведения объектов и описание поведения приборов осуществляются одинаковыми средствами научного языка.

+ Возможно обособление элементов физического мира: в принципе возможно экспериментальными средствами неограниченное (по отношению к атому) разложение физических объектов на множество независимых вещей и элементов.

+ Все свойства исследуемого объекта могут экспериментально определяться с помощью одной установки одновременно. Нет принципиальных препятствий для того, чтобы полученные таким путем данные могли быть объединены в одну картину объекта.

+ В принципе возможно получение абсолютно объективного знания, т.е. такого знания, которое не содержит ссылок на познающего субъекта (на условия познания). При этом основными критериями объективности считались:
а) отсутствие в содержании физического знания ссылок на субъект познания;
б) однозначное применение понятий и системы понятий для описания физических явлений;
в) наглядное моделирование — эквивалент объективности знания. О Данные о состоянии исследуемых явлений выражаются через величины, имеющие количественную меру. Через измеримые величины выражаются также и физические законы, которые должны быть сформулированы на языке математики (программа Галилея). При этом динамические закономерности поведения элементов физического мира исчерпывающим образом описываются системой дифференциальных уравнений (т.е. на континуальной основе). Физические системы, как правило, замкнуты, обратимы (направленность времени для них не важна) и линейны.

+ Возможность пренебречь атомным строением измерительных приборов — одна из общих черт классического, релятивистского и квантового способов описания.

240

+ Уверенность в том, что структура познания в области физики, так же как и структура мира физических элементов, не претерпевает существенных качественных изменений, что классический способ описания вечен и неизменен. Как качественно неизменен физический мир, движение элементов которого сводится к непрерывному механическому перемещению частиц материи, неизменны физические закономерности, так же неизменен и метод познания этого мира и его законов.

+ Теоретическое описание мира осуществляется с помощью трех видов логических форм: понятий, теорий и картины мира. Различие между физической теорией и физической картиной мира — количественное (по степени обобщения), но не качественное; фундаментальная физическая теория и есть (в силу наглядности ее понятий) физическая картина мира.

Кардинальные изменения в понимании природы физического познания, структуры его познавательных средств произошли в методологии физики в начале XX в. и были одним из следствий физической революции, которая перевела физику на уровень ее «неклассического» развития.

7.2. Развитие астрономической картины мира

7.2.1. Создание внегалактической астрономии.

В течение столетий астрономия развивалась как наука о Солнечной системе, а мир звезд оставался целиком загадочным. Только в XVIII в. обозначился переход астрономии к изучению мира звезд и галактик. Начальные шаги на этом пути бьши связаны с первыми оценками межзвездных расстояний. Основой для этого служили измерения О. Рёмером скорости света и открытие И. Кеплером закона ослабления силы света с расстоянием. Опираясь на эти данные, X. Гюйгенс показал, что свет от Сириуса до нас идет несколько лет, а в 1761 г. И. Ламберт уточнил эти данные и показал, что от Сириуса свет до нас идет 8 световых лет. Постепенно осознавалась колоссальность межзвездных расстояний. Важным достижением астрономии XVIII в. было и открытие собственных движений звезд (Э. Галлей, 1718).

В XVIII в. по мере увеличения возможностей телескопов удалось выявить новый тип космических объектов — туманности, большинство из которых оказались колоссальными, удаленными от нас на огромные расстояния скоплениями звезд — галактика-

241

ми [1]. Астрономия постепенно становилась внегалактической. Выдающаяся роль в создании внегалактической астрономии принадлежит английскому астроному Ф. В. Г е р ш е л ю, который был конструктором уникальных для его времени телескопов (с зеркалом диаметром 1,5 м), выдающимся наблюдателем, основателем звездной и внегалактической астрономии.

1 Мы пишем слово «Галактика» с прописной буквы, когда речь идет о той галактической системе, к которой принадлежит наше Солнце. Когда же речь идет о других галактических системах или об общем понятии такой системы, употребляем слово «галактика» (со строчной буквы). То же относится и к термину «вселенная»: мы пишем «Вселенная» с прописной буквы там, где речь идет о наблюдаемой нами Вселенной, в которой мы живем; если мы говорим о модельных (возможных, иных) вселенных, мы пишем «вселенная» (со строчной буквы).

Мировую славу Гершелю принесли его открытия в Солнечной системе: открытие планеты Уран (1781), нескольких спутников Урана и Сатурна, сезонных изменений полярных «шапок» Марса, периода вращения кольца Сатурна, движения всей Солнечной системы в пространстве в направлении к созвездию Геркулеса и др. Гершель установил существование двойных и кратных звезд как физических систем, уточнил оценки блеска у 3 тыс. звезд, обнаружил переменность в некоторых из них, первым отметил различное распределение энергии в спектрах звезд в зависимости от их света, и др.

Совершенно особой заслугой Гершеля являются его исследования туманностей. Он открыл свыше 2,5 тыс. новых туманностей. Хотя к его времени их было известно уже около 150, о природе этих объектов высказывались лишь смутные и противоречивые догадки. Гершель стал первым изучать мир туманностей, увидев в этом путь к познанию не только строения, но и истории Вселенной. Он впервые попытался измерить Галактику и оценить размеры и расстояния до других туманностей, допуская их сходство с нашей Галактикой. Гершель впервые отметил закономерности крупномасштабной структуры мира туманностей в целом, тенденцию туманностей к скапливанию, стремление их объединяться в крупные протяженные «пласты», состоящие как из отдельных туманностей, так и из их скоплений.

Исследования Гершеля способствовали становлению теории островной Вселенной: расстояния между туманностями сильно превосходили размеры объектов (туманностей). Эта теория была высказана Т. Райтом и оказала большое влияние на формирование И. Кантом его космогонической гипотезы.

242

Важным элементом астрономической картины мира XVIII в. явилась высказанная Э. Сведенборгом, И.Г. Ламбертом и независимо от них И. Кантом идея космической иерархии — субординированное отношение космических систем разной степени организации, включенность систем низших порядков в системы высших порядков. Так, например, Ламберт утверждал, что существуют во Вселенной системы нескольких порядков: планеты со спутниками; Солнце (равно как и другие звезды) с планетами; большие звездные сгущения в Млечном Пути; Млечный Путь и другие подобные ему скопления звезд, видимые из-за огромных расстояний как туманности; гипотетические системы высших порядков, включающие в себя туманности. Все эти системы Ламберт считал находящимися в непрерывном движении — каждая вокруг своего центра тяжести, т.е. подчиняющимися закону всемирного тяготения.

7.2.2. Формирование идеи развития природы.

Идея развития природы — это представление о том, что природа в ходе непрерывного движения и изменения своих форм с течением времени образует (либо сама, либо с помощью надприродных, сверхъестественных сил) из простейших, низших, мало организованных форм качественно новые, высшие, более сложные, более организованные формы (уровни, системы). Такая направленность развития от низшего к высшему называется прогрессом.

Эта идея созревала долго и сложно. Так, в античной культуре еще не было понятий о развитии и прогрессе. Движение природы и общества во времени трактовалось античными мыслителями как чередование неизменных в своей основе событий — как круговорот, циклическое возвращение к старому (например, учение Гераклита о периодическом мировом пожаре, и др.).

На этапе феодально-религиозной культуры складывались лишь отдельные предпосылки идеи развития (образ качественной противоположности материального и духовного миров и др.). Но формирования самой идеи развития не произошло, поскольку феодализма, как и для всех обществ с простым воспроизводством, свойственны апология старины, установка на незыблемость традиций, неизменность сложившихся общественных и природных форм, недоверие ко всему новому. Феодальная культура консервативна, сковывает творческие возможности человека, для нее характерна боязнь исторической перспективы.

243

Только в условиях зарождения капиталистических, товарно-денежных отношений, с утверждением в общественном сознании атмосферы исторического оптимизма формируется идея развития, прогресса природы и общества. В XVII в. идея прогресса возникает как механистически трактуемая идея эволюции природы (в трудах Р. Декарта по космогонии и др.). Под влиянием результатов Нидерландской (XVI в.) и Английской (XVII в.) буржуазных революций идея прогресса природы постепенно перерастает в идею неограниченного социального прогресса, прогресса общества, науки и культуры. Их объединение завершилось в середине XVIII в., и с этого времени идеи прогресса природы, общества и культуры (науки) оказались тесно связанными между собой.

Но одно дело идея развития, а совсем другое дело — теория развития, которая не просто констатирует существование развития, а объясняет его, указывает на его предпосылки, условия, факторы, закономерности, вскрывает направление развития, определяет его типы и т.д. В настоящее время существуют разные теории развития: метафизические, диалектические, эмерджент-ные, системно-синергетические и др. В XVII—XVIII вв. существовали лишь метафизические теории развития. Согласно этим теориям развитие — это простое количественное изменение (без скачков, перерывов постепенности, переходов количества в качество, борьбы противоположностей и др.), в котором возможно участие нематериальных (сверхъестественных, божественных) сил.

Ведущая тенденция в естествознании XVII—XVIII вв. состояла в том, чтобы свести до минимума участие божественных факторов в объяснении развития природы и общества, а в лучшем случае — и вовсе избавиться от них. Наиболее ярко, контрастно эта тенденция проявилась в астрономии.

7.2.3. Идея развития в астрономии.

Идею развития природы внес в новоевропейскую науку Р. Декарт в своей космогонии (см. 6.3.2). Декарт отвергал библейскую догму о происхождении мира в шесть дней и создал теоретическую модель происхождения мира естественным образом, поставив тем самым космогонию на почву науки. Напомним, что Богу здесь отводилась лишь роль творца материи и движения; все последующее развитие материи было естественным и в божественном участии не нуждалось.

