Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Концепции современного естествознания
Авторский коллектив под руководством доктора социологи ческих наук, профессора СИ. Самыгина: М.И. Басаков — раздел IV;
кандидат филос. наук В.О. Голубинцев — разделы I, П, кроме II. 4.3.
доктор филос. наук AJ". Зарубин — Введение, раздел III. 6.8; доктор филос. наук B.C. Любченко — раздел И. 4.3. доктор филос. наук Л А. Минасян — раздел III, кроме III. 6.2, Ш. 6.8;
доктор социол. наук СИ. Самыгин, — раздел VI; H.Ю. Турчина — раздел V.
Концепции современного естествознания:
Под ред. профессора С.И. Самыгина. Серия «Учебни ки и учебные пособия» — 4-е изд., перераб. и доп. — Ростов н/Д: «Феникс», 2003. — 448 с.
Учебное пособие написано в соответствии с Государствен ным стандартом РФ по дисциплине «Концепции современно го естествознания», входящей в цикл общих математических и естественнонаучных дисциплин, и предназначено для сту дентов гуманитарных и экономических специальностей выс ших учебных заведений всех форм обучения.
ISBN 5-222-03034-2 ББК 22.3Я72
© Коллектив авторов, 2003 © Оформление: издательство «Феникс», 2003
I ВВЕДЕНИЕ
Естествознание, будучи сложнейшей совокупностью наук о природе, выработало в процессе своей длительной эволюции такие способы, методы и приемы познания, ко торые, несомненно, могут служить и служат эталонными нормами не только для всякой науки, но и приобретают об щекультурное значение. Ныне рациональная естественно научная методология познания проникает в социальную и гуманитарную сферы, оказывает заметное воздействие на психологию, философию, искусство.
Поэтому концептуальный подход к достижениям совре менного естествознания предполагает не просто краткую экскурсию по основным его разделам, но и осознание ми ровоззренческого и методологического значения тех или иных естественнонаучных принципов и теорий в контекс те современной культуры. Соответственно, курс «Концеп ций современного естествознания» представляет собой не просто совокупность избранных глав традиционных разде лов физики, химии, биологии, географии, экологии, но яв ляется результатом междисциплинарного синтеза комп лексного культурологического, философского и эволюцион-но-синергетического подходов к современному естество знанию.
Авторы данного учебного пособия ставили перед собой задачу как познакомить студентов с историей естествозна ния и его основными современными концепциями, так и показать роль тех культурно-исторических условий, в рам ках которых они формируются.
Почти на всем протяжении XX века наблюдается про тивостояние двух сфер познания — естественнонаучной и социогуманитарной. Очень четко эту ситуацию зафиксиро вал известный английский писатель и ученый Чарлз Сноу, выступивший в 1959 году в Кембриджском университете с программной лекцией «Две культуры и научная револю-
3
ция». Он показал, что между традиционной гуманитарной культурой европейского Запада и «научной культурой», выросшей на основе развития естествознания и техники, возникает и углубляется существенный разрыв, если не сказать, пропасть.
Ч. Сноу размышляет о двух полюсах культуры. На одном из них — культура, созданная наукой, естествозна нием. Прежде всего — это современная научная модель физического мира, которая по сложности, емкости, интел лектуальной глубине является удивительным творением коллективных усилий человеческого разума. Но предста вители другого полюса — социогуманитарной культуры — не имеют, как правило, ни малейшего представления об этом творении. В гуманитарном сообществе не приемлют упрощений, идеализаций, забывая, что построение идеаль ных моделей — одно из условий плодотворного теоретиче ского мышления. В свою очередь, многие социогуманитар-ные ценности остаются неизвестными для большинства ес тествоиспытателей. Физики часто проявляют односто ронность в оценках возможностей обществоведов и гума нитариев строить научные предсказания, не учитывая, что исследователи социальных явлений имеют дело с открыты ми системами, где логика предсказаний иная, чем тогда, когда имеют дело с идеализированными моделями замкну тых систем.
Такая поляризация культуры, несомненно, наносит ущерб всему — науке, искусству, обществу, человечеству.
Однако к концу XX столетия появились серьезные пред посылки для преодоления подобного противостояния. Само по себе сопоставление различных научных дисциплин — это всегда обмен опытом и перенос его из одной области познания в другую, это одна из возможных точек роста научного знания. Именно поэтому методологическое сопо ставление гуманитарных и естественных наук часто при носит новое, дает замечательные научные результаты. Можно вспомнить о том, что статистические методы, кото рые имеют такое важное значение в современной физике, зародились в трудах социологов-экономистов У. Петти и Дж. Граунта.
Междисциплинарный подход становится все более зна чимым для нынешнего развития социального знания. Идет
4
процесс формирования единой науки о человеке, обществе, государстве, природе и жизни. При этом и социальное, и ес тественнонаучное понимание имеет единые исходные цели (достичь истинного знания). С другой стороны, сейчас науко веды насчитывают около двух тысяч научных дисциплин, и формирование все новых отраслей науки продолжается (био ника, семиотика, прогностика, квалиметрия и т. д.). Оказыва ется, что естественная дифференциация (дробление) науки необходимо дополняется противодействующей тенденцией — ее интеграцией, стремлением к единству научного знания, к активному взаимодействию различных наук.
Объективную основу интеграции знания составляет единство материального мира, принципиальная общность основных свойств материи и законов ее развития на всех структурных уровнях организации и во всех формах дви жения. Интегративные тенденции в науке начинают про являться уже во второй половине XIX века. Но с особой силой они обнаруживаются в наше время, когда могучим стимулятором, своеобразным ускорителем процессов интег рации в познании становится научно-технический прогресс. Он позволил гораздо сильнее, чем раньше, ощутить всю глубину и разносторонность связей человека и окружаю щей среды, общества и природы.
Среди выделяющихся в последние десятилетия новых отраслей знания значительное число уже по своей приро де носит синтетический, интегративный характер (астрофи зика, математическая лингвистика, инженерная психология, космическая медицина, техническая эстетика и др.). Дру гой чертой интеграции в современной науке является из менение самого характера синтеза научного знания. Можно обозначить такие варианты синтеза знания в науке, как интеграция в рамках одной научной дисциплины; синтез в пределах дисциплин, не входящих в один и тот же комп лекс наук (например, естествознание, обществоведение или технические науки); наконец, синтез, выходящий за рамки любого такого комплекса, объединяющий знания несколь ких или даже многих областей. Именно последний вари ант намечает и представляет собой путь не только к еди ной науке, но и путь к другой культуре.
Интереснейшим примером такого синтеза становится в последние годы синергетика. Возникнув как физическая
5
теория (в термодинамике), она сейчас дает возможность по-новому взглянуть на классические, традиционные пробле мы познания истории и законов жизни общества. Будучи изучением законов коэволюции (совместного развития) сложных систем, она в самой своей сути содержит необхо димость выработать понимание взаимодействия и создать условия для сосуществования самых различных форм зна ния. Этот новый взгляд на мир открывает нам колоссаль ную избирательность сложных форм (будь то молекула, живое существо, общество и т. д.). Сложное, как оказыва ется, существует в очень узком диапазоне условий. Причем в закрытых системах хаос побеждает, но мир — это сис тема открытия.
Синергетика может успешно служить для моделирова ния многих процессов социальной жизни — демографиче ских, геополитических, социально-экономических и др. Данная научная теория позволяет и даже заставляет по-новому оценивать необходимость и действующие тенденции к интеграции естественнонаучного и социогуманитарного познания.
Авторы надеются, что знакомство с историей науки и важнейшими концепциями современного естествознания помогут читателю объективно сориентироваться в много образии предлагающихся ныне обществом ценностей ми ровоззренческого, социально-политического, нравственно-экологического, эстетического характера.
Раздел I НАУЧНЫЙ МЕТОД
I
Понятия метода и методологии. Классификация методов научного познания
Понятие «метод» (от греч. «методос» — путь к чему-либо) означает совокупность приемов и операций практиче ского и теоретического освоения действительности.
Метод вооружает человека системой принципов, требо ваний, правил, руководствуясь которыми он может достичь намеченной цели. Владение методом означает для человека знание того, каким образом, в какой последовательности совершать те или иные действия для решения тех или иных задач, и умение применять это знание на практике.
Учение о методе начало развиваться еще в науке Но вого времени. Ее представители считали правильный ме тод ориентиром в движении к надежному, истинному зна нию. Так, видный философ XVII века Ф. Бэкон сравнивал метод познания с фонарем, освещающим дорогу путнику, иду щему в темноте.
Существует целая область знания, которая специально занимается изучением методов и которую принято имено вать методологией. Методология дословно означает «уче ние о методах» (ибо происходит этот термин от двух гре ческих слов: «методос» — метод и «логос» — учение). Изучая закономерности человеческой познавательной дея тельности, методология вырабатывает на этой основе методы ее осуществления. Важнейшей задачей методологии явля ется изучение происхождения, сущности, эффективности и других характеристик методов познания.
Методы научного познания принято подразделять по степени их общности, т. е. по широте применимости в про цессе научного исследования.
7
Всеобщих методов в истории познания известно два: диалектический и метафизический. Это общефилософские методы. Метафизический метод с середины XIX века начал все больше и больше вытесняться из естествознания диа лектическим методом.
Вторую группу методов познания составляют общенауч ные методы, которые используются в самых различных об ластях науки, т. е. имеют весьма широкий междисциплинар ный спектр применения. Классификация общенаучных мето дов тесно связана с понятием уровней научного познания.
Различают два уровня научного познания: эмпириче ский и теоретический. Одни общенаучные методы приме няются только на эмпирическом уровне (наблюдение, экс перимент, измерение), другие — только на теоретическом (идеализация, формализация), а некоторые (например, мо делирование) — как на эмпирическом, так и на теоретиче ском уровнях.
Эмпирический уровень научного познания характеризу ется непосредственным исследованием реально существую щих, чувственно воспринимаемых объектов. На этом уров не осуществляется процесс накопления информации об ис следуемых объектах, явлениях путем проведения наб людений, выполнения разнообразных измерений, постанов ки экспериментов. Здесь производится также первичная си стематизация получаемых фактических данных в виде таб лиц, схем, графиков и т. п. Кроме того, уже на втором уров не научного познания — как следствие обобщения научных фактов — возможно формулирование некоторых эмпири ческих закономерностей.
Теоретический уровень научного исследования осуще ствляется на рациональной (логической) ступени позна ния. На данном уровне происходит раскрытие наиболее глубоких, существенных сторон, связей, закономерностей, присущих изучаемым объектам, явлениям. Теоретический уровень — более высокая ступень в научном познании. Результатами теоретического познания становятся гипоте зы, теории, законы.
Выделяя в научном исследовании указанные два раз личных уровня, не следует, однако, их отрывать друг от дру га и противопоставлять. Ведь эмпирический и теоретиче ский уровни познания взаимосвязаны между собой. Эмпи-
8
рический уровень выступает в качестве основы, фундамента теоретического осмысления научных фактов, статистиче ских данных, получаемых на эмпирическом уровне. К тому же теоретическое мышление неизбежно опирается на чув ственно-наглядные образы (в том числе схемы, графики и т. п.), с которыми имеет дело эмпирический уровень иссле дования.
В свою очередь, эмпирический уровень научного позна ния не может существовать без достижений теоретического уровня. Эмпирическое исследование обычно опирается на определенную теоретическую конструкцию, которая опреде ляет направление этого исследования, обусловливает и обо сновывает применяемые при этом методы.
К третьей группе методов научного познания относят ся методы, используемые только в рамках исследований ка кой-то конкретной науки или какого-то конкретного яв ления. Такие методы именуются частнонаучными. Каждая частная наука (биология, химия, геология и т. д.) имеет свои специфические методы исследования.
При этом частнонаучные методы, как правило, содержат в различных сочетаниях те или иные общенаучные мето ды познания. В частнонаучных методах могут присутство вать наблюдения, измерения, индуктивные или дедуктивные умозаключения и т. д. Характер их сочетания и использо вания находится в зависимости от условий исследования, природы изучаемых объектов. Таким образом, частнонауч ные методы не оторваны от общенаучных. Они тесно свя заны с ними, включают в себя специфическое применение общенаучных познавательных приемов для изучения конк ретной области объективного мира.
Частнонаучные методы связаны и со всеобщим диалек тическим методом, который как бы преломляется через них. Например, всеобщий диалектический принцип разви тия проявился в биологии в виде открытого Ч. Дарвином естественно-исторического закона эволюции животных и растительных видов.
К сказанному остается добавить, что любой метод сам по себе еще не предопределяет успеха в познании тех или иных сторон материальной действительности. Важно еще умение правильно применять научный метод в процессе познания.
9
Общенаучные методы эмпирического познания
1.1. Научное наблюдение
Наблюдение есть чувственное (преимущественно — ви зуальное) отражение предметов и явлений внешнего мира. Это — исходный метод эмпирического познания, позволяю щий получить некоторую первичную информацию об объек тах окружающей действительности.
Научное наблюдение (в отличие от обыденных, повсед невных наблюдений) характеризуется рядом особенностей:
целенаправленностью (наблюдение должно вестись для
решения поставленной задачи исследования, а внимание
наблюдателя фиксироваться только на явлениях, свя
занных с этой задачей);
планомерностью (наблюдение должно проводиться стро
го по плану, составленному исходя из задачи исследо
вания);
- активностью (исследователь должен активно искать,
выделять нужные ему моменты в наблюдаемом явле
нии, привлекая для этого свои знания и опыт, исполь
зуя различные технические средства наблюдения).
Научные наблюдения всегда сопровождаются описани
ем объекта познания. Последнее необходимо для фикси
рования тех свойств, сторон изучаемого объекта, которые
составляют предмет исследования. Описания результатов
наблюдений образуют эмпирический базис науки, опираясь
на который исследователи создают эмпирические обобще
ния, сравнивают изучаемые объекты по тем или иным па
раметрам, проводят классификацию их по каким-то свой
ствам, характеристикам, выясняют последовательность эта
пов их становления и развития.
Почти каждая наука проходит указанную первоначаль ную, «описательную» стадию развития. При этом, основные требования, которые предъявляются к научному описанию, направлены на то, чтобы оно было возможно более полным, точным и объективным. Описание должно давать досто верную и адекватную картину самого объекта, точно ото бражать изучаемые явления. Важно, чтобы понятия, ис пользуемые для описания, всегда имели четкий и однознач-
10
ный смысл. При развитии науки, изменении ее основ пре образуются средства описания, часто создается новая сис тема понятий.
По способу проведения наблюдения могут быть непос редственными и опосредованными.
При непосредственных наблюдениях те или иные свой ства, стороны объекта отражаются, воспринимаются орга нами чувств человека. Такого рода наблюдения дали нема ло полезного в истории науки. Известно, например, что наблюдения положения планет и звезд на небе, проводив шиеся в течение более двадцати лет Тихо Браге с непрев зойденной для невооруженного глаза точностью, явились эмпирической основой для открытия Кеплером его знаме нитых законов.
В настоящее время непосредственное визуальное на блюдение широко используется в космических исследова ниях как важный (а иногда и незаменимый) метод науч ного познания. Визуальные наблюдения с борта пилотируе мой орбитальной станции — наиболее простой и весьма эффективный метод исследования из космоса параметров атмосферы, поверхности суши и океана.
Хотя непосредственное наблюдение продолжает играть немаловажную роль в современной науке, однако чаще всего научное наблюдение бывает опосредованным, т. е. проводится с использованием тех или иных технических средств. Появление и развитие таких средств во многом определило то громадное расширение возможностей мето да наблюдений, которое произошло за последние четыре столетия.
Если, например, до начала XVII века астрономы наблю дали за небесными телами невооруженным глазом, то изоб ретение Галилеем в 1608 году оптического телескопа под няло астрономические наблюдения на новую, гораздо более высокую ступень. А создание в наши дни рентгеновских телескопов и вывод их в космическое пространство на бор ту орбитальной станции (рентгеновские телескопы могут работать только за пределами земной атмосферы) позволи ли проводить наблюдения за такими объектами Вселенной (пульсары, квазары), которые никаким другим путем изу чать было бы невозможно.
Подобно развитию технических средств дальних наблю дений, создание в XVII веке оптического микроскопа, а
11
много позднее, уже в XX веке, и электронного микроскопа позволило исследователям наблюдать удивительный мир микрообъектов, микроявлений.
Развитие современного естествознания связано с повы шением роли так называемых косвенных наблюдений. Так, объекты и явления, изучаемые ядерной физикой, не могут прямо наблюдаться ни с помощью органов чувств челове ка, ни с помощью самых совершенных приборов. То, что ученые наблюдают в процессе эмпирических исследований в атомной физике, — это не сами микрообъекты, а только результаты их воздействия на определенные технические средства исследования. Например, при изучении свойств заряженных частиц с помощью камеры Вильсона эти ча стицы воспринимаются исследователем косвенно — по таким видимым их проявлениям, как образование треков, состоящих из множества капелек жидкости.
Любые научные наблюдения, хотя они опираются в пер вую очередь на работу органов чувств, требуют в то же вре мя участия и теоретического мышления. Исследователь, опираясь на свои знания, опыт, должен осознать чувствен ные восприятия и выразить их (описать) либо в поняти ях обычного языка, либо — более строго и сокращенно — в определенных научных терминах, в каких-то графиках, таблицах, рисунках и т. п.
Наблюдения могут нередко играть важную эвристиче скую роль в научном познании. В процессе наблюдений могут быть открыты совершенно новые явления, позволя ющие обосновать ту или иную научную гипотезу. Приве дем лишь один пример из области истории космических исследований. Участники длительных экспедиций в космос на орбитальной станции «Салют-6» вели наблюдения Ми рового океана, ибо над ним и даже в его глубинах форми руется погода планеты. В результате этих наблюдений были обнаружены так называемые синоптические вихри. Последние представляют собой специфические образования в океане, размеры и цвет которых бывают различными. Некоторые из них имеют зеленоватую окраску, что харак теризует подъем глубинных вод к поверхности, другие от личаются голубой окраской — здесь вода с поверхности уходит в глубину. Эти наблюдения позволили подтвердить гипотезу академика Г.И. Марчука, согласно которой в
12
Мировом океане есть энергоактивные зоны, являющиеся своеобразными «генераторами погоды». Именно над таки ми аномалиями и начинается формирование циклонов.
Для получения каких-то выводов об исследуемом яв лении, для обнаружения чего-то существенного в нем за частую требуется проведение весьма большого количества наблюдений. Например, для получения даже краткосрочно го прогноза погоды необходимо проводить огромное число наблюдений за различными метеорологическими парамет рами атмосферы. Такие наблюдения в современном мире осуществляют свыше 10 тысяч метеорологических станций, получающих необходимые данные в районе земной поверх ности, и около 800 станций радиозондирования, собираю щих данные во всей толще атмосферы. К этому надо до бавить метеорологическую информацию, которая является результатом наблюдений, проводимых с оснащенных спе циальной аппаратурой морских судов и самолетов, беспи лотных метеорологических спутников Земли и пилотируе мых орбитальных станций. Весь этот обширный комплекс технических средств обеспечивает глобальные наблюдения за состоянием атмосферы, поверхности суши и океана с целью изучения тех физических процессов, которые опре деляют аномалии погоды на нашей планете.
Из всего вышесказанного следует, что наблюдение яв ляется весьма важным методом эмпирического познания, обеспечивающим сбор обширной информации об окружаю щем мире. Как показывает история науки, при правиль ном использовании этого метода он оказывается весьма плодотворным.
1.2. Эксперимент
Эксперимент — более сложный метод эмпирического познания по сравнению с наблюдением. Он предполагает активное, целенаправленное и строго контролируемое воз действие исследователя на изучаемый объект для выявле ния и изучения тех или иных его сторон, свойств, связей. При этом экспериментатор может преобразовывать иссле дуемый объект, создавать искусственные условия его изу чения, вмешиваться в естественное течение процессов.
Эксперимент включает в себя другие методы эмпириче ского исследования (наблюдение, измерение). В то же вре-
13
мя он обладает рядом важных, присущих только ему осо бенностей.
Во-первых, эксперимент позволяет изучать объект в «очищенном» виде, т. е. устранять всякого рода побочные факторы, наслоения, затрудняющие процесс исследования. Например, проведение некоторых экспериментов требует специально оборудованных помещений, защищенных (экра нированных) от внешних электромагнитных воздействий на изучаемый объект.
Во-вторых, в ходе эксперимента объект может быть поставлен в некоторые искусственные, в частности, экстре мальные условия, т. е. изучаться при сверхнизких темпе ратурах, при чрезвычайно высоких давлениях или, наобо рот, в вакууме, при огромных напряженностях электромаг нитного поля и т. п. В таких искусственно созданных условиях удается обнаружить удивительные, порой неожи данные свойства объектов и тем самым глубже постигать их сущность. Очень интересными и многообещающими являются в этом плане космические эксперименты, позво ляющие изучать объекты, явления в таких особых, необыч ных условиях (невесомость, глубокий вакуум), которые не достижимы в земных лабораториях.
В-третьих, изучая какой-либо процесс, экспериментатор может вмешиваться в него, активно влиять на его проте кание. Как отмечал академик И.П. Павлов «наблюдение собирает то, что ему предлагает природа, опыт же берет у природы то, что хочет»1.
В-четвертых, важным достоинством многих экспери ментов является их воспроизводимость. Это означает, что условия эксперимента, а соответственно и проводимые при этом наблюдения, измерения могут быть повторены столь ко раз, сколько это необходимо для получения достоверных результатов.
В истории науки известен, например, такой случай. Американский физик Шэнкланд, изучавший соударения фотонов с электронами, пришел к выводу о невыполнении закона сохранения энергии в элементарном акте соударе ния. Эти эксперименты вызвали сенсацию. Но ряд круп ных физиков отнеслись к ним скептически. Тогда Шэнк ланд решил повторить свои эксперименты. Пытаясь вос произвести свои прежние результаты, он нашел ошибку в методике экспериментирования. Выявилось, что при пра-
14
вильной постановке эксперимента закон сохранения энер гии соблюдается и в указанном элементарном акте соуда рения. Так, благодаря воспроизводимости эксперименталь ных исследований, вторая работа Шэнкланда опровергла первую.
Подготовка и проведение эксперимента требуют соблю дения ряда условий. Так, научный эксперимент:
никогда не ставится «наобум», он предполагает нали
чие четко сформулированной цели исследования;
не делается «вслепую», он всегда базируется на каких-
то исходных теоретических положениях;
не проводится беспланово, хаотически; предварительно
исследователь намечает пути его проведения;
требует определенного уровня развития технических
средств познания, необходимого для его реализации;
должен проводиться людьми, имеющими достаточно
высокую квалификацию.
Только совокупность всех этих условий определяет ус пех в экспериментальных исследованиях.
В зависимости от характера проблем, решаемых в ходе экспериментов, последние обычно подразделяются на иссле довательские и проверочные.
Исследовательские эксперименты дают возможность обнаружить у объекта новые, неизвестные свойства. Резуль татом такого эксперимента могут быть выводы, не выте кающие из имевшихся знаний об объекте исследования. Примером могут служить эксперименты, поставленные в лаборатории Э. Резерфорда, в ходе которых обнаружилось странное поведение альфа-частиц при бомбардировке ими золотой фольги: большинство частиц проходило сквозь фольгу, небольшое количество частиц отклонялось и рас сеивалось, а некоторые частицы не просто отклонялись, а отскакивали обратно, как мяч от сетки. Такая эксперимен тальная картина, согласно расчетам, получалась в силу того, что вся масса атома сосредоточена в ядре, занимаю щем ничтожную часть его объема (отскакивали обратно альфа-частицы, соударявшиеся с ядром). Так, исследова тельский эксперимент, проведенный Резерфордом и его со трудниками, привел к обнаружению ядра атома, а тем са мым и к рождению ядерной физики.
Проверочные эксперименты служат для проверки, под тверждения тех или иных теоретических построений. Так,
15
существование целого ряда элементарных частиц (позитро на, нейтрино и др.) было вначале предсказано теоретиче ски, и лишь позднее они были обнаружены эксперименталь ным путем.
