Парадигмы физики

Те же особенности научного прогресса XIX в. мы наблюдаем и в физике: здесь также достигается триумф классики и в то же время выход на рубеж науки XX в. В течение XVIII в. происходило оформление структуры прикладной механики. Из нее последовательно выделились, в качестве относительно самостоятельных дисциплин, гидравлика, теория гидравлических двигателей, теория паровых машин и паровых котлов и др. В области чистой механики работами Г. Монжа (1746-1818) и А. Ампера (1775-1836) формировались кинематика, теория упругости, гидромеханика и пр. Активно разрабатывались основы термодинамики. В 1824 г. С. Карно в работе «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» разрабатывал так называемый цикл Карно, указывая, что полезная работа в паровых машинах может быть получена только при переходе тепла от более нагретого тела к менее нагретому.

В 1850 г. Р. Клаузиус открыл второе начало термодинамики: теплота не может сама по себе перейти от менее нагретого тела к более теплому — и ввел понятие энтропии. Одновременно формировалось первое начало термодинамики как частный случай закона сохранения и превращения энергии, сформулированного Р. Ю. Майером в работах 1842-1845 гг. В 1847 г. Г. Гельмгольц в работе «О сохранении силы» впервые дал строгую математическую формулировку этого закона и доказал его всеобщую значимость для физики. Это открытие подрывало основы теории теплорода, окончательно сокрушенной созданием кинетической теории газов, разработанной в 1856-57 гг. А. К ренин го м и Р. Клаузиусом. В результате в науке утверждаются статистические законы и представление о необратимости любых физических процессов. Особую роль в утверждении этих новых представлений сыграли труды австрийского физика Л. Больцмана (1844-1906). Однако их следствием в термодинамике стали две проблемы, две загадки для физики XX в.: проблема «тепловой смерти» Вселенной и проблема детерминизма, ибо если все законы природы вероятностны, то как быть с первым началом термодинамики и с идеей причинной обусловленности, воспринимаемой физиками как основа всей классической науки?

Значительные изменения произошли и в области изучения электричества и магнетизма. М. Фарадей (1791—1867) и Д. Максвелл (1831-1867), разрабатывая теорию электромагнитного поля, установили связь между электромагнитными явлениями и светом. В 1887 г. Г. Герцу впервые удалось обнаружить электромагнитные волны и таким образом экспериментально доказать реальность электромагнитного поля. В 1870 г. У. Крукс открыл катодные лучи, а в 1895 г. В. Рентген — X-л учи (впоследствии названные рентгеновскими) — электромагнитное излучение с очень короткой длиной волны. В 1897 г. Д. Томсон доказал, что катодные лучи представляют собой поток электронов. Незадолго до этого, в 1896 г., А. Бек- керель обнаружил явление радиоактивности — одну из величайших загадок XIX в., переданных им XX.

Таким образом, XIX век стал не только высшей точкой развития классической науки, но и преддверием науки XX в., выдвинув ряд проблем, которые революционизировали весь ход ее развития. Если наука XVII-XIX в. квалифицируется обычно как классическая, то изменения, происходящие в XX в., переводят ее в новое, неклассическое состояние. Вместе с тем мнения о принципиальном отличии науки XX в. от науки классической эпохи представляются преувеличенными. Наука XX в., при всех ее особенностях, является продолжением и развитием классического наследия.

Антропный принцип. В чем же состоит особенность науки XX в.? В чем обнаруживается ее неклассичность? Представляется, что главное отличие науки XX в. состоит в том, что она преодолевает горизонты «принципа Коперника», согласно которому наша часть Вселенной (Земля и Солнечная система) есть рядовая, если можно так выразиться, типичная часть мира, ничем особенным не отличающаяся от всего остального многообразия, ни в чем не привилегированная. Этот принцип сыграл выдающуюся роль в развитии естественных наук, позволив провести четкую демаркационную линию между научными предположениями и мифологией. Но на определенном этапе развития науки этот же принцип начинает играть отрицательную роль, становится тормозом для научной мысли. Обнаруживается обратная сторона этого принципа: из того, что наша часть Вселенной рассматривается как типичный образец, совершенно тождественный любой другой его части, следует, что весь мир в его бесконечности построен по образу и подобию известного нам сравнительно небольшого его фрагмента. Тем самым утверждается «дурная бесконечность» мира, его абсолютная «монотонность» в отношении частных физических параметров. Новая наука обнаруживает, что бесконечность реализуется только через конечное и что всякое свойство или отношение конечно, но конец их означает переход в нечто иное, столь же реальное и объективное.