244

Качественно новая ситуация в космогонии сложилась с созданием классической механики. И. Ньютон теоретически обосновал идею бесконечности Вселенной и таким образом в космологии (науке о структуре Вселенной как целого) сделал шаг вперед по сравнению с Декартом. Сложнее обстояло дело в космогонии (учении о происхождении Вселенной, мира) (см. 6.4.3).

Ньютон считал, что закономерностей гравитационного взаимодействия масс недостаточно для последовательно механистического объяснения структуры Вселенной. Во-первых, ему была непонятна сущность тангенциальной составляющей орбитального движения планет (закон всемирного тяготения объясняет центростремительное ускорение планет, но не объясняет, откуда взялось движение планет, которое стремится удалить планету по касательной к орбите). Ньютон делает вывод, что, по-видимому, нужно допустить существование божественного «первого толчка», благодаря которому планета приобретает орбитальное движение и не падает на Солнце.

Во-вторых, в движении планет и спутников существуют возмущения, которые могут нарастать со временем. Значит, сделал вывод Ньютон, Солнечная система не обладает свойством самосохранения и потому Бог должен время от времени «подправлять» движения небесных тел, возвращать их на свои орбиты. Эти два обстоятельства вынудили Ньютона отказаться от попыток научного объяснения происхождения Вселенной и отдать его на откуп теологии.

Первая всеобъемлющая теория развития Вселенной на основе теории гравитации была создана Иммануилом Кантом, великим немецким мыслителем, философом, ученым-естествоиспытателем («Всеобщая естественная история и теория неба», 1755). Теория Канта не была чисто умозрительным построением (как теория Р. Декарта); она опиралась на конкретные геометрические, кинематические и динамические параметры, данные наблюдений, физические закономерности.

Несколько позже (1796), и независимо, П.Лапласом была построена космогоническая концепция, опиравшаяся на строгие математические и механические закономерности и во многом похожая на теорию И. Канта.

245

7.2.4. Космогония Канта — Лапласа.

Исходная позиция Канта — несогласие с выводом Ньютона о необходимости божественного «первотолчка» для возникновения орбитального движения планет. По Канту, происхождение тангенциальной составляющей непонятно до тех пор, пока Солнечная система рассматривается как неизменная, данная, вне ее истории. Но достаточно допустить, что межпланетное пространство в отдаленные времена было заполнено разреженной материей, простейшими, элементарными частицами, определенным образом взаимодействующими между собой, то появляется реальная возможность на основе физических закономерностей объяснить, не прибегая к помощи божественных сил, происхождение и строение Солнечной системы. «Дайте мне только материю, и я построю вам из нее целый мир!» — любил повторять И. Кант.

Однако Кант — не атеист. Он деист и признает существование Бога, но отводит ему только одну роль — создание материи в виде первоначального хаоса с присущими ей (механистическими) закономерностями. Все дальнейшее развитие материи осуществляется естественным образом, без вмешательства Бога.

В философском отношении позиция П. Лапласа была еще более радикальна. Отвечая на вопрос Наполеона, внимательно изучавшего его работы, какое место в созданной им космогонической концепции отведено Богу, Лаплас гордо заявил: «Я не нуждаюсь в этой гипотезе!» Такая позиция ученого прямо вытекала из результатов его исследований популярной в XVIII в. проблемы устойчивости Солнечной системы.

Опираясь на новый, мощный аналитический аппарат механики, Лаплас пришел к выводу, что, поскольку, во-первых, все планеты вращаются в одном направлении, в о – в т о р ы х, их орбиты имеют весьма малые эксцентриситеты и мало отличаются от окружностей и, в-третьих, так как их взаимные наклонения и наклонения к эклиптике имеют незначительные величины, то всеобщего тяготения достаточно для сохранения Солнечной системы. Всеобщее тяготение позволяет изменяться формам и наклонениям орбит, но только в определенных пределах; эти изменения носят периодический характер и по истечении определенного времени возвращаются к своему среднему состоянию.

246

Обобщение результатов исследований устойчивости Солнечной системы привели Лапласа к формулировке одной из ключевых методологических установок классической физики (лапласов-ского детерминизма). Согласно этой установке все элементы природы связаны между собой причинно-следственными связями таким образом, что, зная в определенный момент координаты каждого элемента, можно абсолютно однозначно предсказать положение этого элемента через любой промежуток времени; иначе говоря, мир есть грандиозная механическая система, в которой случайность если существует, то не оказывает никакого значительного воздействия на протекание природных процессов.

Однако вернемся к Канту. Основные силы, привлекаемые Кантом для объяснения развития материи: притяжение (гравитационное тяготение); отталкивание (по аналогии с газами); химическое соединение (различие частиц по плотности). В результате действия этих трех фундаментальных сил осуществлялось, по мнению Канта, развитие материи, создавались начальные неоднородности в распределении плотности материи.

Различием частиц по плотности обусловлено возникновение сгущений, которые стали центрами притяжения более легких элементов, притягиваясь в то же время к более плотным сгущениям. Но благодаря наличию силы отталкивания этот процесс сгущения не привел к концентрации материи в одном месте. Взаимодействие, борьба силы отталкивания и силы притяжения определяют возможность длительного развития мира. Движения частиц, направленные к центральному сгущению, наталкиваясь на действие силы отталкивания, превращались в вихревые движения вокруг этих сгущений. В процессе вращения вихрей большое количество частиц падало на центр сгущения, увеличивая его массу, сообщая ему взаимное движение и нагревая его. Так Кант объясняет возникновение Солнца и звезд.

Не упавшие на Солнце частицы вращаются вокруг Солнца и постепенно концентрируются в плоскости солнечного экватора, образуя пояс, кольцо частиц. В этом поясе в силу неоднородности различий плотности его частей возникают новые центры тяготения, которые постепенно сгущаются, в них концентрируется масса частиц и постепенно образовываются планеты. Аналогичным образом формируются спутники планет. В своей концепции Кант дает объяснение следующим особенностям Солнечной системы: эллиптической форме орбит; отклонению орбитальных плоскостей планет от плоскости солнечного экватора; обратной зависимости масс и объемов планет от степени их удаления от Солнца; неодинаковому числу спутников у различных планет, наличию колец у Сатурна и др.

247

Кант не ограничился построением модели развития лишь Солнечной системы. Он распространяет свои принципы на объяснение развития Вселенной в целом, понимаемой им как иерархически организованная сверхсистема галактик. Развитие Вселенной, по Канту, это процесс, который имеет начало, но не имеет конца. В каждый момент времени происходит образование новых космических систем на все более далеких расстояниях от центра — места, где этот процесс начался (предположительно в районе Сириуса). В старых областях Вселенной космические системы постепенно разрушаются и гибнут. Правда, на месте погибших систем могут возникнуть новые: на потухшие солнца падают замедлившиеся планеты и кометы и вновь нагревают их.

Кант сформулировал много пророческих идей: о существовании двойных звезд, о существовании за Сатурном планет Солнечной системы, идею непрерывного перехода от планет к кометам, идею случайной флуктуации плотности, о метеорном составе кольца Сатурна, о существовании колец, подобных кольцу Сатурна, у близких планет, и др. К пророческим научным идеям, намного опередившим свое время, следует отнести и предвидение П. Лапласом понятий гравитационного коллапса и черной дыры (см.: 11.5.7). Еще в 1795 г. он пришел в выводу, что свет не может уйти от очень массивного и сильно сжатого тела.

Вместе с тем концепции Канта присущи и принципиальные недостатки. Первый из них — представление о самопроизвольном возникновении вращения изолированной системы, первоначально находившейся в покое. Это представление противоречит закону сохранения момента количества движения в изолированной системе. Поэтому П. Лаплас был вынужден исходить из вращающегося облака материи как начального пункта.

Второй недостаток — противоречие с закономерностью распределения в Солнечной системе момента количества движения (mvr). На единицу массы вещества планет приходится в десятки тысяч раз больше лишнего количества движения, чем на такую же массу Солнца. Этого противоречия не избежал и Лаплас в своей космогонической модели.

248

Кантовская теория происхождения Вселенной была величайшим достижением астрономии со времен Коперника. Как Коперник разрушил геоцентризм — ядро аристотелевской картины мира, так Кант разрушил ядро метафизического мировоззрения — представления о том, что природа не имеет истории во времени. Кант впервые убедительно показал, что понять настоящее состояние природных систем можно только через знание истории развития этих систем.

7.2.5. Методологические установки классической астрономии.

Методологические установки классической физики стали принципиальной методологической базой всего классического естествознания. Методологические установки других естественных наук выступали в роли особенного по отношению к такому общему, как определенные модификации, учитывающие своеобразие объекта и процесса познания в данной науке. В полной мере это относится к астрономии.

Методологические установки классической астрономии состоят в следующем.

+ Признание объективного существования (до и независимо от человека и его сознания) предмета познания астрономической науки (космических тел, их систем и Вселенной в целом). В рамках метафизического мировоззрения XVII—XIX вв. такая материалистическая установка не дополнялась последовательным материалистическим решением проблемы происхождения мира. В качестве компромисса не исключалась деистическая трактовка происхождения мира. Вместе с тем проблемы космогонии не играли значительной методологической роли в классической астрономии. Как писал Дж. Гершель, «начало вещей и умозрение о творении не составляет задачи естествоиспытателя» [1].

1 Гершель Дж. Философия естествознания. СПб., 1868. С. 38.

+ Объективно существующая Вселенная (как объект астрономического познания) единственна, вечна во времени, бесконечна и безгранична в пространстве. Она представляет собой некую механическую систему множества миров (при этом не исключалась возможность их населенности), подобных нашей Солнечной системе (Дж. Бруно). Исходными составляющими космических тел являются атомы, движущиеся в пустоте.

