Загрузил sincerov.leonid

14 Razvitie estestvoznania v XX veke

Реклама
Билет 14. Развитие естествознания в XX веке
Двадцатый век называют веком неклассического естествознания. Развитие науки в XX в.
было связано со сменой парадигмы естествознания, произошедшей в рамках третьей
научной революции. К крушению классической картины мира привело формирование
нескольких теорий, несовместимых с базовыми принципами классической науки.
Такую революционную роль сыграло развитие квантовой механики, которое было связано
с открытием радиоактивного распада, выявлением существования элементарных частиц и
изучением их свойств и строения атома. В 1896 г. французский физик Антуан Анри
Беккерель (1852-1908) открыл явление самопроизвольного излучения урановой соли.
Большой вклад в изучение радиоактивного распада атомов внесли Пьер Кюри (1859-1906)
и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). В 1897 г. английский физик Джозеф Джон Томсон
(1856-1940) при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) открыл первую
элементарную частицу - электрон. Эти открытия привели к коренному пересмотру
классических представлений об атомах как вечных, неизменных и неразложимых
корпускулах.
В 1911 г. английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил планетарную модель
атома. Эта модель, согласно которой в центре атома находится положительно заряженное
ядро, вокруг которого по орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны,
согласовывалась с экспериментальными данными, но противоречила законам
электродинамики Максвелла. Для разрешения этих противоречий датский физик Нильс Бор
(1885-1962) в 1913 г., приняв модель Резерфорда в качестве исходной, предложил модель,
основанную на квантовой теории немецкого физика Макса Планка (1858-1947). Согласно
модели Бора, атом излучает или поглощает квант (неделимую порцию) энергии лишь при
переходе электрона с одного энергетического уровня на другой. Однако объяснение того,
почему находясь на стационарной орбите, электрон не излучает энергию, было дано
намного позже. наука естествознание механика термодинамика
В 1924 г. французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых
свойствах материи. Уже в 1927 г. это положение было экспериментально подтверждено
американскими физиками Клинтоном Дэвиссоном (1881-1958) и Лестером Джермером
(1896-1971), обнаружившими дифракцию электронов. Экспериментально подтвержденная
гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу квантовой механики. Согласно
этой теории, на микроуровне ярко проявляется корпускулярно волновой дуализм:
элементарные частицы диалектически сочетают свойства корпускул и волн одновременно.
Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире
свидетельствует установленный в 1927 г. немецким физиком Вернером Гейзенбергом
(1901-1976) принцип соотношения неопределенностей: если известно место положения
частицы в пространстве, то остается неизвестным импульс, и наоборот, а также
сформулированный в том же году Бором принцип дополнительности.
Другой революционной теорией, основные положения которой, как и положения квантовой
механики, не сопоставимы с обыденным человеческим опытом, стала теория
относительности, созданная Альбертом Эйнштейном (1879-1955). В 1905 г. им была
создана специальная теория относительности, в 1916 - общая теория относительности. Эта
теория основана на принципах экспериментально установленного постоянства скорости
света и независимости законов природы от характера движения системы отсчета. Из двух
указанных принципов (постулатов) следует относительность одновременности событий,
времени (длительности) процессов, размеров объектов и их масс. Использование этих
принципов привело Эйнштейна к отказу от Ньютоновского рассмотрения пространства и
времени как абсолютного вместилища материи. Пространство и время органически связаны
между собой и с материей. Распределение тяготеющих масс определяют геометрию
пространства-времени. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории
относительности в одной, по возможности понятной фразе, он ответил: «Раньше полагали,
что если бы из Вселенной исчезла вся материя, то пространство и время сохранились бы,
теория относительности утверждает, что вместе с материей исчезли бы также пространство
и время».
Эти революционные открытия в физике перевернули ранее существующие взгляды на мир.
Исчезла убежденность в универсальности законов классической механики, ибо
разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о
неизменности химических элементов, о независимости пространства и времени от материи,
универсальности жесткого детерминизма и т. д. Рождение и развитие атомной физики и
теории относительности, таким образом, окончательно сокрушило прежнюю
механистическую картину мира. Наступил новый этап неклассического естествознания XX
в.,
характеризующийся
новыми
квантово-релятивистскими
представлениями,
основанными на признании внутренней противоречивости материи, принципе
относительности и вероятностном, статистическом описании явлений.
Большую роль в становлении современной парадигмы естествознания сыграло развитие
термодинамики. С течением времени от изучения закономерностей установления
равновесия в изолированных системах ученые обратились к исследованию развития
сложных открытых неравновесных термодинамических систем, какими и являются
большинство объектов макро- и мегамира. Это привело к оформлению особой дисциплины
- синергетики. Принципиальную роль в ее становлении сыграли работы профессора
Штудгартского университета Г. Хакена и бельгийского физико-химика русского
происхождения И. Пригожина и его сотрудников. Синергетика смогла раскрыть
закономерности явления, не объяснимого с позиций классической термодинамики способности макроскопических систем к самоорганизации, то есть к уменьшению
внутренней хаотичности и самопроизвольному возникновению упорядоченной структуры.
