Естествознание. Истоки концепции атомизма

НССУЗ НП «Региональный финансово-экономический техникум» ЕСТЕСТВОЗНАНИЕ (Первая лекция) __________________________________ http://rfet.ru © РФЭТ © Все права защищены. Никакая часть данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме без письменного разрешения владельцев авторских прав. 2 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................4 Задачи курса «Естествознание»:........................................................9 РАЗДЕЛ 1. ИСТОКИ КОНЦЕПЦИИ АТОМИЗМА..............................18 Глава 1.1. Деистические концепции сотворения мира......................18 Глава 1.2. Античные концепции элементалей окружающего мира. 24 Глава 1.3. Концепция классического атомизма..................................29 1.3.1. Атомизм античности...............................................................29 1.3.2. Открытие атомов в химии......................................................32 Глава 1.4. Концепция атома как планетарной системы.....................36 1.4.1. Проблема внутренней структуры атома...............................36 1.4.2. Гипотезы инфра-мира и упра-мира.......................................43 3 ВВЕДЕНИЕ Появление термина Естествознание (Physis) связывают с именем древнегреческого философа Аристотеля, один из трудов которого так и назывался. Естествознание тогда понималось как знание о мире в целом, который представлялся греческим мыслителям как единый, живой организм и который они впервые попытались объяснить рационально. Ныне под естественнонаучными дисциплинами понимают, прежде всего, физику, химию, астрономию, геологию, биологию и некоторые другие, противопоставляя их с одной стороны гуманитарным (общественным) наукам, с другой стороны — техническим. Особняком стоит математика, включаемая порой в комплекс естественных наук, но скорее не по предмету своего изучения, а как методология. Видный психиатр Эрик Берн применяет название «физис» для обозначения естественной движущей силы развития человеческой личности. В свете современной тенденции к объединению естественнонаучного и гуманитарного знания такое толкование «физики» представляется правомерным и далеко идущим. Понимание основных принципов устройства мироздания и места современного человека в нем представляется столь же необходимым элементом культуры, как знание мировой литературы, истории или живописи. «В науке о природе надо определить прежде всего то, что относится к началам» — утверждал Аристотель. В соответствии с этим постепенно выделилась Физика — наука о наиболее общих, основных, «начальных» законах движения материи. Затем появляются вполне самостоятельные области физики, имеющие свои специфические объекты исследования и свои специфические методы исследования (рис. 1). Аналогичным путем дифференциации развивались и другие области естествознания, этот процесс продолжается и в настоящем времени. Например в биологии недавно появилась такая область науки, как сравнительная геномика, которая с помощью мощнейших методов 4 компьютерного анализа сравнивает гены и геномы разных организмов. Рис. 1. Схема дифференциации естествознания В общем случае можно записать следующую «формулу» выделения частных наук: Наука = Объекты + Методы исследования. Аристотель дал следующее определение, справедливое до сих пор: «Наука — это знание, основанное на доказательстве». Он же разделил науки на три группы: теоретические, практические и творческие. В теоретических науках познание ведется ради него самого. Практические лежат в основе производственной деятельности человека, а целью творческих наук является достижение Прекрасного. Среди теоретических наук Аристотель выделял математику, физику (основу естествознания) и то, что позднее было названо метафизикой. К последней относились те «начала», которые недоступны для органов чувств человека и которые могут быть постигнуты только интуитивно, умозрительно. Можно сказать, что физика стала в дальнейшем основой науки, изучающей воспроизводимые явления в количественных измерениях, тогда как метафизика явилась обоснованием для оккультизма и мистики, веры в сверхъестественные силы и паранормальные явления. В XIX в. Ф. Энгельс разделял науки на естественные и общественные. (Иронизируя, академик Л. Д. Ландау говорил, что «науки делятся на естественные и неестественные»). В ХХ в. классификация наук производилась на основании объектов изучения: явления природы, тела и предметы природы, неживая природа, живая природа. 5 Наряду с появлением обособленных областей естествознания, во второй половине ХХ-го в. появились науки интегративные, которые не укладывались в рамки принятой классификации. Ярким примером является экология, объектами которой являются как живая, так неживая природа, производственная деятельность человека и ее социальные последствия. Другим примером может быть синергетика — наука о явлениях самоорганизации в живой и неживой природе. К числу интегративных наук следует отнести и современное естествознание. Оно рассматривает взаимосвязь человека с природой и направлено на поиски общих оснований (концепций), объясняющих наблюдаемое разнообразие объектов и явлений окружающего мира. Необходимо отметить единство процессов дифференциации и интеграции научного знания. Чем больше наука вскрывает общие связи, тем лучше она уясняет суть деталей, а отсюда следует и дифференциация научного знания. С другой стороны, чем глубже проникает наука в суть деталей, тем лучше она вскрывает связи между различными областями действительности, а отсюда следует и интеграция науки. В настоящее время понятие «наука» является многоплановым. Это и высшая форма человеческих знаний, и способ познания мира, и социальный институт, и компонент духовной культуры человечества. Отличительными чертами научного знания являются: • осознанность и целенаправленность получения знания; • его непротиворечивость и согласованность; • системная упорядоченность; • объективность установленных законов и закономерностей; • логическая выводимость одних знаний из других; • однозначность и лаконичность языка науки; • большой прогностический потенциал. Американские социологи Элвин и Хайди Тоффлеры отмечают следующие важные характеристики научного знания: 6 научное знание является возобновляемым ресурсом и не уменьшается от того, что миллионы людей им пользуются; • знание нематериально, его нельзя потрогать или взвесить, но им можно манипулировать (например скрывая часть знания в каких-либо целях); • знание, переведенное в биты информации, может транслироваться по всему миру; • однажды открытое знание трудно «запечатать в бутылку», оно «вытекает»; • знание нелинейно и единичные озарения могут приносить огромные результаты; • чем больше знаний по отдельным областям, тем более разнообразными и полезными могут быть их комбинации; • знание без воспитания и культуры может служить мечом в руках сумасшедшего. Развитие любой науки, в том числе и естествознания, происходит на основе нескольких фундаментальных принципов. В частности, это принципы рациональности, верификации и опровержимости (иногда используют термин — фальсифицируемости). Принцип рациональности выступает в качестве ориентира на определенные нормы, идеалы научности, эталоны научных знаний, и является основным средством обоснованности знания. Принцип верификации употребляется для установления истинности научных утверждений в результате их эмпирической проверки. Он позволяет в первом приближении отграничить научное знание от явно вненаучного. При этом различают: • непосредственную верификацию как прямую проверку утверждений, формулирующих данные наблюдения и эксперимента; • косвенную верификацию как установление логических отношений между косвенно верифицируемыми утверждениями. Что касается третьего принципа, то он определяет возможность достижения в науке только относительной истины. В этом отличие • 7 науки от религии, где многие положения считаются абсолютной истиной и не подлежат сомнению. Согласно К. Попперу любое знание, если оно является научным, должно допускать существование процедуры собственного возможного, в принципе, опровержения (фальсификации). Роль принципа фальсифицируемости в том, что он делает любое достигнутое к настоящему времени научное знание относительным, т.