249

+ Мир космических образований (в том числе Вселенная в целом) обладает определенной объективной структурой, изучение которой является главной задачей астрономии. Но классическая астрономия не доводит идею структурности до представления о целостной организации структурных компонентов Вселенной. Кроме того, структура космических объектов рассматривалась как неизменная (пусть даже и ставшая во времени), что обосновывалось постоянством силы тяготения. Эта установка классической астрономии уточнялась в ряде более конкретных допущений:

во-первых, Вселенная в целом и в отдельных частях макроскопична (структурные закономерности астрономических объектов разных масштабов качественно не отличаются от закономерностей, присущих окружающим нас на Земле телам);

во-вторых, Вселенная однородна и изотропна и в ней нет привилегированных точек или направлений (космологический постулат в «узком» смысле, впервые четко сформулированный Дж. Бруно);

в-третьих, Вселенная стационарна. Это не значит, что во Вселенной не происходят определенные процессы, изменения состояний космических тел и их систем. Но со временем не изменяются такие ее статистические характеристики, как распределение и яркость астрономических объектов (звезд, галактик), их средняя плотность (не равная нулю) в пространстве, и др.

+ Начиная с И. Канта, впервые показавшего действительную возможность научно обоснованного изучения истории становления Вселенной, одной из фундаментальных установок классической астрономии было представление о том, что Вселенная имеет свою историю, ее нынешнее состояние есть результат определенной эволюции. При этом считалось, что развитие космических тел есть постепенное очень медленное количественное эволюционирование, без скачков, перерывов постепенности, переходов количества в качество. Такое понимание дополнялось представлением о том, что эволюция Вселенной не нарушает ее структурную организацию и стационарность.

Данная установка конкретизировалась в ряде положений:

250

во-первых, факторы, которые вызывают изменение космических тел, сами остаются неизменными (в качестве таких факторов, как правило, рассматривались две силы — притяжения и отталкивания);

во-вторых, эволюция космических объектов протекает на фоне неизменных (абсолютных) пространства (евклидов трехмерный континуум) и времени;

в-третьих, основное направление эволюции космических тел — сгущение и конденсация межзвездного газа, диффузных образований, агрегация космического вещества (идея космогонии Канта-Лапласа);

в-четвертых, важное гносеологическое следствие: поскольку эволюционирование Вселенной не оказывает существенного влияния на ее структурную организацию, то в ходе описания структуры Вселенной ее историческим развитием можно пренебречь или свести его к нулю, внеся соответствующую поправку (космологический постулат в «широком» смысле: Вселенная однородна и изотропна не только в пространстве, но и во времени). Иначе говоря, допускалось, что учет исторического аспекта не является необходимым для решения всех астрономических проблем, прежде всего для познания наличной структуры Вселенной. Отсюда следовала недооценка роли космогонического аспекта в астрономических исследованиях, противопоставление космогонического аспекта и решения частных астрономических проблем, наличие разрыва между космогонией и наблюдательной астрономией в XVIII—XIX вв.

+ Мир астрономических объектов познаваем. Основой и критерием познания в астрономии является наблюдение (в оптическом диапазоне). Познаваем не только структурный, но и генетический (исторический) аспект астрономической реальности (хотя способы их познания существенно отличаются).

Гносеологические установки материалистического эмпиризма (в соответствии с которыми единственным источником и критерием нашего знания является опыт) в применении к астрономическому познанию конкретизировались в представлениях, во-первых, том, что эмпирической базой астрономии выступал не эксперимент (как в физике), а наблюдение; во-вторых, что недостаточность наблюдения компенсируется тем, что астрономическое наблюдение (в отличие от физического эксперимента) может осуществляться непрерывно.

251

+ Одной из характерных особенностей астрономического познания (как классического, так и современного) является то, что в астрономии нет свободы выбора условий наблюдения.

Необходимость учета условий познания была осознана в классической астрономии в большей степени, чем в классической физике, но в конечном счете принципиально решалась так же, как в механике. Методология классической астрономии исходила из того, что влиянием условий познания хотя и нельзя пренебречь, но его можно свести к нулю, введя соответствующие поправки в окончательный результат исследования. Такие поправки учитывали трансформацию картины объекта с учетом места и времени наблюдения, а также непрозрачность земной атмосферы для некоторых длин волн, поглощение света в направлении плоскости нашей Галактики и др.

+ Теоретическая основа астрономии одна — классическая механика.

С помощью законов классической механики можно описать все астрономические явления и процессы, и не только в Солнечной системе, но и во всей Вселенной, ибо законы физики, которые обнаружены на Земле, действуют повсеместно во Вселенной. Будущей астрономии, писал П. Лаплас, «не только не должно опасаться, что какое-либо новое светило опровергнет это (механическое. — В.Н.) начало, но можно сказать утвердительно заранее, что движение такого светила будет ему соответствовать» [1].

+ Результат астрономического познания — это некая теоретическая схема на базе классической механики. К такой схеме предъявляются те же требования, что и к любой теоретической схеме:

1 Лаплас П. Изложение системы мира. СПб., 1861. Т. 2. С. 335-336.

во-первых, отсутствие ссылок на субъект познания, т.е. в идеале — сведение всех величин к абсолютным и устранение относительных за счет выделения некой абсолютной системы отсчета;

во-вторых, однозначное применение понятий и их систем для описания явлений;

в-третьих, признание в любом исследовании резкой границы между содержанием познания и исследователем (наблюдателем);

252

в-четвертых, наглядное моделирование.

Считалось, что все эти признаки свидетельствуют об объективном характере содержания астрономического знания.

+ Среди методологических установок классической астрономии (как и классической физики) одной из важнейших была уверенность в том, что структура познавательной деятельности в области астрономии вечна и неизменна. Иначе говоря, ее методологические установки не будут подвергаться радикальным изменениям. «Астрономии, — писал Дж. Гершель, — не угрожают такие перевороты, от которых нередко изменяются черты наук менее совершенных, которые разрушают все наши гипотезы и запутывают все наши выводы» [1].

1 Гершель Дж. Очерки астрономии. М., 1861. Т. 1. С. 4.

Такова в общих чертах система методологических установок классической астрономии, которые направляли, ориентировали процесс астрономического познания с XVIII в. до середины XX в. Конечно, они сложились не сразу, а развивались вместе с развитием классической астрономии. Лишь в XX в. достижения астрономии привели к необходимости радикального качественного изменения системы ее методологических установок.

7.3. Возникновение и развитие научной химии

7.3.1. От алхимии к научной химии.

Во второй половине XVII в. алхимическая традиция постепенно исчерпывает себя. В течение более чем тысячи лет алхимики исходили из уверенности в неограниченных возможностях превращений веществ, в том, что любое вещество можно превратить в любое другое вещество. И хотя на долгом пути развития алхимии были получены и положительные результаты (описание многих химических превращений, открытие некоторых веществ, конструирование приборов, химической посуды, аппаратов и др.), тем не менее главные цели, которые ставили перед собой алхимики (искусственное получение золота, серебра, «философского камня», гомункула и др.), оказались недостижимыми. Все более укреплялось представление о том, что существует некоторый предел, граница взаимопревращения веществ. Этот предел определяется составом химических веществ. В XVII— XVIII вв. химия постепенно становится наукой о качественных изменениях тел, происходящих в результате изменения их состава (состав —> свойства —> функции).

253

Все это происходит на фоне развития технической химии (металлургия, стеклоделие, производство керамики, бумаги, спиртных напитков) (в трудах Г. Агриколы, И. Глаубера, Б. Палисси и др.) и открытия новых химических веществ. Начиная с XV в. представление о мире химических веществ, соединений быстро расширяется. Были открыты новые металлы (висмут, платина и др.), вещества с замечательными свойствами (например, фосфор). Развитие ремесла и промышленности обусловливает постоянную потребность в определенных химикалиях — селитре, железном купоросе, серной кислоте, соде, что дает импульс к созданию химических производств, а это в свою очередь стимулирует развитие научной химии.

Новому пониманию предмета химического познания способствовало возрождение античного атомизма. Здесь важную роль сыграли труды французского мыслителя П. Г а с с е н д и. Он критически воспринимал картезианское понимание материи, теорию вихрей Декарта, считая, что будущее естествознания связано с программой атомизма. Гассенди возрождает представление о том, что вечная и бесконечная Вселенная состоит из постоянно движущихся атомов (различной формы, размеров, неизменных, неделимых и т.д.) и пустоты, которая является условием возможности движения атомов и тел. Причем, если Декарт считал, что материя сама по себе пассивна и движение вносится в нее извне, Богом, то Гассенди считает материю активной. По его мнению, «атомы обладают и энергией, благодаря которой движутся или постоянно стремятся к движению» [1]. В этом Гассенди идет значительно дальше античных атомистов. Весьма важным в учении Гассенди было формулирование понятия молекулы, что имело конструктивное значение для становления научной химии.

1 Гессенди П. Сочинения. М., 1966. Т. 1. С. 165.

Развитие и конкретное приложение идей атомизма к химии осуществил Р. Бойль, который считал, что химия должна быть не служанкой ремесла или медицины, а самостоятельной наукой. Р. Бойль — инициатор организации Лондонского королевского общества, президентом которого он состоял с 1680 г. до самой смерти (1691).

254

Бойль исходил из представления о том, что качественные характеристики и превращения химических веществ могут быть объяснены с помощью понятия о движении, размерах, форме и расположении атомов. Он был на пути к научно обоснованному определению химического элемента как предела разложения вещества с данными свойствами. Так, он считал, что все разнообразные вещества могут быть разделены на простые вещества (элементы), сложные вещества и смеси, причем сложные вещества являются химически неделимыми и отличаются от смесей простых веществ.