Исходя из методики проведения и получаемых резуль татов, эксперименты можно разделить на качественные и количественные. Качественные эксперименты носят поис ковый характер и не приводят к получению каких-либо количественных соотношений. Они позволяют лишь выя вить действие тех или иных факторов на изучаемое явле ние. Количественные эксперименты направлены на уста новление точных количественных зависимостей в исследуе мом явлении. В реальной практике экспериментального исследования оба указанных типа экспериментов реализу ются, как правило, в виде последовательных этапов разви тия познания.
Как известно, связь между электрическими и магнитны ми явлениями впервые была открыта датским физиком Эрстедом в результате чисто качественного эксперимента (поместив магнитную стрелку компаса рядом с проводни ком, через который пропускался электрический ток, он об наружил, что стрелка отклоняется от первоначального по ложения). После опубликования Эрстедом своего откры тия последовали количественные эксперименты француз ских ученых Био и Савара, а также опыты Ампера, на ос нове которых была выведена соответствующая математи ческая формула. Все эти качественные и количественные эмпирические исследования заложили основы учения об электромагнетизме.
В зависимости от области научного знания, в которой используется экспериментальный метод исследования, раз личают естественнонаучный, прикладной (в технических науках, в сельскохозяйственной науке и т. д.) и социаль но-экономический эксперименты.
В конце XIX века, например, два видных ученых Г. Герц и А. С. Попов занимались экспериментальным изучением электромагнитных колебаний. Но Герц ставил перед собой лишь задачу экспериментальной проверки теоретических построений Максвелла. Практическое применение электро магнитных колебаний его не интересовало. Поэтому экс перименты Герца, в ходе которых были получены электро магнитные волны, предсказанные теорией Максвелла, сле-
16
дует рассматривать как естественнонаучные. Что же каса ется экспериментов А.С. Попова, то они имели четкую практическую направленность (как практически использо вать «волны Герца»?) и были экспериментами в области зарождающейся прикладной науки — радиотехники. Бо лее того, Герц вообще не верил в возможность практиче ского применения электромагнитных волн, не видел ника кой связи между своими экспериментами и нуждами прак тики. Узнав о попытках практического использования электромагнитных волн, Герц даже написал в Дрезденскую палату коммерции, что исследования в этом направлении нужно запретить как бесполезные.
Завершая рассмотрение экспериментального метода ис следования, следует упомянуть об очень важной проблеме планирования эксперимента. Еще в первой половине ны нешнего столетия все экспериментальные исследования сводились к проведению так называемого однофакторного эксперимента, когда изменялся какой-то один фактор ис следуемого процесса, а все остальные оставались неизмен ными. Но развитие науки настойчиво требовало исследо вания процессов, зависящих от множества меняющихся факторов. Использование в этом случае методики одно факторного эксперимента было бессмысленным, ибо требо вало выполнения астрономического количества опытов.
В начале 20-х годов XX столетия английский статис тик Р. Фишер впервые разработал и доказал целесообраз ность метода одновременного варьирования всех факторов, влияющих на результаты экспериментальных исследова ний в области прикладных наук. Но лишь через три де сятилетия эта работа Фишера нашла практическое при менение. В 1951 году Бокс и Уилсон разработали метод, по которому исследователь должен ставить последова тельные небольшие серии опытов, варьируя в каждой из этих серий по определенным правилам все факторы. При чем организуются указанные серии таким образом, чтобы после математической обработки предыдущей можно было бы выбрать (спланировать) условия проведения следующей серии, что в конечном итоге позволит выйти в область оп тимума.
После упомянутой работы Бокса и Уилсона появился целый ряд работ на эту же тему, в которых предлагались и другие методики. Достигнутые успехи в теоретической
17
разработке и практическом применении планирования экс перимента в научных исследованиях привели к появле нию новой дисциплины — математической теории экс перимента. Эта теория направлена на решение задачи по лучения достоверного результата экспериментального исследования с минимальными затратами труда, времени и средств. В итоге достигается оптимизация работы экспе риментатора при одновременном обеспечении высокого ка чества экспериментальных исследований. А «высокое ка чество эксперимента, — как подчеркивал академик П.Л. Ка пица, — является необходимым условием здорового разви тия науки»2.
1.3. Измерение
Большинство научных экспериментов и наблюдений включает в себя проведение разнообразных измерений. Измерение — это процесс, заключающийся в определении количественных значений тех или иных свойств, сторон изучаемого объекта, явления с помощью специальных тех нических устройств.
Огромное значение измерений для науки отмечали мно гие видные ученые. Например, Д.И. Менделеев подчерки вал, что «наука начинается с тех пор, как начинают изме рять». А известный английский физик В. Томсон (Кель вин) указывал на то, что «каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить»3.
Важной стороной процесса измерения является методи ка его проведения. Она представляет собой совокупность приемов, использующих определенные принципы и средства измерений. Под принципами измерений в данном случае имеются в виду какие-то явления, которые положены в основу измерений (например, измерение температуры с ис пользованием термоэлектрического эффекта).
Результат измерения получается в виде некоторого чис ла единиц измерения. Единица измерения — это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение «I»), Существует множество единиц измерения, соответствующее множеству объектов, явлений, их свойств, сторон, связей, которые приходится измерять в процессе научного позна ния. При этом единицы измерения подразделяются на ос-
18
новные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные, выводимые из других еди ниц с помощью каких-то математических соотношений.
Методика построения системы единиц как совокупнос ти основных и производных была впервые предложена в 1832 году К. Гауссом. Он построил систему единиц, в ко торой за основу были приняты три произвольные, незави симые друг от друга основные единицы — длины (милли метр), массы (миллиграмм) и времени (секунда). Все осталь ные (производные) единицы можно было определить с помощью этих трех. В дальнейшем с развитием науки и техники появились и другие системы единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гаус сом. Они базировались на метрической системе мер, но от личались друг от друга основными единицами.
Кроме того, в физике появились так называемые есте ственные системы единиц. Их основные единицы опреде лялись из законов природы (это исключало произвол че ловека при построении указанных систем). Примером мо жет служить «естественная» система физических единиц, предложенная в свое время Максом Планком. В ее осно ву были положены «мировые постоянные»: скорость све та в пустоте, постоянная тяготения, постоянная Больцма-на и постоянная Планка. Исходя из них и приравняв их к «I», Планк получил ряд производных единиц (длины, массы, времени и температуры).
Основное значение подобных «естественных» систем единиц (к ним относятся также система атомных единиц Хартри и некоторые другие) состоит в существенном уп рощении вида отдельных уравнений физики. Однако раз меры единиц таких систем делают их малоудобными для практики. Кроме того, точность измерения основных еди ниц подобных систем, необходимая для установления всех производных единиц, еще далеко не достаточна. В силу указанных причин предложенные до сих пор «естествен ные» системы единиц не могут в настоящее время найти применения при решении вопроса об унификации единиц измерения.
Вопрос об обеспечении единообразия в измерении вели чин, отражающих те или иные явления материального мира, всегда был очень важным. Отсутствие такого едино образия порождало существенные трудности для научного
19
познания. Например, до 1880 года включительно не суще ствовало единства в измерении электрических величин: использовалось 15 различных единиц электрического со противления, 8 единиц электродвижущей силы, 5 единиц электрического тока и т. д. Сложившееся положение силь но затрудняло сопоставление результатов измерений и рас четов, выполненных различными исследователями. Остро ощущалась необходимость введения единой системы элект рических единиц. Такая система была принята первым международным конгрессом по электричеству, состоявшим ся в 1881 году.
В настоящее время в естествознании действует преиму щественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 году XI Генеральной конференцией по мерам и ве сам. Международная система единиц построена на базе семи основных (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль) и двух дополнительных (радиан, стерадиан) единиц. С помощью специальной таблицы множителей и приставок можно образовывать кратные и дольные едини цы (например, с помощью множителя 10-3 и приставки «милли» к наименованию любой из названных выше еди ниц измерения можно образовывать дольную единицу раз мером в одну тысячную от исходной).
Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватывает физические величины механики, термодинамики, электро динамики и оптики, которые связаны между собой физи ческими законами.
Потребность в единой международной системе единиц измерения в условиях современной научно-технической революции очень велика. Поэтому такие международные организации, как ЮНЕСКО и Международная организация законодательной метрологии, призвали государства, явля ющиеся членами этих организаций, принять вышеупомя нутую Международную систему единиц и градуировать в этих единицах все измерительные приборы.
Существует несколько видов измерений. Исходя из ха рактера зависимости измеряемой величины от времени, из мерения разделяют на статические и динамические. При статических измерениях величина, которую мы измеряем, остается постоянной во времени (измерение размеров тел,
20
постоянного давления и т. п.). К динамическим относят ся такие измерения, в процессе которых измеряемая вели чина меняется во времени (измерение вибраций, пульсирую щих давлений и т. п.).
По способу получения результатов различают измере ния прямые и косвенные. В прямых измерениях искомое значение измеряемой величины получается путем непос редственного сравнения ее с эталоном или выдается изме рительным прибором. При косвенном измерении искомую величину определяют на основании известной математиче ской зависимости между этой величиной и другими вели чинами, получаемыми путем прямых измерений (например, нахождение удельного электрического сопротивления про водника по его сопротивлению, длине и площади попереч ного сечения). Косвенные измерения широко используют ся в тех случаях, когда искомую величину невозможно или слишком сложно измерить непосредственно или когда пря мое измерение дает менее точный результат.
Технические возможности измерительных приборов в значительной мере отражают уровень развития науки. С современной точки зрения, приборы, использовавшиеся учеными-естествоиспытателями в XIX веке и в начале XX столетия, были весьма несовершенны. Тем не менее, с помощью этих приборов ставились иногда блестящие экс перименты, оставившие заметный след в истории науки, от крывались и изучались важные закономерности природы.
С прогрессом науки продвигается вперед и измеритель ная техника. Наряду с совершенствованием существую щих измерительных приборов, работающих на основе тра диционных, утвердившихся принципов (замена материалов, из которых сделаны детали прибора, внесение в его конст рукцию отдельных изменений и т. д.), происходит переход на принципиально новые конструкции измерительных уст ройств, обусловленные новыми теоретическими предпосыл ками. В последнем случае создаются приборы, в которых находят реализацию новые научные достижения. Так, на пример, развитие квантовой физики существенно повыси ло возможности измерений с высокой степенью точности. Использование эффекта Мессбауэра позволяет создать при бор с разрешающей способностью порядка 10-13 % измеряе мой величины.
21
Хорошо развитое измерительное приборостроение, раз нообразие методов и высокие характеристики средств из мерения способствуют прогрессу в научных исследованиях. В свою очередь, решение научных проблем, как уже отме чалось выше, часто открывает новые пути совершенствова ния самих измерений.
2. Общенаучные методы теоретического познания
2.1. Абстрагирование и идеализация. Мысленный эксперимент
Процесс познания всегда начинается с рассмотрения конкретных, чувственно воспринимаемых предметов и яв лений, их внешних признаков, свойств, связей. Только в результате изучения чувственно-конкретного человек при ходит к каким-то обобщенным представлениям, понятиям, к тем или иным теоретическим положениям, т.е. науч ным абстракциям. Получение этих абстракций связано со сложной абстрагирующей деятельностью мышления.
В процессе абстрагирования происходит отход (вос хождение) от чувственно воспринимаемых конкретных объектов (со всеми их свойствами, сторонами и т. д.) к воспроизводимым в мышлении абстрактным представле ниям о них.
Абстрагирование, таким образом, заключается в мыслен ном отвлечении от каких-то — менее существенных — свойств, сторон, признаков изучаемого объекта с одновре менным выделением, формированием одной или несколь ких существенных сторон, свойств, признаков этого объек та. Результат, получаемый в процессе абстрагирования, именуют абстракцией (или используют термин абстракт ное — в отличие от конкретного).
В научном познаний широко применяются, например, абстракции отождествления и изолирующие абстракции. Абстракция отождествления представляет собой понятие, которое получается в результате отождествления некото рого множества предметов (при этом отвлекаются от це-
22
лого ряда индивидуальных свойств, признаков данных предметов) и объединения их в особую группу. Примером может служить группировка всего множества растений и животных, обитающих на нашей планете, в особые виды, роды, отряды и т. д. Изолирующая абстракция получает ся путем выделения некоторых свойств, отношений, нераз рывно связанных с предметами материального мира, в са мостоятельные сущности («устойчивость», «растворимость», «электропроводность» и т. п.).
Переход от чувственно-конкретного к абстрактному все гда связан с известным упрощением действительности. Вместе с тем, восходя от чувственно-конкретного к абст рактному, теоретическому, исследователь получает возмож ность глубже понять изучаемый объект, раскрыть его сущ ность.
Конечно, в истории науки имели место и ложные, невер ные абстракции, не отражавшие ровным счетом ничего в объективном мире (эфир, теплород, жизненная сила, элект рическая жидкость и т. п.). Использование подобных «мертвых абстракций» создавало лишь видимость объяс нения наблюдаемых явлений. В действительности же ника кого углубления познания в этом случае не происходило.
Развитие естествознания повлекло за собой открытие все новых и новых действительных сторон, свойств, связей объектов и явлений материального мира. Необходимым условием прогресса познания стало образование подлинно научных, «не вздорных» абстракций, которые позволили бы глубже познать сущность изучаемых явлений. Процесс перехода от чувственно-эмпирических, наглядных представ лений об изучаемых явлениях к формированию определен ных абстрактных, теоретических конструкций, отражаю щих сущность этих явлений, лежит в основе развития любой науки.
Мысленная деятельность исследователя в процессе на учного познания включает в себя особый вид абстрагиро вания, который называют идеализацией. Идеализация пред ставляет собой мысленное внесение определенных измене ний в изучаемый объект в соответствии с целями исследо ваний.
В результате таких изменений могут быть, например, исключены из рассмотрения какие-то свойства, стороны, признаки объектов. Так, широко распространенная в меха-
23
нике идеализация, именуемая материальной точкой, подра зумевает тело, лишенное всяких размеров. Такой абстракт ный объект, размерами которого пренебрегают, удобен при описании движения. Причем подобная абстракция позво ляет заменить в исследовании самые различные реальные объекты: от молекул или атомов при решении многих за дач статистической механики и до планет Солнечной сис темы при изучении, например, их движения вокруг Солнца.
Изменения объекта, достигаемые в процессе идеализа ции, могут производиться также и путем наделения его какими-то особыми свойствами, в реальной действитель ности неосуществимыми. Примером может служить вве денная путем идеализации в физику абстракция, известная под названием абсолютно черного тела. Такое тело наде ляется несуществующим в природе свойством поглощать абсолютно всю попадающую на него лучистую энергию, ничего не отражая и ничего не пропуская сквозь себя. Спектр излучения абсолютно черного тела является идеаль ным случаем, ибо на него не оказывает влияния приро да вещества излучателя или состояние его поверхности. А если можно теоретически описать спектральное распре деление плотности энергии излучения для идеального слу чая, то можно кое-что узнать и о процессе излучения во обще. Указанная идеализация сыграла важную роль в прогрессе научного познания в области физики, ибо помог ла выявить ошибочность некоторых существовавших во второй половине XIX века представлений. Кроме того, ра бота с таким идеализированным объектом помогла зало жить основы квантовой теории, ознаменовавшей радикаль ный переворот в науке.
Целесообразность использования идеализации опреде ляется следующими обстоятельствами.
Во-первых, идеализация целесообразна тогда, когда под лежащие исследованию реальные объекты достаточно сложны для имеющихся средств теоретического, в частнос ти, математического, анализа. А по отношению к идеали зированному случаю можно, приложив эти средства, пост роить и развить теорию, в определенных условиях и целях эффективную, для описания свойств и поведения этих ре альных объектов. (Последнее, в сущности, и удостоверяет плодотворность идеализации, отличает ее от бесплодной фантазии).
24
Во-вторых, идеализацию целесообразно использовать в тех случаях, когда необходимо исключить некоторые свой ства, связи исследуемого объекта, без которых он существо вать не может, но которые затемняют существо протекаю щих в нем процессов. Сложный объект представляется как бы в «очищенном» виде, что облегчает его изучение.
На эту гносеологическую возможность идеализации обратил внимание Ф. Энгельс, который показал ее на при мере исследования, проведенного Сади Карно: «Он изучил паровую машину, проанализировал ее, нашел, что в ней ос новной процесс не выступает в чистом виде, а заслонен всякого рода побочными процессами, устранил эти безраз личные для главного процесса побочные обстоятельства и сконструировал идеальную паровую машину (или газовую машину), которую, правда, также нельзя осуществить, как нельзя, например, осуществить геометрическую линию или геометрическую плоскость, но которая оказывает, по-свое му, такие же услуги, как эти математические абстракции. Она представляет рассматриваемый процесс в чистом, неза висимом, неискаженном виде»4.
В-третьих, применение идеализации целесообразно тогда, когда исключаемые из рассмотрения свойства, стороны, свя зи изучаемого объекта не влияют в рамках данного иссле дования на его сущность. Выше уже упоминалось, напри мер, о том, что абстракция материальной точки позволяет в некоторых случаях представлять самые различные объек ты — от молекул или атомов до гигантских космических объектов. При этом правильный выбор допустимости по добной идеализации играет очень большую роль. Если в ряде случаев возможно и целесообразно рассматривать ато мы в виде материальных точек, то такая идеализация ста новится недопустимой при изучении структуры атома. Точ но так же можно считать материальной точкой нашу пла нету при рассмотрении ее вращения вокруг Солнца, но отнюдь не в случае рассмотрения ее собственного суточного вращения.
Будучи разновидностью абстрагирования, идеализация допускает элемент чувственной наглядности (обычный про цесс абстрагирования ведет к образованию мысленных аб стракций, не обладающих никакой наглядностью). Эта осо бенность идеализации очень важна для реализации тако го специфического метода теоретического познания, како-
25
вым является мысленный эксперимент (его также назы вают умственным, субъективным, воображаемым, идеализи рованным).
Мысленный эксперимент предполагает оперирование идеализированным объектом (замещающим в абстракции объект реальный), которое заключается в мысленном под боре тех или иных положений, ситуаций, позволяющих обнаружить какие-то важные особенности исследуемого объекта. В этом проявляется определенное сходство мыс ленного (идеализированного) эксперимента с реальным. Более того, всякий реальный эксперимент, прежде чем быть осуществленным на практике, сначала «проигрывается» исследователем мысленно в процессе обдумывания, плани рования. В этом случае мысленный эксперимент выступает в роли предварительного идеального плана реального экс перимента.
Вместе с тем мысленный эксперимент играет и самостоя тельную роль в науке. При этом, сохраняя сходство с ре альным экспериментом, он в то же время существенно от личается от него. Эти отличия заключаются в следующем.
Реальный эксперимент — это метод, связанный с прак тическим, предметно-манипулятивным, «орудийным» поз нанием окружающего мира. В мысленном же эксперимен те исследователь оперирует не материальными объектами, а их идеализированными образами, и само оперирование производится в его сознании, т. е. чисто умозрительно.
Возможность постановки реального эксперимента опре деляется наличием соответствующего материально-техни ческого (а иногда и финансового) обеспечения. Мысленный эксперимент такого обеспечения не требует.
В реальном эксперименте приходится считаться с ре альными физическими и иными ограничениями его прове дения, с невозможностью в ряде случаев устранить мешаю щие ходу эксперимента воздействия извне, с искажением в силу указанных причин получаемых результатов. В этом плане мысленный эксперимент имеет явное преимущество перед экспериментом реальным. В мысленном эксперимен те можно абстрагироваться от действия нежелательных факторов, проведя его в идеализированном, «чистом» виде.
В научном познании могут быть случаи, когда при ис следовании некоторых явлений, ситуаций проведение реаль ных экспериментов оказывается вообще невозможным.
26
Этот пробел в познании может восполнить только мыслен ный эксперимент.
Научная деятельность Галилея, Ньютона, Максвелла, Карно, Эйнштейна и других ученых, заложивших основы современного естествознания, свидетельствует о существен ной роли мысленного эксперимента в формировании теоре тических идей. История развития физики богата фактами использования мысленных экспериментов. Примером мо гут служить мысленные эксперименты Галилея, приведшие к открытию закона инерции.
Реальные эксперименты, в которых невозможно устра нить фактор трения, казалось бы, подтверждали господство вавшую в течение тысячелетий концепцию Аристотеля, утверждавшую, что движущееся тело останавливается, если толкающая его сила прекращает свое действие. Такое ут верждение основывалось на простой констатации фактов, наблюдаемых в реальных экспериментах (шар или тележ ка, получившие силовое воздействие, а затем катящиеся уже без него по горизонтальной поверхности, неизбежно замедляли свое движение и в конце концов останавлива лись). В этих экспериментах наблюдать равномерное не прекращающееся движение по инерции было невозможно.
Галилей, проделав мысленно указанные эксперименты с поэтапным идеализированием трущихся поверхностей и доведением до полного исключения из взаимодействия трения, опроверг аристотелевскую точку зрения и сделал единственно правильный вывод. Этот вывод мог быть по лучен только с помощью мысленного эксперимента, обеспе чившего возможность открытия фундаментального закона механики движения.
Метод идеализации, оказывающийся весьма плодотвор ным во многих случаях, имеет в то же время определен ные ограничения. Развитие научного познания заставля ет иногда отказываться от принятых ранее идеализирован ных представлений. Так произошло, например, при созда нии Эйнштейном специальной теории относительности, из которой были исключены ньютоновские идеализации «аб солютное пространство» и «абсолютное время». Кроме того, любая идеализация ограничена конкретной областью яв лений и служит для решения только определенных проб лем. Это хорошо видно хотя бы на примере вышеуказан ной идеализации «абсолютно черное тело».
27
Сама по себе идеализация, хотя и может быть плодо творной и даже подводить к научному открытию, еще не достаточна для того, чтобы сделать это открытие. Здесь определяющую роль играют теоретические установки, из которых исходит исследователь. Рассмотренная выше идеа лизация паровой машины, удачно осуществленная Сади Карно, подвела его к открытию механического эквивален та теплоты, которого, однако, «...он не мог открыть и уви деть лишь потому, — отмечает Ф. Энгельс, — что верил в теплород. Это является также доказательством вреда ложных теорий»5.
Основное положительное значение идеализации как метода научного познания заключается в том, что получае мые на ее основе теоретические построения позволяют за тем эффективно исследовать реальные объекты и явления. Упрощения, достигаемые с помощью идеализации, облегча ют создание теории, вскрывающей законы исследуемой об ласти явлений материального мира. Если теория в це лом правильно описывает реальные явления, то правомер ны и положенные в ее основу идеализации.
2.2. Формализация. Язык науки
Под формализацией понимается особый подход в науч ном познании, который заключается в использовании спе циальной символики, позволяющей отвлечься от изучения реальных объектов, от содержания описывающих их тео ретических положений и оперировать вместо этого некото рым множеством символом (знаков).
Ярким примером формализации являются широко ис пользуемые в науке математические описания различных объектов, явлений, основывающиеся на соответствующих содержательных теориях. При этом используемая матема тическая символика не только помогает закрепить уже имеющиеся знания об исследуемых объектах, явлениях, но и выступает своего рода инструментом в процессе дальней шего их дознания.
Для построения любой формальной системы необходимо:
а) задание алфавита, т. е. определенного набора знаков;
б) задание правил, по которым из исходных знаков это
го алфавита могут быть получены «слова», «формулы»;
28
в) задание правил, по которым от одних слов, формул дан ной системы можно переходить к другим словам и формулам (так называемые правила вывода). В результате создается формальная знаковая система в виде определенного искусственного языка. Важным досто инством этой системы является возможность проведения в ее рамках исследования какого-либо объекта чисто фор мальным путем (оперирование знаками) без непосред ственного обращения к этому объекту.
Другое достоинство формализации состоит в обеспече нии краткости и четкости записи научной информации, что открывает большие возможности для оперирования ею. Вряд ли удалось бы успешно пользоваться, например, тео ретическими выводами Максвелла, если бы они не были компактно выражены в виде математических уравнений, а описывались бы с помощью обычного, естественного языка. Разумеется, формализованные искусственные языки не обладают гибкостью и богатством языка естественного. Зато в них отсутствует многозначность терминов (полисе мия), свойственная естественным языкам. Они характери зуются точно построенным синтаксисом (устанавливаю щим правила связи между знаками безотносительно их содержания) и однозначной семантикой (семантические правила формализованного языка вполне однозначно оп ределяют соотнесенность знаковой системы с определенной предметной областью). Таким образом, формализованный язык обладает свойством моносемичности.
