Революція в природознавстві

Революція в природознавстві

Наприкінці 19 і початку 20 століття в природознавстві були зроблені найбільші відкриття, які докорінно змінили наші уявлення про картину миру. Насамперед це відкриття, зв'язані з будовою речовини, і відкриття взаємозв'язку речовини й енергії. Якщо раніше останніми неподільними частками матерії, своєрідними цеглинками, з яких складається природа, уважалися атоми, то наприкінці минулого століття були відкриті електрони, що входять до складу атомів. Пізніше була встановлена будова ядер атомів, що складаються із протонів (позитивно заряджених часток) і нейтронів (позбавлених заряду часток).

Відповідно до першої моделі атома, побудованої англійським ученим Ернестом Резерфордом (1871-1937), атом уподібнювався мініатюрній сонячній системі, у якій навколо ядра обертаються електрони. Така система була, однак, нестійкої: обертові електрони, втрачаючи свою енергію, зрештою повинні були впасти на ядро. Але досвід показує, що атоми є досить стійкими утвореннями й для їхнього руйнування потрібні величезні сили. У зв'язку із цим колишня модель будови атома була значно вдосконалена видатним датським фізиком Нільсом Бором (1885-1962), що припустив, що при обертанні по так званих стаціонарних орбітах електрони не випромінюють енергію. Така енергія випромінюється або поглинається у вигляді кванта, або порції енергії, тільки при переході електрона з однієї орбіти на іншу.

Значно змінилися також погляди на енергію. Якщо раніше передбачалося, що енергія випромінюється безупинно, то ретельно поставлені експерименти переконали фізиків, що вона може випускатися окремими квантами. Про це свідчить, наприклад, явище фотоефекта, коли кванти енергії видимого світла викликають електричний струм. Це явище, як відомо, використовується у фотоекспонометрах, якими користуються у фотографії для визначення витримки при експозиції.

В 30-е роки XX в. було зроблено інше найважливіше відкриття, що показало, що елементарні частки речовини, наприклад, електрони володіють не тільки корпускулярними, але й хвильовими властивостями. Таким шляхом було доведено експериментально, що між речовиною й полем не існує непрохідної границі: у певних умовах елементарні частки речовини виявляють хвильові властивості, а частки поля - властивості корпускул. Це явище одержало назву дуалізму хвилі й частки - уявлення, що ніяк не укладалася в рамки звичайного здорового глузду. До цього фізики дотримувалися переконання, що речовина, що складається з різноманітних матеріальних часток, може мати лише корпускулярні властивості, а енергія поля - хвильовими властивостями. Сполука в одному об'єкті корпускулярних і хвильових властивостей зовсім виключалося. Але під тиском незаперечних експериментальних результатів учені змушені були визнати, що мікрочастинки одночасно володіють як властивостями корпускул, так і хвиль.

В 1925-1927 р. для пояснення процесів, що відбуваються у світі дрібних часток матерії - мікросвіті, була створена нова хвильова, або квантова механіка. Остання назва й затвердилося за новою наукою. Згодом виникли й різноманітні інші квантові теорії: квантова електродинаміка, теорія елементарних часток і інші, які досліджують закономірності руху мікросвіту.

Інша фундаментальна теорія сучасної фізики - теорія відносності, яка у корені змінила наукові уявлення про простір і час. У спеціальній теорії відносності набутив подальшого застосування встановлений ще Галілеєм принцип відносності в механічному русі. Відповідно до цього принципу, у всіх інерціальних системах, тобто системах відліку, що рухаються друг щодо друга рівномірно й прямолінійно, всі механічні процеси відбуваються однаковим образом, і тому їхні закони мають коваріантну, або ту ж саму математичну форму. Спостерігачі в таких системах не помітять ніякої різниці в протіканні механічних явищ. Надалі принцип відносності був використаний і для опису електромагнітних процесів. Точніше кажучи, сама спеціальна теорія відносності з'явилася у зв'язку з подоланням труднощів, що виникли в цій теорії.