е. лишает его абсолютности, неизменности, законченности. Наиболее важными функциями науки являются: • описание объектов (предметов) изучения и процессов, происходящих с ними (процессов взаимодействия); • объяснение наблюдаемых явлений и процессов в рамках определенной теории, имеющей пределы своей применимости; • прогноз возможного применения научных знаний в производственной и общественной (социальной) сфере; • мировоззренческая, определяющая понимание места человека в природе и его взаимоотношение с ней; • образовательная, в рамках которой на базе различных областей знаний создаются соответствующие учебные дисциплины (учебные курсы). Традиционные школьные и многие вузовские курсы физики не учитывают все возрастающей роли знаний о живом веществе нашей планеты, открытий в молекулярной генетике, исследований информационных потоков на уровне генома человека. Фрактальный характер окружающего мира и его самоорганизуемость на всех уровнях структурной иерархии материи не находят в них достойного отражения. С учетом этих фактов в структуру цикла общих естественнонаучных дисциплин базового высшего образования студентов-гуманитариев включена дисциплина «Концепции современного естествознания» с целью формирования у них целостного взгляда на окружающий мир. 8 Она представляет собой продукт междисциплинарного синтеза на основе комплексного эволюционно-синергетического и историкофилософского подходов к современному естествознанию. Ее появление в Государственных образовательных стандартах обусловлено тем фактом, что сейчас методология рационального естествознания активно проникает и в гуманитарную сферу, участвуя в формировании сознания общества. Согласно Государственным образовательным стандартам высшего профессионального образования, данная дисциплина включена в обязательный минимум содержания профессиональных образовательных программ более чем по 20 направлениям подготовки специалистов. Задачи курса «Естествознание»: формирование ясного представления о физической картине мира, как основе целостности и многообразия природы; • изучение и понимание сущности ограниченного числа фундаментальных законов природы, составляющих каркас современных физики, химии, биологии, а также — ознакомление с принципами моделирования природных явлений; • понимание необходимости смены языка описания природных процессов по мере их усложнения от макроскопических систем к квантовым, от неживых систем — к живой клетке, организму, биосфере; • формирование представлений о принципах универсального эволюционизма и синергетики; • осознание проблем экологии и общества в их связи с основными концепциями и законами естествознания; • понимание роли человека как наиболее разумной части природы и ответственности человека за ее сохранение. Находясь в начале XXI-го века, можно поставить следующие условные рамки периодов становления естествознания: • 9 до 1900 г. – классическое естествознание; • 1900 – 1960 гг. – неклассическое (квантовое); • после 1960 г. – постнеклассическое (современное). Основанием для принятия начала 60-х гг. как рубежа оформления постнеклассического или современного естествознания служат расшифровка структуры ДНК и кодонов, создание теории регуляции активности генов, разработка кварковой теории микрочастиц, выход человека в околоземный космос. В этот период времени происходит объединение принципов и методов отдельных наук, поворот к выбору общих объектов исследования. Так, живая клетка и ее генные структуры исследуются методами радиографии, химии, физики, системного анализа, кибернетики. Появились общие интересы у таких далеких, казалось бы, дисциплин как астрофизика и физика элементарных частиц. К концу ХХ-го столетия наряду с изучением свойств физического вакуума как формы существования и движения материи, изучения экстремальных состояний вещества в центрах галактик, все большее развитие получают исследования объектов живой природы («умных» генов, дефектов структуры ДНК и белков), процессов функционирования мозга и нервной системы, исследования внутреннего мира человека. Как следует из перечня задач курса, объектом изучения в современном естествознании являются человек и окружающий его мир. Методы исследования, используемые в естествознании, можно разделить (классифицировать) по нескольким основаниям. Например выделить методы эмпирического (опытно-практического) и теоретического исследования. В первую группу входят наблюдение, описание, измерение, эксперимент. Во вторую — формализация, аксиоматизация, гипотетизация. Общенаучными методами естествознания являются: сравнение (сопоставление), обобщение, классификация, анализ, синтез, абстрагирование, аналогия, индукция и дедукция, моделирование. • 10 В настоящее время все большую роль в естествознании играет компьютерное моделирование. С его помощью исследованы глобальные последствия военных конфликтов с применением ядерного оружия, обнаружена стадия образования протозвезд при формировании новых звезд, разрабатываются новые биологически активные и лекарственные вещества. Появилось понятие виртуальной реальности. Первоначально под этим понимали отражение информации, получаемой с помощью компьютерной модели объекта или процесса, в чувственно воспринимаемой человеком форме, как правило — в визуальной форме трехмерных изображений. Широкие возможности компьютерной обработки изображений и компьютерная анимация были очень быстро осознаны и востребованы в гуманитарной культуре. В кино и на телевидении появились произведения, совмещающие реальные события (например фильмы З. Рыбчинского «Манхэттен» или «Вашингтон», см. рис. 2) и реальных актеров, эстрадных исполнителей, ведущих телешоу с персонажами, созданными компьютерными программами. Рис. 2. Кадр из фильма «Манхеттен». В стакане с водой находятся родители девочки Так в повседневности проявилось влияние современной науки на современную культуру. С другой стороны, появляется и проблема взаимоотношения человека с этой новой искусственной реальностью. 11 По некоторым прогнозам эта проблема, наряду с проблемами внутреннего мира человека, будет входить в круг интересов естествознания ХХI-го века. Можно сказать, что виртуальная реальность является одним из примеров единства и взаимодействия двух компонент культуры – естественнонаучной и гуманитарной. Общность двух компонент состоит в том, что: • они созданы и приобретаются в социальной практике, необходимы для развития личности; • имеют общую духовную компоненту в психической деятельности; • взаимно стимулируют свое развитие, используя достижения в двух областях; • создают общую основу общения, образования, воспитания. Наряду с этой общностью имеется и различие в двух подходах к освоению окружающей человека действительности. Естествознание направлено на природу, научные знания отличаются объективностью, рациональностью, достоверностью и они основаны на однозначных понятиях. Тогда как гуманитарная культура преимущественно направлена на самого человека, основана на субъективных чувствах и эмоциях, здесь важны понятия ценности гуманитарного знания (идеалы красоты и совершенства, добра, свободы, гуманизма и др.). В соответствии с происходящими изменениями для современного периода характерно формирование новой парадигмы естествознания. Поясним этот и некоторые другие взаимосвязанные термины. Парадигма: Рамочная концепция, основанная на общих признаках и принципах взаимодополняющих концепций, позволяющая определить общий подход к выработке концепций и постановке новых проблем на данном этапе развития человеческого общества. Концепция: Совокупность главных идей, методов исследования и описания результатов. 12 Проблема: Постановка таких вопросов или целей исследований, ответ на которые требует не только использования известных законов, но и получения новых знаний. Рис. 3. Схема взаимосвязей при формировании парадигмы Проблемы обычно возникают в противоречивых ситуациях в физике и других науках. Появление новых проблем стимулирует формирование новых концепций, что затем приводит к появлению новой парадигмы. Как правило, смена парадигмы в науке сопровождается заметными изменениями в гуманитарной культуре, экономике, человеческой цивилизации в целом. Примеры смены парадигмы: Плоская Земля — Земной шар Геоцентристская система — Гелиоцентристская система Механика Ньютона — Квантовая механика В настоящее время в естествознании все четче проявляется тенденция к смене парадигмы. Она еще не «выкристаллизовалась» окончательно, но основные направления уже вполне проявились. Тенденции в формировании современной естественнонаучной парадигмы: 1. Переход от дробления (дифференциации) наук к их объединению. 