Возможность представить те или иные теоретические положения науки в виде формализованной знаковой сис темы имеет большое значение для познания. Но при этом следует иметь в виду, что формализация той или иной тео рии возможна только при учете ее содержательной сторо ны. Только в этом случае могут быть правильно примене ны те или иные формализмы. Голое математическое урав нение еще не представляет физической теории, чтобы полу чить физическую теорию, необходимо придать математиче ским символам конкретное эмпирическое содержание.
Поучительным примером формально полученного и на первый взгляд «бессмысленного» результата, который об наружил впоследствии весьма глубокий физический смысл, являются решения уравнения Дирака, описывающего дви жение электрона. Среди этих решений оказались такие,
29
которые соответствовали состояниям с отрицательной ки нетической энергией. Позднее было установлено, что ука занные решения описывали поведение неизвестной дотоле частицы — позитрона, являющегося антиподом электрона. В данном случае некоторое множество формальных преоб разований привело к содержательному и интересному для науки результату.
Расширяющееся использование формализации как ме тода теоретического познания связано не только с разви тием математики. В химии, например, соответствующая химическая символика вместе с правилами оперирования ею явилась одним из вариантов формализованного искусст венного языка. Все более важное место метод формализа ции занимал в логике по мере ее развития. Труды Лейб ница положили начало созданию метода логических исчис лений. Последний привел к формированию в середине XIX века математической логики, которая во второй по ловине нашего столетия сыграла важную роль в развитии кибернетики, в появлении электронных вычислительных ма шин, в решении задач автоматизации производства и т. д.
Язык современной науки существенно отличается от естественного человеческого языка. Он содержит много специальных терминов, выражений, в нем широко исполь зуются средства формализации, среди которых центральное место принадлежит математической формализации. Исходя из потребностей науки, создаются различные искусственные языки, предназначенные для решения тех или иных задач. Все множество созданных и создаваемых искусственных формализованных языков входит в язык науки, образуя мощное средство научного познания.
Вместе с тем следует иметь в виду, что создание како го-то единого формализованного языка науки не представ ляется возможным. Дело в том, что даже достаточно бога тые формализованные языки не удовлетворяют требованию полноты, т. е. некоторое множество правильно сформули рованных предложений такого языка (в том числе и ис тинных) не может быть выведено чисто формальным пу тем внутри этого языка. Данное положение вытекает из результатов, полученных в начале 30-х годов XX столетия австрийским логиком и математиком Куртом Гёделем.
30
Знаменитая теорема Гёделя утверждает, что каждая нормальная система либо противоречива, либо содержит некоторую неразрешимую (хотя и истинную) формулу, т.е. такую формулу, которую в данной системе нельзя ни дока зать, ни опровергнуть.
Правда, то, что не выводимо в данной формальной сис теме, выводимо в другой системе, более богатой. Но тем не менее все более полная формализация содержания никог да не может достигнуть абсолютной полноты, т. е. возмож ности любого формализованного языка остаются принци пиально ограниченными. Таким образом, Гёдель дал строго логическое обоснование невыполнимости идеи Р. Карнапа о создании единого, универсального, формализованного «физикалистского» языка науки.
Формализованные языки не могут быть единственной формой языка современной науки. В научном познании необходимо использовать и неформализованные системы. Но тенденция к возрастающей формализации языков всех и особенно естественных наук является объективной и прогрессивной.
2.3. Индукция и дедукция
Индукция (от лат. inductio — наведение, побуждение) есть метод познания, основывающийся на формально-логи ческом умозаключении, которое приводит к получению общего вывода на основании частных посылок. Другими словами, это есть движение нашего мышления от частно го, единичного к общему.
Индукция широко применяется в научном познании. Обнаруживая сходные признаки, свойства у многих объек тов определенного класса, исследователь делает вывод о присущности этих признаков, свойств всем объектам дан ного класса. Например, в процессе экспериментального изу чения электрических явлений использовались проводники тока, выполненные из различных металлов. На основании многочисленных единичных опытов сформировался общий вывод об электропроводности всех металлов. Наряду с дру гими методами познания, индуктивный метод сыграл важ ную роль в открытии некоторых законов природы (всемир ного тяготения, атмосферного давления, теплового расши рения тел и др.).
31
Индукция, используемая в научном познании (научная индукция), может реализовываться в виде следующих ме тодов:
Родоначальником классического индуктивного метода познания является Ф. Бэкон. Но он трактовал индукцию чрезвычайно широко, считал ее важнейшим методом от крытия новых истин в науке, главным средством научного познания природы.
На самом же деле вышеуказанные методы научной индукции служат главным образом для нахождения эм пирических зависимостей между экспериментально наблю даемыми свойствами объектов и явлений. В них система тизированы простейшие формально-логические приемы, которые стихийно использовались учеными-естествоиспы тателями в любом эмпирическом исследовании. По мере развития естествознания становилось все более ясным, что методы классической индукции далеко не играют той все охватывающей роли в научном познании, которую им
32
приписывали Ф. Бэкон и его последователи вплоть до кон ца XIX века.
Такое неоправданно расширенное понимание роли ин дукции в научном познании получило наименование все индуктивизма. Его несостоятельность обусловлена тем, что индукция рассматривается изолированно от других мето дов познания и превращается в единственное, универсаль ное средство познавательного процесса. С критикой всеин-дуктивизма выступил Ф. Энгельс, указавший, что индук цию нельзя, в частности, отрывать от другого метода позна ния — дедукции.
Дедукция (от лат. deductio — выведение) есть получе ние частных выводов на основе знания каких-то общих положений. Другими словами, это есть движение нашего мышления от общего к частному, единичному. Например, из общего положения, что все металлы обладают электро проводностью, можно сделать дедуктивное умозаключение об электропроводности конкретной медной проволоки (зная, что медь — металл). Если исходные общие положе ния являются установленной научной истиной, то методом дедукции всегда будет получен истинный вывод. Общие принципы и законы не дают ученым в процессе дедуктив ного исследования сбиться с пути: они помогают правиль но понять конкретные явления действительности.
Получение новых знаний посредством дедукции суще ствует во всех естественных науках, но особенно большое значение дедуктивный метод имеет в математике. Оперируя математическими абстракциями и строя свои рассуждения на весьма общих положениях, математики вынуждены чаще всего пользоваться дедукцией. И математика является, по жалуй, единственной собственно дедуктивной наукой.
В науке Нового времени пропагандистом дедуктивно го метода познания был видный математик и философ Р. Декарт. Вдохновленный своими математическими успе хами, будучи убежденным в безошибочности правильно рассуждающего ума, Декарт односторонне преувеличивал значение интеллектуальной стороны за счет опытной в процессе познания истины. Дедуктивная методология Де карта была прямой противоположностью эмпирическому индуктивизму Бэкона.
Но, несмотря на имевшие место в истории науки и фи лософии попытки оторвать индукцию от дедукции, проти-
2. Зак.671 33
вопоставить их в реальном процессе научного познания, эти два метода не применяются как изолированные, обособ ленные друг от друга. Каждый из них используется на со ответствующем этапе познавательного процесса.
Более того, в процессе использования индуктивного ме тода зачастую «в скрытом виде» присутствует и дедукция.
Обобщая факты в соответствии с какими-то идеями, мы тем самым косвенно выводим получаемые нами обобще ния из этих идей, причем далеко не всегда отдаем себе в этом отчет. Кажется, что наша мысль движется прямо от фактов к обобщениям, т. е. что тут присутствует чистая индукция. На самом же деле, сообразуясь с какими-то идеями, иначе говоря, неявно руководствуясь ими в процес се обобщения фактов, наша мысль косвенно идет от идей к этим обобщениям, и, следовательно, тут имеет место и де дукция. Можно сказать, что во всех случаях, когда мы обобщаем (сообразуясь, например, с какими-либо философ скими положениям) наши умозаключения являются не только индукцией, но и скрытой дедукцией.
Подчеркивая необходимую связь индукции и дедукции, Ф. Энгельс настоятельно советовал ученым: «Вместо того, чтобы односторонне превозносить одну из них до небес за счет другой, надо стараться каждую применять на своем месте, а этого можно добиться лишь в том случае, если не упускать из виду их связь между собой, их взаимное допол нение друг другом»6.
1
Общенаучные методы, применяемые на эмпирическом и теоретическом уровнях познания
3.1. Анализ и синтез
Под анализом понимают разделение объекта (мыслен но или реально) на составные части с целью их отдельного изучения. В качестве таких частей могут быть какие-то вещественные элементы объекта или же его свойства, при знаки, отношения и т. п.
Анализ — необходимый этап в познании объекта. С древнейших времен анализ применялся, например, для
34
разложения на составляющие некоторых веществ. В част ности, уже в Древнем Риме анализ использовался для про верки качества золота и серебра в виде так называемого купелирования (анализируемое вещество взвешивалось до и после нагрева). Постепенно формировалась аналитиче ская химия, которую по праву можно называть матерью современной химии: ведь прежде чем применять то или иное вещество в конкретных целях, необходимо выяснить его химический состав.
Однако в науке Нового времени аналитический метод был абсолютизирован. В указанный период ученые, изучая природу, «рассекали ее на части» (по выражению Ф. Бэко на) и, исследуя части, не замечали значения целого. Это было результатом метафизического метода мышления, ко торый господствовал тогда в умах естествоиспытателей.
Несомненно, анализ занимает важное место в изучении объектов материального мира. Но он составляет лишь пер вый этап процесса познания. Если бы, скажем, химики ог раничивались только анализом, т. е. выделением и изуче нием отдельных химических элементов, то они не смогли бы познать все те сложные вещества, в состав которых входят эти элементы. Сколь бы глубоко ни были изучены, например, свойства углерода и водорода, по этим сведени ям еще ничего нельзя сказать о многочисленных веще ствах, состоящих из различного сочетания этих химиче ских элементов.
Для постижения объекта как единого целого нельзя ограничиваться изучением лишь его составных частей. В процессе познания необходимо вскрывать объективно су ществующие связи между ними, рассматривать их в сово купности, в единстве. Осуществить этот второй этап в про цессе познания — перейти от изучения отдельных состав ных частей объекта к изучению его как единого связанного целого — возможно только в том случае, если метод ана лиза дополняется другим методом — синтезом.
В процессе синтеза производится соединение воедино составных частей (сторон, свойств, признаков и т. п.) изу чаемого объекта, расчлененных в результате анализа. На этой основе происходит дальнейшее изучение объекта, но уже как единого целого. При этом синтез не означает про стого механического соединения разъединенных элементов в единую систему. Он раскрывает место и роль каждого
2* 35
элемента в системе целого, устанавливает их взаимосвязь и взаимообусловленность, т. е. позволяет понять подлин ное диалектическое единство изучаемого объекта.
Анализ и синтез с успехом используются и в сфере мыслительной деятельности человека, т. е. в теоретиче ском познании, Но и здесь, как и на эмпирическом уров не познания, анализ и синтез — это не две оторванные друг от друга операции. По своему существу они — как бы две стороны единого аналитико-синтетического метода позна ния. Как подчеркивал Ф. Энгельс, «мышление состоит столько же в разложении предметов сознания на их элемен ты, сколько в объединении связанных друг с другом элемен тов в некоторое единство. Без анализа нет синтеза»7.
3.2. Аналогия и моделирование
Под аналогией понимается подобие, сходство каких-то свойств, признаков или отношений у различных в целом объектов. Установление сходства (или различия) между объектами осуществляется в результате их сравнения. Таким образом, сравнение лежит в основе метода аналогии.
Если делается логический вывод о наличии какого-либо свойства, признака, отношения у изучаемого объекта на основании установления его сходства с другими объекта ми, то этот вывод называют умозаключением по аналогии. Ход такого умозаключения можно представить следующим образом. Пусть имеется, например, два объекта А и В. Из вестно, что объекту А присущи свойства P1 Р2,..., Рn, Рn+1. Изучение объекта В показало, что ему присущи свойства Р1 Р2,..., Рn, совпадающие соответственно со свойствами объек та А. На основании сходства ряда свойств (Р1 Р2,..., Рn) у обоих объектов может быть сделано предположение о на личии свойства Рn+1 у объекта В.
Степень вероятности получения правильного умозаклю чения по аналогии будет тем выше: 1) чем больше извест но общих свойств у сравниваемых объектов; 2) чем суще ственнее обнаруженные у них общие свойства и 3) чем глубже познана взаимная закономерная связь этих сход ных свойств. При этом нужно иметь в виду, что если объект, в отношении которого делается умозаключение по аналогии с другим объектом, обладает каким-нибудь свой ством, не совместимым с тем свойством, о существовании
36
которого должен быть сделан вывод, то общее сходство этих объектов утрачивает всякое значение.
Указанные соображения об умозаключении по анало гии можно дополнить также и следующими правилами:
1) общие свойства должны быть любыми свойствами сравниваемых объектов, т. е. подбираться «без предубежде ния» против свойств какого-либо типа; 2) свойство Рn+1 долж но быть того же типа, что и общие свойства Р1 Р2,..., Рn; 3) общие свойства Р1 Р2, ..., Рn должны быть возможно бо лее специфичными для сравниваемых объектов, т. е. при надлежать возможно меньшему кругу объектов; 4) свойст во Рn+1, наоборот, должно быть наименее специфичным, т. е. принадлежать возможно большему кругу объектов.
Существуют различные типы выводов по аналогии. Но общим для них является то, что во всех случаях непосред ственному исследованию подвергается один объект, а вывод делается о другом объекте. Поэтому вывод по аналогии в самом общем смысле можно определить как перенос ин формации с одного объекта на другой. При этом первый объект, который собственно и подвергается исследованию, именуется моделью, а другой объект, на который переносит ся информация, полученная в результате исследования пер вого объекта (модели), называется оригиналом (иногда — прототипом, образцом и т. д.). Таким образом, модель всег да выступает как аналогия, т. е. модель и отображаемый с ее помощью объект (оригинал) находятся в определенном сходстве (подобии).
«Под моделированием понимается изучение моделируе мого объекта (оригинала), базирующееся на взаимоодноз начном соответствии определенной части свойств оригина ла и замещающего его при исследовании объекта (модели) и включающее в себя построение модели, изучение ее и перенос полученных сведений на моделируемый объект — оригинал»8.
В зависимости от характера используемых в научном исследовании моделей различают несколько видов модели рования.
1. Мысленное (идеальное) моделирование. К этому виду моделирования относятся самые различные мыслен ные представления в форме тех или иных воображаемых моделей. Например, в идеальной модели электромагнитного поля, созданной Дж. Максвеллом, силовые линии представ-
37
лялись в виде трубок различного сечения, по которым те чет воображаемая жидкость, не обладающая инерцией и сжимаемостью. Модель атома, предложенная Э. Резерфор-дом, напоминала Солнечную систему: вокруг ядра («Солн ца») обращались электроны («планеты»). Следует заме тить, что мысленные (идеальные) модели нередко могут быть реализованы материально в виде чувственно воспри нимаемых физических моделей.
2. Физическое моделирование. Оно характеризуется
физическим подобием между моделью и оригиналом и
имеет целью воспроизведение в модели процессов, свой
ственных оригиналу. По результатам исследования тех
или иных физических свойств модели судят о явлениях,
происходящих (или могущих произойти) в так называе
мых «натуральных условиях». Пренебрежение результата
ми таких модельных исследований может иметь тяжелые
последствия. Поучительным примером этого является
вошедшая в историю гибель английского корабля-броне
носца «Кэптэн», построенного в 1870 году. Исследования
известного ученого-кораблестроителя В. Рида, проведенные
на модели корабля, выявили серьезные дефекты в его кон
струкции. Но заявление ученого, обоснованное опытом с
«игрушечной моделью», не было принято во внимание анг
лийским Адмиралтейством. В результате при выходе в
море «Кэптэн» перевернулся, что повлекло за собой гибель
более 500 моряков.
В настоящее время физическое моделирование широко используется для разработки и экспериментального изуче ния различных сооружений (плотин электростанций, оро сительных систем и т. п.), машин (аэродинамические ка чества самолетов, например, исследуются на их моделях, обдуваемых воздушным потоком в аэродинамической тру бе), для лучшего понимания каких-то природных явлений, для изучения эффективных и безопасных способов ведения горных работ и т. д.
3. Символическое (знаковое) моделирование. Оно свя
зано с условно-знаковым представлением каких-то свойств,
отношений объекта-оригинала. К символическим (знако
вым) моделям относятся разнообразные топологические и
графовые представления (в виде графиков, номограмм, схем
и т. п.) исследуемых объектов или, например, модели, пред
ставленные в виде химической символики и отражающие
38
состояние или соотношение элементов во время химиче ских реакций.
Особой и очень важной разновидностью символическо го (знакового) моделирования является математическое моделирование. Символический язык математики позволяет выражать свойства, стороны, отношения объектов и явле ний самой различной природы. Взаимосвязи между различ ными величинами, описывающими функционирование та кого объекта или явления, могут быть представлены соот ветствующими уравнениями (дифференциальными, интег ральными, интегро-дифференциальными, алгебраическими) и их системами. Получившаяся система уравнений вмес те с известными данными, необходимыми для ее решения (начальные условия, граничные условия, значения коэффи циентов уравнений и т. п.). называется математической моделью явления.
Математическое моделирование может применяться в особом сочетании с физическим моделированием. Такое сочетание, именуемое вещественно-математическим (или предметно-математическим) моделированием, позволяет исследовать какие-то процессы в объекте-оригинале, заме няя их изучением процессов совсем иной природы (проте кающих в модели; которые, однако, описываются теми же математическими соотношениями, что и исходные процес сы. Так, механические колебания могут моделироваться электрическими колебаниями на основе полной идентич ности описывающих их дифференциальных уравнений.
В настоящее время вещественно-математическое моде лирование нередко реализуется с помощью электронных аналоговых устройств, которые позволяют создавать мате матическую аналогию между процессами, протекающими в объекте-оригинале и в специально организованной элект ронной схеме. Последняя и обеспечивает получение новой информации о процессах в исследуемом объекте.
4. Численное моделирование на компьютере. Эта раз новидность моделирования основывается на ранее создан ной математической модели изучаемого объекта или явле ния и применяется в случаях больших объемов вычисле ний, необходимых для исследования данной модели. При этом для решения содержащихся в ней систем уравнений с помощью компьютера необходимо предварительное со ставление программы, которая выполняется затем элект-
39
ронной вычислительной машиной в виде последовательно сти элементарных математических и логических операций. В данном случае компьютер вместе с введенной в нее про граммой представляет собой материальную систему, реали зующую численное моделирование исследуемого объекта или явления.
Численное моделирование особенно важно там, где не совсем ясна физическая картина изучаемого явления, не познан внутренний механизм взаимодействия. Путем рас четов на компьютере различных вариантов ведется накоп ление фактов, что дает возможность в конечном счете про извести отбор наиболее реальных и вероятных ситуаций. Активное использование методов численного моделирова ния позволяет резко сократить сроки научных и конструк торских разработок.
Метод моделирования непрерывно развивается: на сме ну одним типам моделей по мере прогресса науки прихо дят другие. В то же время неизменным остается одно: важность, актуальность, а иногда и незаменимость модели рования как метода научного познания.
Вопросы для самоконтроля
10. Что такое моделирование в научном познании? На
зовите известные вам виды моделирования.
40
Примечания
1 Павлов И.П. Полн. собр. соч. Т. II. Кн. 2. М.; Л.,
1951. С. 274.
2 Капица ПЛ. Эксперимент, теория, практика. М., 1987.
С.182.
3 Цит. по: Орнатский ПЛ. Теоретические основы ин-фор- мационно-измерительной техники. Киев, 1976. С. 7.
4 Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 20. С. 543-544.
5 Там же. С. 544.
6 Там же. С. 542-543.
7 Там же. С. 41.
8 Веников В А., Веников ГЛ. Теория подобия и модели
рование. М., 1984. С. 8.
41
Раздел II
ИСТОРИЯ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
| Естествознание эпохи античности
1.1. Натурфилософия и ее место в истории естествознания. Возникновение античной науки.
Первой в истории человечества формой существования естествознания была так называемая натурфилософия (от лат-natura — природа), или философия природы. Последняя характеризовалась чисто умозрительным истолкованием природного мира, рассматриваемого в его целостности. Счи талось, что философии — в ее натурфилософской форме — отведена роль «науки наук», «царицы наук», ибо она яв ляется вместилищем всех человеческих знаний об окру жающем мире, а естественные науки являются лишь ее со ставными частями.
Натурфилософское понимание природы содержало много вымышленного, фантастического, далекого от действитель ного понимания мира. Появление натурфилософии в ин теллектуальной истории человечества и очень длительное ее существование объясняется рядом неизбежных обстоя тельств.
42
ных наук существовали лишь механика, математика, аст рономия и физика. Химия, биология, геология находились лишь в процессе становления. В такой ситуации натурфи лософия, строя общую картину природы, стремилась заме нить собой отсутствующие естественные науки.
3. Отрывочному знанию об объектах, явлениях приро ды, которое давало тогдашнее естествознание, натурфило софия противопоставляла свои умозрительные представле ния о мире. В этих представлениях не известные еще на уке причины и действительные (но пока непознанные) связи явлений заменялись вымышленными, фантастиче скими причинами и связями. Для истолкования непонят ных явлений натурфилософы обычно придумывали какую-нибудь силу (например, жизненную силу) или какое-нибудь мифическое вещество (флогистон, электрическая жидкость, эфир и т. п.). Разумеется, действительные пробелы в есте ственнонаучном знании восполнялись при этом лишь в во ображении. Это было вынужденное положение, которое, од нако, не могло продолжаться бесконечно.
Когда в XIX веке естествознание достигло достаточно высокого уровня развития и был накоплен и систематизи рован большой фактический материал, т. е. когда были познаны действительные причины явлений, раскрыты их реальные связи между собой, существование натурфилосо фии потеряло всякое историческое оправдание. А в связи с этим понимание философии как «науки наук» также прекратило свое существование. Вместе с уходом с истори ческой арены старой натурфилософии сама философия, так же как и различные отрасли естествознания, наконец-то обрела свой предмет. Однако тесная двусторонняя связь между философией и естествознанием сохраняется по сей день.
Впервые наука в истории человечества возникает в Древней Греции в VI в. до н. э. Под наукой понимается не просто совокупность каких-то отрывочных, разрозненных сведений, а определенная система знаний, являющаяся ре зультатом деятельности особой группы людей (научного сообщества) по получению новых знаний. В отличие от ряда древних цивилизаций (Египта, Вавилона, Ассирии) именно в культуре Древней Греции обнаруживаются ука занные характеристики науки. При этом древнегреческие мыслители были, как правило, одновременно и философа-
43
ми, и учеными. Господство натурфилософии обусловило такие особенности древнегреческой науки, как абстракт ность и отвлеченность от конкретных фактов. Каждый ученый стремился представить все мироздание в целом, нимало не беспокоясь об отсутствии достаточного факти ческого материала о явлениях природы. Вместе с тем, до стижения античных мыслителей в математике и механи ке навечно вошли в историю науки.
1.2. Миропонимание и научные достижения натурфилософии античности. Атомистика. Геоцентрическая космология. Развитие математики и механики
В ранней древнегреческой натурфилософии господство вала идея о некоторых исходных первоначалах, лежащих в основе мироздания. К таким первоначалам, из которых якобы создается весь окружающий мир, относили либо так называемые четыре «стихии» (воду, воздух, огонь, землю), либо какое-то мифическое первовещество. Подобное перво-вещество, придуманное древнегреческим натурфилософом Анаксимандром и названное им «апейрон» (в переводе «беспредельное», «неопределенное»), первоначально пред ставляло собой неопределенную туманную массу, находив шуюся в постоянном круговом вращении, из которой, в конце концов, якобы произошло все многообразие мира.