Математика. Введение в науку антропного принципа, как принято называть принцип, альтернативный принципу Коперника, ведет к дальнейшему ограничению применения в ней такого эвристического приема, как наглядность. В самом деле, реальная бесконечность означает, что все наглядно представимые свойства мира являются частными и ограниченными. Они есть не что иное, как локальные и исторически обусловленные формы обнаружения неких более фундаментальных свойств, зачастую просто не имеющих непосредственных чувственно-наглядных форм внешнего выражения. Такие свойства просто невозможно себе представить, их можно только помыслить. Отсюда возрастающая роль математики в науке XX в. По словам М. Клайна: «Мы приходим к выводу, что реальный мир есть не то, о чем говорят наши органы чувств с их ограниченным восприятием внешнего мира, а скорее то, что говорят нам созданные человеком математические теории, охватывающие достаточно широкий круг явлений... Какова физическая реальность, лежащая за пределами математики? Мы не располагаем даже воображаемыми физическими картинами для объяснения... Трудно, если вообще возможно, избежать вывода: математическим знанием исчерпываются все наши знания относительно различных аспектов реальности»^[1]. Связь с чувственной наглядностью сохраняется опосредованно, через интерпретацию теории и через ее применение на практике. Создание математических моделей становится магистральным путем развития и теории, и ее приложений. Именно в этой области возникают новые стимулы для развития математики. Значение математики состоит именно в том, что она оказывается методом, своего рода идеальной техникой, создающей аппарат для других наук.

Таким образом, разработка математических моделей становится главным направлением современного процесса математизации науки. Специалисты различных ее областей стремятся овладеть с помощью математики аппаратом для эффективного применения его к тому, что необходимо выразить, хотя и невозможно представить в наглядной форме. Однако, поскольку прямое заимствование математических разработок далеко не всегда оказываются эффективным, «возникает необходимость создания нового математического аппарата, разработки новых математических средств и методов, отражающих специфику области их применения»^[2]. В итоге как под влиянием внутренних потребностей математики, так и в ответ на запросы других отраслей науки круг количественных отношений и пространственных форм, изучаемых математикой, чрезвычайно расширяется. В него входят отношения между элементами произвольной группы, векторами, операторами в функциональных пространствах, все разнообразие пространств любого числа измерений и др. Чрезвычайное расширение предмета математики привлекает усиленное внимание к вопросам ее обоснования, т. е. критического пересмотра ее исходных положений, построения строгой системы определений и доказательств, а также критического рассмотрения логических приемов, употребляемых при этих доказательствах.

В конечном итоге сложился стандарт требований к логической строгости, остающийся и до настоящего времени господствующим в практической работе математиков над развитием отдельных математических теорий. Этот стандарт, по определению известного математика А. Н. Колмогорова, «основан на теоретико-множественной концепции строения любой математической теории. С этой точки зрения любая математическая теория имеет дело с одним или несколькими множествами объектов, связанных между собою неко торыми отношениями. Все формальные свойства этих объектов и отношений, необходимые для развития теории, фиксируются в виде аксиом, не затрагивающих конкретной природы самих объектов и отношений. Теория применима к любой системе объектов с отношениями, удовлетворяющими положенной в основу системе аксиом. В соответствии с этим теория может считаться логически строго построенной только в том случае, если при ее развитии не используется никаких конкретных не упомянутых в аксиомах свойств изучаемых объектов и отношений между ними, а все новые объекты или отношения, вводимые по мере развития теории сверх упомянутых в аксиомах, формально определяются через эти последние»^[3].

В XX в. необычайно расширяется тематика математических исследований. Если на Парижском конгрессе 1900 г. действовали лишь 4 секции: арифметики и алгебры, анализа, геометрии, механики и механической физики, то современные математические конгрессы состоят из десятков секций: математической логики и оснований математики, алгебры, теории чисел, геометрии, топологии, алгебраической геометрии, комплексного анализа, теории вероятностей и математической статистики, группы Ли и теории представлений, вещественного и функционального анализа, дискретной математики и комбинаторики, математических аспектов информатики и пр., и пр. Многие из этих направлений возникли в XX в., роль других изменилась: возросла или относительно сократилась. Выросло общее число математиков в мире. Вместо примерно тысячи активно работавших в конце XIX в. математиков к концу 70-х годов XX в. в математике работали до 300 тысяч специалистов, разрабатывавших 467 разделов и 2950 тем в 60 основных областях^[4].