Бойль разрабатывает не только теоретические, но и экспериментальные основы химии, обосновывает метод химического эксперимента. В химическом эксперименте, с точки зрения Бойля, главное то, что исследователь не может заранее предсказать, как поведут себя вещества в той или иной химической реакции. Химический эксперимент призван прежде всего заставить природу выдать ее тайны, а не подтверждать те или иные теоретические гипотезы. В трудах Бойля заложены основы аналитической химии (качественный анализ, применение различных индикаторов, например лакмус, для распознавания веществ, и др.), сформулирован фундаментальный физический закон, согласно которому объем газа обратно пропорционален изменению давления, и др.

7.3.2. Лавуазье: революция в химии.

Центральная проблема химии XVIII в. — проблема горения. Вопрос состоял в следующем: что случается с горючими веществами, когда они сгорают в воздухе? Для объяснения процессов горения немецкими химиками И. Бехером и его учеником Г. Э. Шталем была предложена теория флогистона (1697—1703). Флогистон — это некоторая невесомая субстанция, которую содержат все горючие тела и которую они утрачивают при горении. Тела, содержащие большое количество флогистона, горят хорошо; тела, которые не загораются, являются дефлогистированными. Эта теория позволяла объяснять многие химические процессы и предсказывать новые химические явления. В течение почти всего XVIII в. она прочно удерживала свои позиции, пока французский химик А. Л. Лавуазье в конце XVIII в. (опираясь на открытия К.В. Шееле сложного состава воздуха и Дж. Пристли кислорода, 1774) не разработал кислородную теорию горения.

255

Лавуазье показал, что все явления в химии, прежде считавшиеся хаотическими, могут быть систематизированы и сведены в закон сочетания элементов, старых и новых. К уже установленному до него списку элементов (металлы, углерод, сера и фосфор) он добавил новые — кислород, который вместе с водородом входит в состав воды, а также и другой компонент воздуха — азот. В соответствии с новой системой химические соединения делились в основном на три категории: кислоты, основания, соли. Лавуазье рационализировал химию и объяснил причину большого разнообразия химических явлений: она заключается в различии химических элементов и их соединений.

Лавуазье раз и навсегда покончил со старой алхимической номенклатурой, основанной на случайных ассоциациях — «винное масло», «винный камень», «свинцовый сахар» и др. Он ввел (при активном участии К.Л. Бертолле) новую номенклатуру, которая исходила из того, что каждое химическое вещество должно иметь одно определенное название, характеризующее его функции и состав. Например, оксид калия состоит из калия и кислорода, хлорид натрия — из натрия и хлора, сульфид водорода — из водорода и серы, и т.д. Кроме того, Лавуазье поставил вопрос и о количествах, в которых сочетаются различные элементы между собой, и с помощью закона сохранения материи привел химию к представлению о необходимости количественного выражения пропорций, в которых сочетались элементы.

С помощью ряда великолепно задуманных и проведенных экспериментов Лавуазье смог также показать, что живой организм действует точно таким же образом, как и огонь, сжигая содержащиеся в пище вещества и высвобождая энергию в виде теплоты.

Лавуазье осуществил научную революцию в химии: он превратил химию из совокупности множества не связанных друг с другом рецептов, подлежавших изучению один за одним, в общую теорию, основываясь на которой можно было не только объяснять все известные явления, но и предсказывать новые.

7.3.3. Победа атомно-молекулярного учения.

Следующий важный шаг в развитии научной химии был сделан Дж. Дальтоном, ткачом и школьным учителем из Манчестера. Изучая химический состав газов, он исследовал весовые количества кислорода, приходящиеся на одно и то же весовое количество вещества (на-

256

пример, азота) в различных по количественному составу окислах, и установил кратность этих количеств. Например, в пяти окислах азота (N2O, NO, N2O3, NO2 и N2O5) количество кислорода относится на одно и то же весовое количество азота как 1 : 2 : 3 : 4 : 5. Так был открыт закон кратных отношений.

Дальтон правильно объяснил этот закон атомным строением вещества и способностью атомов одного вещества соединяться с различным количеством атомов другого вещества. При этом он ввел в химию понятие атомного веса.

И тем не менее в начале XIX в. атомно-молекулярное учение в химии с трудом пробивало себе дорогу. Понадобилось еще полстолетия для его окончательной победы. На этом пути был сформулирован ряд количественных законов (закон постоянных отношений Пруста, закон объемных отношений Гей-Люссака, закон Авогадро, согласно которому при одинаковых условиях одинаковые объемы всех газов содержат одно и то же число молекул), которые получали объяснение с позиций атомно-молеку-лярных представлений. Для экспериментального обоснования атомистики и ее внедрения в химию много усилий приложил Й.Я. Берцелиус. Окончательную победу атомно-молекулярное учение (и опирающиеся на него способы определения атомных и молекулярных весов) одержало на 1-м Международном конгрессе химиков (1860).

В 1850—1870-е гг. на основе учения о валентности химической связи была разработана теория химического строения (A.M. Бутлеров, 1861), которая обусловила огромный успех органического синтеза и возникновение новых отраслей химической промышленности (производство красителей, медикаментов, нефтепереработка и др.), а в теоретическом плане открыла путь теории пространственного строения органических соединений — стереохимии (Я.Х. Вант-Гофф, 1874). Во второй половине XIX в. складываются физическая химия, химическая кинетика — учение о скоростях химических реакций, теория электролитической диссоциации, химическая термодинамика. Таким образом, в химии XIX в. сложился новый общий теоретический подход — определение свойств химических веществ в зависимости не только от состава, но и от структуры.

257

Развитие атомно-молекулярного учения привело к идее о сложном строении не только молекулы, но и атома. В начале ХГХ в. эту мысль высказал английский ученый У. Праут на основе результатов измерений, показывавших, что атомные веса элементов кратны атомному весу водорода. Праут предложил гипотезу, согласно которой атомы всех элементов состоят из атомов водорода. Новый толчок для развития идеи о сложном строении атома дало великое открытие Д. И. Менделеевым (1869) периодической системы элементов, которая наталкивала на мысль о том, что атомы не являются неделимыми, что они обладают структурой и их нельзя считать первичными материальными образованиями.

7.4. Биология

7.4.1. Образы, идеи, принципы и понятия биологии XVIII в.

Особое место занимает XVIII в. в истории биологии. Именно в XVIII в. в биологическом познании происходит коренной перелом в направлении систематической разработки научных методов познания и формирования предпосылки первой фундаментальной биологической теории — теории естественного отбора.

В плеяде выдающихся биологов XVIII в. звезды первой величины — Ж. Бюффон и К. Линней. В своем творчестве они придерживались разных исследовательских традиций, воплощавших для них различные жизненные ориентиры.

Бюффон в 36-томной «Естественной истории» одним из первых (хотя и в натурофилософской, спекулятивной, и даже эклектичной) форме изложил концепцию трансформизма — ограниченной изменчивости видов и происхождения видов в пределах относительно узких подразделений (от одного единого предка) под влиянием среды. Он догадывался о роли искусственного отбора и как предшественник Э. Жоффруа Сент-Илера сформулировал идею единства живой природы и единства плана строения живых существ (на основе представления о биологическом атомизме), ставил вопрос о необходимости изменения представления о возрасте Земли, его увеличения по крайней мере до 70 тыс. лет и более.

К. Линней своей искусственной классификацией (другая тогда была еще невозможна) подытожил длительный исторический период эмпирического накопления биологических знаний. Он разделил царства растений и животных на иерархически соподчиненные таксоны — классы, отряды, роды, виды; и описал свыше 10 тыс. видов растений и свыше 4 тыс. видов животных. Положив начало научной систематике, Линней оказал огромное влияние на дальнейшее развитие биологии, готовил почву для развития эволюционных идей.

258

Важно то, что Линней осознавал ограниченность искусственной системы и ее возможности. «Искусственная система, — писал он, — служит только до тех пор, пока не найдена естественная. Первая учит только распознавать растения. Вторая научит нас познать природу самого растения» [1]. Естественная система есть идеал, к которому должны стремиться ботаника и зоология. «Естественный метод есть последняя цель ботаники»,— отмечал Линней [2]; его особенность в том, что он «включает все возможные признаки. Он приходит на помощь всякой системе, закладывает основание для новых систем. Неизменный сам по себе, он стоит непоколебимо, хотя открываются все новые и новые бесконечные роды. Благодаря открытию новых видов, он лишь совершенствуется путем устранения излишних примет» [3]. То, что Линней называет «естественным методом», есть, в сущности, некоторая фундаментальная теория живого. Всю жизнь он работал над созданием не только искусственной, но и естественной классификации живой природы, осознавая при этом ее преждевременность, отсутствие необходимых теоретических предпосылок.

1 Цит. по: Амлинский И.Е. «Философия ботаники» Линнея: содержание и критический анализ // Идея развития в биологии. М., 1965. С. 7.
2 Там же. С. 33.
3 Там же. С. 34.

Таким образом, историческая заслуга Линнея в том, что через создание искусственной системы он подвел биологию к необходимости рассмотрения колоссального эмпирического материала с позиций общих теоретических принципов, разработка которых была делом будущих поколений биологов.

В XVIII в. идеи естественной классификации развивались И. Гертнером, М. Адансоном и Б. Жюсьё, который в ботаническом саду Трианона в Версале рассадил растения в соответствии со своими представлениями об их родстве. Первые естественные системы не опирались на представление об историческом развитии организмов, а предполагали лишь некоторое их «сродство». Но сама постановка вопроса о «естественном сродстве» инициировала выявление объективных закономерностей единого плана строения живого.