13 2. Учет роли и особенностей человека в процессе получения нового знания. 3. От покорения природы к гармонии и к эволюции с ней! 4. Объединение гуманитарной и естественнонаучной культур. Еще одной мощной концептуальной установкой в современном естествознании является антропный принцип. Если постараться выразить его в форме лозунга, то (по нашему мнению) он должен звучать так: «Творцом Человека является Вселенная!». В альтернативном варианте высказывания антропный принцип обычно формулируют в виде утверждения «Вселенная такова, какая она есть, потому что в ней существует Человек». Поясним суть антропного принципа качественным ретроспективным анализом, опираясь на следующие факты: • разумны только живые существа; • для возникновения жизни необходимы атомы и молекулы (частицы микромира); • ядра тяжелее водорода и гелия возникают в недрах звезд (термоядерный синтез в мегамире); • для синтеза необходимого количества ядер тяжелых элементов требуется временной интервал порядка десятков миллиардов лет; • такие интервалы возможны только во вселенной, существующей не менее миллиардов лет. При меньшем «возрасте» вселенной человека в ней не было бы. Созвучно этому, современные философы призывают изучать и ставить целью будущих исследований коэволюцию (совместную эволюцию) Человека и Природы. Таким образом, вырисовывается все большая «вовлеченность» человека как предмета интересов и объекта исследований в современное естествознание. В данном кратком курсе лекций мы рассмотрим далее в общих чертах путь, пройденный естествознанием в область микромира, а также концепцию эволюции Вселенной и ее структурных составляющих. 14 Это необходимо для того, чтобы яснее представить себе причины и пространственно-временные рамки образования солнечной системы, появления живых организмов на Земле и неизбежность эволюции к Человеку Разумному (Homo Sapiens). Тогда будет понятен смысл вышеприведенного лозунга. Общая опорная схема курса приведена на рис. 4. Рис. 4. Опорная схема курса Поясним ее в общих чертах. Естествознание как наука описывает движение материи в пространственно-временном континиуме. Он будет рассмотрен в одной из последующих глав. В нем, в зависимости от пространственного масштаба изучаемых явлений или процессов, обычно выделяют три «вложенных» друг в друга мира, или три уровня организации материи. Это микромир (область размеров менее 1010 м), макромир (область размеров до примерно 107 м, что сопоставимо с диаметром Земли) и мегамир (область вселенной, доступная для наблюдения человеком, примерно до 1027 м). На уровне макромира в определенное время возникает живое вещество, состоящее из тех же микрочастиц, что и неживое, но более сложно организованное. Затем появляется разум, носителем которого является Homo Sapiens. С его эволюцией и историей человеческого 15 общества связано появление еще одного мира — мира знаний и духовной культуры. Его мы обозначили на опорной схеме как инфомир или мир идеального. В этом мире, созданном разумом человека, мы осознаем настоящее, исследуем в ретроспективе прошлое, пытаемся составить прогноз будущей совместной эволюции (коэволюции) разума и природы. Осознавая настоящее, важно отметить, что на современном этапе развития человеческого общества наблюдается переход от производства и преобразования энергии и материалов к расширенному производству информации (знаний), ее преобразованию, передаче, хранению и использованию. По этой причине современную цивилизацию называют постиндустриальным или информационным обществом. Кроме того, установлено, что общий объем накопленной в инфомире информации намного превосходит тот объем информации, который может быть передан по наследству генетическим путем от родителей детям. Эволюционно достигнут, по-видимому, предел объема информации, которую природа может «записать» в ДНК человека. Дальнейший рост информации в ДНК чреват появлением большого числа ошибок в генетическом аппарате. Но в то же время оценки ряда ученых показывают, что мозг человека способен вместить в тысячу раз больше информации, чем ее содержится в ДНК человека. Отсюда следует, что развитие человека во все большей мере зависит от внегенетической информации, от инфомира знаний — в первую очередь. Именно знания о природе и человеке в ней (естествознание!) могут позволить преодолеть определенные риски в развитии человечества, так называемые цивилизационные кризисы. Среди них отмечают стремительный рост численности населения Земли, растущее потребление невозобновляемых ресурсов планеты, рост энергопотребления. Совместная эволюция разума и природы будет возможна, если потребности человека будут согласованы, на основе знаний, с возможностями (лучше сказать ресурсами) природы. 16 Необходимо отметить, что в последние годы знания становятся экономически важным фактором и не случайно все чаще появляется словосочетание «экономика знаний». Знания персонала фирм и организаций становятся их конкурентным преимуществом. Многие фирмы поощряют прирост знаний, не обязательно тесно связанных с производственной необходимостью, у своих сотрудников. В качестве показательного примера приведем следующие данные. Рыночная стоимость компании Microsoft составляет примерно 375 млрд долларов. В том числе материальные активы (т.е. здания, сооружения, оборудование и т. п.) составляют всего 14 млрд долларов. Все остальное — это оценка рынком стоимости нематериальных активов компании, т.е. интеллектуальной собственности, созданной персоналом, и знания самого персонала, способные принести экономическую выгоду. Рассмотрение многих естественнонаучных проблем будет вестись на уровне выделения главных идей, схем и образов без углубленной математической проработки. 17 РАЗДЕЛ 1. ИСТОКИ КОНЦЕПЦИИ АТОМИЗМА Глава 1.1. Деистические концепции сотворения мира Общей целью естествознания является создание научной картины мира, показывающей единство и целостность человека и окружающего его мира. Научная картина мира чрезвычайно важна для формирования мировоззрения человека. Однако она является только одной из составляющих личностной общей картины мира. Другими компонентами служат религиозная картина мира и метафизическая картина мира. В целом, несколько упрощая, можно полагать, что общая картина мира включает в себя религиозно-нравственный компонент, систематизированное научное знание и фантастические образы мифов. Такое наложение отражает историческую связь и последовательность различных картин мира в естествознании (рис. 5). Рис. 5. Художественные иллюстрации, созданные в разные века и показывающие историческую смену мифологической картины мира на религиозную и механистическую (солнечная система Коперника) Можно представить на рис. 6 следующую схему связей различных компонент (образов мира) в сознании отдельного человека. Рис. 6. Взаимосвязь различных картин мира в сознании человека 18 Религиозная картина мира является самой древней (основные мировые религии существуют в течение тысячелетий) и наиболее догматической, неизменной. В свое время она отвечала потребностям человека в объяснении устройства окружающей человека природы, ее происхождения и появления самого человека. Основанием религиозной картины мира является вера в Творца, обладающего могуществом, достаточным для сотворения мира. Физическая картина мира традиционно ограничивается рамками неживой природы. Первой механистической картиной мира можно считать модель устройства вселенной центрированной вокруг Земли — систему Птолемея. Она просуществовала в течение нескольких тысячелетий, пока не была отвергнута моделью солнечной системы, обоснованной Коперником. Физическая картина мира, в отличие от религиозной, изменяется с развитием научных знаний (механическая картина мира — электромагнитная — квантово-релятивистская). На ее базе строится более общая научная картина мира, включающая в себя также знания о живой природе и внутреннем мире человека. Физическая картина мира формируется изначально в рамках религиозной (см. пунктирную стрелку на рис. 6). Определенными стимулами для ее формирования стали такие, например, вопросы как датировка начала сотворения мира или того, чем Бог занимался до сотворения им нашего мира. Отвечая на первый из них, епископ Джеймс Ашер (1650 г.) просуммировал сроки жизни всех поколений, упомянутых в Библии (кто кому предшествовал и сколько лет жил). По его расчетам акт сотворения приходится (в современном летоисчислении) на ночь 23 октября 4004 г. до рождества