Раскрытые синергетикой закономерности нелинейного характера саморазвития открытых
неравновесных систем оказались применимы для сложных систем разного уровня
организации: от физических и химических до биологических и социальных. Во многом с
развитием этой науки связано установление принципа глобального эволюционизма принципа, лежащего в основе современной научной картины мира.
Во многих отношениях близка к синергетике основанная Н. Винером наука об управлении
системами - кибернетика, создание которой позволило с единых позиций рассматривать и
математически моделировать процессы в самых разных системах материального мира.
Развитие квантовой механики, раскрывшее в том числе и закономерности строения
электронных оболочек, привело к интенсивному развитию химических теорий. Дальнейшее
развитие получает структурная химия, химическая кинетика, теория катализа и т. д.
Больших успехов достигает органическая химия, биохимия, химия полупроводников,
высокотемпературных процессов и т. д. (подробнее о развитии химии см. в теме 2.6
«Химические процессы в макросистемах»).
Особенностью развития естествознания XX в. стал и резкий скачок в развитии биологии,
выразившийся в развитии таких наук и фундаментальных теорий, как генетика
(хромосомная теория наследственности), молекулярная биология, синтетическая теория
эволюции, экология (теория взаимоотношений живых существ с окружающей средой) и т.
д.
Вступление в XX в. ознаменовалось бурным развитием генетики. В 1900 г. законы Менделя,
основные законы наследственности, сформулированные им еще в XIX в., но не оцененные
современниками, были “переоткрыты” сразу тремя учеными - Г. де Фризом в Голландии,
К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. Понятия “ген”, “генотип”, “фенотип”
были введены в биологию датским ученым В. Л. Иогансеном. Особенно большую роль в
становлении генетики сыграла хромосомная теория наследственности, разработанная в
1910-1915 гг. в трудах А. Вейсмана, Т. Моргана, А. Стертеванта, Г. Дж. Меллера и др.
За относительно короткий срок (20-30 лет) в учении о наследственности был накоплен
колоссальный эмпирический и теоретический материал: открытие дискретного характера
наследственности; установление принципа чистоты гамет, законов доминирования,
расщепления и сцепления признаков; обоснование представления о гене и хромосомах как
носителях генов; представление о линейном расположении генов; доказательство
существования мутаций и возможность вызывать их искусственно; открытие
кроссинговера; разработка методов гибридологического анализа. Важно, что все эти и
другие открытия были экспериментально подтверждены, строго обоснованы.
Важные идеи, намного опередившие свое время, были выдвинуты в 1927 г. Н. К.
Кольцовым. Он высказал мысль о том, что при размножении клеток осуществляется
матричная ауторепродукция материнских молекул. Правда, Кольцов считал, что эти
процессы осуществляются на белковой основе. Но в 1944 г. американскими биохимиками
(О. Эвери и др.) было установлено, что носителем свойства наследственности является
ДНК. С этого времени началось лавинообразное развитие молекулярной биологии. В 19491951 гг. Э. Чаргафф сформулировал знаменитые правила, объясняющие соотношение
нуклеотидов в ДНК, М. Уилкинсом и др. провели рентгенографические исследования ДНК.
Все это подготовило почву для расшифровки Ф. Криком и Д. Уотсоном в 1953 г. структуры
ДНК. Было показано, что молекула ДНК состоит из двух комплементарных
полинуклеотидных цепей, каждая из которых выступает в качестве матрицы для синтеза
новых аналогичных цепей. Именно поэтому в хромосомах клеток молекула ДНК способна
к самоудвоению. Свойство самоудвоения ДНК и обеспечивает явление наследственности.
Расшифровка структуры ДНК была великим открытием, расширившим перспективы
развития биологии и надолго определившим ее основные направления.
Далее за относительно непродолжительный срок времени был расшифрован генетический
код, выяснена роль транспортной и информационной РНК, осуществлен синтез гена,
теоретически решена проблема биосинтеза белка, расшифрована аминокислотная
последовательность и установлена пространственная структура многих белков; на этой
основе выяснен принцип и особенности функционирования ферментативных молекул.
Развитие генетики и молекулярной биологии привело к появлению генной инженерии,
задачей которой является направленное изменение свойств организмов путем изменения их
наследственности.
Открытие в начале XX в. мутаций, внезапных изменений наследственного аппарата,
приводящих к резкому изменению свойств организма, поставило под сомнение положение
теории Дарвина о постепенном характере преобразования видов в ходе эволюции.
Преодоление противоречий между эволюционной теорией и генетикой стало возможным с
созданием синтетической теории эволюции, которая выступает основанием всей системы
современной эволюционной биологии. Синтез генетики и эволюционного учения был
качественным скачком в развитии как генетики, так и эволюционной теории. Он означал
создание качественно нового ядра системы биологического познания, свидетельствовал о
переходе биологии с классического на современный, неклассический уровень развития.
Принципиальные положения синтетической теории эволюции были заложены работами С.