Но уже в этот период на смену подобным представле ниям о мире приходит стройное по тому времени атомис тическое учение о природе. Выдающимся представителем новой натурфилософской идеологии атомизма был Демок рит (ок. 460-370 гг. до н.э.). Основные принципы его ато мистического учения можно свести к следующим положе ниям.
44
Представляет интерес учение Демокрита о строении Вселенной. Из атомов, считал он, образуются не только окружающие нас предметы, но и целые миры, которых во Вселенной бесчисленное множество. При этом одни миры еще только формируются, другие — находятся в расцвете, а третьи уже разрушаются. Новые тела и миры возникают от сложения атомов. Уничтожаются они от разложения на атомы.
Идеи атомистики получили свое развитие в учении Эпи кура (341-270 гг. до н.э.). Эпикур разделял точку зрения Демокрита, согласно которой мир состоит из атомов и пус тоты, а все существующее во Вселенной возникает в ре зультате соединения атомов в различных комбинациях. Вместе с тем Эпикур внес в описание атомов, сделанное Де мокритом, некоторые поправки: атомы не могут превы шать известной величины, число их форм ограничено, ато мы обладают тяжестью и т. д. Но самое главное в атоми стическом учении Эпикура — это попытка найти какие-то внутренние источники жизни атомов. Он высказал мысль, что изменение направления их движения может быть обусловлено причинами, содержащимися внутри самих атомов. Это был шаг вперед по сравнению с Демокритом, в учении которого атом непроницаем, не имеет внутри себя никакого движения, никакой жизни.
Одним из величайших ученых и философов античнос ти, чья деятельность совпала с афинским периодом разви тия древнегреческой натурфилософии, был Аристотель (384-322 гг. до н.э.).
В круг естественнонаучных интересов Аристотеля вхо дили математика, физика, астрономия, биология. Среди ес тественных наук ему удалось достичь наибольших успехов
45
в изучении живой природы. Он определил жизнь как спо собность к самообеспечению, а также к независимому рос ту и распаду. В своих исследованиях он упоминает не сколько сот различных животных. Причем описывает многих из них с такой точностью и столь детально, что не оставляет сомнения в том, что это — его собственные на блюдения. Многие факты, изложенные Аристотелем, были «переоткрыты» в последующие века. Ему было известно, например, что киты — живородящие животные, он различал хрящевых рыб и позвоночных, описывал развитие куриного яйца вплоть до появления цыпленка и т. д.
Вместе с тем у Аристотеля было немало наивных и даже ложных представлений о явлениях природы. Следуя своему учителю — Платону, он, например, приписывал дви жению некоторое «врожденное» свойство, заставляющее все на Земле стремиться к своему «естественному месту». По этому, считал он, дым поднимается вертикально вверх, а камень падает вертикально вниз.
В истории науки Аристотель известен также как автор космологического учения, которое оказало огромное влия ние на миропонимание многих последующих столетий. Космология1 Аристотеля — геоцентристическое воззрение: Земля, имеющая форму шара, неподвижно пребывает в центре Вселенной. Шаровидность Земли Аристотель выво дит из наблюдений, сделанных им во время лунных зат мений. Эти наблюдения показали круглую форму земной тени, надвигающейся на диск Луны. Только шаровидное тело, каким и является Земля, — объяснял Аристотель, — может отбрасывать в сторону, противоположную Солнцу, тень, которая представляется темным кругом на лунном диске. К этому же выводу — о шаровидности Земли — ве дет, по мнению Аристотеля, и свойственное Земле тяготе ние к центру Вселенной. Как результат этого тяготения должна была получиться шарообразная форма.
Аристотель разделял мир на две области, качественно отличающиеся друг от друга: область Земли и область Неба. Область Земли имеет в своей основе четыре элемен та: землю, воду, воздух и огонь (это те же четыре «стихии», о которых говорили представители натурфилософии до-аристотельского периода). Область Неба имеет в своей ос нове пятый элемент — эфир, из которого состоят небесные
46
тела. Самые совершенные из них — неподвижные звезды. Они состоят из чистого эфира и настолько удалены от Зем ли, что недоступны никакому воздействию четырех земных элементов. Иное дело — Луна и планеты. Они также состоят из эфира, но в отличие от неподвижных звезд подвержены некоторому влиянию, по крайней мере, одного из элементов, образующих Землю. По мнению Аристотеля, за оболочкой воздуха вокруг Земли находится наиболее легкий из зем ных элементов — огонь, который помещается в простран стве между Землей и Луной и соприкасается с границей эфира.
В отличие от космологических воззрений Демокрита, космология Аристотеля включала представление о про странственной конечности мироздания. В этой конечной протяженности космоса расположены твердые кристально-прозрачные сферы, на которых неподвижно закреплены звезды и планеты. Их видимое движение объясняется вра щением указанных сфер. С крайней («внешней») сферой соприкасается «Перводвигатель Вселенной», являющийся источником всякого движения. Он нематериален, ибо это есть Бог (Аристотель рассматривает Бога как разум миро вого масштаба, дающий энергию «перводвигатель»).
Древнегреческая натурфилософия прославилась вкла дом ее представителей в формирование и развитие матема тики. Здесь, прежде всего, следует отметить знаменитого древнегреческого мыслителя Пифагора (580-500 гг. до н.э.). Помимо всем известной «теоремы Пифагора» на счету это го античного ученого имеется и ряд других научных дос тижений. К их числу относится, например, открытие того факта, что отношение диагонали и стороны квадрата не может быть выражено целым числом и дробью. Тем са мым в математику было введено понятие иррационально сти. Имеются упоминания о том, что Пифагор придержи вался мнения о шарообразности Земли, ее вращения вок руг собственной оси. Вместе с тем в своих космологи ческих воззрениях Пифагор был геоцентристом, т.е. считал Землю центром Вселенной.
Важной отличительной чертой микропонимания Пифа гора было учение о числе как основе Вселенной. «Самое мудрое в мире — число», — учил он. Считая, что мир со стоит из пяти элементов (земли, огня, воздуха, воды и эфи-
47
pa), Пифагор увязал их с пятью видами правильных мно гогранников с тем или иным числом граней. Так, Земля, по его мнению, состоит из частиц кубической формы, огонь — из частиц, имеющих форму четырехгранной пирамиды (тет раэдров), воздух — из восьмигранников (октаэдров), вода — из двадцатигранников (икосаэдров), а эфир — из двенадца тигранников (додекаэдров).
До нашего времени дошел рассказ позднеримского фи лософа Боэция (480-524 гг. н. э.) о том, каким образом Пифагор пришел к своей основной идее, что число — ос нова всего существующего. Как-то, проходя мимо кузницы, Пифагор заметил, что совпадающие удары не одинаковых по весу молотов производят различные гармоничные созву чия. Вес молотов можно измерить. И, таким образом, ка чественное явление — созвучие — точно определяется че рез количество. Отсюда Пифагор сделал вывод, что «число владеет вещами».
Положив в основу космоса число, Пифагор придал это му старому слову обыденного языка новое значение. Это слово стало обозначать упорядоченное числом мироздание2.
Весьма плодотворным для древнегреческой науки оказался последний ее период - примерно с 330 по 30 гг. до н.э., — завершившийся с возвышением Древнего Рима. Одним из крупнейших ученых-математиков этого перио да был Евклид, живший в III в. до н.э. в Александрии. В своем объемистом труде «Начала» он привел в систему все математические достижения того времени. Состоящие из пятнадцати книг «Начала» содержали не только резуль таты трудов самого Евклида, но и включали достижения других древнегреческих ученых. В «Началах» были зало жены основы античной математики. Созданный Евклидом метод аксиом позволил ему построить здание геометрии, носящей по сей день его имя.
Указанный период в древнегреческой науке характери зовался также и немалыми достижениями в области меха ники. Первоклассным ученым - математиком и механи ком - этого периода был Архимед (287-212 гг. до н.э.). Он решил ряд задач по вычислению площадей поверхнос тей и объемов, определил значение числа(представляю щего собой отношение длины окружности к своему диамет ру). Архимед ввел понятие центра тяжести и разработал
48
методы его определения для различных тел, дал матема тический вывод законов рычага. Ему приписывают «кры латое» выражение: «Дайте мне точку опоры, и я сдвину Землю». Архимед положил начало гидростатике, которая нашла широкое применение при проверке изделий из дра гоценных металлов и определении грузоподъемности ко раблей.
Широчайшую известность получил закон Архимеда, касающийся плавучести тел. Согласно этому закону, на всякое тело, погруженное в жидкость, действует поддержи вающая сила, равная весу вытесненной телом жидкости, направленная вверх и приложенная к центру тяжести вы тесненного объема. Если вес тела меньше поддерживающей силы, тело всплывает на поверхность, причем степень по груженности плавающего на поверхности тела определяет ся соотношением удельных весов этого тела и жидкости. Если вес тела больше поддерживающей силы, то оно тонет. В случае же, когда вес тела равен поддерживающей силе, это тело плавает внутри жидкости (как рыба или подводная лодка).
Научные труды Архимеда находили приложение в об щественной практике. Многие технические достижения того времени связаны с его именем. Ему принадлежат мно гочисленные изобретения: так называемый «архимедов винт» (устройство для подъема воды на более высокий уровень), различные системы рычагов, блоков, полиспастов и винтов для поднятия больших тяжестей, военные мета тельные машины. Во время второй Пунической войны Ар химед возглавлял оборону своего родного города Сиракузы, осажденного римлянами. Под его руководством были изго товлены весьма совершенные по тому времени машины, ме тавшие снаряды и не позволявшие римлянам овладеть го родом. Когда же осенью 212 г. до н. э. Сиракузы были все же взяты римлянами, Архимед погиб. Существует легенда, что перед смертью он сказал собиравшемуся его убить римскому солдату: «Только не трогай моих чертежей».
К сожалению, научное наследие Архимеда долго не по лучало той оценки, которой оно заслуживало. Лишь спус тя более полутора тысяч лет, в эпоху Возрождения, труды Архимеда были оценены по достоинству и получили даль нейшее развитие.
49
2. Естествознание эпохи средневековья
Эпоха средних веков характеризовалась в Европе зака том классической греко-римской культуры и резким уси лением влияния церкви на всю духовную жизнь общества.
В эту эпоху философия тесно сближается с теологией (богословием), фактически становится ее «служанкой». Возникает непреодолимое противоречие между наукой, де лающей свои выводы из результатов наблюдение опытов, включая и обобщение этих результатов, и схоластическим3 богословием, для которого истина заключается в религиоз ных догмах.
Пока европейская христианская наука переживала дли тельный период упадка (вплоть до ХII-ХШ вв.), на Вос токе, наоборот, наблюдался прогресс науки. Со второй по ловины VIII в. научное лидерство явно переместилось из Европы на Ближний Восток. В IX веке, наряду с главным трудом Птолемея («Альмагест»)4, на арабский язык были переведены «Начала» Евклида и сочинения Аристотеля. Таким образом, древнегреческая научная мысль получила известность в мусульманском мире, способствуя развитию астрономии и математики. В истории науки этого перио да известны такие имена арабских ученых, как Мухаммед аль-Баттани (850—929 гг.), астроном, составивший новые астрономические таблицы, Ибн-Юнас (950-1009 гг.), дос тигший заметных успехов в тригонометрии и сделавший немало ценных наблюдений лунных и солнечных затмений, Ибн аль-Хайсам (965-1020 гг.), получивший известность своими работами в области оптики, Ибн-Рушд (1126-1198 гг.), виднейший философ и естествоиспытатель сво его времени, считавший Аристотеля своим учителем.
Средневековой арабской науке принадлежат и наиболь шие успехи в химии. Опираясь на материалы александрий ских алхимиков I века и некоторых персидских школ, арабские химики достигли значительного прогресса в своей области. В их работах алхимия постепенно превращалась в химию. А уже отсюда (благодаря, главным образом, ис панским маврам) в позднее средневековье возникла евро пейская химия.
В XI веке страны Европы пришли в соприкосновение с богатствами арабской цивилизации, а переводы арабских
50
текстов стимулировали восприятие знаний Востока евро пейскими народами.
Большую роль в подъеме западной христианской науки сыграли университеты (Парижский, Болонский, Оксфорд ский, Кембриджский и др.)» которые стали образовывать ся начиная с XII века. И хотя эти университеты первона чально предназначались для подготовки духовенства, но в них уже тогда начинали изучаться предметы математичес кого и естественнонаучного направления, а само обучение носило, более чем когда-либо раньше, систематический ха рактер.
XIII век характерен для европейской науки началом эксперимента и дальнейшей разработкой статики Архиме да. Здесь наиболее существенный прогресс был достигнут группой ученых Парижского университета во главе с Иор даном Неморарием (вторая половина XIII в.). Они разви ли античное учение о равновесии простых механических устройств, решив задачу, с которой античная механика спра виться не могла, — задачу о равновесии тела на наклон ной плоскости.
В XIV веке в полемике с античными учеными рождают ся новые идеи, начинают использоваться математические методы, т. е. идет прогресс подготовки будущего точного естествознания. Лидерство переходит к группе ученых Окс фордского университета, среди которых наиболее значи тельная фигура — Томас Брадвардин (1290-1349 гг.). Ему принадлежит трактат «О пропорциях» (1328 г.), который в истории науки оценивается как первая попытка написать «Математические начала натуральной философии» (именно так почти триста шестьдесят лет спустя назовет свой зна менитый труд Исаак Ньютон).
Научные знания эпохи средневековья ограничивались в основном познанием отдельных явлений и легко укла дывались в умозрительные натурфилософские схемы миро здания, выдвинутые еще в период античности (главным образом в учении Аристотеля). В таких условиях наука еще не могла подняться до раскрытия объективных зако нов природы. Естествознание — в его нынешнем понима нии — еще не сформировалось. Оно находилось в стадии своеобразной «преднауки».
51
Естествознание эпохи Возрождения и Нового времени
3.1. Научные революции в истории естествознания
Развитие естествознания не является лишь монотон ным процессом количественного накопления знаний об окружающем природном мире (как это могло показаться из предшествующего изложения). И если процесс просто го приращения знаний (а иногда и вымыслов) был присущ для натурфилософии античности, для «преднауки» средне вековья, то с XVI века характер научного прогресса суще ственно меняется. В развитии науки появляются перелом ные этапы, кризисы, выход на качественно новый уровень знаний, радикально меняющий прежнее видение мира.
Эти переломные этапы в генезисе научного знания по лучили наименование научных революций. Причем рево люция в науке — это, как правило, не кратковременное событие, ибо коренные изменения в научных знаниях тре буют определенного времени. Поэтому в любой научной революции можно хронологически выделить некоторый более или менее длительный исторический период, в тече ние которого она происходит. Периоды революций в науке, отмечал всемирно известный физик Луи де Бройль, «всегда характеризуют решающие этапы в прогрессивном развитии наших знаний»5.
Научная революция приводит к формированию совер шенно нового видения мира, вызывает появление принци пиально новых представлений о его структуре и функцио нировании, а также влечет за собой новые способы, мето ды его познания. При этом научная революция может происходить первоначально в одной из фундаментальных наук (или даже формировать эту науку), превращая ее за тем на определенный исторический период в лидера науки. Последнее означает, что происходит своеобразная экспан сия ее новых представлений, принципов, методов, возник ших в ходе революции, на другие области знания и на ми ропонимание в целом.
Длительный процесс становления современного есте ствознания начался с первых двух научных революций,
52
происходивших в XVI-XVII вв. и создавших принципиаль но новое (по сравнению с античностью и средневековьем) понимание мира.
3.2. Первая научная революция. Гелиоцентрическая система мира. Учение о множественности миров
Первая научная революция произошла в эпоху, оставив шую глубокий след в культурной истории человечества. Это был период конца XV-XVI веков, ознаменовавший пе реход от средневековья к Новому времени и получивший название эпохи Возрождения. Последняя характеризова лась возрождением культурных ценностей античности (от сюда и название эпохи), расцветом искусства, утверждени ем идей гуманизма. Вместе с тем эпоха Возрождения от личалась существенным прогрессом науки и радикальным изменением миропонимания, которое явилось следствием появления гелиоцентрического учения великого польско го астронома Николая Коперника (1473-1543).
В своем труде «Об обращениях небесных сфер» Копер ник утверждал, что Земля не является центром мирозда ния и что «Солнце, как бы восседая на Царском престо ле, управляет вращающимся около него семейством све тил»6. Это был конец старой аристотелевской геоцентри ческой системы мира. На основе большого числа астроно мических наблюдений и расчетов Коперник создал новую, гелиоцентрическую систему мира, что явилось первой в истории человечества научной революцией.
Возникло принципиально новое миропонимание, кото рое исходило из того, что Земля — одна из планет, движу щихся вокруг Солнца по круговым орбитам. Совершая обращение вокруг Солнца, Земля одновременно вращается и вокруг собственной оси, чем и объясняется смена дня и ночи, видимое нами движение звездного неба. Но гелио центрическая система мира, предложенная Коперником, не сводилась только к перестановке предполагаемого центра Вселенной. Включив Землю в число небесных тел, которым свойственно круговое движение, Коперник высказал очень важную мысль о движении как естественном свойстве не бесных и земных объектов, подчиненном некоторым об щим закономерностям единой механики. Тем самым было
53
разрушено догматизированное представление Аристотеля о неподвижном «перводвигателе», якобы приводящем в дви жение Вселенную.
Коперник показал ограниченность чувственного позна ния, неспособного отличать то, что нам представляется, от того, что в действительности имеет место (визуально нам кажется, что Солнце «ходит» вокруг Земли). Таким обра зом, он продемонстрировал слабость принципа объяснения окружающего мира на основе непосредственной видимости и доказал необходимость для науки критического разума.
Учение Коперника подрывало опиравшуюся на идеи Аристотеля религиозную картину мира. Последняя исхо дила из признания центрального положения Земли, что давало основание объявлять находящегося на ней человека центром и высшей целью мироздания. Кроме того, религи озное учение о природе противопоставляло земную материю, объявляемую тленной, преходящей — небесной, которая считалась вечной и неизменной. Однако в свете идей Ко перника трудно было представить, почему, будучи «рядо вой» планетой, Земля должна принципиально отличаться от других планет.
Католическая церковь не могла согласиться с этими выводами, затрагивающими основы ее мировоззрения. За щитники учения Коперника были объявлены еретиками и подвергнуты гонениям. Сам Коперник избежал пресле дования со стороны католической церкви ввиду своей смерти, случившейся в том же году, в котором был опуб ликован его главный труд «Об обращениях небесных сфер». В 1616 году этот труд был занесен в папский «Ин декс» запрещенных книг, откуда был вычеркнут лишь в 1835 году.
Существенным недостатком взглядов Коперника было то, что он разделял господствовавшее до него убеждение в конечности мироздания. И хотя он утверждал, что видимое небо неизмеримо велико по сравнению с Землей, он все же полагал, что Вселенная где-то заканчивается твердой сфе рой, на которой закреплены неподвижные звезды. Неле пость такого взгляда на Вселенную, противоречащего кар тине мира, основы которой были заложены самим Копер ником, обнаружилась в расчетах, проведенных датским астрономом Тихо Браге (1546-1601). В 1577 году он су мел рассчитать орбиту кометы, проходившую вблизи пла-
54
неты Венера. Согласно его расчетам получалось, что эта ко мета должна была натолкнуться на твердую поверхность сферы, ограничивающей Вселенную, если бы таковая суще ствовала.
Одним из активных сторонников учения Коперника, поплатившихся жизнью за свои убеждения, был знамени тый итальянский мыслитель Джордано Бруно (1548-1600). Но он пошел дальше Коперника, отрицая наличие центра Вселенной вообще и отстаивая тезис о бесконечно сти Вселенной. Бруно говорил о существовании во Вселен ной множества тел, подобных Солнцу, и окружающих его планетах. Причем многие из бесчисленного количества миров, считал он, обитаемы и, по сравнению с Землей, «если не больше и не лучше, то во всяком случае не меньше и не хуже»7.
Инквизиция имела серьезные причины бояться распро странения образа мыслей и учения Бруно. В 1592 году он был арестован и в течение восьми лет находился в тюрь ме, подвергаясь допросам со стороны инквизиции. 17 фев раля 1600 г., как нераскаявшийся еретик, он был сожжен на костре на Площади цветов в Риме. Однако эта бесчело вечная акция не могла остановить прогресса познания че ловеком мира. На научном небосводе уже взошла звезда Галилея.
3.3. Вторая научная революция. Создание классической механики и экспериментального естествознания. Механическая картина мира
Трагическая гибель Джордано Бруно произошла на ру беже двух эпох: эпохи Возрождения и эпохи Нового вре мени. Последняя охватывает три столетия — XVII, XVIII, XIX века. В этом трехсотлетнем периоде особую роль сыг рал XVII век, ознаменовавшийся рождением современной науки, у истоков которой стояли такие выдающиеся уче ные, как Галилей, Кеплер, Ньютон.
В учении Галилео Галилея (1564-1642) были заложе ны основы нового механического естествознания. Как сви детельствуют А. Эйнштейн и Л. Инфельд, «самая фундамен тальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет не разрешенной из-за сложности, — это проблема движения»8.
55
До Галилея общепринятым в науке считалось понима ние движения, выработанное Аристотелем и сводившееся к следующему принципу: тело движется только при нали чии внешнего на него воздействия, и если это воздействие прекращается, тело останавливается. Галилей показал, что этот принцип Аристотеля (хотя и согласуется с вашим повседневным опытом) является ошибочным. Вместо него Галилей сформулировал совершенно иной принцип, полу чивший впоследствии наименование принципа инерции: тело либо находится в состоянии покоя, либо движется, не изменяя направления и скорости своего движения, если на него не производится какого-либо внешнего воздействия.
Большое значение для становления механики как на уки имело исследование Галилеем свободного падения тел. Он установил, что скорость свободного падения тел не за висит от их массы (как думал Аристотель), а пройденный падающим телом путь пропорционален квадрату времени падения. Галилей открыл, что траектория брошенного тела, движущегося под воздействием начального толчка и зем ного притяжения, является параболой. Галилею принадле жит экспериментальное обнаружение весомости воздуха, открытие законов колебания маятника, немалый вклад в разработку учения о сопротивлении материалов.
Галилей выработал условия дальнейшего прогресса естествознания, начавшегося в эпоху Нового времени. Он понимал, что слепая вера в авторитет Аристотеля сильно тормозит развитие науки. Истинное знание, считал Гали лей, достижимо исключительно на пути изучения природы при помощи наблюдения, опыта (эксперимента) и воору женного математическим знанием разума, — а не путем изучения и сличения текстов в рукописях античных мыс лителей.
Росту научного авторитета Галилея способствовали его астрономические исследования, обосновывавшие и утверж давшие гелиоцентрическую систему Коперника. Используя построенные им телескопы (вначале это был скромный оптический прибор с трехкратным увеличением, а впослед ствии был создан телескоп и с 32-кратным увеличением), Галилей сделал целый ряд интересных наблюдений и от крытий. Он установил, что Солнце вращается вокруг сво ей оси, а на его поверхности имеются пятна. У самой боль шой планеты Солнечной системы — Юпитера — Галилей
56
обнаружил 4 спутника (из 13 известных в настоящее вре мя). Наблюдения за Луной показали, что ее поверхность гористого строения и что этот спутник Земли имеет либ рацию, т.е. видимые периодические колебания маятнико вого характера вокруг центра. Галилей убедился, что кажу щийся туманностью Млечный Путь состоит из множества отдельных звезд.
Но самым главным в деятельности Галилея как уче ного-астронома было отстаивание справедливости учения Н. Коперника, которое подвергалось нападкам не только со стороны церковных кругов, но и со стороны некоторых ученых, высказывавших сомнения в правильности этого учения. Галилей сумел показать несостоятельность всех этих сомнений и дал блестящее естественнонаучное обосно вание правильности идей Н.Коперника.
Как уже отмечалось выше, католической церковью в 1616 году было принято решение о запрещении книги Коперника «Об обращениях небесных сфер», а его учение объявлено еретическим. Галилей в этом решении упомя нут не был, но ему все же пришлось предстать перед судом инквизиции. После длительных допросов он был вынуж ден отречься от учения Коперника и принести публичное покаяние.