Христова. В связи с этими изысканиями заметим, что много позднее Исаак Ньютон (правильнее сейчас было бы произнести Айзек Ньютон) попытался в подобной же манере проанализировать пророчества о наступлении Апокалипсиса и определить примерную дату конца света. По его расчетам он должен был бы наступить в 2060 г. 19 Архиепископ Кентерберийский на вопрос «Чем Бог занимался до сотворения мира?» пошутил, сказав, что Он готовил Ад для тех, кто подобные вопросы станет задавать. Более серьезный анализ этой проблемы дал Августин Аврелий (позднее называемый Августином Блаженным). Вывод его был таков: «Время есть неотъемлемое свойство мира и возникает вместе с ним». Поэтому вопрос о том, что было до возникновения времени, какого-либо смысла не имеют. Этот вывод остается справедливым и для Рис. 7. Фреска с изображением современного естествознания. Только он примеАвгустина Аврелия няется теперь по отношению к вопросу «Что было до возникновения вселенной?». В начале процесса формирования физической картины мира религиозным долгом ученого было узнать замысел Творца, коль скоро была вера в возможность такого познания (в человеке есть частица Бога). Позднее кроме задачи познания плана устройства вещей и мира в целом, перед учеными встала и задача его преобразования. Философ Вольтер так сформулировал обращение ученого к Богу: «Ваш мир, хоть он и блещет красотой, Но, коль угодно Вам, слеплю и я такой. Материи кусок .... и я, сомнений нет, Создам стихии все, животных, вихри, свет. — Узнать бы только мне движения закон!». Таким образом постепенно задачей науки становится не служение религии, а независимый от нее поиск законов движения материи. Метафизическая картина мира базируется на суевериях, искаженной вере в возможности таких методов познания природы и воздействия на человека, как медитация, экстрасенсорное восприятие, магические знаки и заговоры, талисманы, пантакли, телепатия, телекинез и тому подобное. 20 Толкование снов, астрологические предсказания, хиромантия и приметы — все это можно найти в программах телевещания и на страницах популярных газет и журналов. Не замечать наличия этих областей человеческой культуры и их взаимодействия с естествознанием невозможно. Наоборот, следует выделить те ценные рациональные идеи, которые имеются в этих областях и которые оказали позитивное влияние на развитие науки. Согласно Торе, Библии и Корану, в процессе творения мира происходит его структурирование из первоначальной неорганизованности, хаоса. Первое разделение бинарно-противоположно: на Верх и Низ. «И отделил Он верх от низа». Следующей «командой на управление» является «Да будет свет. И стал Свет». Свет-Огонь выжигает часть Воды и появляется ТвердьСуша (или земля, в узком смысле слова). Затем в действие вступает Божественное Провидение, которое определяет эволюцию созданного мира. Организуются небесные сферы звезд и планет. Их роль — нести Провидение на землю и воду, быть мерилом времени и источником света. В небе появляются птицы, в воде – рыбы, на суше — звери. «И увидел Он, что это хорошо». Есть структурированный мир земной рай, но нет субъекта, который мог бы оценить красоту и совершенство созданного, оценить роль Творца и возблагодарить Его. Тогда из земного вещества — праха (глины?) Бог создает «по подобию своему» первочеловека — Адама и передает ему часть своего Святого Духа в виде Разума. Остальные живые существа его лишены, причем в человеке дух противопоставлен плоти. Так появляется субъект наблюдения Мира и действия в нем. Затем производится еще одно разделение — на мужчину и женщину, на Адама и Еву, и начинается процесс размножения человека на Земле. Приведенная нами интерпретация событий, описанных в «Книге бытия» Моисея, очевидно схематична. Но цель создания человека (приписываемая нами Творцу) основана на высказываниях реформатора церкви Мартина Лютера. В частности он писал: «Он произвел 21 весь род человеческий дабы они искали Бога. Он желает быть узнанным». Третья компонента (ипостась Бог-Сын) необходима для того, чтобы научить ставшее многочисленным население Земли нормам морали. Упомянутые в Библии слова о подобии Адама (следовательно и всех потомков) его Творцу дают основание изображать в христианстве на икоРис. 8. Троица нах и в художественных иллюстрациях Бога с чехристианства ловеческим лицом, а иногда и фигурой (рис. 8). В то же время, в отличие от «слепка», Бог имеет несколько ипостасей (Бог-Отец, Бог-Сын и Святой Дух). Таким образом подобие оказывается весьма неполным, скорее аллегорическим, имеющим переносный смысл. Идея триады встречается и в других, не христианских религиях древних цивилизаций. Во многих из них верховный бог разделяется на отдельные соподчиненные божества, которые имеют свои полномочия. В качестве примера можно привести табл. 1, в которой указаны страна и соответствующие боги созидания, существования и разрушения. Таблица 1. Триады богов различных религий Боги Созидания Боги Существования Боги Разрушения Египет Аммон Фта Озирис Персия (Бактриана) Зеруане Ормузд Ариман Мана Буди Кали Индия Первые в триадах — это боги созидания мира, вторые — управления им и третьи — боги разрушения, с которыми ассоциируется Зло, поскольку в ряде случаев такие боги требуют человеческих жертвоприношений. 22 В массовой культуре современности нередки обращения к символике древних цивилизаций и обыгрывание обращений (заклинаний) к божествам разрушения. Нам же важно подчеркнуть, что уже в древних религиях мы находим свидетельства понимания человеком того обстоятельства, что разрушение и возврат в Хаос есть необходимый и существенный элемент мироустройства. Можно сказать, что опыт человечества, отраженный в истоках науки — религии, утверждает существование как борьбу противоположных тенденций. Первая — это стремление к организации, другая же — к деструкции. Обратим внимание на следующие моменты деистической концепции сотворения мира, имеющие ценностный аспект. Во-первых, здесь неявно полагается, что в Хаосе потенциально содержались все появившиеся в процессе творения структуры. Иначе говоря, хаос можно определить как непроявленный до поры, до времени порядок. Во-вторых, общее начало подразумевает единство и взаимосвязь созданного Мира. Человек в нем сотворен из того же материала, что и окружающий его мир. В-третьих, переданная человеку частица божественной сущности (Святого Духа) дает основание, веру в возможность познания человеком замысла Творца. Эти идеи единства и взаимосвязи мира, содержательной сущности хаоса, единства структурирования и распада, возможности познания окружающего мира человеком остаются основополагающими идеями и в современном научном естествознании. 23 Глава 1.2. Античные концепции элементалей окружающего мира Элементали — наименьшие структурные части, из которых строятся более крупные блоки вещества. Окружающий человека мир необычайно разнообразен. Античные философы многообразие форм окружающего мира, воспринимаемое чувствами человека, считали фактором, который мешает разуму определить внутреннюю суть вещей. Считалось, что настоящий философ должен отстраниться, мы теперь говорим — абстрагироваться, от различия чувственно воспринимаемых форм и разумом (мысленными усилиями) постичь общее начало в многообразии. Античный основатель риторики Цицерон сообщает легенду о том, что Демокрит будто бы лишил себя зрения, так как полагал, что «размышление и соображение ума при созерцании и уразумевании природы будут живее, когда освободятся от развлечения зрения и препятствия глаз». Наглядная демонстрация (например равенство двух половин круга при сгибании рисунка круга на папирусе) как доказательство отвергалось, главным считалось доказательство рассуждением. Можно сказать, что первые греческие философы так называемой Милетской школы напряженно искали теоретическую первооснову мира, в которой осуществляется единство всей природы: 1. Фалес из Милета (640 – 562 гг. до н. э.) считал, что первоосновой всего является вода, из нее образуются все вещи. 2. Анаксимандр из Милета (611 – 546) учил, что в основе всего сущего лежит не вода, а некая первоматерия, которую он назвал «апейрон» (позднее его роль перешла к эфиру). 3. Анаксимен (585 – 524), их земляк, считал, что началом всего является воздух, из которого все возникает, и движением которого образуются все явления в природе. 24 4. Гераклит из Эфеса (540 – 480) учил, что основой всего является огонь как некое реальное вещество. 