С. Четверикова (1926), а также Р. Фишера, С. Райта, Дж. Холдейна, Н. П. Дубинина (19291932) и др. В основе этой теории лежит представление о том, что элементарной “клеточкой”
эволюции является не организм и не вид, а популяция. Наследственное изменение
популяции в каком-либо определенном направлении осуществляется под воздействием
ряда факторов: мутационный процесс, популяционные волны, изоляция, естественный
отбор. Естественный отбор является ведущим эволюционным фактором, направляющим
эволюционный процесс. Формирование синтетической теории эволюции ознаменовало
переход к популяционной концепции, интеграцию биологии на базе дарвинизма (в России
- Н. И. Вавилов, И. И. Шмальгаузен, А. Н. Северцов, разработавший учение о главных
направлениях биологического процесса - аромофозе и идиоадаптации и др.). Это открыло
качественно новый этап в развитии биологии - переход к созданию единой системы
биологического знания, воспроизводящей законы развития и функционирования
органического мира как целого.
Ярким примером таких особенностей естествознания XX в., как интеграция дисциплин,
системный и эволюционный подходы, статистическое описание является экология. Одно из
основополагающих понятий экологии - “экосистема” - единый природный комплекс,
образованный живыми организмами и средой их обитания, - было введено английским
геоботаником А. Тенсли в 1935 г. Крупнейшей экосистемой Земли является биосфера. Этот
термин был предложен еще в 1875 г. австрийским геологом Э. Зюссом, но учение о
биосфере как активной оболочке Земли было создано российским ученым, геобиохимиком
В. И. Вернадским в 1926 г. Изучив роль живой материи на всем протяжении ее эволюции,
он пришел к выводу о том, что в рамках биосферы совокупная деятельность живых существ
проявляется как глобальный геохимический фактор, преобразующий облик планеты.
Живые существа, аккумулируя энергию солнечного излучения и преобразуя ее в энергию
земных процессов, вовлекают в круговорот неорганические вещества планеты.
В современном мире прикладная функция науки стала сравнима с познавательной.
Практические приложения знаний человек использовал всегда, но они долгое время
развивались независимо от науки. Сама наука долгое время не была ориентирована на
сознательное применение знаний в технической сфере. С наступлением Нового времени в
западной культуре стали все более интенсивно развиваться практические приложения
науки.
Научная революция XX в. быстро превратилась в научно-техническую революцию - НТР.
Это значит, что наука стала непосредственной производительной силой, превратилась в
ведущий фактор развития общественного производства и всей жизни общества. В жизни
общества стали широко использоваться электричество, механизация и автоматизация
производства, развились средства связи, появились радиосвязь и телевидение, новые
источники энергии. Успехи в химии и биологии привели к разработке технологий синтеза
органических веществ, разработке методов управления химическими процессами, в
частности синтеза многих лекарств, взрывчатых веществ, красителей, продуктов питания,
получения новых веществ с заданными свойствами.
В середине XX в. научно-технический прогресс стал оказывать решающее влияние на
мировую политическую жизнь. Создание атомной бомбы показало, что судьбы стран и
человечества определяет овладение передовыми наукой и технологиями. Следующей вехой
НТР стало овладение космосом - создание спутников, полет Гагарина, исследование
космическими аппаратами других планет, выход человека в открытый космос и на Луну.
В конце XX в. продукция высоких технологий занимает все большее место в валовом
продукте развитых стран, обеспечивая его прирост, и развитость технологий определяет
положение государства в современном мире. Экономический рост отождествляется с
научно-техническим прогрессом и интеллектуализацией основных факторов производства.
Высокие технологии - передний край современной промышленности, работающей на
пределе возможностей человека и техники. Распространение высоких технологий и резко
выросшая доля стоимости научных исследований в цене продукта (наукоемкость)
повышает требования к уровню подготовленности участников производства.
Роль науки в обществе сильно возросла, оказывая огромное влияние на мировоззрение,
экономику, политику, социальную жизнь. В условиях исчерпания возможностей
экстенсивного развития человечество снова осознало свое единство. Нарастают и
глобальные проблемы, которые могут быть решены только общими усилиями (ядерное
разоружение, экологическая безопасность, строительство и поддержание глобальной
информационной и коммутационной инфраструктуры). И высокий профессионализм стал
неотделим от нравственности, гуманизма, цельного видения единства и взаимосвязи
природы и общества, Человека и Космоса.
Поэтому приобретают первостепенное значение подготовка общественного сознания к
правильному восприятию достижений НТР, разработка грамотных законов, разумно
ограничивающих потребление, повышение уровня компетентности управляющих кадров.
Фундаментальная наука относится к высшим духовным ценностям человечества и несет в
себе объединительное начало. Великий физиолог, лауреат Нобелевской премии И. П.
Павлов еще в начале XX в. сказал: «Что нам, русским, нужно сейчас в особенности - это
пропаганда научных стремлений, обилие научных средств и страстная научная работа.
Очевидно, наука становится главнейшим рычагом жизни народов, без нее нельзя удержать
ни самостоятельности, ни тем более достойного положения в мире».
Скачать