Важливий методологічний урок, що був отриманий зі спеціальної теорії відносності, полягає в тому, що вона вперше ясно показала, що всі рухи, що відбуваються в природі, мають відносний характер. Це означає, що в природі не існує ніякої абсолютної системи відліку й, отже, абсолютного руху, які допускала ньютонівська механіка.

Ще більш радикальні зміни у вченні про простір і час відбулися у зв'язку зі створенням загальної теорії відносності, що нерідко називають новою теорією тяжіння, принципово відмінної від класичної ньютонівської теорії. Ця теорія вперше ясно й чітко встановила зв'язок між властивостями матеріальних тіл, що рухаються, і їхньою просторово-тимчасовою метрикою. Теоретичні висновки з її були експериментально підтверджені під час спостереження сонячного затьмарення. Відповідно до пророкувань теорії, промінь світла, що йде від далекої зірки й проходить поблизу Сонця, повинен відхилитися від свого прямолінійного шляху й скривитися, що й було підтверджено спостереженнями. Тут же досить відзначити, що загальна теорія відносності показала глибокий зв'язок між рухом матеріальних тіл, а саме мас, що тяжіють, і структурою фізичного простору - часу.

Науково-технічна революція, що розгорнулася в останні десятиліття, внесла багато нового в наші подання про природничо-наукову картину миру. Виникнення системного підходу дозволило глянути на навколишній нас мир як єдине, цілісне утворення, що складається з величезної безлічі взаємодіючих один з одним систем. З іншого боку, поява такого міждисциплінарного напрямку досліджень, як сінергетика, або вчення про самоорганізацію, дало можливість, не тільки розкрити внутрішні механізми всіх еволюційних процесів, які відбуваються в природі, але й представити увесь світ як мир процесів, що самоорганізуються. Заслуга сінергетики складається насамперед у тім, що вона вперше показала, що процеси самоорганізації можуть відбуватися в найпростіших системах неорганічної природи, якщо для цього є певні умови (відкритість системи і її достатнє видалення від крапки рівноваги й деякі інші). Ніж складніше система, тим більше високий рівень мають у них процеси самоорганізації. Так, уже на передбіологічному рівні виникають процеси самовідновлення, які в живих системах виступають у вигляді взаємозалежних процесів асиміляції й дисиміляції. Головне досягнення сінергетики й виниклої на її основі нової концепції самоорганізації полягає в тому, що вони допомагають глянути на природу як на мир, що перебуває в процесі безперестанної еволюції й розвитку.

У якому відношенні сінергетичний підхід перебуває до загальносистемного?

Насамперед підкреслимо, що два цих підходи не виключають, а навпаки, припускають і доповнюють один одного. Дійсно, коли розглядають безліч яких-небудь об'єктів як систему, то звертають увагу на їхній взаємозв'язок, взаємодію й цілісність.

Сінергетичний підхід орієнтується на дослідження процесів зміни й розвитку систем. Він вивчає процеси виникнення й формування нових систем у процесі самоорганізації. Ніж складніше протікають ці процеси в різних системах, тим вище перебувають такі системи на еволюційних сходах. Таким чином, еволюція систем прямо пов'язана з механізмами самоорганізації. Дослідження конкретних механізмів самоорганізації й заснованої на ній еволюції становить завдання конкретних наук. Сінергетика ж виявляє й формулює загальні принципи самоорганізації будь-яких систем і щодо цього вона аналогічна системному методу, що розглядає загальні принципи функціонування, розвитку й будови будь-яких систем. У цілому ж системний підхід має більше загальний і широкий характер, оскільки поряд з динамічними, що розвиваються системами розглядає також системи статичні.

Ці нові світоглядні підходи до дослідження природничо-наукової картини миру вплинули як на конкретний характер пізнання в окремих галузях природознавства, так і на розуміння природи наукових революцій у природознавстві. Але ж саме з революційними перетвореннями в природознавстві зв'язана зміна подань про картину природи.