5. Пифагор с Самоса (571 – 497), считал, что в основе всего существующего лежит число и простые геометрические формы: куб, октаэдр,тетраэдр, додекаэдр и икосаэдр. 6. Согласно воззрениям Эмпедокла из Акраганта (495 – 435) в основе всего существующего лежат четыре элемента или «корня»: земля, вода, воздух и огонь. 7. Анаксагор (500 – 428) родом из Афин полагал, что каждая вещь состоит из мельчайших, невидимых глазу материальных частиц, подобных самой вещи. Эти частицы он называл гомеометриями. Например, кровь состоит из мельчайших частиц крови, кость — из мельчайших частиц кости, причем эти частицы бесконечно делимы. 8. Платон (427 – 347) приписывает геометрические формы различным первоэлементам: Земля — куб, Огонь — тетраэдр, Вода — икосаэдр и Воздух — октаэдр. Можно увидеть, что и здесь в поиске первооснов оказывала свое влияние религиозная мифология античной Греции, в основе которой лежал пантеон богов времени, воды, воздуха, ветра и других стихий, а так же восточный культ огня — Солнца. На основе идей Эмпедокла и других предшественников Аристотель (384 – 322 гг. до н. э.) построил свою систему элементов и качеств. Эфир он отнес к области космоса, остальные элементали — к области Земли. В основе земных вещей по Аристотелю лежат четыре элемента, которые он приводит в виде креста противоположностей (рис. 9). При этом Земля и Вода как элементы тяжелые обладают стремлением падать вниз, а Огонь и Воздух стремятся вверх. Взаимодействие элементов, их смешивание (на современном языке — суперпозиция) создает свойства и качества всех материальных вещей. Качества тоже могут быть противоположными: Сухость и Влажность, Влажность холодная и горячая и т. д. (рис. 9). 25 Рис. 9. Система элементов и качеств Аристотеля В логике Аристотеля бинарными противоположностями (альтернативами) являются Истина и Ложь. «Третьего — не дано». Принцип исключения третьего способствовал развитию логики и оказал большое влияние на смежные области. Однако привычка ожидать в окружающем мире только бинарные противоположности приводила физиков к многолетним спорам по поводу того например, является ли свет потоком частиц (Ньютон) или последовательностью волн (Гюйгенс). Казалось очевидным, что одно из двух утверждений является ложным. (Заметки в скобках, что принцип дополнительности современного естествознания позволяет согласовать эти альтернативные утверждения введением экспериментальных условий для наблюдения порознь данных свойств света). Подход Аристотеля к систематизации элементов и качеств позднее был использован в астрологии. Здесь основой является система из трех крестов противоположностей (рис. 10): Рис. 10. Разделение знаков Зодиака по противоположностям Кроме того, зодиакальные созвездия группируются в тригоны, связанные с первоэлементами (рис. 11): Рис. 11. Зодиакальные тригоны 26 Тригонам сопоставляются определенные свойства и качества первоэлементов, считается разумным полагать, что этими свойствами будут обладать и люди, рожденные под соответствующими знаками Зодиака. Например, Огонь — это индивидуальность, целеустремленность, стремление оказывать влияние, мышление импульсивное. Вода — способность принимать заданные условия, восприимчивость, стремление к комфорту и эмоциональной гармонии, мышление образное. Воздух — способность охватывать все пространство, умение заниматься несколькими делами сразу, мышление подвижное, но легкое, сиюминутное. Земля — устойчивость, инертность, стремление к четким формам, к расписаниям и планам, отсутствие гибкости при повышенной надежности, мышление практическое, логическое и рациональное. Астрология входит в систему метафизической картины мира. Она не противоречит догматам христианства и, в свое время, признавалась учеными. Ньютон и Коперник были весьма образованными людьми своего времени, верующими и не чурающимися астрологии. Они принимали идею мгновенного действия звезд на человека и на весь мир, как механизма исполнения воли Всевышнего. Поэтому для них не было сомнений в бесконечно большой скорости передачи воздействия звезд на весь мир. Из этого следовало, что время едино для всего пространства вселенной. Как бы далеко ни находились объекты, при бесконечно большой скорости передачи воздействия между ними запаздывания не будет. Следует заметить, что и в других древних цивилизациях разрабатывались сходные идеи о первичных элементах мироустройства. Так в Индии, примерно 2700 лет назад, религиозный мыслитель Канада выделял Субстанции и Категории (табл. 2). 27 Таблица 2. Перечень категорий и субстанций Субстанции материальные нематериальные Земля, Вода, Воздух, Свет, Эфир Время, Пространство, Сознание, Душа Категории Качество, Различие, Общность, Действие, Взаимосвязь В его учении также постулировалось наличие наименьших частиц вещей. Человеческий глаз может еще различить пылинку в луче солнечного света. Канада считал, что это уже близко к пределу: в пылинке содержатся шесть еще меньших, но уже предельных частей. Какую ценность представляют изложенные выше исторические факты для современного естествознания? Оставим в стороне вопрос о том, насколько соответствует описанные положения действительности. Ценность приведенных описаний в другом — в процессе развития преднаучных представлений о мире отрабатываются элементы научной методологии! Развиваются такие методы, как абстрагирование, систематизация, логические рассуждения, сравнение по аналогии и в противопоставлении, классификация по определенным признакам — критериям. Все то, что впоследствии вошло в арсенал естествознания и других наук. В частности, в трудах Аристотеля закладывается понимание системы как совокупности отдельных элементов, оказывающих влияние друг на друга и приводящих в совокупности к появлению новых свойств, которых не было у разрозненных компонентов (см. рис. 9). Предсказание характера человека по знакам Зодиака производится по методу аналогии, поиск «корней мироздания» сродни современному поиску элементарных частиц на вводимом в строй в 2008 г. ускорителе протонов и антипротонов — так называемом адронном коллайдере в CERN (европейском центре ядерных исследований). Гомеометрии Анаксимандра явились гениальной догадкой о фрактальности 28 природы (самоподобии при изменении масштаба), открытой только в ХХ в. Глава 1.3.Концепция классического атомизма 1.3.1. Атомизм античности Греческий философ Демокрит из Абдер (460 – 370 гг. до н. э.) является автором понятия «атом». Его основной известный нам труд называется «Малый диакосмос». В нем он утверждал: «Начало Вселенной — атомы и пустота, все же остальное существует лишь во мнении. Миров бесчисленное множество и они имеют начало и конец во времени. Атомы бесчисленны по величине и множеству, носятся же они во вселенной кружась в вихре. И таким образом рождается все сложное: Огонь, Вода, Воздух и Земля. Последние есть (суть) соединения некоторых атомов. Сами атомы не поддаются никакому воздействию и неизменяемы вследствие твердост». С Демокритом связана одна из нескольких известных легенд о яблоке. Разрезая яблоко, Демокрит задумался о проблеме делимости тел: вот половина, половина половины, и т. д. Где же кончается яблоко? Есть ли, в принципе, предел процессу дихотомии (процессу деления на две равные части)? Как видно из приведенной выше цитаты, Демокрит пришел к убеждению о наличии предела делимости тел. Атомы — это наименьшие, более неразрезаемые (вследствие «твердости») части любых сложных по составу и форме тел. Логическое обоснование необходимости предела уменьшения частей тел позднее дал римский поэт и философ Тит Лукреций Кар (99 – 55 гг. до н. э.) в своем пересказе идей Демокрита. Можно процитировать отрывок из его труда «De Rerum Natura». «Если не будет затем ничего наименьшего, будет Из бесконечных частей состоять и мельчайшее тело: У половинки найдется всегда и своя половина. И для деления нигде не окажется вовсе предела . Чем отличишь ты тогда наименьшую часть от Вселенной ?» 29 Этот вопрос является базовым, фундаментальным и для современного естествознания. В античности решение проблемы могло быть только логическое. Предел нужен, чтобы отличить наименьшую часть от вселенной. Иначе возникает ситуация «дурной бесконечности» в любом из масштабных уровней. Кроме логических доводов Тит Лукреций Кар приводит и ряд наглядных свидетельств о наличии невидимых мельчайших частиц. Влажная одежда высыхает на возле огня, ветер невидим, но воздействует на поверхность моря, вызывая волны. Запахи и звуки, холод и тепло человек чувствует, но не видит и ряд других аргументов. Главный вывод, к которому приходит философ таков: «... Это все обладает однако телесной природой, Если способно оно приводить наши чувства в движенье. Ведь осязать, как и быть осязаемым, тело лишь может». Иначе говоря, признается материальность и реальность невидимых частиц — атомов. Приведем основные положения атомистики Демокрита и его последователя Левкипа. 