Теория относительности. Одним из наиболее ярких проявлений эффективности математизированной науки явилось создание теории относительности. Говоря об ее истоках, нужно прежде всего отметить, что ей предшествовала начавшаяся еще в XIX в. осторожная критика основополагающих утверждений ньютоновской механики, вдохновленная теми повышенными требованиями к строгости, которые в это время складываются в математике. Эго прежде всего критика ортодоксального ныотонианства Г. Герцем (1857- 1894). Герц показал, что математический формализм классической механики допускает три разных картины мира в зависимости от выбора базовых понятий. Ныотонианство представляет лишь одну из трех возможностей, связанную с не совсем корректным пониманием силы и массы. Он высказал мнение, что именно «логическая неопределенность изложения придает основным элементам [ньютоновской концепции] иллюзию прочности и неизменности»^[5]. С позиций номиналистической эмпирии критиковал классическую механику и Э. Мах (1838-1916), доказывая относительность массы, движения, пространства, времени и отвергая понятие абсолютного движения. С критикой оснований механики выступал также А. Пуанкаре (1854-1912). В частности, он доказывал, что сила равна произведению массы на ускорение только по определению, равно как и утверждение о равенстве действия и противодействия. Оба эти положения априорны и не имеют опытного обоснования, так как относятся только к изолированным системам, но поскольку система изолирована, она недоступна эксперименту. Реально существуют лишь относительно изолированные системы, к которым законы Ньютона применимы приближенно. Можно привести и иные примеры критики ныотонианства, но суть во всех случаях одна — классическую механику критикуют за недостаточную строгость интерпретации и обоснования.

Со временем появился и более прямой и непосредственный стимул к ревизии основ механики. В рамках волновой теории света Ж. Фуко в 1850 г. разработал методику измерения скорости распространения света в разных средах. В частности, он показал, что скорость света в воде составляет 0,75% скорости света в воздухе. На протяжении последующих лет с применением все более совершенной аппаратурой проводились измерения скорости света в пустоте. К этому времени из всего сонма «невесомых жидкостей» и «тонких субстанций» в научном обиходе осталось только понятие эфира — недоступной чувственному наблюдению тонкой субстанции, заполняющей промежутки между всеми телами. Эфир рассматривался как необходимое дополнение к атомизму. Но в конечном счете его роль свелась к выполнению лишь одной функции «светоносного эфира», т. е. среды, в которой распространяются световые волны.

После того, как Фарадей и Максвелл доказали электромагнитную природу света, теория эфира не только не рухнула, но и получила дальнейшее развитие: электричество и магнетизм стали рассматриваться как состояния напряжения в эфирном поле. Но возникла проблема межзвездного эфира, чрезвычайно важная для астрономии: как ведет себя эфир в качестве межзвездной среды? Неподвижен ли он, либо частично увлекается движением материальных тел, либо увлекается ими полностью? Гипотеза Герца о полном увлечении эфира не получила подтверждения, и была принята гипотеза X. Лоренца (1853-1928) об эфире как о неподвижной всепроникающей субстанции. В этом случае эфир приобретает функцию абсолютной системы отсчета в абсолютном пространстве. В 1881 г. А. Майкельсон ставит свой знаменитый опыт, связанный с попыткой экспериментально обнаружить движение Земли относительно неподвижного эфира (определить наличие так называемого «эфирного ветра»). Результат опыта оказался отрицательным, и нужно было дать этому адекватное истолкование.

Таким адекватным истолкованием стала разработка специальной теории относительности (СТО), ознаменовавшей собой революцию в физике и ставшая своеобразным водоразделом между наукой XIX и XX вв. По оценке В. Гинзбурга, «Три работы считаются важнейшими при создании СТО. Автором первой из них (1904) был один из общепринятых лидеров теоретической физики X. А. Лоренц, за два года до этого получивший Нобелевскую премию по физике. Автором второй работы (1905) явился знаменитый французский математик А. Пуанкаре. Наконец, третья работа (1905) выполнена почти безвестным мелким служащим патентного бюро А. Эйнштейном. Его работа была направлена в печать почти одновременно с сообщением Пуанкаре и написана без осведомленности о работе Лоренца. Исследование Эйнштейна содержит не только все существенные результаты обеих названных работ, но и дает изложение совершенно нового и глубокого понимания проблемы»^[6]. Сам Альберт Эйнштейн решал эту проблему как сугубо физическую, явно питая большую склонность к физике, чем к математике. Инновация его состояла прежде всего в том, что галилеевский принцип относительности расширялся и охватывал не только механику, но и электродинамику.