У найбільшій мері зміни в характері конкретного пізнання торкнулися наук, що вивчають живу природу. Перехід від клітинного рівня дослідження до молекулярного ознаменувався найбільшими відкриттями в біології, пов'язаними з розшифровкою генетичного коду, переглядом колишніх поглядів на еволюцію живих організмів, уточненням старих і появою нових гіпотез походження життя й багато чого іншого. Такий перехід став можливий у результаті взаємодії різних природничих наук, широкого використання в біології точних методів фізики, хімії, інформатики й обчислювальної техніки.

У свою чергу живі системи послужили для хімії тією природною лабораторією, досвід якої вчені прагнули втілити у своїх дослідженнях із синтезу складних сполук. Очевидно, у неменшому ступені навчання й принципи біології зробили свій вплив на фізику. Дійсно, як ми покажемо в наступних главах, подання про закриті системи і їхню еволюцію убік безладдя й руйнування перебувало в явному протиріччі з еволюційною теорією Дарвіна, що доводила, що в живій природі відбуваються виникнення нових видів рослин і тварин, їхнє вдосконалювання й адаптація до навколишнього середовища. Це протиріччя було дозволено завдяки виникненню нерівновагої термодинаміки, що опирається на нові фундаментальні поняття відкритих систем і принцип необоротності.

Висування на передній край природознавства біологічних проблем, а також особлива специфіка живих систем дали привід цілому ряду вчених заявити про зміну лідера сучасного природознавства. Якщо раніше таким безперечним лідером уважалася фізика, то тепер у такій якості усе більше виступає біологія. Основою пристрою навколишнього світу тепер зізнається не механізм і машина, а живий організм. Однак численні супротивники такого погляду не без підстави заявляють, що оскільки живий організм складається з тих же молекул, атомів, елементарних часток і кварків, те як і раніше лідером природознавства повинна залишатися фізика.

Очевидно, питання про лідерство в природознавстві залежить від безлічі різноманітних факторів, серед яких вирішальну роль грають значення лідируючої науки для суспільства, точність, розробленість і спільність методів її дослідження, можливість їхнього застосування в інших науках. Безсумнівно, однак, що самими вражаючими для сучасників є найбільш великі відкриття, зроблені в лідируючій науці, і перспективи її подальшого розвитку. Із цього погляду біологія другої половини XX сторіччя може розглядатися як лідер сучасного природознавства, тому що саме в її рамках були зроблені найбільш революційні відкриття.

Говорячи про революції в природознавстві, треба в першу чергу відмовитися від наївних і упереджених подань про їх, як процесах, пов'язаних з ліквідацією колишнього знання, з відмовою від наступності в розвитку науки й насамперед раніше накопиченого й перевіреного емпіричного матеріалу. Така відмова стосується головним чином колишніх гіпотез і теорій, які виявилися нездатними пояснити знову встановлені факти спостережень і результати експериментів.

Революційні перетворення в природознавстві означають корінні, якісні зміни в концептуальному змісті його теорій, навчань і наукових дисциплін. Розвиток науки аж ніяк не зводиться до простого нагромадження й навіть узагальненню фактів, тобто до того, що називають кумулятивним процесом. Факти завжди прагнуть пояснити за допомогою гіпотез і теорій. Серед них у кожний певний період висувається найбільш загальна або фундаментальна теорія, що служить парадигмою, або зразком для пояснення фактів відомих і пророкування фактів невідомих. Такою парадигмою у свій час служила теорія руху земних і небесних тіл, побудована Ньютоном, оскільки на неї опиралися всі вчені, що вивчали конкретні механічні процеси. Точно так само всі дослідники, що вивчали електричні, магнітні, оптичні й радіохвильові процеси, ґрунтувалися на парадигмі електромагнітної теорії, що побудував Д.К. Максвелл.