259

В середине XVIII в. среди биологов еще не утвердилась мысль о том, что объяснение организации живого находится в прямой зависимости от понимания истории его развития. Вместе с тем постановка и обоснование задачи создания естественной системы означали, что начинается этап формирования предпосылок первой фундаментальной теории в биологии, вскрывающей «механизм» происхождения органических видов. Но такие предпосылки формировались не только в систематике, но и в эмбриологии.

В первой половине XVIII в. борьба преформизма и эпигенеза особенно обостряется. Все более четко проявляется различие их философско-методологических оснований. Преформисты (Ш. Бонне, А. Галлер и др.), опиравшиеся на абстрактно-умозрительную традицию, считали, что проблема эмбрионального развития должна получить свое разрешение с позиций всеобщих принципов бытия, постигаемых исключительно разумом, и поэтому без особого энтузиазма относились к эмпирическим исследованиям в эмбриологии. Сторонники теории преформации, как правило, были рационалистами и считали, что разум определяет конечный результат познания независимо от результатов наблюдения.

На иных философско-методологических «строительных лесах» возводилась концепция эпигенеза. Выражая стихийно-эмпирическую традицию, эта концепция нацеливала исследователей на наблюдательные и экспериментальные операции над процессом образования организма из бесструктурной, неоформленной" изначальной субстанции. Для сторонников эпигенеза характерна постоянная приверженность опытному изучению эмбриогенеза.

Философские основания эпигенеза в ходе его исторического развития не оставались неизменными. Так, ранний эпигенез XVII в., представленный, например, в работах У. Гарвея, опирался на аристотелизм и объяснял новообразования в эпигенезе с телеологических позиций как следствие «стремления к совершенству». В XVIII в. усиливается тенденция материалистического истолкования эмбриогенеза, что становится особенно заметным в трудах К. Вольфа, который пытался переосмыслить эпигенез в духе материализма и методологических установок физики. Вольф трактовал эпигенез как результат действия двух существенных начал — силы, регулирующей питательные соки, и способности их затвердевания.

260

Позиция эпигенеза также была более перспективной, чем позиция преформизма, в проблеме зарождения жизни. Эпигенетики отказались от идеи божественного творения живого и сумели подойти к научной постановке проблемы происхождения жизни. Уже Вольф сделал недвусмысленный вывод о принципиальной возможности возникновения органических тел в природе... путем зарождения их из неорганических веществ.

Таким образом, система биологического познания в конце XVIII в. подошла к рубежу, который требовал перехода на качественно новый уровень организации средств познания в связи с проблемами эмбриогенеза и создания естественной системы. Лейтмотивом нового этапа развития биологии стала идея эволюции.

7.4.2. От концепций трансформации видов к идее эволюции.

Начиная с середины XVIII в. концепции трансформизма получили широкое распространение. Их было множество, и различались они представлениями о том, какие таксоны и каким образом могут претерпевать качественные преобразования. Наиболее распространенной была точка зрения, в соответствии с которой виды остаются неизменными, а разновидности могут изменяться. Стоявший на этой точке зрения К. Линней писал: «Вид, род всегда являются делом природы, разновидность — чаще всего дело культуры; классический порядок — дело природы и искусства вместе» [1]. Наряду с такой точкой зрения существовала и другая, допускавшая трансформацию самих видов (Ж. Бюффон). Допущение изменчивости видов в ограниченных пределах под воздействием внешних условий, гибридизации и проч. характерно для целого ряда трансформистов XVIII в. В некоторых трансформистских концепциях даже допускалась возможность резких превращений одних организмов в другие, взаимных преобразований любых таксонов. Трансформизм — это полуэмпирическая позиция, построенная на основе обобщения большого числа фактов, свидетельствовавших о наличии глубинных взаимосвязей между видами, родами и другими таксонами. Но сущность этих глубинных взаимосвязей пока еще не была понята. «Выход» на познание такой сущности и означал переход от трансформизма к эволюционизму.

1 Цит. по: Амлинский И.Е. Указ. соч. С. 33.

261

Чтобы перейти от представления о трансформации видов к идее эволюции, исторического развития видов, было необходимо, во-первых, «обратить» процесс образования видов в историю, увидеть созидающе-конструктивную роль фактора времени в историческом развитии организмов; во-вторых, выработать представление о возможности порождения качественно нового в таком историческом развитии. Переход от трансформизма к эволюционизму в биологии произошел на рубеже XVIII—XIX вв.

Социокультурные предпосылки идеи биологической эволюции складывались на основе отражения радикальных преобразований социально-экономического базиса общества, роста динамизма экономических и политических сторон жизни, бурных революционных потрясений XVII—XVIII вв., прежде всего Английской и Французской революций, культурного прогресса, под влиянием развития философии и естествознания (космологии, геологии и др.).

Важным являлся и мировоззренческий аспект проблемы историзма живого: куда заведет исследование истории живого — вглубь материальных, природных процессов или в сферу духовно-божественного? Многие идеалистически настроенные естествоиспытатели связывали перспективы биологического познания именно с ориентацией на внематериальные факторы. Так, в 1836 г. К.М. Бэр писал, что «всякое бытие есть не что иное, как продолжение создания, и все естественные науки — только длинное пояснение единого слова: да будет!» [1] Материалистическая конструктивная линия в этом вопросе на рубеже XVIII—XIX вв. была выражена деизмом, который, как известно, для материалиста есть не более как удобный и простой способ отделаться от религии. Деизм позволял материалистически решать вопрос о природе факторов, обеспечивающих развитие органических форм, объяснить их прогрессивное историческое восхождение.

1 Бэр К. Взгляд на развитие наук // Избранные произведения русских естествоиспытателей первой половины XIX века. М., 1959. С. 219.

262

Большой вклад в проведение материализма под оболочкой деизма в методологию биологического познания внес французский естествоиспытатель Ж.Б. Ламарк. Он считал совершенно различными два процесса: творение и производство. Творение нового -это божественный акт, производство — естественный закономерный процесс порождения природой новых форм. «Творить может только Бог,— утверждал Ламарк, — тогда как природа может только производить. Мы должны допустить, что для своих творений божеству не нужно время, между тем как природа может действовать только в пределах определенного времени» [1] и «создавать все доступные нашему наблюдению тела, и производить все происходящие в них перемены, видоизменения, даже разрушения и возобновления» [2]. Природные формы не содержат в себе ничего, что связывало бы их с божественной субстанцией, и поэтому их познание должно ориентироваться исключительно лишь на материальные причины. Не случайно, что именно Ламарк был одним из тех первых естествоиспытателей, которые перевели идею эволюции органического мира на уровень теории эволюции. Его идеи нашли отклик в Германии, где в начале ХГХ в. убежденным сторонником представления об эволюции живой природы из бесформенной материи, всех видов живых существо от одного корня выступал, Г.Р. Тревиранус. Он предлагал воссоздать картину исторического развития живого в виде родословного древа органического мира.

1 Ламарк Ж. Б. Аналитическая система положительных знаний человека, полученная прямо или косвенно из наблюдений // Избранные произведения: В 2 т. М., 1959. Т. 2. С. 354.
2 Там же. С. 353.

Что касается собственно биологического материала, то здесь особую роль сыграла необходимость осмысления природы «лестницы существ», т.е. образа последовательно расположенных непрерывно усложняющихся органических форм (Ш. Бонне), создание и развитие биостратиграфии, палеонтологии, систематики, эмбриологии, а также исторической геологии и др.

Идея развития выступила тем конструктивно-организующим началом, которое ориентировало накопление эмпирических и теоретико-методологических предпосылок теории эволюции. В ходе конкретизации этой идеи был построен ряд важных теоретических гипотез, развивавших различные принципы, подходы к теории эволюции. К самым значительным и относительно завершенным гипотезам следует отнести: ламаркизм, катастрофизм и униформизм.

263

7.4.3. Ламаркизм. Ж. Б. Л а м а р к, ботаник при Королевском ботаническом саде, первый предложил развернутую концепцию эволюции органического мира. Он остро осознавал необходимость формулирования новых теоретических целей, методологических установок биологического познания; потребность в обобщающей теории развития органических форм; необходимость решительного разрыва со схоластикой и верой в авторитеты; ориентации на познание объективных закономерностей органических систем. Определенную роль сыграл и научный элитаризм, который позволял Ламарку, боровшемуся в одиночку за свои идеи, отгораживаться от устаревших точек зрения, стандартов, норм, критериев, креационистского невежества своего времени и т.п.

Предпосылкой создания этой концепции явился тот колоссальный эмпирический материал, который был накоплен в биологии к началу XIX в., систематизирован в искусственных системах, зачатках естественной систематики. Ламарк существенно расширил этот материал, введя зоологию беспозвоночных, которая до него должным образом не оценивалась как источник для эволюционистских обобщений. Базой ламарковской концепции эволюции послужили следующие важные фактические обстоятельства: наличие в систематике разновидностей, которые занимают промежуточное положение между двумя видами; изменение видовых форм при переходе их в иные экологические и географические условия; трудности классификации близких видов и наличие в природе большого количества так называемых сомнительных видов, факты гибридизации, и особенно отдаленной, в том числе и межвидовой; обнаружение ископаемых форм; изменения, претерпеваемые животными при их одомашнивании, а растениями при их окультуривании, и др.

Эти данные Ламарк обобщает на основе ряда новых для того времени теоретических и методологических представлений. Во-первых, он настойчиво подчеркивает важность времени как фактора эволюции органических форм. Во-вторых, последовательно проводит представление о развитии органических форм как о естественном процессе восхождения их от высших к низшим. В-третьих, включает в свое учение качественно новые моменты в понимании роли среды в развитии органических форм. Если до Ламарка господствовало представление о том, что среда — это либо вредный для организма фактор, либо, в лучшем случае, нейтральный, то благодаря Ламарку среду стали понимать как условие эволюции органических форм.