Специальная теория относительности родилась в недрах теории электромагнитного поля Дж. Максвелла (1831-1879). Математические корни ее были вскрыты Г. Минковским (1857-1931), который установил связь специальной теории относительности с геометрией Лобачевского. Пространство скоростей в СТО оказывается пространством Лобачевского, где формула сложения скоростей определяется с помощью движения этого пространства. «Это было вдохновляющим событием для математиков: теория, казавшаяся безумной заумыо, вдруг легла в основание механики мироздания»^[7]. Непосредственным выводом из новой теории явился закон эквивалентности массы и энергии, что представлялось «самым парадоксальным утверждением теории относительности», в истинности которого, однако, в том же веке «все человечество убедилось на трагическом примере — взрыве бомбы в Хиросиме»^[8].

В 1907 г. Эйнштейн, продвигаясь в том же направлении дальше, сделал вывод, что гравитационное поле в физическом смысле эквивалентно ускорению, а тяжелая масса (величина, пропорциональная весу тела в поле тяготения) и масса инертная (характеризующая постоянство отношения приложенной к телу силы его ускорению) выражают одно и то же свойство материи, взятое в разных отношениях. Исходя из этого, Эйнштейн в работах 1914-1915 гг. разрабатывал общую теорию относительности (ОТО), ставшую современной теорией гравитации и положившую начало поискам универсальной теории, в которой все физические величины рассматривались бы как феномены искривления единого пространства — времени.

Физика элементарных частиц. XX век увенчан также открытиями в области исследования субатомных процессов и тонких структур материи. Корни и в этом случае уходят в XIX в., в многочисленные исследования и открытия излучений разного вида (тепловое, рентгеновское, ультрафиолетовое, катодные лучи и пр.). Значительный интерес у ученых вызывали флюоресценция и фосфоресценция, при изучении которых широко использовались урановые соли. Именно в опытах с ними А. Беккерель еще в 1896 г. обнаружил новый вид проникающего излучения, который супруги Кюри, еще не зная его природы, обозначили как «радиоактивность», обнаружив у открытого ими радия подобное излучение гораздо большей интенсивности, чем у урана. В 1899 г. Беккерель обнаружил, что при прохождении через магнитное поле лучи распадаются на две составляющих: or-лучи и /?-лучи. Позже была открыта и третья составляющая: 7-лучи. В 1900 г. Э. Резерфорд показал, что с выделением а-частиц происходит образование «эманации» химического элемента. А вскоре У. Рэлей и Ф. Содди пришли к выводу, что радиоактивность связана с атомными превращениями, что и подтверждено эмпирически в опытах Резерфорда и Содди. Так постепенно складывалась теория радиоактивного распада.

Формированию этой теории способствует открытие в первые годы XX столетия многих радиоактивных элементов и изотопов. К 1908 г. выяснилось, что а-частицы — это ионы гелия, входящие составной частью в естественные радиоактивные вещества. Был открыт основной закон радиоактивности — закон полураспада, специфичный для каждого вида радиоактивных веществ. Согласно этому закону, доля атомов, распадающихся за определенный промежуток времени, является постоянной, характеризующей элемент, и называется постоянной радиоактивного распада, а величина, обратная ей, называется средним временем жизни. Одновременно идут поиски приемлемой модели строения атома как сложного образования.

К концу XIX в. была известна лишь одна субатомная частица — электрон. Наличие его в составе атома сомнений не вызывало, но было неясно, из чего складывается основная масса атома и что заставляет пространство, в которое погружены в атоме электроны, вести себя так, как если бы оно имело положительный электрический заряд, равный сумме отрицательных зарядов электронов. В работах Д. Томсона (1856-1940) и П.Ланжевена (1872-1946) доказывалось, что электроны находятся в состоянии вращения по замкнутым орбитам, располагаясь кольцами, с чем связана и химическая природа атома. В 1913 г. Томсон выдвигает предположение, что и другие атомы, кроме радиоактивных, могут быть разложены. В 1911 г. Резерфорд, ища объяснения значительному отклонению а-частиц, проходящих через тонкие пластинки из тяжелых металлов, предположил, что в центре атома расположено заряженное положительно ядро очень малых размеров, но заключающее в себе ббльшую часть массы атома. В 1914 г. была открыта положительно заряженная частица— протон, и это открытие приблизило распространение модели атома Резерфорда, созданной для объяснения радиоактивности, на нерадиоактивные элементы.