Однако остановить движение, прервать преемственность научной мысли было уже невозможно. С астрономическими наблюдениями Галилея, описанными им в сочинении «Звезд ный вестник», ознакомился и дал им высокую оценку один из крупнейших математиков и астрономов конца XVI — первой трети XVII в. Иоган Кеплер (1571-1630). Эта оцен ка астрономических исследований Галилея содержалась в работе Кеплера «Рассуждение о Звездном вестнике».
Кеплер занимался поисками законов небесной механи ки и составлением звездных таблиц. На основе обобщения данных астрономических наблюдений он установил три закона движения планет относительно Солнца. В своем первом законе Кеплер отказывается от коперниковского представления о круговом движении планет вокруг Солн ца. В этом законе утверждается, что каждая планета дви жется по эллипсу, в одном из фокусов которого находит ся Солнце. Согласно второму закону Кеплера, радиус-век тор, проведенный от Солнца к планете, в равные промежут ки времени описывает равные площади. Из этого закона
57
следовал вывод, что скорость движения планеты по орби те непостоянна и она тем больше, чем ближе планета к Солнцу. Третий закон Кеплера гласит: квадраты времен обращения планет вокруг Солнца относятся как кубы их средних расстояний от него.
Помимо сказанного, Кеплеру принадлежит немало заслуг в астрономии и математике. Он разработал теорию солнеч ных и лунных затмений, предложил способы их предска зания, уточнил величину расстояния между Землей и Солн цем, составил так называемые Рудольфовы таблицы — по имени австрийского императора Рудольфа II, при дворе которого Кеплер занимал место астронома, сменив на этой должности умершего Тихо Браге. С помощью этих таблиц можно было с высокой степенью точности определять в любой момент времени положение планет. Кеплеру принад лежит также решение ряда важных для практики стерео метрических задач.
Поскольку Кеплер был сторонником гелиоцентриче ской космологии Коперника и не скрывал этого, Ватикан относился к его сочинениям отрицательно, включив неко торые из них в список запрещенных книг.
Конечно, главной заслугой Кеплера было открытие за конов движения планет. Но он не объяснил причины их движения. И это неудивительно, ибо не существовало еще понятий силы и взаимодействия. В то время из разделов механики была разработана лишь статика — учение о рав новесии (которая разрабатывалась еще в античности, в первую очередь, Архимедом), а в работах Галилея были сде ланы первые шаги в разработке динамики. Но в полной мере динамика — учение о силах и их взаимодействии — была создана лишь позднее Исааком Ньютоном.
Вторая научная революция завершалась творчеством одного из величайших ученых в истории человечества, ка ковым был Исаак Ньютон (1643-1727). Его научное на следие чрезвычайно разнообразно. В него входит и созда ние (параллельно с Лейбницем, но независимо от него) диф ференциального и интегрального исчисления, и важные астрономические наблюдения, которые Ньютон проводил с помощью собственноручно построенных зеркальных теле скопов (он так же, как и Галилей, именно телескопу обя зан первым признанием своих научных заслуг), и большой вклад в развитие оптики (он, в частности, поставил опыты
58
в области дисперсии света и дал объяснение этому явле нию). Но самым главным научным достижением Ньютона было продолжение и завершение дела Галилея по созданию классической механики. Благодаря их трудам XVII век считается началом длительной эпохи торжества механи ки, господства механистических представлений о мире.
Ньютон сформулировал три основных закона движения, которые легли в основу механики как науки. Первый за кон механики Ньютона — это принцип инерции, впервые сформулированный еще Галилеем: всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного и прямолинейного дви жения до тех пор, пока оно не будет вынуждено изменить его под действием каких-то сил. Существо второго зако на механики Ньютона состоит в констатации того факта, что приобретаемое телом под действием какой-то силы ускорение прямо пропорционально этой действующей силе и обратно пропорционально массе тела. Наконец, третий закон механики Ньютона — это закон равенства действия и противодействия. Этот закон гласит, что действия двух тел друг на друга всегда равны по величине и направлены в противоположные стороны.
Данная система законов движения была дополнена от крытым Ньютоном законом всемирного тяготения, соглас но которому все тела, независимо от их свойств и от свойств среды, в которой они находятся, испытывают взаимное при тяжение, прямо пропорциональное их массам и обратно пропорциональное квадрату расстояния между ними.
Пожалуй, ни одно из всех ранее сделанных научных открытий не оказало такого громадного влияния на даль нейшее развитие естествознания, как открытие закона все мирного тяготения. Огромное впечатление на ученых про изводил масштаб обобщения, впервые достигнутый есте ствознанием. Это был поистине универсальный закон природы, которому подчинялось все — малое и большое, земное и небесное. Этот закон явился основой создания не бесной механики — науки, изучающей движение тел Сол нечной системы.
Воображение ученых захватывала простота той карти ны мира, которая складывалась на основе ньютоновской классической механики. В этой картине, носящей абстракт ный характер, отбрасывалось все «липшее»: не имели зна чения размеры небесных тел, их внутреннее строение, иду-
59
щие в них бурные процессы. Оставались только массы и расстояния между центрами этих масс, к тому же связан ные несложной формулой.
В 1687 году вышел в свет главный труд Ньютона «Ма тематические начала натуральной философии», заложив ший основы современной теоретической физики. Оценивая это событие, видный физик XX века, бывший президент Академии наук СССР СИ. Вавилов писал: «В истории естествознания не было события более крупного, чем по явление «Начал» Ньютона. Причина была в том, что эта книга подводила итоги всему сделанному за предшествую щие тысячелетия в учении о простейших формах движе ния материи»9.
Не менее высокую оценку дает «Началам» Ньютона такой крупный специалист по истории науки, как Джон Бернал. «По убедительности аргументации, подкрепленной физическими доказательствами, — пишет он, — книга не имеет себе равных во всей истории науки. В математичес ком отношении ее можно сравнить только с «Элементами» Евклида, а по глубине физического анализа и влиянию на идеи того времени — только с «Происхождением видов» Дарвина. Она сразу же стала библией новой науки»...10
В своей знаменитой работе Ньютон предложил учено му миру научно-исследовательскую программу, которая вскоре стала ведущей не только в Англии, на родине вели кого ученого, но и в континентальной Европе. Свою науч ную программу Ньютон назвал «экспериментальной фило софией», подчеркивая решающее значение опыта, экспери мента в изучении природы.
Идеи Ньютона, опиравшиеся на математическую физи ку и эксперимент, определили направление развития есте ствознания на многие десятилетия вперед. Вместе с тем, эти идеи предопределили механические взгляды на материаль ный мир, которые господствовали в естествознании не толь ко в течение XVII и XVIII веков, но и почти весь XIX век. В целом природа понималась как гигантская механиче ская система, функционирующая по законам классической механики. Считалось, что в силу неумолимой необходимо сти, действующей в природе, судьба даже отдельной мате риальной частицы заранее предрешена на все времена. Ученые-естествоиспытатели видели в классической механи ке прочную и окончательную основу естествознания.
60
3.4. Химия в механистическом мире
Естествознание XVII века характеризовалось не толь ко революционными достижениями в космологии и меха нике. В этот период была начата, образно говоря, заклад ка будущего здания химической науки. Последнее было связано с именем известного английского ученого, физика и химика Роберта Бойля (1627-1691). Как физик, он по лучил известность благодаря открытию «газового закона», устанавливающего зависимость объема газа от давления. Согласно этому закону, произведение удельного объема газа на его давление при неизменной температуре есть величина постоянная. Поскольку этот же закон установил, незави симо от Бойля, и французский медик Эдм Мариотт (1620-1684), то в историю науки он вошел под названием зако на Бойля-Мариотта.
Но этим законом не ограничивается вклад Р. Бойля в науку. Он серьезно занимался химией, выполнял многочис ленные химические опыты. Одним из первых он получил и описал водород, хотя истинная природа этого газа оста лась ему неизвестной. Бойль сумел получить фосфор и не которые его соединения. Он разработал основы качествен ного химического анализа «мокрым путем», т. е. в раство рах, и ввел применение цветочных отваров в качестве инди каторов на присутствие кислот и щелочей. Им были чет ко сформулированы отличительные признаки кислот (энер гично растворять различные вещества, изменять окраску сока некоторых растений и т. д.) и установлено, что эти особенности кислот исчезают, если привести их в соприкос новение со щелочами.
В своей книге «Химик-скептик», опубликованной в 1661 году, Бойль отверг как нереальное утверждение пред ставителей античной натурфилософии о четырех «стихиях» (огне, воздухе, воде и земле) и изложил применительно к химии основы корпускулярной теории. Бойль дал опреде ление корпускулы11 как простейшего элемента вещества. Корпускула, по мнению Бойля, — это простое тело, которое уже не может быть разделено на другие более простые тела, т. е., другими словами, это предел качественного деления вещества. Бойль был убежден, что химия как наука долж на широко использовать корпускулярные представления. Выступая за союз химиков и философов-корпускуляристов,
61
он писал: «Сколько химических экспериментов можно объяснить корпускулярными понятиями, столько же кор пускулярных понятий можно легко иллюстрировать или подтвердить посредством химических экспериментов»12.
Несомненной заслугой Бойля является первое научное толкование понятия химического элемента. Он предложил химико-аналитическое определение элемента и фактиче ски поставил перед химией новую задачу: научиться вы делять в чистом виде отдельные вещества и устанавливать их состав, т. е. определять, из каких конкретных частей состоит данное тело и каким комплексом физико-химиче ских свойств оно обладает.
Бойль положил начало преобразованию химии в само стоятельную науку. Сам же он подчеркивал, что занима ется химией «не столько ради нее самой, но в целях нату ральной философии и для нее», что его целью было дос тичь «взаимопонимания между химиками и механисти ческими философами, которые доселе слишком мало были знакомы с учениями друг друга»13.
3.5. Естествознание Нового времени и проблема философского метода
В истории изучения человеком природы сложились два прямо противоположных, несовместимых метода этого изу чения, которые приобрели статус общефилософских, т. е. носящих всеобщий характер. Это — диалектический и метафизический методы.
При метафизическом подходе объекты и явления ок ружающего мира рассматриваются изолированно друг от друга, без учета их взаимных связей и как бы в застывшем, фиксированном, неизменном состоянии. Диалектический подход, наоборот, предполагает изучение объектов, явлений со всем богатством их взаимосвязей, с учетом реальных процессов их изменения, развития.
Истоки этих противоположных подходов к осмыслению мира лежат в глубокой древности. Одним из ярких выра зителей диалектического подхода (несмотря на всю его наивность) был древнегреческий мыслитель Гераклит. Он обращал внимание на взаимосвязи я изменчивость в при роде, выдвигал идею о ее беспрерывном движении и обнов лении. Дошедшие до нас афоризмы Гераклита свидетель-
62
ствуют о глубине его понимания окружающего природно го мира.
«Когда мы подвергаем мысленному рассмотрению при роду... — писал Ф. Энгельс, — то перед нами сперва воз никает картина бесконечного сплетения связей и взаимо действий, в которой ничто не остается неподвижным и неизменным, а все движется, изменяется, возникает и исче зает... Этот первоначальный, наивный, но по сути дела правильный взгляд на мир был присущ древнегреческой философии и впервые выражен Гераклитом...»14.
В то же время в древнегреческой философии VI—V ве ков до н. э. зародился и другой подход к познанию мира. В учениях некоторых философов этого периода (Ксенофа-на, Парменида, Зенона) проявились попытки доказать, что окружающий мир неподвижен, неизменен, ибо всякое изме нение представляется противоречивым, а потому — невоз можным. Подобные воззрения много веков спустя прояви лись в науке Нового времени (во всяком случае, до сере дины XVIII в.), а соответствующий им метод познания получил наименование метафизического.
На определенном этапе научного познания природы метафизический метод, которым руководствовались ученые-естествоиспытатели, был вполне пригоден и даже неизбе жен, ибо упрощал, облегчал сам процесс познания. «Раз ложение природы на ее отдельные части, разделение различ ных процессов и предметов природы на определенные классы, исследование внутреннего строения органических тел по их многообразным анатомическим формам — все это было основным условием тех исполинских успехов, которые были достигнуты в области познания природы за последние четыреста лет»15, — писал Ф. Энгельс. В рам ках метафизического подхода к миру учеными изучались многие объекты, явления природы, проводилась их класси фикация.
Наглядным примером этого может служить весьма плодотворная деятельность известного шведского ученого, метафизически мыслящего натуралиста Карла Линнея (1707-1778). Будучи талантливым, неутомимым исследо вателем, Линней все силы своего огромного ума, обогащен ного наблюдениями в многочисленных путешествиях, упот ребил на создание классификации растительного и живот ного мира. В своем основном труде «Система природы» он
63
сформулировал принцип такой классификации, установив для представителей живой природы следующую градацию: класс, отряд, род, вид, вариация. Живые организмы, напри мер, Линней разделил на 6 классов (млекопитающие, пти цы, амфибии, рыбы, черви, насекомые), а в растительном мире выделил целых 24 класса. Оригинальной идеей Лин нея стала бинарная система обозначения растений и жи вотных. Согласно этой системе, любое название представи теля растительного или животного мира состоит из двух латинских наименований: одно из них является родовым, а второе — видовым. Например, в указанной системе чело век именовался по латыни Homo sapiens, т. е. человек ра зумный.
Но, проделав огромную и очень полезную классифика ционную работу, Линней вместе с тем не вышел за рамки традиционного для науки XVIII века метафизического ме тода мышления. Распределив, образно говоря, «по полоч кам» разновидности представителей живой природы, распо ложив растения и животных в порядке усложнения их строения, он не усмотрел в этом усложнении развития. Линней считал виды растений и животных абсолютно не изменными. А самих «видов, столько, сколько их создано Творцом», — писал он в своей знаменитой «Системе при роды»16.
Во всем этом нет ничего удивительного. Диалектиче ские идеи всеобщей взаимосвязи и развития могли утвер диться в естествознании лишь после того, как был прой ден этап изучения отдельных объектов, явлений природы и их классификации. Не изучив, например, отдельные раз новидности растительного и животного мира, не классифи цировав их, невозможно было обосновать идею эволюции органической природы. Другими словами, эпохальное от крытие Чарльза Дарвина, о котором речь пойдет ниже, могло быть сделало лишь после гигантского труда Карла Линнея, в результате которого уже можно было сравнивать между собой изученные и классифицированные виды рас тений и животных от простейших и до человека.
Новые научные идеи и открытия второй половины XVIII — первой половины XIX веков вскрыли диалекти ческий характер явлений природы. Достижения естество знания этого периода опровергали метафизический взгляд на природу, демонстрировали ограниченность метафизики,
64
которая все более и более тормозила дальнейший прогресс науки. Только диалектика могла помочь естествознанию выбраться из теоретических трудностей.
3.6. Третья научная революция. Диалектизация естествознания
Начало процессу стихийной диалектизации естествен ных наук, составившему суть третьей революции в есте ствознании, положила работа немецкого ученого и филосо фа Иммануила Канта (1724-1804) «Всеобщая естествен ная история и теория неба». В этом труде, опубликован ном в 1755 году, была сделана попытка исторического объяснения происхождения Солнечной системы.
Гипотезу Канта принято именовать небулярной (от лат. nebula — туман) поскольку в ней утверждалось, что Солн це, планеты и их спутники возникли из некоторой перво начальной, бесформенной туманной массы, некогда равно мерно заполнявшей мировое пространство. Кант пытался объяснить процесс возникновения Солнечной системы дей ствием сил притяжения, которые присущи частицам ма терии, составлявшим эту огромную туманность. Под вли янием притяжения из этих частиц образовывались отдель ные скопления, сгущения, становившиеся центрами притя жения. Из одного такого крупного центра притяжения образовалось Солнце, вокруг него расположились частицы в виде туманностей, которые начали двигаться по кругу. В круговых туманностях образовались зародыши планет, которые начали вращаться также вокруг своей оси. Солн це и планеты сначала разогрелись вследствие трения сла гающих их частиц, затем начали остывать.
Хотя Кант в своей работе опирался на классическую механику ХVII века (подзаголовок его труда гласил: «Опыт об устройстве и механическом происхождении всего миро здания на основании ньютоновских законов»), он сумел со здать развивающуюся картину мира, которая не соответ ствовала философии Ньютона, враждебной эволюции. Идеи Канта о возникновении и развитии небесных тел были несомненным завоеванием науки середины ХVШ века. Его космогоническая гипотеза17 пробила первую брешь в ме тафизическом взгляде на мир.
3. За« 671 65
Однако научная общественность того времени не обра тила должного внимания на гениальную идею Канта (тог да еще 30-летнего приват-доцента из Кенигсберга). Его труд, опубликованный первоначально без указания имени автора, дошел до публики в очень малом числе экземпля ров (из-за банкротства издателя) и оставался практиче ски неизвестным до конца XVIII века.
Более сорока лет спустя французский математик и аст роном Пьер Симон Лаплас (1749-1827), совершенно неза висимо от Канта и двигаясь своим путем, высказал идеи, развивавшие и дополнявшие кантовское космогоническое учение. В своем труде «Изложение системы мира», опуб ликованном в 1796 году, Лаплас предположил, что перво начально вокруг Солнца существовала газовая масса, нечто вроде атмосферы. Эта «атмосфера» была так велика, что простиралась за орбиты всех планет. Вся эта масса враща лась вместе с Солнцем (о причине вращения Лаплас не говорил). Затем, вследствие охлаждения, в плоскости сол нечного экватора образовались газовые кольца, которые распались на несколько сфероидальных частей — зароды шей будущих планет, вращающихся по направлению сво его обращения вокруг Солнца. При дальнейшем охлажде нии внутри каждой такой части образовалось ядро, и пла неты перешли из газообразного в жидкое состояние, а затем начали затвердевать с поверхности.
Имена создателей двух рассмотренных гипотез были объединены, а сами гипотезы довольно долго (почти столе тие) просуществовали в науке в обобщенном виде — как космогоническая гипотеза Канта-Лапласа.
В XIX веке диалектическая идея развития распростра нилась на широкие области естествознания, в первую оче редь на геологию и биологию.
В первой половине XIX века происходила острая борь ба двух концепций — катастрофизма и эволюционизма, которые по-разному объясняли историю нашей планеты. Уровень развития науки этого периода делал уже невоз можным сочетать библейское учение о кратковременности истории Земли с накопленными данными о смене геологи ческих формаций и смене фаун, ископаемые остатки кото рых находились в земных слоях. Это несоответствие неко торые ученые пытались объяснить идеей о катастрофах, которые время от времени случались на нашей планете.
66
Именно такое объяснение было предложено француз ским естествоиспытателем Жоржем Кювье (1769-1832). В своей работе «Рассуждения о переворотах на поверхнос ти Земли», опубликованной в 1812 году, Кювье утверждал, что каждый период в истории Земли завершался мировой катастрофой — поднятием и опусканием материков, на воднениями, разрывами слоев и т. д. В результате этих ка тастроф гибли животные и растения, и в новых условиях появились новые их виды. Поэтому, считал Кювье, совре менные геологические условия и представители живой при роды совершенно не похожи на то, что было прежде. При чины катастроф и возникновение новых видов раститель ного и животного мира Кювье не объяснял.
Катастрофизму Кювье и его сторонников противостоя ло эволюционное учение, которое в области биологии от стаивал крупный французский естествоиспытатель Жан Батист Ламарк (1744-1829). В 1809 году вышла его ра бота «Философия зоологии». Ламарк видел в изменяю щихся условиях окружающей среды движущую силу эво люции органического мира. Согласно Ламарку, изменения в окружающей среде вели к изменениям в потребностях животных, следствием чего было изменение их жизнедея тельности. В течение одного поколения, считал он, в слу чае перемен в функционировании того или иного органа появляются наследственные изменения в этом органе. При этом усиленное упражнение органов укрепляет их, а отсут ствие упражнений — ослабляет. На этой основе возника ют новые органы, а старые исчезают. Таким образом, Ла марк полагал, что приобретенные под влиянием внешней среды изменения в живых организмах становятся наслед ственными и служат причиной образования новых видов. Но передача по наследству этих приобретенных изменений ни Ламарком, ни кем-либо из его последователей доказа на не была. Поэтому взгляды Ламарка на эволюцию жи вой природы не получили должного обоснования. Однако это не умаляет его заслуги как создателя первого в исто рии науки целостного, систематического эволюционного учения.
Для утверждения этого учения исключительно важную роль сыграл трехтомный труд «Основы геологии» англий ского естествоиспытателя Чарлза Лайеля (1797-1875). В этом труде, опубликованном в 1830—1833 годах, Лайель
3* 67
нанес сокрушительный удар по теории катастроф. Прове дя анализ большого фактического материала, он показал, что все изменения, которые произошли в течение геологи ческой истории, происходили под влиянием тех же факто ров, которые действуют и в настоящее время. А потому для объяснения этих изменений совершенно не нужно прибе гать к представлениям о грандиозных катастрофах. Необ ходимо допустить лишь очень длительный срок существо вания Земли.
Геологический эволюционизм оказал немалое влияние на дальнейшее совершенствование эволюционного учения в биологии. В предисловии к своей знаменитой книге «Происхождение видов в результате естественного отбора» Чарлз Роберт Дарвин (1809-1882) писал: «Тот, кто про чтет великий труд Чарлза Лайеля о принципах геологии и все-таки не усвоит, как непостижимо огромны были прошлые периоды времени, может сразу же закрыть эту книгу»18.
Главный труд Дарвина «Происхождение видов» был опубликован в 1859 году. В нем Дарвин, опираясь на ог ромный естественнонаучный материал из области палеон тологии, эмбриологии, сравнительной анатомии, географии животных и растений, изложил факты и причины биоло гической эволюции. Он показал, что вне саморазвития орга нический мир не существует и поэтому органическая эво люция не может прекратиться. Развитие — это условие существования вида, условие его приспособления к окру жающей среде. Каждый вид, считал Дарвин, всегда нахо дится на пути недостижимой гармонии с его жизненными условиями. Принципиально важной в учении Дарвина яв ляется теория естественного отбора. Согласно этой теории, виды, с их относительно целесообразной организацией воз никли и возникают в результате отбора и накопления ка честв, полезных для организмов в их борьбе за существо вание в данных условиях.
Наряду с фундаментальными работами, раскрывающи ми процесс эволюции, развития природы, появились новые естественнонаучные открытия, подтверждавшие наличие всеобщих связей в природе.
К числу этих открытий относится клеточная теория, созданная в 30-х годах XIX века. Ее авторами были бо таники Маттиас Якоб Шлейден (1804-1881), установив-
68
ший, что все растения состоят из клеток, и профессор, био лог Теодор Шванн (1810-1882), распространивший это уче ние на животный мир. В октябре 1838 года Шлейден и Шванн встретились и обменялись мнениями. После этого Шванн следующим образом сформулировал сделанное от крытие: «Весь класс клеточных растений состоит только из клеток». Что касается животных, то их все «многооб разные формы возникают также только из клеток, причем аналогичных клеткам растений»19. Открытием клеточного строения растений и животных была доказана связь, един ство всего органического мира.
Еще более широкомасштабное единство, взаимосвязь в материальном мире были продемонстрированы благодаря открытию закона сохранения и превращения энергии. Этот закон имел значительно большую «сферу охвата», чем уче ние о клеточном строении животных и растений: послед нее целиком и полностью принадлежит биологии, а закон сохранения и превращения энергии имеет универсальное значение, т. е. охватывает все науки о природе.
К идее о превращении одной формы энергии в другую первоначально пришел немецкий врач Юлиус Роберт Май ер (1814—1878) во время своего путешествия в Ост-Индию в 1840 году. Он обнаружил, что венозная кровь больных в тропиках была краснее, чем в Европе, и объяснил это явление более высоким содержанием кислорода в крови. Последнее, полагал Майер, обусловлено тем, что при высо ких температурах в организме человека сгорает меньше пищи, поскольку тело в этих условиях требует меньше теп ла, получаемого за счет питания. Поэтому в венозной крови остается больше кислорода. Таким образом, Майер факти чески высказал мысль, что химическая энергия, содержа щаяся в пище, превращается в теплоту (подобно тому, как это происходит с механической энергией мышц).