264

Творчески синтезируя все эти эмпирические и теоретические компоненты, Ламарк сформулировал гипотезу эволюции, базирующуюся на следующих принципах:

+ принцип градации (стремление к совершенству, к повышению организации);
+ принцип прямого приспособления к условиям внешней среды, который, в свою очередь, кош ретизировался в двух законах:

во-первых, изменения органов под влиянием продолжительного упражнения (неупражнения) сообразно новым потребностям и привычкам;
во-вторых, наследования таких приобретенных изменений новым поколением.

Согласно этой теории, современные виды живых существ произошли от ранее живших путем приспособления, обусловленного их стремлением лучше гармонизировать с окружающей средой. Например, жираф, доставая растущие на высоком дереве листья, вытягивал свою шею, и это вытягивание было унаследовано его потомками. А длинная шея болотных птиц появилась как результат нежелания нырять для того, чтобы достать корм со дна, соответствующих тренировок, которые вызывали прилив крови и усилили рост шеи.

Хотя эволюционная концепция Ламарка казалась его современникам надуманной и мало кем разделялась, тем не менее она носила новаторский характер, была первой обстоятельной попыткой решения проблемы эволюции органических форм. Особенно важно то, что Ламарк искал объяснение эволюции во взаимодействии организма и среды и стремился материалистически трактовать факторы эволюции.

Главная теоретико-методологическая трудность, стоявшая перед Ламарком, заключалась в воспроизведении диалектического взаимодействия внешнего и внутреннего, организма и среды. Эту проблему решить ему не удалось. В результате внешний (эктогенез) и внутренний (автогенез) факторы эволюции в его концепции трактовались независимо друг от друга [1]. Кроме того, Ламарк

265

опирался на ряд исходных допущений, которые упрощали сам подход к проблеме: отождествление наследственной изменчивости и приспособления организма; историческая неизменяемость факторов эволюции и др. Поэтому не удивительно, что Ламарку не удалось решить фундаментальные проблемы, стоящие перед любой эволюционной концепцией (диалектика наследственности и изменчивости, проблема органической телеологии, взаимосвязь необходимости и случайности, и др.).

1 Это создавало возможность идеалистической трактовки автогенеза, что и нашло свое выражение в концепциях психоламаркизма (Э. Геринг, О. Гертвиг и др.).

В начале XIX в. наука еще не располагала достаточным материалом для того, чтобы ответить на вопрос о происхождении видов иначе, как предвосхищая будущее, пророчествуя о нем. Первым таким «пророком» и стал Ламарк.

7.4.4. Катастрофизм.

Иным образом конкретизировалась идея развития в учении катастрофизма (Ж. Кювье, Л. Агассис, А. Седжвик, У. Букланд, А. Мильн-Эдвардс, Р.И. Мурчисон, Р. Оуэн и др.). Здесь идея биологической эволюции выступала как производная от более общей идеи развития глобальных геологических процессов. Если Ламарк старался своей деистической позицией отодвинуть роль божественного «творчества», отгородить органический мир от вмешательства Творца, то катастрофисты, наоборот, приближают Бога к природе, непосредственно вводят в свою концепцию представление о прямом божественном вмешательстве в ход природных процессов. Катастрофизм есть такая разновидность гипотез органической эволюции, в которой прогресс органических форм объясняется через признание неизменяемости отдельных биологических видов. В этом, пожалуй, главное своеобразие данной концепции.

В системе эмпирических предпосылок катастрофизма можно указать следующие: отсутствие палеонтологических связей между историческими сменяющими друг друга флорами и фаунами; существование резких перерывов между смежными геологическими слоями; отсутствие переходных форм между современными и ископаемыми видами; малая изменяемость видов на протяжении культурной истории человечества; устойчивость, стабильность современных видов; редкость случаев образования межвидовых гибридов; обнаружение обширных излияний лавы; обнаружение смены земных отложений морскими и наоборот; наличие целых серий перевернутых пластов, существование трещин в пластах и глубинных разломов коры. Длительность существования Земли в начале XIX в. оценивалась примерно в 100 тыс. лет — таким относительно небольшим сроком трудно объяснить эволюцию органических форм [1].

1 Вопрос о возрасте Земли — особая проблема. В течение многих веков возраст Земли считался равным нескольким тысячам лет, что следовало из библейского рассказа о сотворении мира. Однако к концу XVIII в. геология уже становилась настоящей наукой, и большинство геологов начали осознавать, что такие процессы, как образование осадочных пород или выветривание, имеют затяжной характер и совершаются за огромные промежутки времени. К. середине XIX в. отрезок времени в 100 тыс. лет «растянулся» до сотен миллионов лет. В настоящее время методами радиоактивного датирования возраст Земли оценивается в 4,6 млрд лет.

266

Теоретическим ядром катастрофизма являлся принцип разграничения действующих в настоящее время и действовавших в прошлом сил и законов природы. Силы, действовавшие в прошлом, качественно отличаются от тех, которые действуют сейчас. В отдаленные времена действовали мощные, взрывные, катастрофические силы, прерывавшие спокойное течение геологических и биологических процессов. Мощность этих сил настолько велика, что их природа не может быть установлена средствами научного анализа. Наука может судить не о причинах этих сил, а лишь об их последствиях. Таким образом, катастрофизм выступает как феноменологическая концепция.

Главный принцип катастрофизма раскрывался в представлениях о внезапности катастроф, о крайне неравномерной скорости процессов преобразования поверхности Земли, о том, что история Земли есть процесс периодической смены одного типа геологических изменений другим, причем между сменяющими друг друга периодами нет никакой закономерной, преемственной связи, как нет ее между факторами, вызывающими эти процессы. По отношению к органической эволюции эти положения конкретизировались в двух принципах:

+ коренных качественных изменений органического мира в результате катастроф;
+ прогрессивного восхождения органических форм после очередной катастрофы.

267

С точки зрения Кювье, те незначительные изменения, которые имели место в периоды между катастрофами, не могли привести к качественному преобразованию видов. Только в периоды катастроф, мировых пертурбаций исчезают одни виды животных и растений и появляются другие, качественно новые. Кювье писал: «Жизнь не раз потрясала на нашей земле страшными событиями. Бесчисленные живые существа становились жертвой катастроф: одни, обитатели суши, были поглощаемы потопами, другие, населявшие недра вод, оказывались на суше вместе с внезапно приподнятым дном моря, сами их расы навеки исчезали, оставив на свете лишь немногие остатки, едва различимые для натуралистов» [1]. Творцы теории катастрофизма исходили из мировоззренческих представлений о единстве геологических и биологических аспектов эволюции; непротиворечивости научных и религиозных представлений, вплоть до подчинения задач научного исследования обоснованию религиозных догм.

1 Кювье Ж. Рассуждение о переворотах на поверхности земного шара. М.; Л., 1937. С. 83.

Можно ли выделить инвариантные черты у видов, сменяющих друг друга после очередной катастрофы? По мнению Кювье, можно допустить существование такого сходства. Он выделял четыре основных типа животных (позвоночные, мягкотелые, членистые и лучистые), между которыми нет и не может быть переходных форм. С каждым типом соотносил определенный исторически неизменный «план композиции» (основу многообразия систем скоррелированных признаков организма). «План композиции» у катастрофистов — нематериальная сила, идеальный организующий центр божественного творения. По их мнению, добавление «творящей силы» после каждой очередной катастрофы определяет прогрессивное восхождение органических форм.

К фиолософско-методологической стороне концепции катастрофизма в отечественной литературе долгое время относились снисходительно, как к чему-то наивному, устаревшему и полностью ошибочному, отмечая лишь конкретные Достижения этой школы. (Так, Кювье по существу был создателем палеонтологии, сравнительной анатомии, теории корреляций в морфологии, исторической геологии; его теория корреляций позволяла по нескольким ископаемым фрагментам вымершего животного восстанавливать его целый облик; и др.) Однако такая оценка весьма поверхностна. Значение этой концепции в истории геологии и биологии велико. Философско-методологические идеи катастро-

268

физма способствовали развитию стратиграфии, связыванию истории развития геологического и биологического миров, введению представления о неравномерности темпов преобразования поверхности Земли, выделению качественного своеобразия определенных периодов в истории Земли, исследованию закономерностей повышения уровня организации видов в рамках общих ароморфозов и др. В исторической геологии и палеонтологии не потеряло своего значения и само понятие «катастрофа»: современная наука также не отрицает геологических катастроф. Они представляют собой «закономерный процесс, неизбежно наступающий на определенном этапе жизнедеятельности геологической системы, когда количественные изменения выходят за пределы ее меры» [1]. Критикуя упрощенные трактовки биологической эволюции, катастрофизм внес свой весьма весомый вклад в становление дарвинизма.

1 Зубков И. Ф. Проблема геологической формы движения материи. М., 1979. С. 170.

7.4.5. Униформизм.

Актуалистический метод. В XVIII — первой половине XIX в. была обстоятельно разработана концепция униформизма (Дж. Геттон, Ч. Лайель, М. В. Ломоносов, К. Гофф и др.). Если катастрофизм вводил в теорию развития Земли супранатуральные факторы и отказывался от научного исследования закономерностей и причин древних геологических процессов, то униформизм, наоборот, выдвигает принцип познаваемости истории Земли и органического мира. Униформисты выступали против катастрофизма, критикуя прежде всего неопределенность представления о причинах катастроф.