К 1913-1914 гг. относятся первые опыты по облучению а-частицами легких элементов таблицы Менделеева, что вызывало ядерные превращения. Была устанавлено новая характеристика атома —атомный номер, характеризующий заряд ядра. В начале 1920-х гг. Ф. Астон обнаружил так называемый дефект массы (переход части массы при упаковке частиц в ядро в энергию связи ядра) и предположил, что «возможно, будущие исследователи откроют какой-нибудь способ освобождения этой энергии... Но нужно, однако, все время помнить о том, что освобожденная энергия может оказаться совершенно неконт]юлируемой и благодаря своей огромной силе произвести взрыв всего окружающего вещества»^[9].

К 20-м годам XX в. ученые четко различают в атоме две подсистемы — внешнюю, электронную, и внутреннюю, внутриядерную. В первой из них легко происходят изменения, определяющие химические свойства элемента, его химические связи и реакции. Изменения же в ядре вызвать трудно, но зато эти изменения означают ядерные превращения, вызывая соответствующую перестройку и внешней системы. Этому соответствовала модель атома Резерфорда, но с точки зрения классической электромагнитной теории было непонятно, почему электрон, вращаясь вокруг ядра, не излучает электромагнитные волны и не падает на ядро, истощив свои ресурсы. В 1923 г. датский физик Нильс Бор создал квантовую модель атома, согласно которой электрон может находиться лишь на одной из разрешенных орбит, при этом не излучая энергию и имея возможность перехода на другую орбиту только скачком. Это означает, что воздействие внешних факторов на движение частиц атома не подчиняется обычным законам классическое механики. Спектральные линии были интерпретированы как результаты таких электронных скачков.

Протонно-электронная модель атома, хорошо объясняя оптические и химические свойства атома и серии спектральных линий, присущих различным элементам, в то же время была малоэффективна для истолкования ядерных превращений. Лишь открытие нейтрона, разработка протон но-нейтрон ной схемы строения ядра и появление на этой основе ядерных моделей (оболочечной, капельной, обобщающей) создали условия для понимания механизмов радиоактивных превращений. Экспериментально нейтрон был обнаружен И. Кюри и Ф. Жолио в 1931 г., а в 1934 г. ими же было сделано открытие искусственной радиоактивности.

Квантовая теория. Итак, исследование радиоактивности и теория относительности породили серьезные сомнения в точности и строгости классической механики и электромагнитной теории. На путях преодоления этих трудностей и возникают квантовая механика и электродинамика.

Среди прочих XIX век поставил также вопрос о распределении энергии в спектре теплового излучения. Расчеты на основе классической теории теплового излучения не давали удовлетворительных результатов. В 1900 г. М. Планк находит формулу такого излучения, отказавшись от фундаментального для классической физики принципа непрерывности перехода из одного состояния в другое. В уравнение была введена дополнительная величина h — «постоянная Планка» и впервые был использован термин «квант». Постоянная Планка позволяет в рамках математического формализма при решении различных физических задач количественно оценить, насколько при описании физической системы существенны квантовые эффекты. Когда по условиям задачи постоянную Планка можно считать пренебрежимо малой величиной, квантовое уравнение превращается в уравнение классической механики.

В 1905 г. Эйнштейн доказал, что квантованным является не только испускание излучения, но и его поглощение и, следовательно, дискретность — фундаментальное свойство самого излучения. Позднее квант электромагнитного излучения получает название «фотон». Складывается так называемый корпускулярно-волновой дуализм: излучению присущи как корпускулярные (квантованность излучения и поглощения), так и волновые свойства (интерференция). В модели атома Бора квантование распространилось и на атом. Эта модель давала хорошие количественные результаты для атома водорода, но описать количественно следующий из элементов—атом гелия—уже не могла. В 1924 г. французский физик Л. де Бройль выдвинул предположение об универсальности корпускулярно-волнового дуализма как для излучения, так и для «корпускулярной» материи, т. е. о том, что волновые свойства должны быть присущи и электронам. Сначала эта гипотеза была встречена крайне настороженно, но в 1927 г. она нашла свое подтверждение в опытах К. Дэвиссона и Л. Джеммера. В результате признания за электроном волновых свойств возникла парадоксальная с классической точки зрения ситуация. Если мы признаем корпускулярноволновой дуализм, то из того, что импульс выражается через длину волны, а говорить о длине волны в какой-то точке бессмысленно, следует, что частица с определенным импульсом имеет неопределенную координату. И наоборот, занимая определенное положение, частица не имеет определенного импульса. В том же 1927 г. это отношение между импульсом и координатой, между временем и энергией В. Гейзенберг выразил через так называемое соотношение неон ределен ностей.