Только в 1842 году, после некоторых неудач, Майеру удалось опубликовать свою идею в статье «О количествен ном и качественном определении сил», а в 1845 году выш ла его книга «Органическое движение в его связи с обме ном веществ, вклад в естествознание». В этих работах Майер показал, что химическая, тепловая и механическая энергии могут превращаться друг в друга и являются рав ноценными.
69
Выводы Майера с недоверием были восприняты в на учных кругах того времени как недостаточно обоснован ные. Но опыты, проведенные одновременно и независимо от Майера английским исследователем Джеймсом Прескот том Джоулем (1818-1889), подвели под идеи Майера прочную экспериментальную основу. Джоуль показал себя искусным и вдумчивым экспериментатором. На основе хорошо поставленного эксперимента он пришел к выводу, что теплоту можно создавать с помощью механической работы, используя магнитоэлектричество (электромагнит ную индукцию), и эта теплота пропорциональна квадрату силы индуцированного тока. Вращая электромагнит ин дукционной машины с помощью падающего груза, Джоуль определил соотношение между работой этого груза и теп лотой, выделяемой в цепи.
Результаты, полученные в экспериментах, привели Джоуля к следующему обобщенному выводу: «... Во всех случаях, когда затрачивается механическая сила, получа ется точное эквивалентное количество теплоты»20. В рабо те «О тепловом эффекте магниэлектричества и механиче ском эффекте теплоты» (1843 г.) Джоуль утверждал, что животная теплота возникает в результате химических пре вращений в организме, т.е. фактически делал те же выво ды, к которым несколько ранее пришел Майер.
В первой половине 40-х годов XIX века и некоторые другие ученые претендовали на приоритет в открытии за кона сохранения и превращения энергии. Например, в том же 1843 году датский инженер Людвиг Август Кольдинг (1815-1888) доложил в Королевском Копенгагенском об ществе о результатах своих опытов по определению отно шения между механической работой и теплотой, которые позволили считать его одним из сооткрывателей указан ного закона.
В отстаивании данного закона и его широком призна нии в научном мире большую роль сыграл один из наибо лее знаменитых физиков XIX века Герман Людвиг Ферди нанд Гельмгольц (1821-1894). Будучи, подобно Майеру, врачом, Гельмгольц так же, как и он, пришел от физиоло гии к закону сохранения энергии. Признавая приоритет Майера и Джоуля, Гельмгольц пошел дальше и увязал этот закон с принципом невозможности вечного двигателя.
70
Доказательство сохранения и превращения энергии утверждало идею единства, взаимосвязанности материаль ного мира. Вся природа отныне предстала как непрерыв ный процесс превращения универсального движения мате рии из одной формы в другую.
Свой вклад в диалектизацию естествознания внесли и некоторые открытия в химии. К числу таковых относит ся получение в 1828 году немецким химиком Фридрихом Вёлером (1800-1882) искусственного органического веще ства — мочевины. Это открытие положило начало целому ряду синтезов органических соединений из исходных неор ганических веществ. Антиметафизическая направленность формирующейся органической химии проявилась прежде всего в том, что эта отрасль науки положила начало раз рушению представления об отсутствии связи, о полной не зависимости двух огромных сфер природы — неорганиче ской и органической. Как отмечал Ф. Энгельс, «благода ря получению неорганическим путем таких химических соединений, которые до того времени порождались только в живом организме, было доказано, что законы химии име ют ту же силу для органических тел, как и для неоргани ческих, и была заполнена значительная часть той якобы навеки непреодолимой пропасти между неорганической и органической природой...»21.
Создание в 40-х годах XIX века учения о гомологии, т. е. закономерном изменении свойств органических соеди нений в зависимости от их состава, также способствовало диалектизации естествознания, ибо укрепляло идею взаи мосвязи и единства химических веществ.
Еще одним поистине эпохальным событием в хими ческой науке, внесшим большой вклад в процесс диалек тизации естествознания, стало открытие периодического закона химических элементов. 1 марта 1869 года выдаю щийся ученый-химик Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) разослал русским и иностранным химикам сообщение, которое он озаглавил «Опыт системы элементов, основанный на их атомном весе и химическом сходстве». В этом сообщении было изложено великое открытие Мен делеева: существует закономерная связь между химически ми элементами, которая заключается в том, что свойства элементов изменяются в периодической зависимости от их атомных весов. Качественные свойства элементов зависят
71
от их количественных свойств, причем это отношение ме няется периодически, скачками. Обнаружив эту закономер ную связь, Менделеев расположил элементы в естественную систему, в зависимости от их родства.
В результате появилась также возможность предвидеть свойства ряда новых, еще не открытых элементов, для ко торых Д.И. Менделеев оставил в таблице пустые места. Первым элементом из предсказанных Менделеевым был элемент галлий, открытый в 1875 году. За этим последо вали открытия и других элементов. В 1954 году был от крыт «элемент 101», названный «менделеевиумом» в честь великого русского химика.
Из всего вышесказанного следует, что основополагаю щие принципы диалектики — принцип развития и прин цип всеобщей взаимосвязи — получили во второй полови не XVIII и особенно в XIX веках мощное естественнона учное обоснование.
3.7. Очищение естествознания
от натурфилософских представлений
Третья научная революция, наряду с диалектизацией естествознания, явившейся ее сутью, включала и начавший ся в конце XVIII века процесс очищения науки от натур философских понятий и представлений.
Первым из таких представлений, подвергшихся пере смотру в свете новых научных данных, явилась теория флогистона. Ученые второй половины XVII-XVIII вв. для объяснения процесса горения привлекали некоторую суб станцию, своеобразное «начало горючести» — флогистон (от греч. «флогистос» — воспламеняемый, горючий). Счи талось, что хорошо горят те тела, которые содержат мно го флогистона, и наоборот, тела, содержащие мало флоги стона, должны гореть плохо. Натурфилософское учение о флогистоне занимало господствующее положение в химии более ста лет.
Наиболее полно это учение изложил в своей книге «Химические и физические опыты, наблюдения и размыш ления» немецкий химик Георг Эрнст Шталь (1660-1734). С его точки зрения, флогистон — это легчайшая матери альная субстанция земного происхождения, с помощью которой можно объяснить процессы горения, прокаливания,
72
обжига и т. п. Развитие горного дела и металлургии, не обходимость выплавки металлов и термической обработки изделий побуждали ученых и практиков уделять все боль ше внимания этим процессам. Считалось, что флогистон как особо легкая субстанция обладает способностью «от нять у вещества часть его веса» путем передачи своей ле тучести частицам этого вещества, которые затем осажда ются. Это типично натурфилософское, умозрительное пред ставление подтверждало, как казалось, целый ряд обще известных фактов: осаждение сажи в дымовых трубах, серы в верхних частях реторты и т. п. Шталь полагал, что при медленном прокаливании металлов их плотность посте пенно нарушается и флогистон получает возможность сво бодно улетучиваться. Если этот процесс происходит быст ро, то флогистон захватывает с собой отдельные мельчай шие частички вещества, в результате чего наблюдается их последующее осаждение.
Флогистонная теория находилась в согласии со многи ми укоренившимися старыми воззрениями и прежде всего с пониманием горения как процесса распада вещества, что характерно было еще для взглядов Аристотеля. Опроверг нуть эту теорию удалось лишь к концу XVIII века благо даря исследованиям, которые провел выдающийся француз ский ученые Антпуан Лоран Лавуазье (1743-1794). Его внимание привлекла одна из самых актуальных проблем химии того времени — проблема горения, восстановления и окисления металлов.
В 1774 году в своей книге «Небольшие работы по фи зике и химии» Лавуазье впервые выдвинул идею об учас тии атмосферного воздуха в процессах горения (кислород был тогда еще неизвестен). А три года спустя, в 1777 году, он развил эту идею в работе «Общее рассмотрение приро ды кислот и принципов их соединения». Лавуазье указал на то, что хотя теория флогистона и объясняет кое-что в явлениях горения и кальцинации, но ее нельзя признать удовлетворительной и принять как научную. Новая теория горения, выдвинутая Лавуазье, сводилась к следующим положениям:
«Чистый воздух» поглощается при горении, и увели
чение массы сгоревшего тела равно уменьшению массы
воздуха.
73
3. Металлы при прокаливании превращаются в «зем ли», горящие сера или фосфор, соединяясь с «чистым воз духом» и водой, превращаются в кислоты.
Так было установлено очень важное положение: увели чение массы обжигаемого металла происходит вследствие присоединения к нему определенной составной части воз духа. Лавуазье сделал также обобщающий вывод о том, что все кислоты состоят из радикала и окисляющего кислото образующего начала — «оксигена», т. е. кислорода.
Несколько лет спустя Лавуазье окончательно выяснил главенствующую роль кислорода в своей теории. В трак тате «Размышления о флогистоне», опубликованном в 1786 году, он решительно опроверг натурфилософскую фло гистонную теорию.
Значительно позднее флогистона из науки было изгна но другое натурфилософское понятие — теплород; послед нее долгое время играло важную роль в теории теплоты. Теплород мыслился в виде особой, фантастической «теп ловой жидкости», которая, перетекая от одного тела к другому, обеспечивает процесс теплопередачи. Понимание теплоты как особой субстанции длительное время счита лось общепризнанным в науке, и надо было иметь боль шое научное мужество, которое проявил наш соотече ственник, выдающийся ученый Михаил Васильевич Ломо носов (1711-1765), чтобы противопоставить концепции теплорода совершенно иное понимание тепловых явлений.
В своей работе «Размышления о причине теплоты и холода», опубликованной в 1750 году, Ломоносов подверг критике концепцию теплорода и обосновал кинетическую гипотезу теплоты. Гипотеза Ломоносова состояла в том, что теплота — это форма движения мельчайших матери альных частиц (корпускул, или молекул). Их вращатель ное движение является причиной тепла. Основные положе ния развитой Ломоносовым кинетической гипотезы тепло ты сводились к следующему: 1) молекулы (корпускулы) имеют шарообразную форму; 2) при более быстром враще нии частиц теплота должна увеличиваться, а при более медленном — уменьшаться; 3) частицы горячих тел вра щаются быстрее, более холодных — медленнее; 4) горячие тела должны охлаждаться при соприкосновении с холод ным, так как это замедляет теплотворное движение частиц;
74
5) холодные же тела должны нагреваться при соприкосно вении с горячим вследствие ускорения движения частиц.
Однако кинетическая гипотеза Ломоносова, созданная в середине XVIII века, не смогла в то время переломить сло жившийся стереотип научного мышления. Натурфилософ ское учение о теплороде просуществовало еще почти целое столетие.
Некоторые экспериментальные работы конца XVIII — первой половины XIX века (опыты Б. Томпсона — графа Румфорда, демонстрировавшие выделение тепла при вы сверливании канала в пушечном стволе, опыты по полу чению теплоты трением английского исследователя Дэви и др.) свидетельствовали о связи теплоты с механическим движением, однако большинство ученых, работавших в об ласти физики тепла, упорно усматривали в этом нечто со всем иное: проводя аналогию с электризацией тел трени ем, они утверждали, что трение способствует выжиманию теплорода из тела. Только в середине XIX века, когда был открыт закон сохранения и превращения энергии, физики окончательно отказались от теплорода и вернулись к ки нетической концепции теплоты, успешно разрабатывавшей ся Ломоносовым еще за сто лет до открытия этого закона.
Появление закона сохранения и превращения энергии помогло опровергнуть еще одно натурфилософское пред ставление о так называемой «жизненной силе» организма. Учение, основывавшееся на этом натурфилософском пред ставлении, получило наименование витализма. Его сторон ники полагали, что живой организм функционирует бла годаря наличию в нем особой «жизненной силы». Тем самым физиологические процессы исключались из сферы физических и химических законов и обусловились этой мифической, таинственной «силой». Такое положение в биологии продолжалось до тех пор, пока Роберт Майер, который, как было сказано ранее, являлся врачом, своими наблюдениями показал, что живой организм управляется естественными физико-химическими законами и прежде всего законом сохранения и превращения энергии.
Работы ряда ученых XIX века в области электромагне тизма (о которых подробнее будет сказано в следующем разделе) привели к отказу от таких натурфилософских понятий, как электрическая и магнитная жидкости. На
75
основе новых представлений об электричестве и магнетизме французский физик Андре Мари Ампер (1775-1836) пер вым пришел к выводу об отсутствии в природе каких-либо электрических или магнитных жидкостей (как положи тельных, так и отрицательных). Введение в учение об электричестве и магнетизме натурфилософского понятия жидкостей соответствовало тогдашнему механистическому подходу, пытаршемуся решать любые физические вопросы с помощью субстанций и действующих между ними про стых сил. Работы Ампера и других исследователей приве ли к тому, что субстанциональное понимание электромаг нитных явлений было заменено принципиально новым по нятием электромагнитного поля.
Последним натурфилософским представлением, продер жавшимся дольше всех других натурфилософских понятий, был мировой эфир.
Концепцию мирового эфира — гипотетической среды, заполняющей все мировое пространство, — признавали все физики XIX века. Этому в особенности способствовала победа, одержанная в середине XIX века волновой теори ей света над корпускулярной. Причина этой победы зак лючалась в том, что волновая теория давала объяснение дифракции света, т. е. отклонению световых волн, проис ходящему при распространении света вблизи краев непроз рачных тел. При прохождении сквозь узкие отверстия, щели и т. п. Но принятие волновой теории приводило в то же время к мысли о существовании субстанции, в кото рой световые волны распространяются. В этом случае все хорошо согласовывалось с механическими представлениями об окружающем мире, еще очень характерными для боль шей части XIX века.
В связи с этим следует отметить, что известный англий ский ученый Дж. Максвелл (о котором еще будет сказа но ниже) незадолго до своей смерти направил письмо ас троному Тодду, в котором указывал на принципиальную возможность экспериментального определения движения Земли относительно эфира. Правда, такой прибор должен был обладать очень высокой чувствительностью, которую Максвелл считал технически недостижимой. В 1880 г. (пос ле смерти Максвелла) указанное письмо было опубликова-
76
но. А в следующем 1881 году молодой американский уче ный Альберт Абрахам Майкельсон (1852-1931) уже про изводил опыты с такого рода прибором.
Результаты своего опыта Майкельсон опубликовал в том же 1881 году в статье «Относительное движение Зем ли и светоносного эфира». Однако никакого относительно го движения фактически обнаружить не удалось. В 80-х годах XIX века Майкельсон неоднократно повторял свои опыты, используя все более совершенную и точную аппа ратуру. Результат был все тот же: обнаружить «светонос ный эфир» не удавалось. Об этом вновь было заявлено в совместной статье Майкельсона и Морли «Об относитель ном движении Земли и светоносного эфира», опубликован ной в 1887 году.
С уходом из науки концепции мирового эфира завер шилась эпоха натурфилософии, понятия и представления которой в течение длительного времени занимали господ ствующее положение в науке. Как бы подводя итог этому длительному периоду в истории естествознания, Ф. Энгельс писал: «Дать... общую картину природы было прежде за дачей так называемой натурфилософии, которая... заменя ла неизвестные еще ей действительные связи явлений иде альными, фантастическими связями и замещала недостаю щие факты вымыслами, пополняя действительные пробелы лишь в воображении. При этом ею были высказаны многие гениальные мысли и предугаданы многие позднейшие от крытия, но не мало было также наговорено и вздора. Иначе тогда и быть не могло. Теперь же, когда нам достаточно взглянуть на результаты изучения природы диалектиче ски, т.е. с точки зрения их собственной связи... теперь на турфилософии пришел конец. Всякая попытка воскресить ее не только была бы излишней, а была бы шагом назад»22.
3.8. Исследования в области электромагнитного поля и начало крушения механистической картины мира
В предисловии к своему знаменитому труду «Матема тические начала натуральной философии» И. Ньютон выс казал следующую установку на будущее: «Было бы жела-
77
тельно вывести из начал механики и остальные явления природы...»23.
Многие естествоиспытатели вслед за Ньютоном стара лись объяснить, исходя из начал механики, самые различ ные природные явления. При этом они неправомерно эк страполировали законы, установленные лишь для механи ческой сферы явлений, на все процессы окружающего мира. В торжестве законов Ньютона, считавшихся всеобщими и универсальными, черпали веру в успех ученые, работавшие в астрономии, физике, химии.
Длительное время теории, объяснявшие закономернос ти соединения химических элементов, опирались на идею тяготения между атомами. Уже упоминавшийся выше французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас был убежден, что к закону всемирного тяготения сводят ся все явления, известные ученым. Исходя из этого, он ра ботал над созданием, — в дополнение к механике небесной, созданной Ньютоном, — новой, молекулярной механики, которая, по его мнению, была призвана объяснить химиче ские реакции, капиллярные явления, феномен кристалли зации, а также то, почему вещество может быть твердым, жидким или газообразным. Лаплас видел причины всего этого во взаимном притяжении между молекулами, кото рое, считал он, есть только «видоизменение всемирного тя готения».
Как очередное подтверждение ньютоновского подхода к вопросу об устройстве мира было первоначально восприня то физиками открытие, которое сделал французский воен ный инженер, впоследствии член парижской Академии наук Шарль Огюст Кулон (1736-1806). Оказалось, что положительный и отрицательный электрические заряды притягиваются друг к другу прямо пропорционально вели чине зарядов и обратно пропорционально квадрату рассто яния между ними. Создавалось впечатление о новой демон страции права закона всемирного тяготения служить сво его рода образцом, универсальным ответом на любые задачи. Лишь впоследствии стало ясно: впервые появил ся в науке один из законов электромагнетизма. После Ку лона открылась возможность построения математической теории электрических и магнитных явлений.
78
Механистическая картина мира знала только один вид материи — вещество, состоящее из частиц, имеющих мас су. В XIX веке к числу свойств частиц стали прибавлять электрический заряд. И хотя масса, как считалось, была у всех частиц, а заряд — только у некоторых, обладание элект рическим зарядом было признано таким же фундамен тальным, важнейшим их свойством, как и масса.
Английский химик и физик Майкл Фарадей (1791-1867) ввел в науку понятие электромагнитного поля. Ему удалось показать опытным путем, что между магнетизмом и электричеством существует прямая динамическая связь. Тем самым он впервые объединил электричество и магне тизм, признал их одной и той же силой природы. В резуль тате в естествознании начало утверждаться понимание того, что кроме вещества, в природе существует еще и поле.
Математическую разработку идей Фарадея предпринял выдающийся английский ученый Джеймс Клерк Максвелл (1831-1879). Его основной работой, заключавшей в себе математическую теорию электромагнитного поля, явился «Трактат об электричестве и магнетизме», изданный в 1873 году. Введение Фарадеем понятия электромагнитного поля и математическое определение его законов, данное в уравнениях Максвелла, явились самыми крупными собы тиями в физике со времен Галилея и Ньютона.
Но потребовались новые результаты, чтобы теория Максвелла стала достоянием физики. Решающую роль в победе максвелловской теории сыграл немецкий физик Ген рих Рудольф Герц (1857-1894). Именно ему по поручению Гельмгольца (Герц был его любимым учеником) довелось проверить экспериментально теоретические выводы Макс велла. В 1886 году Герц продемонстрировал «беспроволоч ное распространение» электромагнитных волн. Он смог также доказать принципиальную тождественность полу ченных им электромагнитных переменных полей и свето вых волн.
Работы в области электромагнетизма положили нача ло крушению механистической картины мира.
С тех пор механистические представления о мире были существенно поколеблены. Ведь любые попытки распрост ранить механические принципы на электрические и маг-
79
нитные явления оказались несостоятельными. Поэтому естествознание вынуждено было в конце концов отказать ся от признания особой, универсальной роли механики. Механистическая картина мира начала сходить с истори ческой сцены, уступая место новому пониманию физичес кой реальности.
I Естествознание XX века
4.1. Четвертая научная революция. Проникновение в глубь материи. Теория относительности и квантовая механика. Окончательное крушение механистической картины мира
Еще в конце XIX века большинство ученых склоня лись к точке зрения, что физическая картина мира в основ ном построена и останется в дальнейшем незыблемой. Предстоит уточнять лишь детали. Но в первые десятиле тия XX века физические воззрения изменились коренным образом. Это было следствием «каскада» научных откры тий, сделанных в течение чрезвычайно короткого истори ческого периода, охватывающего последние годы XIX сто летия и первые десятилетия XX века.
В 1896 году французский физик Антуан Анри Бекке рель (1852-1908) открыл явление самопроизвольного из лучения урановой соли. Исследуя это явление, он наблю дал разряд наэлектризованных тел под действием указан ного излучения и установил, что активность препаратов урана оставалась неизменной более года. Однако природа нового явления еще не была понята.
В его исследование включились французские физики, супруги Пьер Кюри (1859-1906) и Мария Склодовская-Кюри (1867-1934). Прежде всего их заинтересовал вопрос: нет ли других веществ, обладающих свойством, аналогич ным урану? В 1898 году были открыты новые элементы, также обладающие свойством испускать «беккерелевы лучи», — полоний и радий. Это свойство супруги Кюри
80
назвали радиоактивностью. Их напряженный труд принес щедрые плоды: с 1898 г. одна за другой стали появлять ся статьи о получении новых радиоактивных веществ.
А годом раньше, в 1897 году, в лаборатории Кавенди-ша в Кембридже при изучении электрического разряда в газах (катодных лучей) английский физик Джозеф Джон Томсон (1856-1940) открыл первую элементарную части цу — электрон. В последующих опытах по измерению за ряда электрона и получению отношения этого заряда к массе было обнаружено совершенно необычное явление зависимости массы электрона от его скорости. Уяснив, что электроны являются составными частями атомов всех ве ществ, Дж. Томсон предложил в 1903 году первую (элект ромагнитную) модель атома. Согласно этой модели, отри цательно заряженные электроны располагаются определен ным образом (как бы «плавают») внутри положительно заряженной сферы. Сохранение электронами определенного места в сфере есть результат равновесия между положи тельным равномерно распределенным ее зарядом и отри цательными зарядами электронов. Но модель «атома Том сона» просуществовала сравнительно недолго.
В 1911 году знаменитый английский физик Эрнест Резерфорд (1871-1937) предложил свою модель атома, ко торая получила название планетарной. Появлению этой новой модели атома «предшествовали эксперименты, про водимые Э. Резерфордом и его учениками, ставшими впос ледствии знаменитыми физиками, Гансом Гейгером (1882-1945) и Эрнстом Марсденом (1889-1970). В результате этих экспериментов, показавших неприемлемость модели атома Дж. Томсона, было обнаружено, что в атомах суще ствуют ядра — положительно заряженные микрочастицы, размер которых очень мал по сравнению с размерами ато мов. Но масса атома почти полностью сосредоточена в его ядре. Исходя из этих новых представлений, Резерфорд и выдвинул свое понимание строения атома, которое он об народовал 7 марта 1911 года на заседании Манчестерского философского общества. По его мнению, атом подобен Сол нечной системе: он состоит из ядра и электронов, которые обращаются вокруг него24.
Но планетарная модель Резерфорда обнаружила серьез ный недостаток: она оказалась несовместимой с электро динамикой Максвелла. Согласно законам электродинами-
81
ки, любое тело (частица), имеющее электрический заряд и движущееся с ускорением, обязательно должно излучать электромагнитную энергию. Но в этом случае электроны очень быстро потеряли бы свою кинетическую энергию и упали на ядро. С этой точки зрения, оставалась непонят ной необычайная устойчивость атомов. Кроме того, в соот ветствии с законами электродинамики, частота излучаемой электроном электромагнитной энергии должна быть рав на частоте собственных колебаний электрона в атоме или (что то же) числу оборотов электрона вокруг ядра в секун ду. Но в этом случае спектр излучения электрона должен быть непрерывным, так как электрон, приближаясь к ядру, менял бы свою частоту. Опыт же показывал другое: ато мы дают электромагнитное излучение только определенных частот (именно поэтому атомные спектры называют линей чатыми, т. е. состоящими из вполне определенных линий). Такая определенность спектра, его ярко выраженная хими ческая индивидуальность очень трудно совмещается с уни версальностью электрона, заряд и масса которого не зави сят от природы атома.