Поняття парадигми, що ввів американський учений Томас Кун (1922-1996) для аналізу наукових революцій, підкреслює важливу їх особливість зміну колишньої парадигми нової, перехід до більше загальної й глибокої теорії досліджуваних процесів. Однак він залишив без пояснення й аналізу питання про формування самої парадигми. На його думку, розвиток науки можна розділити на два етапи:

- нормальний, коли вчені зайняті застосуванням парадигми до рішення конкретних проблем частки, спеціального характеру (так званих головоломок),

- екстраординарний, пов'язаний з пошуком нової парадигми. При такому підході нова парадигма виявляється ніяк не пов'язаної з колишніми дослідженнями й тому її виникнення залишається непоясненої. У дійсності ж, як видно із прикладів аномальних фактів, тобто фактів, що суперечать парадигмі, процес аналізу, критичного осмислення й оцінки існуючої парадигми відбувається вже на стадії нормальної науки. Тому різке й тим більше абсолютне протиставлення зазначених етапів розвитку науки - зовсім необґрунтовано, і воно зустріло переконливу критику з боку багатьох видних учених.

Імовірнісні або статистичні закони

Своя назва ці закони одержали від характеру тієї інформації, що використовується для їхнього формулювання й одержання висновку з її. Імовірнісними вони називаються тому, що висновку, засновані на них, не випливають логічно з наявної інформації, а тому не є достовірними й однозначними. Оскільки сама інформація при цьому носить статистичний характер, те часто такі закони називають також статистичними, і цей термін одержав у науці значно більше поширення.

Проте, використання терміна "імовірність" для характеристики статистичних законів більш обґрунтовано з теоретичної точки зору.

Виникає питання: про яку ймовірність мова йде в цьому випадку?

У цей час існує принаймні три інтерпретації цього терміна. Перша з них пов'язана із класичним періодом розвитку теорії ймовірностей, коли ймовірність події визначалося як відношення числа випадків, які сприяли появі події, до загального числа всіх можливих випадків. Таке визначення ми зустрічаємо в одного з основоположників класичної теорії ймовірностей - видатного французького математика П. Лапласа. За допомогою такого визначення легко підрахувати ймовірності, або шанси, появи події в азартних іграх, з аналізу яких і з'явилася сама теорія. Однак правила азартних ігор спеціально побудовані таким чином, щоб шанси гравців були рівними, але в природі й суспільстві рівні можливості події зустрічаються рідко. Тому для кількісної оцінки можливості появи тих або інших подій необхідно було знайти іншу інтерпретацію. Згодом ученим дійсно вдалося знайти її шляхом порівняння числа появи досліджуваної події до загального числа всіх спостережень. Дійсно, чим частіше відбувається подія, тим вище ймовірність його появи за даних умов спостереження. Очевидно, що чисельне значення ймовірності при такому визначенні залежить від кількості спостережень, тобто від відносної частоти появи події. Тому, чим більше зроблено спостережень, тим точніше буде обчислена й імовірність події. Виходячи із цього, деякі вчені запропонували розглядати ймовірність події як межа його відносної частоти при нескінченному числі спостережень. Оскільки така кількість спостережень практично здійснити неможливо, те багато теоретиків, а особливо практики, вирішили визначати ймовірність як відношення числа появи події, що цікавить, до загального числа всіх спостережень, коли кількість останніх досить велика. Ця величина в кожному конкретному випадку повинна визначатися умовами конкретного завдання, тобто ймовірність P(А) дорівнює:

P(А) = m/n,

де m - число появи події, що цікавить, а n - число всіх спостережень.

Зазначене визначення ймовірності називають також частотним, оскільки в ньому фігурує поняття відносної частоти при тривалих спостереженнях. Останні аналізуються звичайно статистичними методами. Очевидно, що при статистичної, або частотної, інтерпретації не можна говорити про ймовірність окремої, одиничної події, що не має частоту. Тому ймовірність при такій інтерпретації ставиться до деякої групи подій. У попередній главі ми згадували, що хвильова функція у квантовій механіці визначає параметри майбутнього стану системи в "середньому", тобто не вказує, наприклад, певне значення його координат, а тільки той інтервал, у якому вони можуть перебувати. Це обставину часто характеризують терміном "імовірнісний розподіл".

Частотна, або статистична, інтерпретація ймовірності одержала найбільш широке застосування в природних і технічних науках, а в останні десятиліття також у соціальному й гуманітарному пізнанні. Це пояснюється насамперед тим, що реальні процеси в основному складаються з великої кількості елементів, зв'язку між якими мають складний характер і в які чималу роль грають випадкових факторів, від яких не можна відволіктися, як це роблять у класичній механіці. Проте, і для характеристики таких процесів можна знайти деякі регулярності, які дають можливість будувати імовірнісні прогнози їхнього майбутнього поводження.