Таким образом, в течение 1920-х гг. трудами де Бройля, М. Борна, В. Гейзенберга и др. складывалась волновая, или квантовая механика. На ее основе формировалась разветвленная квантовая теория, включающая в себя квантовую статистику, квантовую теорию поля, теорию атомного ядра и физику высоких энергий (элементарных частиц). Перспективы этой теории представляются поистине необъятными: «Границы применения квантовой теории в широком смысле слова пока неизвестны. Квантовая теория —самая общая и всеобъемлющая из всех существующих физических теорий. По современным представлениям, она должна описывать любое физическое явление в пределах существующих возможностей измерения. Не известен пока ни один объект, для описания которого квантовая теория была бы заведомо недостаточной»^[10].

Астрофизика и космология. Интереснейшими сферами приложения квантовой теории стали астрофизика и космология. Одним из показателей прогресса в этой области были последовательно сменяющие друг друга модели Галактики и Вселенной, аккумулировавшие в себе накопленные научные знания. К концу XIX в. сложились три типа моделей Млечного Пути: как диска, бесконечного плоского слоя звезд или центрального скопления звезд, окруженного отдаленным кольцом, состоящим из звезд же. Не исключалось и то, что Вселенная и Млечный Путь —это одно и то же. Солнечная система предполагалась расположенной в центральной части всей звездной системы. Уровень знаний был таков, что в 1904 г. английский естествоиспытатель А. Уоллес в книге «Место человека во Вселенной» описывал все туманности как зародыш звезд, сгущения межзвездной пыли.

Собственно астрофизика берет начало от работ А. Эддингтона 1916-1918 гг. На базе термодинамической теории лучистого равновесия и экспериментального открытия П. Лебедевым светового давления (1900) он создал «физику звезд», ключом к которой явилась работа Д. Джинса, в 1917 г. теоретически доказавшего, что звездное вещество должно быть при звездных температурах полностью ионизировано и близко по своим свойствам к идеальному газу, что делает его доступным математическому описанию. В 30-е гг. XX в. были, наконец, определены размеры нашей Галактики, что дало возможность более четко различать внутригалактичсские и внегалактические объекты и уточнить масштабы исследуемых процессов. Началась постепенная систематизация растущего многообразия космических объектов, их модельное исследование. Параллельно развитию астрофизики происходило формирование и развитие космологии. Теоретический фундамент космологии составляют основные физические теории— теория тяготения, электромагнитная теория, оптика и пр. По мере развития теории тяготения менялись и космологические модели. В основе современной космологии лежит общая теория относительности (ОТО).

В конце 20-х годов XX столетия была доказана нсстационар- ность Метагалактики: оказалось, что для всех линий в спектрах далеких галактик наблюдается так называемое красное смещение, т. е. сдвиг линий спектра относительно их нормального положения на спектрограммах. Единственным приемлемым объяснением этого было уменьшение частоты света вследствие эффекта Доплера, что означало так называемое разбегание галактик, т. е. взаимное удаление скоплений галактик или, что то же самое, — «расширение Вселенной». Попытки дать этому истолкование посредством моделей, основанных на классической физике, без обращения к теории относительности успеха не имели. В то же время, еще в 1922 г., А. Фридман создал первую релятивистскую модель Вселенной, а в 1927 г. Ж. Леметр — модель, в какой-то мере реанимирующую идеи античных орфиков о творении мира из космического яйца. Согласно этой модели Вселенная возникает из «Атома-Отца» и в дальнейшем расширяется. В 30-е годы XX в. эта модель была развита Эддингтоном, предположившим, что Вселенная начинает свое расширение из сверхплотного сгустка обычного вещества. Тогда же

Э. Милн предложил модель «горячей Вселенной», в которой Вселенная возникает в результате взрыва некоего сверхплотного сгустка первоматерии — так происходит формирование звезд, галактик и пр. В 1946 г. Г. Гамов предложил теорию большого взрыва, согласно которой Вселенная возникает взрывным образом, в результате разлета некой нераздельной смеси излучения и вещества, в ходе которого формируются атомы. А в 1964 г. благодаря открытию предсказанного Гамовым так называемого реликтового излучения его теория взрывающейся горячей Вселенной получила эмпирическое подтверждение.