1. Атомы так малы, что невидимы, но имеют конечные размеры. Поэтому мысленно можно представить более мелкие части атомов (например выступы и впадины). Допущение этих простейших деталей необходимо потому, что иначе атомы превратились бы в неделимые точки, не имеющие размеров, и тогда из их соединения не возникли бы тела физического (реального) мира. 2. Атомы непроницаемы друг для друга, но они разнообразны по форме, что позволяет им соединяться (зацепляться выступами и впадинами). Видимые физические тела различаются по количеству атомов, по геометрической форме отдельных атомов и по порядку сцепления атомов (следования друг за другом). 3. В противоположность гомеометриям Анаксагора (бесконечно делимым частям тел), все атомы Демокрита состоят из одинакового первовещества, твердость которого обусловлена отсутствием в 30 нем пустоты. Отсутствие пустоты приводит к тому, что атомы неизменяемы, они не могут стать ни больше, ни меньше себя, не могут ни гибнуть, ни возникать, они вечны и неизменны. 4. В бесконечной вселенной существует множество миров, миры разделены пустотой, рождаются из атомов и на атомы распадаются. Пустота существует вне связи с наличием или отсутствием атомов. На расстоянии атомы не влияют друг на друга, при столкновениях возможны соединения или изменение движения атомов. 5. Случайности в мире нет, на все есть своя причина. Причинность (необходимость у Демокрита) вызывается вихревым движением атомов. 6. Душа человека так же состоит из специфических атомов, самых мелких и круглых. Такие же атомы у огня. Движение атомов души производит все процессы жизнедеятельности человека. Оценивая идеи атомизма Демокрита и Левкипа с позиции сегодняшних знаний, мы отмечаем прежде всего единое теоретическое рассмотрение мира от мельчайших частиц до вселенной и включение в картину мира человека. При этом признается материальная основа души человека (его сознания). Существенно так же то, что многие положения атомизма античности признаются и современным естествознанием. Так химические соединения различаются как составом атомов, так и структурой, то есть порядком соединения атомов. Атом имеет сердцевину — ядро атома, а электронная оболочка атомов имеет различную геометрическую форму. Вращательное движение (спин) — присуще всем элементарным частицам. В химических реакциях атомы неделимы. Но есть и отличия. Например число типов атомов конечно, ограничено — таблица Менделеева включает две с небольшим сотни элементов. А движение атомов в пустоте (в газообразном состоянии) определяется случайными событиями и описывается статистическими законами. 31 Идеи античной атомистики, да и их поэтическое изложение были забыты в эпоху средневекового религиозного фанатизма. В эту эпоху церковью признавался лишь авторитет Аристотеля, что было определенным шагом назад в понимании устройства мира. Тем не менее, в это же время зарождается предшественница химии — алхимия. 1.3.2. Открытие атомов в химии Безусловно, химия была и остается важной составной частью естествознания. Современные достижения молекулярной биохимии нуклеиновых кислот и белков будут рассматриваться в нашем курсе позднее. Сейчас же коснемся некоторых фактов ее начального периода, когда химия еще была в состоянии преднауки алхимии. В табл. 3 представлены семь планет, известных в то время, и их мистическое значение. Обратим внимание на идейную основу построения этой таблицы алхимиками. Таблица 3. Сопоставление свойств человека с объектами окружающего мира Планета Чувство Дерево Металл Достоинства Недостатки Солнце Понимание Дуб Золото Вера Гордыня Луна Зрение Орех Серебро Надежда Зависть Меркурий Речь Олива Ртуть Щедрость Скупость Марс Осязание Терн Железо Сила Гнев Венера Вкус Мирт Медь Воздержание Распутство Юпитер Обоняние Береза Олово Справедливость Обжорство Сатурн Слух Сосна Свинец Благоразумие Лень Как видно, с планетами сопоставлены растения, известные металлы, органы чувств человека, а также его добродетели и пороки. Фактически это означает, что неявно используется принцип единства и целостности мира: человек здесь связан с растительным царством, царством металлов, планетами и Солнцем. Поскольку алхимические знания были окутаны мистикой и предназначались только посвященным, были введены особые знаки для обозначения планет и связанных с ними свойств. Таким образом 32 оказались зафиксированными те первые химические элементы, которые были известны в определенную историческую эпоху. Иными словами это была первая попытка создания той системы элементов, которую теперь мы знаем как таблицу Менделеева. С развитием алхимии выяснилось, что первоэлементы Аристотеля являются на самом деле составными. Так земля не является простым веществом, в составе земли находят драгоценные камни (алмаз, янтарь, хрусталь и т. д.), металлы (золото, медь, свинец и др.), другие материалы (уголь, сера, гипс и пр.). В воздухе так же обнаружены водород , кислород, азот. Пришлось изменить принцип обозначения элементов и использовать первые буквы латинского алфавита в их названиях Ag, Cu, Au и т. д. Постепенно разрабатываются методы экспериментального исследования, в первую очередь – методы анализа: точное взвешивание, вытеснение газов в водной среде, осаждение, диспергирование, возгонка, амальгамирование, и тому подобное. Алхимия была эмпирической, рецептурной преднаукой, но по мере развитием методов исследований, способов измерений и записи формул реакций она переходит в новое качество количественной науки химии. Количественная химия связана в первую очередь с именем французского ученого (иногда используют термин естествоиспытателя) Антуана де Лавуазье (1743 – 1794). Им была дана одна из первых таблиц известных химикам того времени простых веществ и сформулирован закон сохранения массы химических соединений, один из первых законов сохранения в естествознании. В эпоху Французской революции он был обезглавлен с примечанием в приговоре: «Республика не нуждается в ученых». Позднее Жозеф Луи Пруст (1754 – 1826) установил закон постоянства состава соединений (независимость состава от пути химического синтеза): 33 «Массы двух элементов, образующих соединение, находятся во вполне определённом целочисленном соотношении, характерном для реагирующих элементов и возникающих элементов». Дж. Дальтон (1766 – 1814) пожалуй первым сделал правильные выводы из этого закона. Смысл закона по Дальтону в том, что имеются некоторые минимальные количества веществ или элементов, меньше которых в природе не бывает. Наименьшее количество простого вещества, сохраняющего свои специфические физические и химические свойства получило название атома. Соединения, создаваемые атомами, стали называть молекулами. Таким образом, уже не на умозрительной, а на опытной основе в естествознании пришли к идее, логически сформулированной еще за 2000 лет до Дальтона. В 1811 г. Авогадро выказал гипотезу о равном количестве молекул (или атомов, если это простые вещества) в одинаковых объемах газов при одинаковых условиях. Это помогает определять содержание атомов в соединениях. Например эксперимент показывает, что при образовании молекул воды на два объема водорода приходится один объем кислорода. Причем объем газа (пара) получаемой в реакции воды равен объему кислорода. Отсюда следует, что в каждой молекуле воды имеются один атом кислорода и два атома водорода. Методом сравнения объёмов газов установлено количество атомов водорода (а потом и кислорода) в различных соединениях. Например для водорода экспериментально установлены следующие соотношения газов: хлористый водород — 22,4 л; вода — 1/2 от 22,4 л; этиловый спирт — 1/6 от 22,4 л. Это означает, что в первом соединении содержится один атом водорода, во втором содержатся два, так как требуется 1/2 объема, в третьем — шесть. 