Разрешение этих противоречий выпало на долю изве стного датского физика Нильса Бора (1885-1962), предло жившего свое представление об атоме. Последнее основы валось на квантовой теории, начало которой было положе но на рубеже XX века немецким физиком Максом. План ком (1858-1947). Планк выдвинул гипотезу, гласящую, что испускание и поглощение электромагнитного излуче ния может происходить только дискретно, конечными пор циями — квантами.
Н. Бор, зная о модели Резерфорда и приняв ее в каче стве исходной, разработал в 1913 году квантовую теорию строения атома. В ее основе лежали следующие постула ты: в любом атоме существуют дискретные (стационар ные) состояния, находясь в которых атом энергию не из лучает; при переходе атома из одного стационарного состо яния в другое он излучает или поглощает порцию энергии.
Предложенная Бором модель атома, которая возникла в результате развития исследований радиоактивного излу чения и квантовой теории, фактически явилась дополнен ным и исправленным вариантом планетарной модели Ре зерфорда. Поэтому в истории атомной физики говорят о квантовой модели атома Резерфорда-Бора.
82
Следует отметить, что научные заслуги Резерфорда не ограничиваются исследованиями, приведшими к упомяну той планетарной модели атома. Совместно с английским химиком Фредериком Содди (1877-1956) он провел серь езное изучение радиоактивности. Резерфорд и Содди дали трактовку радиоактивного распада как процесса превраще ния химических элементов из одних в другие.
Как тут не вспомнить крушение стремлений и надежд многих поколений алхимиков получать одни химические элементы (чаще всего — золото) из других в связи с откры тием во второй половине XVIII века Лавуазье закона неиз менности химических элементов. И вдруг, в начале XX века, оказалось, что в результате радиоактивного распада неко торые элементы самопроизвольно превращаются в другие. Это было поистине научной сенсацией.
Впрочем, наука XX века принесла немало сенсационных открытий, многие из которых совершенно не укладывались в представление обыденного человеческого опыта. Ярким примером этого может служить теория относительности, созданная в начале нашего столетия мало кому известным тогда мыслителем Альбертом Эйнштейном (1879—1955).
В 1905 г. им была создана так называемая специаль ная теория относительности. В целом теория А. Эйнштей на основывалась на том, что — в отличие от механики И. Ньютона — пространство и время не абсолютны. Они органически связаны с материей и между собой. Когда А. Эйнштейна попросили выразить суть теории относитель ности в одной, по возможности понятной фразе, он отве тил: «Раньше полагали, что если бы из Вселенной исчез ла вся материя, то пространство и время сохранились бы, теория относительности утверждает, что вместе с матери ей исчезли бы также пространство и время»25.
Более подробно о теории относительности сказано в разделе, посвященном пространственно-временным пред ставлениям. Мы здесь лишь отметим, что эта теория полу чила признание далеко не сразу. Специальная теория от носительности была быстро принята лишь узким кругом известных физиков-теоретиков. Но в 20-х годах, после появления общей теории относительности, этот круг суще ственно расширился. Эйнштейн получил полную поддерж ку многих выдающихся ученых, работавших в других об-
83
ластях физики, но обладавших широкой культурой физи ческого мышления.
Хотя имя А. Эйнштейна по сей день в массовом созна нии связывается с теорией относительности, эта теория была далеко не единственным его научным достижением. Опираясь на представление Планка о квантах, Эйнштейн еще в 1905 году сумел обосновать природу фотоэффекта. Каждый электрон выбивается из металла под действием отдельного светового кванта, или фотона, который при этом теряет свою энергию. Часть этой энергии уходит на разрыв связи электрона с металлом. Эйнштейн показал зависимость энергии электрона от частоты светового кван та и энергии связи электрона с металлом.
Казалось, что корпускулярная теория материи торже ствует. Фотон, например, явно имеет корпускулярные свойства (русский физик П.Н. Лебедев даже доказал в 1899 году существование светового давления). Но вскоре выяснилось, что определить энергию фотона (частицы света, не обладающей массой покоя) можно было, только пред ставляя его себе в виде волны с соответствующей длиной и частотой. Получалось, что фотон — это одновременно и волна и частица. Распространяется он как волна, излуча ется и поглощается — как частица.
В 1924 году произошло крупное событие в истории физики: французский ученый Луи де Бройль (1892-1987) выдвинул идею о волновых свойствах материи. Наиболее убедительное подтверждение существования волновых свойств материи было получено в результате открытия (наблюдения) дифракции электронов в эксперименте, по ставленном в 1927 году американскими физиками Клин тоном Дэвиссоном (1881-1958) и Лестером Джермером (1896-1971). Быстрые электроны, проходя сквозь очень тонкие пластинки металла, вели себя подобно свету, про ходящему мимо малых отверстий или узких щелей. Дру гими словами, распределение электронов, отражавшихся от пластинки и летевших лишь по некоторым избранным направлениям, было таким же, как если бы на пластинку падал пучок света с длиной волны, равной длине волны электрона, вычисленной по формуле де Бройля.
Экспериментально подтвержденная гипотеза де Бройля превратилась в принципиальную основу, пожалуй, наиболее
84
широкой физической теории — квантовой механики. У объектов микромира, рассматриваемых с ее позиций, об наружились такие свойства, которые совершенно не имеют аналогий в привычном нам мире. Прежде всего — это кор пускулярно-волновая двойственность, или дуализм элемен тарных частиц (это и корпускулы и волны одновременно, а точнее — диалектическое единство свойств тех и других). Движение микрочастиц в пространстве и времени нельзя отождествлять с механическим движением макрообъекта. Например, положение элементарной частицы в простран стве в каждый момент времени не может быть определе но с помощью системы координат, как для привычных нам тел окружающего мира. Движение микрочастиц подчиня ется законам квантовой механики.
Об абсолютной непригодности законов классической механики в микромире свидетельствует, например, установ ленное видным немецким физиком Вернером Гейзенбер гом (1901-1976) соотношение неопределенностей: если известно место положения частицы в пространстве, то ос тается неизвестным импульс (количество движения), и наоборот. Это одно из фундаментальных положений кван товой механики. С точки зрения классической механики и просто «здравого смысла», принцип неопределенности представляется абсурдным. Нам трудно представить себе, как все это может быть «на самом деле».
Все вышеизложенные революционные открытия в фи зике перевернули ранее существующие взгляды на мир. Исчезла убежденность в универсальности законов класси ческой механики, ибо разрушились прежние представления о неделимости атома, о постоянстве массы, о неизменнос ти химических элементов и т. д. Теперь уже вряд ли мож но найти физика, который считал бы, что все проблемы его науки можно решить с помощью механических понятий и уравнений. Рождение и развитие атомной физики таким образом, окончательно сокрушило прежнюю механистиче скую картину мира.
85
4.2. Научно-техническая революция, ее естественнонаучная составляющая и исторические этапы
Новые явления и процессы, имевшие место в развитии естествознания и техники в первой половине XX века, под готовили уникальное в истории общества событие, по лучившее наименование научно-технической революции (НТР). Последняя в значительной степени определила ха рактер общественного прогресса на рубеже второго и тре тьего тысячелетий.
Естественнонаучные и технические революции, имевшие место в истории общества, никогда ранее не совпадали, не сливались в единый поток. Они происходили порознь. Осо бенностью второй половины XX столетия стали револю ции в естествознании и в технике, которые не только сов пали по времени, но и оказались глубоко связанными меж ду собой. Единство этого революционного процесса адек ватно отразилось в самом понятии «научно-техническая революция».
Современной научно-технической революции предше ствовал своеобразный подготовительный период, относя щийся к первой половине XX века. Именно в этот пери од были сделаны важные естественнонаучные открытия, заложившие фундаментальные основы последующего гран диозного научно-технического переворота. Среди естествен нонаучных направлений, в значительной степени опреде ливших наступление НТР, были атомная физика и моле кулярная биология.
Вот как пишет об этом известный писатель, популя ризатор науки Даниил Данин: «1900 год. Финиширует XIX век и стартует XX. На их рубеже рождаются в ин теллектуальном обиходе человечества два новых слова — КВАНТ и ГЕН. Они становятся ключевыми в природо ведении современности. И потому — судьбоносными: ЖИЗНЬ и СМЕРТЬ на нашей планете глубинно связались с открытиями и надеждами фундаментальной науки именно в этих ныне главенствующих ее ипостасях — КВАНТО ВОЙ и ГЕНЕТИЧЕСКОЙ»26.
Важной вехой в драматической истории атомного века стало экспериментальное наблюдение в конце 30-х годов немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом про-
86
цесса деления ядер урана и объяснение этого явления в работе Л. Майтнер и О. Фриша. Стало ясным, что физи кам удалось осуществить цепную ядерную реакцию, кото рая может привести к ядерному взрыву с выделением ог ромной энергии. В условиях начавшейся второй мировой войны группа ученых США во главе с А. Эйнштейном об ратилась к тогдашнему американскому президенту Ф. Руз вельту и обосновала настоятельную необходимость развер тывания исследований в этом направлении. Начатые после этого исследовательские работы в Лос-Аламосской лабо ратории (США, штат Нью-Мексико) привели в середине 40-х годов к созданию первой атомной бомбы.
В СССР работы над атомным оружием были начаты в 1943 году в связи с опасениями, что такое оружие созда ет гитлеровская Германия. После ядерных взрывов в Хи росиме и Нагасаки, окончания второй мировой войны и начала войны «холодной» стало очевидным, что наличие монополии на атомное оружие у одного государства — США является фактором, угрожающим миру и междуна родной стабильности.
Советский Союз во второй половине 40-х годов пред принял беспрецедентные усилия для создания собственной атомной бомбы. Вклад отечественных ученых в решение проблем атомной физики оказался достаточно весомым. Не случайно СССР стал пионером в освоении «мирного ато ма» (первая в мире атомная электростанция была пуще на в 1954 году в городе Обнинске).
XX век в целом и его вторая половина, характеризо вавшаяся научно-технической революцией, принесли гро мадные достижения в области молекулярной биологии. Если в первой половине истекшего столетия прогресс в области изучения макромолекул был еще сравнительно медленным, то во второй половине этого столетия, т.е. в эпоху НТР, эти исследования существенно ускорялись бла годаря технике физических методов анализа. На основе полученных данных о структуре живого вещества удалось воссоздать строение ряда белков и полипептидных гормо нов, а также синтезировать некоторые менее сложные ве щества. Химия белков, которая ранее казалась малоперс пективной областью естествознания, выдвинулась на перед ний край науки, а раскрытие в середине XX века струк-
87
туры дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) послужило началом интенсивных исследований в химии и биологии.
Было выяснено, что нуклеиновые кислоты, являющие ся носителем и передатчиком наследственных качеств и играющие основную роль в синтезе клеточных белков, об разуют группы веществ, важность которых трудно переоце нить. Выдвинутая в начале 50-х годов XX века гипотеза, согласно которой должны существовать особые молекулы нуклеиновых кислот, выполняющие функции перевода язы ка нуклеиновых кислот на язык белков, достаточно скоро получила экспериментальное подтверждение. К началу 60-х годов у ученых-биологов уже сложилось четкое пони мание основных процессов передачи информации в клетке при синтезе белка.
Отмеченные выше достижения в области атомной фи зики и молекулярной биологии, а также появление кибер нетики обеспечили естественнонаучную основу первого этапа НТР, начавшегося в середине XX века и продолжав шегося примерно до середины 70-х годов. Основными тех ническими направлениями этого этапа НТР стали атомная энергетика, электронно-вычислительная техника (явив шаяся технической базой кибернетики) и ракетно-косми-че-ская техника. В последней, как и в атомной энергети ке (избежавшей «идеологических передряг) СССР с само го начала занял ведущее место в мире.
Со второй половины 70-х годов начался второй этап НТР, продолжающийся до сих пор. Важной характеристи кой второго этапа НТР стали новые технологии, которых не было в середине XX века. К ним относятся лазерная технология, биотехнология и др. По мнению наиболее ав торитетного научного органа США — Национального на учного совета, «никогда еще в истории естествознания не существовало такого спектра научных и технологических возможностей, как, например, в области сверхпроводимос ти или биотехнологии»27.
Становление биотехнологии было связано с успехами биологии в познании особенностей организации молекуляр ных структур живого и процессов этого уровня, осуществ лением искусственного синтеза отдельных генов и их включения в геном бактериальной клетки. Это позволи ло контролировать основные процессы биосинтеза в клетке, создавать такие генетические системы бактериальной клет-
88
ки, которые способны осуществлять биосинтез определен ных соединений в промышленных условиях. На решение таких задач ориентируется ныне ряд направлений биотех нологии.
Биологическая технология определила возникновение нового типа производства — биологизированного. Приме ром такого производства могут быть предприятия микро биологической промышленности. Биологизация производ ства — это новый этап научно-технического прогресса, когда наука о живом превращается в непосредственную производительную силу общества, и ее достижения исполь зуются для создания промышленных технологий.
Значение генной инженерии на втором этапе НТР ха рактеризуется существенным расширением ее диапазона: от получения новых микроорганизмов с заранее заданны ми свойствами (путем направленного изменения их наслед ственного аппарата) и до клонирования высших живот ных. Конец XX столетия ознаменовался небывалыми ус пехами в расшифровке генетической основы человека. В 1990 году «стартовал» международный проект «Геном человека», ставящий целью получение полной генетической карты Homo sapiens. В этом проекте приняли участие более двадцати наиболее развитых в научном отношении стран, включая и Россию.
Важной характеристикой второго этапа НТР стала не виданная ранее информатизация общества на основе пер сональных компьютеров (появившихся в конце 70-х годов) и Всемирной системы общедоступных электронных сетей, получившей наименование «Интернет». В результате чело век, во-первых, получил доступ к объемам информации значительно большим, чем когда бы то ни было; а во-вто рых, появился новый способ общения, который можно на звать горизонтальным. До его появления общение и рас пространение информации было в основном вертикальным (автор выпускает книгу — читатели читают, по радио и телевидению что-то передают — люди слушают это или смотрят; обратная связь ранее почти отсутствовала, хотя потребность в ней всегда была исключительно высока). Интернет обеспечивает распространение информации для практически неограниченного круга потребителей, причем они без всякого труда могут коммуникатировать друг с другом.
89
Еще одним направлением второго этапа НТР, зало жившим физические основы принципиально новых ин формационных и коммуникационных технологий, стали исследования в области физики полупроводниковых нано-гетероструктур. Достигнутые успехи в этих исследовани ях, имеющие огромное значение для развития оптоэлект-роники и электроники высоких скоростей, были отмечены в 2000 году Нобелевской премией по физике, которую раз делили российский ученый, академик Ж. И. Алферов28, американские ученые Г. Кремер и Дж. Килби.
Таким образом, научно-техническая революция повлек ла перестройку всего технического базиса, технологического способа производства. Вместе с тем она вызвала серьезные изменения в миропонимании. Последнее нашло воплоще ние в принципиально новых, синергетических представле ниях об объективной реальности.
На современном этапе познания материального мира чрезвычайно важную роль играет парадигма самоорганиза ции, которая служит естественнонаучной основой философ ской категории развития. В настоящее время установлено, что обязательным условием развития является процесс самоорганизации, приводящий к возникновению качествен но новых материальных структур.
Длительное время в науке доминировало представление об отсутствии явления самоорганизации в неживой приро де. Считалось, что объекты неорганического мира способ ны изменяться только в направлении дезорганизации. Последнее означает, что в соответствии со вторым началом термодинамики, системы неживой природы могут «эволю ционировать» лишь в сторону возрастания их энтропии29, а значит, хаоса30. Считалось, что самоорганизующиеся про цессы присущи только живым системам.
Постепенно в науке накапливалось все большее число фактов, свидетельствовавших о возникновении упорядочен ных структур и феномена самоорганизации в неживой при роде при наличии определенных условий. Даже повседнев ные наблюдения (образование, например, песчаных дюн, вихрей на воде, различного рода кристаллов и т.п.) свиде тельствуют о том, что и в неживой природе, — наряду с дез организацией, - происходит также и самоорганизация, ко торая проявляется в возникновении новых материальных структур.
90
Указанные наблюдения и соответствующие обобщения привели к возникновению синергетики — междисциплинар ного научного направления, изучающего общие и универ сальные механизмы самоорганизации, т.е. механизмы са мопроизвольного возникновения и относительно устойчи вого существования макроскопических упорядоченных структур самой различной природы. Синергетика стирает, как казалось, непреодолимые грани между физическими и химическими процессами, с одной стороны, и биологиче скими и социальными процессами - с другой, ибо иссле дует общие механизмы самоорганизации и тех, и других.
Синергетика, сформировавшаяся как наиболее общая теория самоорганизации, стала важной характеристикой второго этапа НТР и привела к радикальному изменению естественнонаучной картины мира.
В заключение краткого исторического обзора развития естествознания необходимо отметить следующее. К концу XIX века окончательно завершился, так называемый, клас сический этап в развитии естествознания, который начал ся еще XVII веке и для которого были характерны меха нистические представления о материальном мире. Боль шая часть XX столетия характеризуется как период не классического естествознания, исходным пунктом которого явилась разработка релятивистской и квантовой теории. Последние десятилетия XX века считаются периодом фор мирования новейшего, постнеклассического естествознания, в основе которого лежит парадигма самоорганизации. Со здатели синергетики показали, что способность к самоор ганизации является атрибутивным свойством материаль ных систем, а потому синергетика на сегодня является наи более общей теорией самоорганизации. Основные черты постнеклассического естествознания выражаются синерге тикой, изучающей общие принципы процессов самооргани зации, протекающих в системах самой различной природы.
4.3. Панорама современного естествознания 4.3.1. Особенности развития науки в XX столетии
В XX веке естествознание развивалось невероятно быстрыми темпами, что обусловливалось потребностями практики. Промышленность требовала новых технологий, в основе которых лежало естественнонаучное знание.
91
Мощным стимулом для развития науки и техники стали мировые войны, а также экономическое и военное противостояние двух военно-политических блоков, во главе которых стояли СССР и США. Развитые промышленные страны начали выделять большие средства на развитие системы образования, подготовку и воспроизводство науч ных кадров. Существенно расширилась сеть научно-иссле довательских учреждений, финансируемых как государ ством, так и частными компаниями.
Если в конце XIX века научные открытия совершались в маленькой лаборатории профессора или в мастерской изобретателя, то в 20-ЗО-е годы XX века начинается эпо ха промышленной науки, крупных научно-исследователь ских центров, расходующих сотни тысяч и миллионы дол ларов. С конца XIX века наука начинает себя окупать. Капитал, вложенный в научные разработки, начинает при носить прибыль.
В XX веке наука перестала быть частным делом, како вой она была в XVIII-XIX веках, когда ее развивали лю бознательные самоучки: адвокаты, священники, медики, ремесленники и т. д. Наука становится профессией огром ного числа людей. Современные исследования показывают, что развитие науки может быть выражено экспоненциаль ным законом. Объем научной деятельности удваивается каждые 10-15 лет. Это проявляется в ускорении роста количества научных открытий и объема научной информа ции, а также числа людей, занятых в науке. В результа те — феноменальные достижения во всех областях науки и, прежде всего, в естествознании, которыми так богато ушедшее XX столетие.
В XX веке наука изменила не только сферу производ ства, но и быт людей. Радио, телевидение, магнитофоны, компьютеры становятся обиходными вещами, также как одежда из синтетических тканей, стиральные порошки, ле карства и т.д.
Все это характеризует как бы внешнюю сторону разви тия науки нашего времени. Теперь рассмотрим, какие важ нейшие научные открытия были сделаны за последние 70-80 лет.
92
4.3.2. Физика микромира и мегамира. Атомная физика
Представления об атомах и их строении за последние сто лет изменились радикально. В конце XIX века ученые считали, что:
В конце XIX — начале XX вв. в физике были сделаны выдающиеся открытия, разрушившие прежние представле ния о строении материи. Открытие электрона (1897г.), за тем протона, фотона и нейтрона показали, что атом име ет сложную структуру. Исследование строения атома ста новится важнейшей задачей физики XX века.
После открытия электрона, протона, фотона и, наконец, в 1932 году нейтрона было установлено существование большого числа новых элементарных частиц. В том чис ле: позитрон, (античастица электрона); мезоны — неста бильные микрочастицы; различного рода гипероны — не стабильные микрочастицы с массами больше массы нейт рона; частицы резонансы, имеющие крайне короткое время жизни (порядка 10-22-10-24 с); нейтрино — стабильная, не имеющая электрического заряда частица, обладающая поч ти невероятной проницаемостью; антинейтрино — антича стица нейтрино, отличающаяся от нейтрино знаком леп-тонного заряда, и др.
В характеристике элементарных частиц существует еще одно важное представление — взаимодействие.
Различают четыре вида взаимодействия.
Сильное взаимодействие (короткодействующее, радиус действия около 10-13 см) связывает между собой нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре; именно по этой причине ядра атомов являются весьма устойчивыми, их трудно разру шить.
Электромагнитное взаимодействие (дальнодействующее, радиус действия не ограничен) определяет взаимодействие между электронами и ядрами атомов или молекул; взаи-
93
модействующие частицы имеют электрические заряды; проявляется в химических связях, силах упругости, трения.
Слабое взаимодействие (короткодействующее, радиус действия меньше 10-15 см), в котором участвуют все эле ментарные частицы, обусловливает взаимодействие нейтри но с веществом.
Гравитационное взаимодействие — самое слабое, не учитывается в теории элементарных частиц; распространя ется на все виды материи; имеет решающее значение, когда речь идет об очень больших массах.
Элементарные частицы в настоящее время обычно раз деляют на следующие классы:
Сначала, особенно когда число известных элементар ных частиц ограничивалось электроном, нейтроном и про тоном, господствовала точка зрения, что атом состоит из этих элементарных «кирпичиков». А дальнейшая задача в исследовании структуры вещества заключается в том, чтобы разыскивать новые, еще не известные «кирпичики», из которых состоит атом, и в определении того, не явля ются ли эти «кирпичики» (или некоторые из них) сами сложными частицами, построенными из еще более тонких «кирпичиков».
Однако действительная картина строения вещества оказалась еще более сложной, чем можно было предпола гать. Оказалось, что элементарные частицы могут претер певать взаимные превращения, в результате которых неко торые из них исчезают, а некоторые появляются. Неста бильные микрочастицы распадаются на другие, более ста бильные, но это вовсе не значит, что первые состоят из вто-
94
рых. Поэтому в настоящее время под элементарными ча стицами понимают такие «кирпичики» Вселенной, из ко торых можно построить все, что нам известно в природе.
Приблизительно в 1963-1964 годах появилась гипотеза о существовании кварков — частиц, из которых состоят барионы и мезоны, являющиеся сильно взаимодействую щими и по этому свойству объединенными общим назва нием адронов. Кварки имеют весьма необычные свойства: обладают дробными электрическими зарядами, что не ха рактерно для других микрочастиц, и, по-видимому, не мо гут существовать в свободном, не связанном виде. Число различных кварков, отличающихся друг от друга величи ной и знаком электрического заряда и некоторыми други ми признаками, достигает уже нескольких десятков.
Основные положения современной атомистики могут быть сформулированы следующим образом:
1) атом является сложной материальной структурой,
представляет собой мельчайшую частицу химического
элемента;
Таким образом, физика XX века давала все более глу бокое обоснование идеи развития.
Астрофизика. Релятивистская космология.
Современная космология начала складываться в 20-е годы XX века на основе созданной Эйнштейном об щей теории относительности. Из этой теории следует так называемая кривизна пространства и связь кривизны с плотностью массы (энергии). Космология, основанная на этих постулатах, — релятивистская. Еще в 1922 году со ветский математик и геофизик А.А. Фридман нашел реше ние уравнений общей теории относительности для замкну той расширяющейся Вселенной. Он установил, что искрив ленное пространство не может быть стационарным: оно должно или расширяться, или сжиматься.
95
Уравнения Фридмана теоретически обосновали неста ционарность Вселенной. На этот вывод ученые не обраща ли внимание вплоть до открытия американским астро номом Эдвином Хабблом (1889-1953) в 1929 году так называемого «красного смещения». Дело в том, что еще в XIX веке австрийский физик и астроном Кристиан Доп лер обнаружил, что если источник света приближает ся, спектральные линии смещаются в сторону более корот ких волн, если удаляется — в сторону более длинных (крас ных) волн. Это явление было названо эффектом Доплера. Э. Хаббл открыл «красное смещение» для всех далеких ис точников .света. Красное смещение оказалось пропорцио нальным расстоянию до источника, что подтверждало ги потезу о расширении видимой части Вселенной. Тем са мым теоретически построенные Фридманом модели неста ционарной Вселенной были обоснованы результатами на блюдений.