Радиоэлектроника. Вторая половина XX в. характеризуется множеством физико-математических исследований, среди которых особую важность имеют работы в области радиоэлектроники. Электроника—отрасль физики и техники, изучающая электронные и ионные процессы в вакууме, твердых телах, жидкостях, газах, плазме и их поверхностных слоях. Вазис электроники был заложен еще в XIX в. К ее предпосылкам относят открытие вольтовой дуги (1802), тлеющего разряда в газах (1850), катодных лучей (1859), лампы накаливания (1873), термоэлектронной эмиссии (1888); изобретение радио (1895) и электроннолучевой трубки (1897). В начале XX в. были изобретены вакуумный диод (1904), кристаллический детектор (1905), вакуумный триод (1907). В дальнейшем развитие электроники проходит три этапа.

На первом этапе, в 40-е годы XX в., шло исследование и разработка электровакуумных приборов. С 1934-35 гг. в США, Англии, СССР, Германии, начались работы над радиолокацией. Велись активные исследования в области телевидения и электронной вычислительной техники. В США и СССР шла активная разработка ЭВМ первого поколения.

Второй этап развития электроники приходится на 50-е годы XX в. Он связан с переходом от электровакуумных приборов (ламп) к полупроводниковым приборам. Создавались ЭВМ второго поколения. В это же время ряд открытий подготовил следующий этап в электронике, связанный с изобретением первого квантово-электронного генератора радиоволн — мазера, разработанного А. Прохоровым и Н. Басовым в 1954 г. Вскоре, в 1960 г., был создан лазер импульсного действия, дающий излучение в оптическом диапазоне. В том же году разработан и первый лазер непрерывного действия. Нужный эффект создается в нем методом газового разряда в гелиево-неоновой смеси (газоразрядный лазер). Проектировались твердотельные и плазменные лазеры; повышалась их мощность и продолжительность непрерывного действия.

С 60-х годов XX в. начался третий этап развития электроники, связанный с разработкой микроэлектронных устройств —с конструированием электронного прибора непосредственно внутри и на поверхности полупроводникового кристалла. Иными словами, сам полупроводниковый кристалл превращается в микроэлектронный прибор. Одно из важнейших достижений 70-х годов XX в. — создание жидкостных лазеров, лазеров на красителях. Используя растворы ряда органических красителей, такие лазеры могут работать в режиме сверхкоротких импульсов, что открывает для них широкое поле применения (лазерная спектроскопия, фотохимия и пр.) Применение лазеров позволило повысить точность и ускорить процесс измерений, сделало возможными измерения в прежде недоступных для этого областях. Лазерная техника, дополненная изобретенными в эти годы световодами, революционизировала связь, позволяя создавать установки, способные надежно передавать большие массивы информации. Выдающимся достижением квантовой электроники явилась разработка и освоение в 70-80-е годы XX в. голографии.

Итоги и перспективы. Среди проблем физики, разрабатывавшихся в XX в. и сохраняющих свою важность в новом, XXI в., можно, вслед за В. Гинзбургом, выделить три^[11].

Во-первых, те, которые важны для судеб человечества, как например, проблема управляемого ядерного синтеза с целью получения энергии. Работы эти начались в 50-е годы XX в., и венцом их являются устройства типа ТОКАМАК (камера с горячей плазмой, удерживаемой сильным магнитным полем). К 2005 г. предполагается разработать и построить «подлинный прообраз термоядерного реактора будущего». Сюда же относятся проблемы создания сверхмощных лазеров, а также исследования в области синергетики (теории самоорганизации).

Во-вторых, наиболее фундаментальные проблемы теоретической физики, физики элементарных частиц (микрофизики). Здесь ученые приходят к выводу, что «деление вещества на все более мелкие части должно же когда-то исчерпаться». Так или иначе, на сегодняшний день мы считаем неделимыми и в этом смысле элементарными кварки, лептоны (электрон и позитрон), соответствующие им нейтрино и так называемые векторные бозоны, в том числе фотон. Большие надежды с дальнейшим углублением исследований возлагаются на строящийся в ЦЕРНЕ сверхмощный ускоритель. Продолжаются работы по формированию так называемого суперобъединения — объединения в теории единым математическим формализмом электромагнитного, ядерного (слабого и сильного) и гравитационного взаимодействий.