Униформизм складывался под влиянием успехов классической механики, прежде всего небесной механики, и галактической астрономии, представлений о бесконечности и безграничности природы в пространстве и времени. Одним из его следствий была точка зрения о том, что в природе человек как субъект познания не находит признаков начала мира и в будущем тоже не видит предварительных указаний на его конец (Дж. Геттон).

269

Ядром униформизма являлся актуалистический метод, который, по замыслу его основоположников (прежде всего Ч. Лайеля, с которым молодой Ч. Дарвин был лично знаком и дружен), должен был стать ключом для познания древних геологических процессов для установления связи, преемственности космологии и геологии. Актуалистический метод предполагал преемственность прошлого и настоящего, тождественность современных и древних геологических процессов. По характеру современных геологических процессов можно с определенной степенью приближения описать закономерности древних процессов, в том числе и образование горных пород. Пропагандируя всемогущество актуалистического метода, Лайель писал, что с его помощью человек становится способным «не только исчислять миры, рассеянные за пределами нашего слабого зрения, но даже проследить события бесчисленных веков, предшествовавших созданию человека и проникнуть в сокровенные тайны океана или внутренностей земного шара» [1]. Вместе с тем сам Лайель систематически применял актуалистический метод лишь к неживой природе, а в области органических процессов он делал серьезные уступки катастрофизму, допуская возможность актов божественного творения органических форм.

1 Лайель Ч. Основные начала геологии. СПб., 1866. Ч. 1. С. 229.

К эмпирическим предпосылкам концепции униформизма следует отнести: установление того, что возраст Земли намного больше, чем предполагали катастрофисты; данные изучения латеральной смены фаций в пределах одного стратиграфического горизонта; консолидацию и превращение известковых мергелей в сцементированную породу; способность рек прорезать глубокие ущелья в пластах лавы; установление причинной связи между вулканизмом и тектоническими нарушениями; установление того, что третичное время состоит в действительности из нескольких периодов (эоцен, миоцен, ранний и поздний плиоцен) (см. 13.3.1), которые были весьма продолжительными, для того чтобы накопились мощные осадки и произошли значительные изменения в органическом мире; факты медленных, без катастроф поднятий суши (в частности, островов) и др.

Униформизм опирался на следующие теоретические принципы:

+ однообразие действующих факторов и законов природы, их неизменяемость на протяжении истории Земли;
+ непрерывность действия факторов и законов, отсутствие всяческих переворотов, скачков в истории Земли;

270

+ суммирование мелких отклонений в течение громадных периодов времени;
+ потенциальная обратимость явлений и отрицание прогресса в развитии.

Тем не менее и униформизм являлся весьма ограниченной теорией развития: сведя развитие к цикличности, он не видел в нем необратимости; с точки зрения сторонников униформизма, Земля не развивается в определенном направлении, она просто изменяется случайным, бессвязным образом.

7.4.6. Дарвиновская революция.

И ламаркизм, и катастрофизм, и униформизм — гипотезы, которые были необходимыми звеньями в цепи развития предпосылок теории естественного отбора, промежуточными формами конкретизации идеи эволюции. Эти гипотезы значительно отличаются между собой и своими целевыми ориентациями, и степенью разработанности. Так, катастрофизм и униформизм ориентировались преимущественно на геологическую проблематику, и для них характерно отсутствие развернутых представлений о факторах эволюции органического мира.

Трудности создания теории эволюции были связаны со многими обстоятельствами. Прежде всего с господством среди биологов представления о том, что сущность органических форм неизменна и внеприродна и как таковая может быть изменена только Богом. Не сложились объективные критерии процесса и результата биологического исследования. Так, не было ясности, каким образом надо строить научную аргументацию и что является ее решающим основанием. Доказательством часто считали либо наглядные демонстрации (как говорил Ч. Лайель: «Покажите мне породу собак с совершенно новым органом, и я тогда поверю в эволюцию»), либо абстрактно-умозрительные соображения натурфилософского порядка. Не ясен был характер взаимосвязи теории и опыта. Долгое время, вплоть до начала XX в., многие биологи исходили из того, что одного факта, несовместимого с теорией, достаточно для ее опровержения.

271

Был неразвит и понятийный аппарат биологии. Это проявлялось, во-первых, в недифференцированности содержания многих понятий. Например, отождествлялись реальность и неизменность видов; изменяемость видов считалась равнозначной тому, что вид реально не существует, а есть результат классифицирующей деятельности мышления ученого. Во-вторых, плохо постигались диалектические взаимосвязи, например взаимосвязь видообразования и вымирания. Так, Ламарк исходил из того, что видообразование не нуждается в вымирании, а определяется только приспособляемостью и передачей приобретенных признаков по наследству. А те, кто обращал внимание на вымирание (например, униформисты), считали, что вымирание несовместимо с естественным образованием видов и предполагали участие в этом процессе Творца. Следовательно, было необходимо вырабатывать новые понятия и представления, новые закономерности, отражающие диалектический характер отношения организма и среды.

Эмпирические предпосылки эволюционной теории обусловливались всем ходом развития палеонтологии, эмбриологии, сравнительной анатомии, систематики, физиологии, биогеографии, геологии, других наук, а также достижениями селекционной практики во второй половине XVIII — первой половине XIX в. Большое значение для утверждения теории развития имела идея единства растительного и животного миров. Содержанием этой идеи являлось представление о том, что единство органического мира должно иметь свое морфологическое выражение, проявляться в определенном структурном подобии организмов. В 1830-е гг. М. Шлейден и Т. Шванн разработали клеточную теорию, в соответствии с которой образование клеток является универсальным принципом развития любого (и растительного, и животного) организма; клетка.— неотъемлемая элементарная основа любого организма (см. 8.3.2).

Чарльз Дарвине создании своей эволюционной теории опирался на колоссальный эмпирический материал, собранный как его предшественниками, так и им самим в ходе путешествий, прежде всего кругосветного путешествия на корабле «Бигль». «Путешествие на «Бигле», — писал Дарвин в автобиографии, — было самым значительным событием моей жизни, определившим весь мой дальнейший жизненный путь» [1]. Именно анализ разновозрастной фауны Южной Америки и Галапагосских островов привел его к представлению об эволюции в пространстве и во времени, открытию принципа дивергенции (расхождения признаков у потомков общего предка), нацелил на выявление движущих факторов эволюции.

1 Дарвин Ч. Воспоминания о развитии моего ума и характера. Автобиография. М., 1957. С. 90.

272

Основные эмпирические обобщения, наталкивающие на идею эволюции органических форм, Дарвин привел в работе «Происхождение видов» (1859). Дарвин был с юных лет знаком с эволюционными представлениями, неоднократно сталкивался с высокими оценками эволюционных идей. В своем творчестве он опирался на представление (сформировавшееся в недрах униформизма) о полной познаваемости закономерностей развития природы, возможности их объяснения на основе доступных для наблюдения сил, факторов, процессов. Дарвину всегда были присущи антикреационистские и антителеологические воззрения; он отрицательно относился к антропоцентризму и был нацелен на рассмотрение происхождения человека как части, звена единого эволюционного процесса. Определенную конструктивную роль в выработке принципов селекционной теории эволюции сыграло утверждение (сформулированное Т.Р. Мальтусом) о том, что имеется потенциальная возможность размножения особей каждого вида в геометрической прогрессии.

Свою теорию Дарвин строит на придании принципиального значения таким давно известным до него фактам, как наследственность и изменчивость. От них отталкивался и Ламарк, непосредственно связывая эти два понятия представлением о приспособлении. Приспособительная изменчивость передается по наследству и приводит к образованию новых видов – такова основная идея Ламарка. Дарвин понимал, что непосредственно связывать наследственность, изменчивость и приспособляемость нельзя.

Дарвин разграничивает два вида изменчивости — определенная и неопределенная.

Определенная изменчивость (в современной терминологии — адаптивная модификация) – способность всех особей одного и того же вида в определенных условиях внешней среды одинаковым образом реагировать на эти условия (климат, пищу и др.). По современным представлениям, адаптивные модификации не наследуются и потому не могут поставлять материал для органической эволюции. (Дарвин допускал, что определенная изменчивость в некоторых исключительных случаях может такой материал поставлять.)

273

Неопределенная изменчивость (в современной терминологии -мутация) предполагает существование изменений в организме, которые происходят в самых различных направлениях. Неопределенная изменчивость в отличие от определенной носит наследственный характер, и незначительные отличия в первом поколении усиливаются в последующих. Неопределенная изменчивость тоже связана с изменениями окружающей среды, но уже не непосредственно, что характерно для адаптивных модификаций, а опосредованно. Дарвин подчеркивал, что решающую роль в эволюции играют именно неопределенные изменения.

Сейчас мы понимаем, что неопределенная изменчивость связана обычно с вредными и нейтральными мутациями, но возможны и такие мутации, которые в определенных условиях оказываются перспективными, способствуют органическому прогрессу. Дарвин не ставил вопроса о конкретной природе неопределенной изменчивости. В этом проявилась его интуиция гениального исследователя, осознающего, что еще не пришло время для понимания этого феномена [1].

1 Высказанные им соображения о «пангенезисе» носили откровенно натурфилософский характер, что было ясно и самому Дарвину.

Кроме того, в цепь наследственность – изменчивость Дарвин вводил два посредствующих звена.

Первое звено связано с понятием «борьба за существование». Оно отражает то обстоятельство, что каждый вид производит больше особей, чем их выживает до взрослого состояния; среднее количество взрослых особей находится примерно на одном уровне; каждая особь в течение своей жизнедеятельности вступает в множество отношений с биотическими и абиотическими факторами среды (отношения между организмами в популяции, между популяциями в биогеоценозах, с абиотическими факторами среды и др.).