34 Стало возможным сравнение количеств и других элементов, вводится единица вещества моль. В конечном счете устанавливается значение числа Авогадро. Измерения толщины пленки масла на воде позволили оценить размеры молекул. Они оказались весьма малыми, порядка 10-9 м. Отдельные объекты таких размеров зрение человека различить не может. Но невидимые глазом молекулы и атомы становятся, тем не менее, реальными объектами для естествознания. Оказываются известными численные значения массы атомов и молекул, их геометрические размеры и способности вступать в соединения (валентности). Совместными усилиями физиков и химиков открываются факторы, влияющие на реакционную способность веществ: • влияние концентрации ( закон действующих масс), • влияние температуры (правило Вант-Гоффа), • энергия активации (энергетический барьер реакции), • катализаторы, • направленность к установлению равновесия (принцип Ле Шателье-Брауна. Таким образом, мы можем говорить о двух способах открытия атомов: • теоретическим методом логических рассуждений (качественного анализа) в античную эпоху, • эмпирическим методом количественных измерений и постановки эксперимента в четко определенных условиях (естествознание Нового времени). В дальнейшем развитии естествознания этот исторический ход событий открытия нового будет ускоряться, при сохранении единства теоретического и эмпирического методов исследования. Нет смысла спорить, какой из двух путей в науке важнее, они имеют свои области применения. Во многих случаях теоретический анализ опережает постановку экспериментов, как это случилось и с открытием атомов. Например, в современном естествознании кварки были сначала «открыты» в теоретических построениях и только затем в эксперимен35 тах. В наши дни ожидается проведение экспериментов на адронном коллайдере для поиска теоретически предсказанных бозонов Хигса и т. д. С другой стороны, развитие теории часто стимулируется открытием (иногда нечаянным) новых эффектов, например распада ядер атома (радиоактивности), открытия рентгеновских лучей или лучей Крукса (К-лучей). Глава 1.4. Концепция атома как планетарной системы 1.4.1. Проблема внутренней структуры атома Эта проблема возникла после открытия ионов в химии и электрона в физике. Ионами по определению называют атомы несущие положительный или отрицательный электрические заряды. Величину заряда количественно можно определить с помощью прибора Гофмана (рис. 12). Он состоит из двух стеклянных сообщающихся сосудов заполненных в исходном положении слабым электролитом (подкисленной водой). В сосуды введены электроды, которые можно подключить к электрической батарее. При замыкании цепи в сосудах начинается электрохимическая реакция в результате которой в сосуде с положительным потенциалом электрода выделяется кислород, а в сосуде с отрицательным электродом скапливается водород. По объему газов можно рассчитать количество нейтрализованных ионов (они нейтрализуются на электродах, превращаясь в атомы и образуя пузырьки газа). В свою очередь, измерения количества протекшего по цепи заряда дадут сумму зарядов нейтрализованных Рис. 12. Схема прибора ионов. Из сопоставления данных находят веГофмана личину электрического заряда одного иона водорода: 1,6*10-19 Кл. 36 Очевидно, что из нейтрального в целом атома водорода уходит к атому кислорода некая его часть, имеющая электрический заряд. Атом водорода становится положительно заряженным ионом, значит ушедшая часть атома имеет заряд отрицательный (вместе в атоме водорода равные положительный и отрицательный заряды будут взаимно скомпенсированы до нуля). Заряды всех других ионов всегда кратны по абсолютной величине заряду иона водорода и меньшего заряда не наблюдается. Это означает, что некие «элементали» электрического заряда входят в состав всех атомов. Так возникает проблема состава и структуры атомов, считавшихся ранее неделимым и не имеющими поэтому никаких составных элементов. Оказывается в атомах есть противоположно заряженные части. Что они собою представляют? Какова масса частицы, несущей отрицательный заряд? Методы химии не могли дать ответа на эти вопросы. Открытие частицы-переносчика электрического заряда произошло эмпирическим путем в физике при исследовании тока в разреженных газах. При определенных условиях (достаточные разряжение и разность потенциалов, приложенная к электродам) в трубке Крукса (рис. 13) наблюдалось свечение стекла. Рис. 13. Тень от К-лучей в трубке Крукса Казалось, что некие лучи исходят из катода и освещают стекло напротив катода. Если на пути лучей помещалось препятствие, то оно 37 отбрасывало тень на поверхность стекла. Какого-либо теоретического предсказания эффекта в данном случае не имелось, приходилось продолжать эксперименты, чтобы понять природу (механизм) явления. Для этого различные варианты трубки Крукса помещали в магнитное поле, а для визуализации лучей применяли экран с люминофором (веществом, светящимся более ярко, чем стекло, при попадании на него лучей). На рис. 14 приведена фотография следов К-лучей (лучей Крукса), полученная в однородном магнитном поле, вектор индукции Рис. 14. След К-лучей в которого направлен перпендикулярно к магнитном поле плоскости фотографии. Как видно из приведенной иллюстрации, магнитное поле оказывает физическое действие на лучи, заставляя их двигаться по криволинейному пути. Этот экспериментоднозначно свидетельствует, что К-лучи представляют собой поток заряженных частиц. Как известно из школьного курса физики, путь движения (траекторию) заряженных частиц в магнитном поле определяет сила Лоренца. Направление действия этой силы на положительно заряженную (пробную) частицу определяется по мнемоническому правилу левой руки. Применяя это правило, положим ладонь левой руки на страницу учебника с фотографией, повернув ее к себе, чтобы линии индукции входили в ладонь. Четыре пальца ладони должны быть направлены по направлению входа частиц в магнитное поле, т. е. вверх. Большой палец покажет направление действия магнитного поля на движущийся положительный заряд. Что следует из того факта, что Ваш большой палец направлен в одну сторону, а след К-частиц на фотографии в противоположную? Это значит, что частицы К-лучей имеют знак электрического заряда противоположный положительному, то есть — отрицательный. 38 Поэтому и направление силы Лоренца для них другое, противоположное. Дальнейшие опыты показали, что К-лучи возникают независимо от химического состава газа в трубке Крукса. Это очень важное наблюдение. Оно говорит о том, что какие-то отрицательно заряженные частицы входят в состав всех химических элементов (всех сортов атомов). Естественно напрашивался вывод, что именно эти частицы участвуют в образовании ионов из нейтральных атомов. Проблема заключалась в том, что была неизвестна масса этих частиц, а без знания ее численного значения трудно признать новую частицу материальной, вещественной. Честь определения массы частиц К-лучей принадлежит Дж. Дж. Томсону (рис. 15). Рис. 15. Фотография Дж. Дж. Томсона в лаборатории Идея эксперимента Томсона заключалась в том, чтобы скомпенсировать действие магнитного поля на заряженную частицу действием на нее электрического поля. При равенстве и противоположном направлении двух сил траектория К-лучей выпрямлялась, что фиксировалось очевидным наблюдением. Решая совместно уравнения для магнитной и электрической сил, Дж. Дж. Томсон определил скорость движения К-частиц. Узнав скорость частиц и измерив радиус траектории их движения (см. рис. 14), он нашел отношение величин электрического заряда к массе частицы (впоследствии эту величину назвали удельным зарядом электрона). 39 Поскольку величина заряда К-частицы по абсолютной величине была известна (см. выше определение заряда иона водорода), оказалось возможным дать количественную оценку величины массы новой элементарной частицы, названной электроном. За открытие электрона (точнее за установление в 1897 г. его количественных характеристик) Дж. Дж. Томсону позднее была присуждена Нобелевская премия по физике. Два вопроса, по меньшей мере, возникли после факта открытия электрона: 1. Где находится электрон в составе нейтрального атома, снаружи или внутри положительно заряженной массы ? 