В-третьих, перспективная область исследований — приложение физики к астрономии: астрофизика и космология. Продолжается развитие теории и ее приложений, направленных на расширение средств наблюдения. Так, еще в 1931 г. возникла радиоастрономия, интенсивно применявшаяся с 1945 г. В 1962 г. появилась рентгеновская астрономия. В 70-е годы XX в. формируется гамма-астрономия и нейтринная астрономия. С выходом человека в космос возникла внеатмосферная астрономия. В настоящее время в США, Европе и Японии создаются установки, которые должны положить начало гравитационно-волновой астрономии, и таким образом будет освоен последний известный канал, по которому мы сможем получать астрофизическую информацию.

* * *

Исчерпать в одном разделе все направления развития физико- математических наук в прошлом и настоящем, конечно, невозможно. Подводя итоги, можно сделать следующие выводы.

Во-первых, физико-математические науки (математика, физика, астрономия) развивались на протяжении более двух тысячелетий как единый комплекс, ядром которого является математика.

Во-вторых, становление научности исследований в области физико-математического комплекса вначале было связано с вытеснением мифологических образов (чувственно-наглядных представлений обыденного опыта, преобразованных воображением) понятиями, в которых фиксируются непосредственные данные чувственного опыта. Они, в свою очередь, в дальнейшем заменяются понятиями, описывающими итоги научной эмпирии, т. е. экспериментов, наблюдений, измерений, сопоставлений, классификаций. Формируется эмпирический объект, противостоящий чувственной реальности обыденного опыта. Систематизированная совокупность эмпирических объектов образует эмпирическую действительность как форму отображения объективной реальности. Возникают первые феноменологические теории.

В-третьих, со становлением эмпирической действительности в научное описание входят конструктивизм (формирование идеальных моделей объектов, наделенных доступными квантификации свойствами) и конвеициализм (введение понятий меры, шкалы, пробного тела и пр.). Возрастание значимости условных элементов в описании повышает роль формализации, логической последовательности и непротиворечивости. Весь комплекс физико-математических наук обращается к прикладной математике.

В-четвертых, с конца XVII — начала XVIII вв., складывается так называемая формальная реальность, т. е. система понятий, относящихся к теоретическому объекту математизированной науки. Теоретический объект— это конструируемая математическая модель законосообразных связей и отношений познаваемой реальности, своеобразная реконструкция ее сущности. Сам по себе теоретический объект представляет собой чисто математическую абстракцию, соотносимую через интерпретацию с эмпирической действительностью, и только через такое соотнесение приобретает физический смысл. В то же время теоретический объект рассматривается как выражение сущности эмпирической действительности.

В-пятых, с выходом науки на уровень теоретических объектов создаются условия для складывания физической картины мира. Она представляет собой обобщенную модель мира как формальной реальности, сконструированной путем систематизации основных теоретических понятий физико-математических наук. Вместе с тем физическая картина мира — не математическая модель, а истолкование ее до уровня доступности для понимания любым исследователем в области физико-математических наук. Физическая картина мира с начала своего существования выполняет мировоззренческую функцию для свода физико-математических наук, и потому любые крупные открытия и фундаментальные изменения в науке сопровождаются философскими дискуссиями вокруг картины мира.

В-шестых, развитие физико-математических наук на уровне формальной реальности связано с ростом ее абстрактности, с прогрессирующей математизацией. Математика из средства фиксации, средства описания превращается в важнейший инструмент исследования, имеющий большой эвристический потенциал. С возрастанием абстрактности математических моделей действительности эмпирическая интерпретация вытесняется семантической, а теоретические построения лишь опосредованно связаны с областью научной эмпирии.

И наконец, в-седьмых, прогресс науки связан с неуклонным ростом строгости рассуждений, регулируемой сводом формальных правил и парадигм. В то же время требование однозначной точности, выдвигавшееся первоначально, сохраняет свою важность в области прикладных исследований, в области фундаментальных исследований нормой становится приближенность, в основе научной мысли лежит вероятностная логика. Возрастают роль и значение гипотетических начал в науке.

Парадигмы физики

Рекомендуемая литература

Философия физики: основная парадигма

Основная парадигма современной физики

Комплексная безопасность человека как новая парадигма современной жизни

Государственно-общественная парадигма социальной помощи

Современная парадигма маркетинга

Развивающее образование как парадигма современного российского образования

Проблемный ряд парадигм и языков программирования

Эстетика и эстетическое. Эстетика в научно-гуманитарной парадигме

Семиотика искусства как новая эстетическая парадигма