Саме головне застосування частотна інтерпретація ймовірності знаходить при відкритті й аналізі статистичних законів. Усюди, де ми зустрічаємося з масовими випадковими або повторюваними подіями, при ретельному дослідженні можна виявити, що всі вони, незважаючи на відхилення й розмаїтість у своєму поводженні, мають певну регулярність, а саме: стійкою відносною частотою. Ця закономірність була виявлена ще в античному мирі на прикладі відносної стійкості кількості хлопчиків, що народжуються за рік, і дівчинок. Згодом були знайдені інші статистичні закони у фізику, біології, демографії, страховій справі, соціальній статистиці й т.д.

Як ставилися до статистичних законів у класичній науці? Чи визнавалися вони як постійні методи дослідження нарівні з універсальними законами або вважалися тимчасовими засобами пізнання, використовуваними для зручності, поки не будуть знайдені справжні закони?

На це питання можна відповісти цілком однозначно: статистичні закони не вважалися справжніми законами, тому що вчені минулого століття припускали, що за ними повинні стояти такі ж універсальні закони, як закон всесвітнього тяжіння Ньютона, що вважався зразком детерміністського закону, оскільки він забезпечує точні й достовірні пророкування припливів і відливів, сонячних і місячних затьмарень і інших явищ природи.

Статистичні ж закони визнавалися в якості зручних допоміжних засобів дослідження, що дають можливість представити в компактній і зручній формі всю наявну інформацію про якому або предметі дослідження. Типовим прикладом може служити інформація, одержувана за допомогою перепису населення. У принципі ми можемо одержати про кожного громадянина країни всі необхідні відомості, але коли вони класифікуються по окремих пунктах, зводяться в окремі показники й узагальнюються, то працювати з такою інформацією значно зручніше й легше. Статистичні закони й теоретичні узагальнення, знайдені у фізику, біології, економіці, соціології, праві й інших науках, також розглядалися в якості зручного допоміжного засобу для опису, систематизації й узагальнення знайденого емпіричного матеріалу. Очевидно, головна причина такого відношення до статистичних законів полягала в тому, що висновки їх недостовірні, невизначені, а лише ймовірні в тім або іншому ступені, причому цей ступінь істотно залежав від кількості спостережень і експериментів.

У зв'язку із цим справжніми законами вважалися саме детерміністські закони, що забезпечують точні й достовірні пророкування. Ця термінологія збереглася дотепер, коли статистичні, або імовірнісні, закони кваліфікуються як індетерміністські, із чим навряд чи можна погодитися. Єдине, що тут вірно, - це якісне розходження між двома типами законів: універсальними й статистичними. У той же час між ними існують і глибока спільність, і єдність, що полягають у тім, що всі вони відображають певні регулярності в природі й суспільстві. Опираючись на ці регулярності, ми можемо більш успішне діяти в навколишньому нас світі випадків і невизначеностей, оскільки закони встановлюють деякі заборони й тим самим зменшують кількість, можливих виборів або альтернатив дії.

Відношення до статистичних законів принципово змінилося після відкриття законів квантової механіки, пророкування яких мають істотно імовірнісний характер. Спроба знайти якісь сховані параметри, за допомогою яких можна було б звести статистичні закони до строго детерміністських законів, подібним до законів класичної механіки, не увінчалася успіхом. Очевидно, принцип невизначеності Гейзенберга не дає можливості здійснити це.

Література

1. Вонсовський С. В. Сучасна природничо-наукова картина миру. - К., 2003

2. Беклей А. Коротка історія природних наук. - К., 1997

3. Бернал Дж. Наука в історії суспільства. - К., 1998

4. Даннеман Ф. Історія природознавства. Природничі науки в їхньому розвитку й взаємодії. - К., 1998

5. СтепинВ. С. Становление научной теории. – Минск., 1976