Второе посредствующее звено, отличающее теорию эволюции Дарвина от ламаркизма, состоит в представлении о естественном отборе как механизме, который позволяет выбраковывать ненужные формы и образовывать новые виды. Борьба за существование неизбежно приводит к гибели определенного числа особей в каждом поколении и выборочному участию особей в размножении. В результате размножаются наиболее приспособленные особи каждого вида, передающие из поколения в поколение новые

274

свойства. Накопление новых свойств приводит к видообразованию и прогрессивной эволюции органического мира. Таким образом, естественный отбор — творческая сила; он является движущим фактором эволюции, причиной ее протекания. Тезис о естественном отборе является ведущим принципом дарвиновской теории, который позволяет разграничить дарвинистские и недарвинистские трактовки эволюционного процесса.

Успехи селекционной практики (главной стороной которой является сохранение особей с полезными, с точки зрения человека, свойствами, усиление этих свойств из поколения в поколение, осуществлявшееся в процессе ведущегося человеком искусственного отбора) послужили той эмпирической базой, которая привела Дарвина к идее естественного отбора. Прямых доказательств естественного отбора у Дарвина не было, такие доказательства были получены позже; вывод о существовании естественного отбора он делал по аналогии с отбором искусственным.

Таким образом, дарвиновская теории эволюции опирается на следующие принципы:

+ борьбы за существование;
+ наследственности и изменчивости;
+ естественного отбора.

Эти принципы являются краеугольным основанием научной биологии.

Э. Геккель называл Дарвина «Ньютоном органического мира». Символично, что в Вестминстерском аббатстве Дарвин похоронен рядом с И. Ньютоном. В этом сближении имен двух великих ученых есть большой смысл. Как Ньютон завершил труды своих предшественников созданием первой фундаментальной физической теории — классической механики, так Дарвин довел до завершения процесс поиска форм конкретизации идеи эволюции, создал первую фундаментальную теорию в биологии — теорию естественного отбора и заложил основания способа познания исторического аспекта органических систем.

7.4.7. Методологические установки классической биологии.

Методологические установки классической биологии развивались медленно, начиная с середины XVIII в. вплоть до начала XX в. В общих чертах содержание методологических установок классической биологии состоит в следующем.

275

+ Признание объективного, не зависящего от сознания и воли человека, существования органических форм — главная мировоззренческая посылка биологического познания. При всем различии мировоззренческих позиций, биологи исходили из того, что органический мир существует независимо от сознания его исследователей; субъективно-идеалистические представления не играли существенной роли в биологическом познании.

Вместе с тем единство в вопросе об объективном существовании органических форм не исключало различий взглядов на роль материальных и идеальных факторов в происхождении и функционировании органических форм. В биологии гораздо дольше, чем в других отраслях естествознания, сосуществовали объективно-идеалистическая и материалистическая трактовки природы объекта. По мере развития биологии стихийная материалистическая ориентация ученых становилась все более весомой; радикальный перелом произошел в середине XVIII в., хотя еще вплоть до XX в. появлялись рецидивы витализма. В XIX в. укреплялось представление о том, что мир органических форм, мир живого образовался естественным образом, порожден материальной природой без прямого либо косвенного вмешательства потусторонних сил. Формирование такой установки было важнейшей предпосылкой преобразования биологического познания в науку.

+ Классическая биология исходила из того, что мир живого, органических форм имеет определенные объективные закономерности, порядок, структуру; эти закономерности познаваемы средствами науки. Классическое биологическое познание концентрировалось лишь на одном качественно определенном уровне организации живого (организменном либо клеточном, реже — тканевом), который одновременно считался и первичным. Все надорганизменные уровни (колонии, популяции, вид, биоценоз, биосфера) рассматривались как производные, вторичные, для которых характерны лишь аддитивные, а не интегративные свойства. Это — ориентация на моносистемность.

+ Важную методологическую роль играло представление о том, что органический мир есть, с одной стороны, некое многообразие форм, явлений, процессов, а с другой стороны, одновременно должен представлять собой и некоторое единство. С середины XVIII в. пробивала себе дорогу мысль, что материалистическое понимание такого единства может лежать только в истории орга-

276

нического мира. Поэтому методологической установкой классической биологии, рубежом, разделявшим донаучный и научный этапы ее развития, выступало представление о том, что органический мир имеет свою историю, его нынешнее состояние есть результат предшествующей исторической естественной эволюции. Однако понимание историзма в методологии классической биологии было ограниченным. Это проявлялось, в частности, в том, что историзм, развитие, эволюция рассматривались как полностью обращенные в прошлое, исключительно ретроспективно, не доводились до настоящего, до современности. Такая установка сыграла негативную роль в истории дарвинизма, задержав экспериментальное исследование естественного отбора. Тем не менее важнейшим достижением классической биологии явилось представление о том, что природа живого может быть понята и объяснена только через знание его истории. История органического мира может и должна получить научно-рационалистическое и материалистическое объяснение.

+ На основе синтеза представлений о единстве (взаимосвязи) и историзме органического мира формируется принцип системности. Системное воспроизведение объекта предполагает выявление единства в предметном многообразии живого. Можно сказать, что научная биология начинается там, где на смену предметоцентризму приходит системоцентризм. Теория Дарвина, по сути, есть результат системного исследования.

+ В вопросе о характере познания методологические установки классической биологии формулируют в основном те же представления, что и методологические установки других естественных наук этого периода.

Познание — это обобщение фактов в несколько этапов, уровней (наблюдение, суждение, умозаключение, принципы, теория). Основой познания является наблюдение. Начинаясь с наблюдения, оно продолжается на уровне мыслительных процедур. К ним относятся: описание (как с помощью терминов языка (естественного), так и наглядным образом — с помощью рисунков, схем и др.); систематизация на основе определенных выделенных признаков объектов (высшей формой систематизации является классификация, когда выбор признаков связан с выделением существенных сторон объекта); сравнение, позволяющее выявлять законы объекта путем сопоставления существенных характеристик объекта (высокая эффективность метода сравнения вызвала к жизни такие науки, как сравнительная анатомия, сравнительная морфология, сравнительная физиология, сравнительная систематика и др.).

277

Содержательным является только первый уровень — уровень наблюдения как формы непосредственного чувственного контакта объекта с объектом. Мыслительные процедуры, акты деятельности разума не вносят в содержание биологического знания новых моментов, они лишь перерабатывают то, что получено в процессе наблюдения. Наблюдение как бы «переливает» содержание объекта в сознание субъекта. Таким образом, классическая биология (как и классические физика и астрономия) в своих методологических установках исходила преимущественно из эмпирического обоснования знания (единственной содержательной основой знания признавался чувственный опыт в виде наблюдения). В классической биологии эксперимент еще не рассматривался как важный метод эмпирического познания органических объектов. Классическая биология — это биология по преимуществу наблюдательная. Внедрение метода эксперимента в основные отрасли биологии, в том числе и в теорию эволюции,— заслуга XX в.

+ Факт нарушения реальной картины объекта в процессе микроскопического исследования осознавался, но при этом биологи исходили из того, что внесенными в ходе подготовки к наблюдению и самого наблюдения изменениями картины объекта можно либо пренебречь, либо внести на них поправку и тем самым свести их к нулю. Методологические установки классической биологии допускали следующие отношения между знанием и объектом познания: однозначное соответствие каждого элемента теории определенному элементу объекта (органического мира); наглядность биологических образов и представлений, понятий; отсутствие ссылки на условия познания в результате исследования.

+ Одним из важнейших методологических затруднений являлось непонимание диалектического пути развития теории, ее взаимосвязи с опытом, того обстоятельства, что на ранних этапах своего развития теория может не объяснить все факты ее предметной области. Потому господствовало представление, что один-единственный факт, противоречащий теории, может ее полностью опровергнуть. На основании такого методологического «стандарта» строились почти все попытки «закрыть» теорию эволюции Дарвина и попытаться заменить ее другой концепцией.

278

+ Методологические установки классической биологии в своей основе были метафизическими и поэтому неспособными выразить тождество противоположных сторон целостного системного объекта. Это отражалось в том, что всеобщие характеристики системной организации воспроизводились в противоположных методологических регулятивах.

Во-первых, по вопросу о природе целостности и способах ее отражения в познании существовали две противоположные методологические установки — редукционизм и целостный подход, которые в мировоззренческом плане воплощались в двух противостоящих друг другу позициях — механицизма и витализма. Редукционизм исходил из того, что органическая целостность может быть сведена к простой аддитивной сумме свойств составляющих ее (механических, физических и химических) частей, а целостный подход (в разных своих вариантах — холизм, органицизм и др.), подчеркивая качественное своеобразие целого по сравнению с его частями, считал таким основанием целостности некую супранатуральную субстанцию.

Во-вторых, в качестве противоположных методологических установок выступали механистический детерминизм и телеология. Первый игнорировал функциональное единство органических систем, а второй усматривал в целесообразности таких систем проявление идеалистической основы. Материалистическое преодоление телеологизма в биологии началось с учения Ч. Дарвина, который нанес смертельный удар телеологии в естествознании и объяснил ее рациональный смысл.

В-третьих, для методологических позиций классической биологии характерно противопоставление структурно-инвариантного и генетинеско-исторического подходов, ориентация на неизменность факторов эволюции, господство организмоцентрического мышления (исходной «клеточкой» рассмотрения органической эволюции выступал отдельный организм; организмоцентризм — конкретная биологическая форма предметоцентризма).

+ И наконец, классическая биология исходила из того, что структура познавательной деятельности в биологии неизменна, методологические принципы биологического познания исторически не развиваются.
.

Ваш комментарий о книге
Обратно в раздел Наука