2. Что собой представляет область положительного заряда ? В начале ХХ-го столетия были высказаны, почти одновременно, несколько гипотез о внутренней структуре атома. При этом все авторы исходили из принципа единства мира и подобия его частей. Этот принцип имеет древнее происхождение. Считается что его высказал древнеегипетский мистик Гермес Трисмегист фразой: «То, что находится наверху, подобно тому, что находится внизу». Поэтому ожидалось, что объекты микромира могут быть устроены наподобие объектов мегамира или макромира. (Отметим здесь в скобках влияние метафизической картины мира на формирование физической картины мира, отраженное пунктирной стрелкой на схеме рис. 6). Модели атома водорода, предложенные различными авторами в самом начале ХХ-го в., представлены на рис. 16. Рис. 16. Модели строения атома (Ж. Перен, Х. Нагаока и Дж. Дж. Томсон) Очевидно сходство нуклеарно-планетарной модели Ж. Перена с солнечной системой, а модели Х. Нагаока с планетой Сатурном. Наи40 большее признание получила модель Дж. Дж. Томсона, в которой электрон совершал колебания вокруг центра положительно заряженной области (в других моделях электроны вращались вокруг положительно заряженной области, не входя в нее). Какая из предложенных гипотетических моделей верна? Ответ должен был дать эксперимент, таково общее правило в науке. Но какой эксперимент? Чем подействовать на атом? Химические методы воздействий приводили к ионизации молекул и атомов, но не вскрывали его внутреннее устройство. Пришлось использовать методы физики, в арсенале которой к тому времени появились различные излучения с высокой проникающей способностью. Около ста десяти лет назад (1896 г.) А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Годом раньше В. Рентген обнаружил таинственные Х-лучи, которые просвечивали, например, руку человека и оставляли на фотопластинке Рис. 17. Исторические снимки, силуэты фаланг пальцев (рис. 17). Для связанные с открытиями современников Рентгена это было поВ. Рентгена и А. Беккереля разительно! Позднее выяснилось, что Х-лучи, или рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение с энергией в десятки тысяч раз большей, чем у фиолетового светового излучения. Энергия радиоактивного гамма-излучения, всегда сопровождающего альфа- или бета-распад, не менее чем в миллион раз выше энергии светового излучения. Все электромагнитные излучения электрически нейтральны и не могут отклоняться в поле отрицательных или положительных зарядов. Для целей зондирования распределения зарядов в атомах более подходящими являлись бета-частицы (электроны) и альфа-частицы (ядра атомов гелия). В 1909 г., по заданию Э. Резерфорда, его сотрудники Г. Гейгер и Э. Мардсен начали исследования рассеяния альфа-частиц тонкими (настолько, что они становились полупрозрачными для света) пленка41 ми золота. Это называлось бомбардировать атом альфа-частицами. Тонкость золотой фольги обеспечивала практически однократное взаимодействие альфа-частицы с одним из атомов золота. (Заметим в скобках, что другие сотрудники в лаборатории Резерфорда бомбардировали атом бета-лучами). Теоретически модель Дж. Дж. Томсона предсказывала, что после пролета через однородно заряженную область объема атома альфа- частицы будут отклоняться от прямолинейной траектории на небольшие углы вперед по их движению. Но совершенно неожиданно было обнаружено, что малое количество альфа-частиц (примерно одна частица на 8000 падающих) отклоняется почти назад, под углами до 180°. По воспоминаниям Э. Резерфорда, у него было ощущение, что пушечный снаряд отразился от листа бумаги! Однако через некоторое время Резерфорд догадался, какой внутренней структуре атома соответствуют результаты измерений Г. Гейгера и Э. Мардсена. Он сопоставил силы отталкивания, которые возникают при пролете альфа-частицы сквозь атом по различным моделям. Чтобы остановить альфа-частицы, а затем разогнать их в обратном направлении, потенциальная энергия электростатического отталкивания одноименно заряженных частиц (положительно заряженной альфа-частицы и положительно заряженной области в составе атома) должна быть равна или больше кинетической энергии бомбардирующих частиц. Это можно записать в виде соотношения: (1) Здесь в левой части записано выражение для потенциальной энергии, а в правой — для кинетической. Как следует из формулы (1), огромное значение потенциальной энергии взаимодействующих зарядов, достаточное для отражения альфа-частиц, возможно только при малом численном значении расстояния между зарядами r, порядка 10-15 м. 42 Это значение на пять порядков величины меньше размеров атома. Следовательно, модель Дж. Дж. Томсона (учеником которого был Э. Резерфорд) не соответствует действительности. Экспериментальные результаты свидетельствуют в пользу выбора нуклеарно-планетарной модели атома. 1.4.2. Гипотезы инфра-мира и упра-мира По модели Резерфорда весь положительный заряд занимает крошечную область, радиус которой во столько раз меньше радиуса атома, во сколько раз радиус Солнца меньше радиуса орбиты самой удаленной от него планеты. Мельчайшая часть вещества — атом казалась устроенной наподобие Солнечной системы. От модели Резерфорда было впечатление, что принцип Гермеса Трисмегиста получил физическое подтверждение. Невольно возникали ассоциации с куклой-матрешкой, где в одной оболочке оказывается помещенной другая, подобная по форме, но меньшего размера, в ней следующая и так далее. Может быть, в природе нет конца этой лестнице ни вверх, ни вниз? На основе этого предположения появились гипотезы инфра-мира, то есть мира меньшего масштабного уровня, и супра-мира, внешнего, большего по масштабу, чем обычный мир человека. Суть первой гипотезы прекрасно показана в стихотворении русского поэта Валерия Яковлевича Брюсова «Мир электрона»: Быть может, эти электроны — Миры, где пять материков, Искусства, знанья, войны, троны И память сорока веков! Еще, быть может, каждый атом — Вселенная, где сто планет; Там все, что здесь, в объеме сжатом, Но также то, чего здесь нет. 43 Их меры малы, но все та же их бесконечность, как и здесь; Там скорбь и страсть, как здесь, и даже Там та же мировая спесь. Их мудрецы, свой мир бескрайний Поставив центром бытия, Спешат проникнуть в искры тайны И умствуют, как нынче я. Гипотетические мудрецы на электроне-планете действительно измеряли бы время в единицах периода обращения электрона вокруг ядра. И их год был бы весьма скоротечен по сравнению с нашим астрономическим годом. Альтернативная гипотеза супермира исходит из сходства солнечной системы с атомами фтора (F). Действительно, в солнечной системе было известно 9 планет. А у атома фтора имеется 9 электронов. Формально очень схожи по «устройству» эти две системы. Так, может быть, Солнечная система и другие звезды – это некие мега-атомы, из которых составляются гигантские по размерам мега-молекулы? А из мега-молекул построен мега-организм – Вселенная? Фантазируя дальше, можно считать этот мега-организм носителем космического разума. Отголоском этой идеи является разумный Океан (Солярис) у писателя-фантаста С. Лема. Можно также упомянуть мистические идеи Е. Блаватской о космическом Разуме и живой Вселенной. Мы рассматриваем эти гипотезы в разделе об истоках современного естествознания потому, что они иллюстрируют влияние научных открытий на гуманитарный компонент культуры. Элементы новой парадигмы естествознания изменяют масштабы и образ мысли всего человечества. Кроме того, они привлекательны своей смелостью и выходом за привычные рамки мышления. Тем не менее, в них остается стереотип ожидания все меньших структурных частей по мере продвижения на более глубокие масштабные уровни: внутри матрешки может быть только меньшая. 44 По современным данным принцип матрешки несостоятельный. В последующем мы рассмотрим причины, по которым малые по массе микрочастицы содержат в себе не меньшие, а, наоборот, большие по массе и энергии составляющие. Что касается звездных систем, то процессы их образования не копируют закономерности образования молекулярных систем и тем более закономерности развития живых организмов. В заключение отметим, что нуклеарно-планетарная модель, обоснованная Резерфордом, явилась большим достижением классического атомизма. Одновременно она показала недостаточность классической физики Ньютона-Максвелла для полного описания свойств атома. Дело в том, что движущийся с центростремительным ускорением электрон в атоме должен бы излучать электромагнитные волны, терять кинетическую энергию и непрерывно переходить на все приближающиеся к ядру орбиты. Поэтому классическая физика предсказывает нестабильность атома и его исчезновение, хотя в действительности атомы и молекулы остаются стабильными системами. Таким образом возникает противоречие и проблема стабильности атома требует своего решения в рамках новой концепции микромира — квантово-механической. Конец первой лекции Все замечания и предложения отсылайте по адресу: feedback@rfet.ru 45