Существует два различных типа моделей Фридмана.
Если средняя плотность материи во Вселенной меньше некоторой критической величины или равна ей, то тогда Вселенная должна быть пространственно бесконечной. В этом случае современное расширение Вселенной будет продолжаться всегда.
В то же время, если плотность материи во Вселенной больше той же критической величины, тогда гравитацион ное поле, порожденное материей, искривляет Вселенную, замыкая ее на себя. Вселенная в этом случае конечна, хотя и не ограничена, вроде поверхности сферы. Гравита ционные поля достаточно сильны для того, чтобы в кон це концов остановить расширение Вселенной, так что рано или поздно она начнет снова сжиматься к состоянию бес конечно большой плотности.
В 1965 году американские ученые-астрономы А. Пен-зиас и Р. Вилсон сделали с помощью радиотелескопа — устройства, предназначенного для приема радиоизлучения космических объектов, — открытие большой важности. Они установили, что во Вселенной имеется так называемое фоновое радиоизлучение, названное советским ученым И.С. Шкловским реликтовым. Реликтовое радиоизлучение образовалось на раннем этапе существования Вселенной, когда ей было всего около 3 млрд. лет.
96
Два экспериментально установленных положения — расширение Вселенной и реликтовое излучение — являют ся убедительными доводами в пользу так называемой тео рии «большого взрыва», ставшей теперь общепризнанной.
До утверждения этой теории существовала теория ста ционарного состояния, согласно которой Вселенная всег да была почти такой, какой мы видим ее сейчас. В XVIII-XIX веках и даже в первой половине XX века в астроно мии господствовал взгляд на Вселенную как на нечто ста тическое, не изменяющееся.
Основываясь на теории расширяющейся Вселенной, ока залось возможным проследить развитие Вселенной в «об ратную сторону», т. е. попробовать вернуться возможно дальше назад. Хотя осуществить такую реконструкцию было далеко не просто, но все же она оказалась успешной.
По современным представлениям, вначале был взрыв. Всего лишь через одну сотую секунды после взрыва Вселен ная имела температуру порядка 100 млрд. градусов К (1011 К). При такой высокой температуре (выше темпера туры центра самой горячей звезды) молекулы, атомы и даже ядра атомов существовать не могут. Вещество Вселенной пребывало в виде элементарных частиц, среди которых пре обладали электроны, позитроны, нейтрино, фотоны, а также в относительно малом количестве протоны и нейтроны. Плотность вещества Вселенной спустя 0,01 секунды пос ле взрыва, несмотря на очень высокую температуру, была огромной: в 4000 миллионов раз больше, чем у воды.
В конце первых трех минут после взрыва температура вещества Вселенной, непрерывно снижаясь, достигла 1 млрд. градусов (109 К). Плотность вещества также снизилась, но еще была близкой к плотности воды. При этой, хотя и очень высокой, температуре начали образовываться ядра атомов, в частности, ядра тяжелого водорода (дейтерия) и ядра гелия. Однако вещество Вселенной в конце первых трех минут со стояло в основном из фотонов, нейтрино и антинейтрино. Только по истечении нескольких сотен тысяч лет начали образовываться атомы, главным образом водорода и гелия. Силы гравитации превращали газ в сгустки, ставшие мате риалом для возникновения галактик и звезд.
Как следует из сказанного, за последние примерно 50 лет достигнуты значительные результаты в изучении звезд, галактик и даже Вселенной и их эволюции.
4. Зак 671 97
4.3.3. Достижения в основных направлениях современной химии
Химию принято подразделять на пять разделов: неор ганическая, органическая, физическая, аналитическая и химия высокомолекулярных соединений.
Основными задачами неорганической химии являются: изучение строения соединений, установление связи строе ния со свойствами и реакционной способностью. Также разрабатываются методы синтеза и глубокой очистки ве ществ. Большое внимание уделяется кинетике и механизму неорганических реакций, их каталитическому ускорению и замедлению. Для синтезов все чаще применяют методы физического воздействия: сверхвысокие температуры и давления, ионизирующее излучение, ультразвук, магнитные поля. Многие процессы проходят в условиях горения или низкотемпературной плазмы. Химические реакции часто сочетают с получением волокнистых, слоистых и монокрис таллических материалов, с изготовлением электронных схем.
Неорганические соединения применяются как конст рукционные материалы для всех отраслей промышленнос ти, включая космическую технику, как удобрение и кормо вые добавки, ядерное и ракетное топливо, фармацевтиче ские материалы.
Органическая химия — наиболее крупный раздел хи мической науки. Если число известных неорганических веществ исчисляется тысячами, то органических веществ известно несколько миллионов. Общепризнано огромное значение химии полимеров. Так, еще в 1910 году С.В. Ле бедев разработал промышленный способ получения бута диена, а из него каучука.
В 1936 году У. Карозерс синтезирует «найлон», открыв новый тип синтетических полимеров — полиамиды. В 1938 году Р. Планкет случайно открывает тефлон, со здавший эпоху синтеза фторполимеров с уникальной тер мостабильностью, создаются «вечные» смазочные масла (пластмассы и эластомеры), широко используемые косми ческой и реактивной техникой, химической и электротех нической промышленностью. Благодаря этим и многим другим открытиям из органической химии выросла химия высокомолекулярных соединений (или полимеров).
98
Начавшиеся в 30-40-е годы широкие исследования фосфорорганических соединений (А.Е. Арбузов) привели к открытию новых типов физиологически активных соеди нений — лекарственных препаратов, отравляющих ве ществ, средств защиты растений и др.
Химия красителей практически дала начало химиче ской индустрии. Например, химия ароматических и гетеро циклических соединений создала первую отрасль химиче ской промышленности, продукция которой ныне превосхо дит 1 млрд. тонн, и породила новые отрасли — произ водство душистых и лекарственных веществ.
Проникновение органической химии в смежные облас ти — биохимию, биологию, медицину, сельское хозяйство — привело к изучению свойств, установлению структуры и синтезу витаминов, белков, нуклеиновых кислот, антибио тиков, новых средств ускорения роста растений и средств борьбы с вредителями.
Ощутимые результаты дает применение математическо го моделирования. Если нахождение какого-либо фарма цевтического препарата или инсектицида требовало синтеза 10—20 тыс. веществ, то с помощью математического моде лирования выбор делается лишь в результате синтеза не скольких десятков соединений.
Роль органической химии в биохимии трудно переоце нить. Так, в 1963 году В. Виньо синтезировал инсулин, также были синтезированы окситоцин (пептидный гормон), вазопрессин (гормон обладает антидиуретическим действи ем), брадикинин (обладает сосудорасширяющим действи ем). Разработаны полуавтоматические методы синтеза по липептидов (Р. Мерифилд, 1962).
Вершиной достижений органической химии в генной инженерии явился первый синтез активного гена (X. Ко рана, 1976). В 1977 году синтезирован ген, кодирующий синтез человеческого инсулина, а в 1978-м — ген сомато-статина (способен угнетать секрецию инсулина, пептидный гормон).
Физическая химия объясняет химические явления и устанавливает их общие закономерности. Физическая хи мия последних десятилетий характеризуется следующими чертами: в результате развития квантовой химии (исполь зует идеи и методы квантовой физики для объяснения химических явлений) многие проблемы химического строе-
4* 99
ния веществ и механизма реакций решаются на основании теоретических расчетов; наряду с этим широко использу ются физические методы исследования — рентгенострук-турный анализ, дифракция электронов, спектроскопия, ме тоды, основанные на применении изотопов и др.
Аналитическая химия рассматривает принципы и ме тоды изучения химического состава вещества. Включает количественный и качественный анализ. Современные ме тоды аналитической химии связаны с необходимостью по лучения полупроводниковых и других материалов высо кой частоты. Для решения этих задач были разработаны чувствительные методы: активационный анализ, химико-спектральный анализ и др.
Современная химия предстает перед нами как исклю чительно многогранная и разветвленная система знаний, для которой характерно интенсивное развитие. Важней шим стратегическим ориентиром этого процесса являет ся все более тесный синтез химии как науки и химии как технологии промышленного производства.
4.3.4. Биология XX века: познание молекулярного уровня жизни. Предпосылки современной биологии.
Современная биология основывается на тех достижени ях, которые были сделаны в этой науке во второй половине
XIX века: создание Ч. Дарвином эволюционного учения,
основополагающие работы К. Бернара в области физиоло
гии, важнейшие исследования Л. Пастера, Р. Коха и
И.И. Мечникова в области микробиологии и иммунологии,
работы И.М. Сеченова и И.И. Павлова в области выс
шей нервной деятельности и, наконец, блестящие работы
Г. Менделя, хотя и не получившие известности до начала
XX века, но уже выполненные их выдающимся автором.
XX век явился продолжением не менее интенсивного
прогресса в биологии. В 1900 году голландским ученым-биологом X. де Фризом (1848-1935), немецким ученым-ботаником К.Э. Корренсом (1864-1933) и австрийским ученым Э. Чермак-Зейзенеггом (1871-1962) независимо друг от друга и почти одновременно вторично были откры ты и стали всеобщим достоянием законы наследственнос ти, установленные Менделем.
Развитие генетики после этого происходило быстро. Был принят принцип дискретности в явлениях наслед-
100
ственности, открытый еще Менделем; опыты по изучению закономерностей наследования потомками свойств и при знаков родителей были значительно расширены. Было при нято понятие «ген», введенное известным датским биоло гом Вильгельмом Иогансоном (1857-1927) в 1909 году и означающее единицу наследственного материала, ответ ственного за передачу по наследству определенного при знака.
Утвердилось понятие хромосомы как структурного ядра клетки, содержащего дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) — высокомолекулярное соединение, носитель наслед ственных признаков.
Дальнейшие исследования показали, что ген является определенной частью ДНК и действительно носителем только определенных наследуемых свойств, в то время как ДНК - носитель всей наследственной информации орга низма.
Развитию генетики способствовали в большой мере ис следования известного американского биолога, одного из основоположников этой науки, Томаса Ханта Моргана (1866-1945). Он сформулировал хромосомную теорию на следственности. Большинство растительных и животных организмов являются диплоидными, т.е. их клетки (за ис ключением половых) имеют наборы парных хромосом, од нотипных хромосом от женского и мужского организмов. Хромосомная теория наследственности сделала более по нятными явления расщепления в наследовании признаков.
Важным событием в развитии генетики стало откры тие мутаций — возникающих внезапно изменений в на следственной системе организмов и потому могущих при вести к устойчивому изменению свойств гибридов, переда ваемых и далее по наследству. Своим возникновением мутации обязаны либо случайным в развитии организма событиям (их обычно называют естественными или спон танными мутациями), либо искусственно вызываемым воз действиям (такие мутации часто именуют индуцированны ми). Все виды живых организмов (как растительных, так и животных) способны мутировать, т. е. давать мутации. Это явление — внезапное возникновение новых, передаю щихся по наследству свойств — известно в биологии дав но. Однако систематическое изучение мутаций было начато голландским ученым Хуго де Фризом, установившим и
101
сам термин «мутации». Было обнаружено, что индуциро ванные мутации могут возникать в результате радиоактив ного облучения организмов, а также могут быть вызваны воздействием некоторых химических веществ.
Следует отметить первооткрывателей всего того, что связано с мутациями. Советский ученый-микробиолог Георгий Адамович Надсон (1867-1940) вместе со своими коллегами и учениками установил в 1925 году воздействие радиоизлучения на наследственную изменчивость у грибов. Известный американский генетик Герман Джозеф Меллер (1890-1967), работавший в течение 1933-1937 годов в СССР, обнаружил в 1927 году в опытах с дрозофилами сильное мутагенное действие рентгеновских лучей. В даль нейшем было установлено, что не только рентгеновское, но и любое ионизированное облучение вызывает мутации.
Достижения генетики (и биологии в целом) за прошед шее после выхода в свет книги Дарвина «Происхождение видов» время так значительны, что было бы удивительно, если бы все это никак не повлияло на дарвиновскую тео рию эволюции. Два фактора: изменчивость и наследствен ность, которым Дарвин придавал большое значение, полу чили более глубокое толкование.
Итак, дальнейшее развитие биологии и входящей в нее составной частью генетики, во-первых, еще более укрепи ло дарвиновскую теорию эволюции живого мира и, во-вто рых, дало более глубокое толкование (соответствующее до стигнутым успехам в биологии) понятиям изменчивости и наследственности, а следовательно, всему процессу эволю ции живого мира. Более того, можно сказать, что успехи биологии выдвинули эту науку в ряды лидеров естество знания, причем наиболее поразительные ее достижения связаны с изучением процессов, происходящих на молеку лярном уровне.
Молекулярная биология
Прогресс в области изучения макромолекул до второй половины нашего века был сравнительно медленным, но благодаря технике физических методов анализа, скорость его резко возросла.
У. Астбери ввел в науку термин «молекулярная биоло гия» и провел основополагающие исследования белков и ДНК. Хотя в 40-е годы почти повсеместно господствова-
102
ло мнение, что гены представляют собой особый тип белко вых молекул, в 1944 году О. Звери, К. Маклеод и М. Мак-карти показали, что генетические функции в клетке выпол няет не белок, а ДНК. Установление генетической роли нуклеиновых кислот имело решающее значение для даль нейшего развития молекулярной биологии, причем было показано, что эта роль принадлежит не только ДНК, но и РНК (рибонуклеиновой кислоте).
Расшифровку молекулы ДНК произвели в 1953 году Ф.Крик (Англия) и Д.Уотсон (США). Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль.
Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процессом синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих белков. Параллельно с расшифровкой аминокис лотного состава белков проводились исследования их про странственной структуры. Среди важнейших достижений этого направления следует назвать теорию спирали, разра ботанную в 1951 году Э. Полингом и Р. Кори. Согласно этой теории, полипептидная цепь белка не является плос кой, а свернута в спираль, характеристики которой были также определены.
Несмотря на молодость молекулярной биологии, успе хи, достигнутые ею в этой области, ошеломляющи. За срав нительно короткий срок были установлены природа гена и основные принципы его организации, воспроизведения и функционирования. Полностью расшифрован генетический код, выявлены и исследованы механизмы и главные пути образования белка в клетке. Полностью определена пер вичная структура многих транспортных РНК. Установле ны основные принципы организации разных субклеточных частиц, многих вирусов, и разгаданы пути их биогенеза в клетке.
Другое направление молекулярной генетики — иссле дование мутации генов. Современный уровень знаний по зволяет не только понять эти тонкие процессы, но и ис пользовать их в своих целях. Разрабатываются методы генной инженерии, позволяющие внедрить в клетку желае мую генетическую информацию. В 70-е годы появились методы выделения в чистом виде фрагментов ДНК с помо щью электрофореза.
103
В 1981 году процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инже нерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают воз можности управлять живой материей почти так же, как неживой.
В последнее время в средствах массовой информации активно обсуждаются опыты по клонированию и связан ные с этим нравственные, правовые и религиозные пробле мы. Еще в 1943 году журнал «Сайенс» сообщил об успеш ном оплодотворении яйцеклетки в «пробирке». Далее со бытия развивались следующим образом.
1973 год — профессор Л. Шетлз из Колумбийского университета в Нью-Йорке заявил, что он готов произвес ти на свет первого «бэби из пробирки», после чего после довали категорические запреты Ватикана и пресвитериан ской церкви США.
1978 год — рождение в Англии Луизы Браун, первого ребенка «из пробирки».
1997 год — 27 февраля «Нейчур» поместил на своей обложке — на фоне микрофотографии яйцеклетки — зна менитую овечку Долли, родившуюся в институте Рослин в Эдинбурге.
1998 год, начало марта — французские ученые объяви ли о рождении клонированной телочки.
Все это открывает уникальные перспективы для чело вечества.
Клонирование органов и тканей — это задача номер один в области трансплантологии, травматологии и в других областях медицины и биологии. При пересадке клониро ванного органа не надо думать о подавлении реакции от торжения и возможных последствиях в виде рака, развив шегося на фоне иммунодефицита. Клонированные органы станут спасением для людей, попавших в автомобильные
104
аварии или какие-нибудь иные катастрофы, или для лю дей, которым нужна радикальная помощь из-за заболева ний пожилого возраста (изношенное сердце, больная пе чень и т. д.).
Самый наглядный эффект клонирования — дать воз можность бездетным людям иметь своих собственных де тей. Миллионы семейных пар во всем мире страдают, бу дучи обреченными оставаться без потомков.
Расшифровка генома человека
Первоначально (в 1988 году) средства на изучение ге нома человека выделило Министерство энергетики США, и одним из руководителей программы «Геном человека» стал профессор Чарлз Кэнтор.
В 1990 году Нобелевский лауреат Джеймс Уотсон на чал лоббирование конгресса США, и вскоре конгресс распо рядился выделить сразу сотни миллионов долларов на изу чение генома человека. Эти средства были добавлены к бюджету Министерства здравоохранения, оттуда они пере текли в ведение дирекции сети институтов, объединенных под общим названием — Национальные институты здо ровья (National Institutes of Health, сокращенно NIH). В составе NIH появился новый институт — Националь ный институт исследования генома человека (NHGRI, ди ректор Фрэнсис Коллинз).
В мае 1992 года ведущий сотрудник NIH Крэйг Вентер подал заявление об уходе и объявил о создании нового, частного исследовательского учреждения — Института ге номных исследований (The Institute for Genomic Research, сокращенно — TIGR или ТИГР).
Ожидание гигантских прибылей от будущего внедрения результатов изучения геномов хорошо поняли не только в США. В ведущих странах Запада началась настоящая гон ка в отношении вклада средств в исследования геномов. 3 мая 1999 года британский «Велком траст» (формально правительство Великобритании финансирует британскую часть проекта «Геном человека» через этот частный бла готворительный фонд) добавил дополнительно 100 млн фунтов стерлингов (примерно 167 млн долларов) несколь ким английским лабораториям, занимающимся исследова ниями генома человека, из них 77 млн долларов было вы делено на 1999 год Сэнгеровскому центру в Кэмбридже.
105
При первоначальном объявлении сроков завершения проекта в 2003 году предполагалось, что точность иссле дования генома составит 99,99%. Потом сроки подвину ли, основываясь на том, что для биологов и медиков хва тит и 90% -ной точности, зато отрапортовать о завершении генома можно будет к концу 2000 года.
2 декабря 1999 года журнал «Nature» обнародовал дан ные, касающиеся крупного прорыва в исследовании гено ма человека: в основном усилиями английских ученых при активном участии других европейских, японских и амери канских лабораторий был завершен полный анализ одной из хромосом человека (правда, одной из самых малень ких) — хромосомы 22.
На этом гонка отнюдь не затихла. Как сообщил жур нал «Science» со ссылкой на газету «Ле Монд»от 14 мая 1999 года, французское правительство решило в этот мо мент «впрыснуть» дополнительно 330 млн долларов на ближайшие три года в бюджет расположенного рядом с Парижем исследовательского центра генома в Иври.
В июне 1999 года Германия, которая до этого выделя ла явно недостаточно средств на исследования генома че ловека (всего 23 млн долларов в год, начиная с 1996 года), изменила свой подход: на ближайшие пять лет было от пущено 550 млн долларов. В ноябре — декабре 1999 года стало ясно, что ученым удалось убедить правительство увеличить ежегодные траты на исследования генома чело века до 280 млн долларов.
13 июля 1999 года об увеличении выделяемых средств на работы по исследованию генома человека объявило пра вительство Японии.
То, что участвовавшая в начале создания международ
ного проекта «Геном человека» Россия фактически приос
тановила свой вклад в него, можно рассматривать одно
значно отрицательно: Россия обрекает себя в этом отно
шении на скатывание на уровень второстепенных госу
дарств, обреченных на экономическую зависимость в буду
щем от тех, кто вложил средства в эту перспективную на
учную область.
Описание генома человека ученым удалось получить значительно раньше планировавшихся сроков (2005-2010 гг.). Уже в канун нового, XXI века были достигну ты сенсационные результаты в деле реализации указанно-
106
го проекта. Оказалось, что в геноме человека — от 30 до 40 тысяч генов (вместо предполагавшихся ранее 80—100 ты сяч). Это ненамного больше, чем у червяка (19 тысяч ге нов) или мухи-дрозофилы (13,5 тысяч).
Расшифровка генома человека дала огромную, каче ственно новую научную информацию для фармацевтиче ской промышленности. Вместе с тем оказалось, что исполь зовать это научное богатство фармацевтической индустрии сегодня не по силам. Нужны новые технологии, которые появятся, как предполагается, в ближайшие 10-15 лет. Именно тогда станут реальностью лекарства, поступающие непосредственно к больному органу, минуя все побочные эффекты. Выйдет на качественно новый уровень транс плантология, получит развитие клеточная и генная тера пия, радикально изменится медицинская диагностика и т. д.
4.3.5. Кибернетика и синергетика
Впервые термин кибернетика встречается у древнегре ческого философа Платона и означает искусство управлять кораблем (искусство кормчего), а в переносном смысле -искусство управления людьми. Долгое время этим терми ном не пользовались. Только в 1948 г. этот термин был взят на вооружение известным американским математиком Норбертом Винером, который опубликовал книгу «Киберне тика, или управление и связь в животном и в машине».
Данная работа Винера наряду с книгой фон Неймана и О. Моргенштерна «Теория игр и оптимальное поведение» (1944 г.) оказались весьма продуктивными для становле ния электронно-вычислительной техники.
Кибернетика поставила в центр внимания такие поня тия как информация, обратная связь, управление и др. На основе идей Винера удалось создать общую теорию ин формации и связи, применимую в самых различных облас тях — от физики до биологии и языкознания. В развитии теории информации важную роль сыграли также работы советских ученых А.Н. Колмогорова и А.Я. Хинчина.
В кибернетике были предприняты первые серьезные усилия по научному исследованию феномена самооргани зации. Кибернетика имела дело как с живыми, так и с тех ническими (построенными из неживого вещества) управ ляемыми и саморегулирующимися системами, т.е. с систе мами, в которых самоорганизация заложена изначально.
107
Кибернетику интересовали гомеостатические системы, поддерживающие свое функционирование в заданном ре жиме. Само понятие гомеостазиса указывает на то, что в гомеостатической системе речь может идти только о само организации, направленной на достижение оптимальной структуры ее элементов. Такая идея позволяет понять факт устойчивости и сохранения систем (в том числе жи вых). Но с позиций гомеостазиса нельзя понять как воз никают новые системы, причем не только в живой, но и в неорганической природе. К тому же, проблема гомеостазиса в кибернетике рассматривается с чисто функциональной точки зрения и поэтому в ней не анализируются конкрет ные механизмы самоорганизации.
В настоящее время считается установленным, что про цессы самоорганизации (так же как, разумеется, и дезорга низации) могут происходить в сравнительно простых фи зических и химических средах неорганической природы. А это означает, что простейшая, элементарная форма само организации имеет место уже в рамках физической и хи мической форм движения материи. Причем, чем сложнее форма движения материи, тем выше уровень ее самоорга низации.
Синергетика как новая парадигма самоорганизации зародилась в нашей стране. Еще в 60-х годах XX века со ветским ученым Б.Н.Белоусовым были начаты интерес ные эксперименты с так называемыми автокаталитически ми химическими реакциями, которые затем были продол жены A.M. Жаботинским. Эти эксперименты показали, что наличие автокаталитических реакций значительно ускоряет процессы самоорганизации в химической форме движения. Были высказаны веские предположения, что именно авто каталитические самоорганизующиеся химические процес сы послужили основой для перехода от предбиологической к биологической форме движения материи.
Позднее реакция Белоусова-Жаботинского послужило экспериментальной основой для построения математиче ской модели самоорганизующихся процессов в бельгийской школе лауреата Нобелевской премии И.Р. Пригожина. Исследуя по преимуществу процессы самоорганизации в физических и химических системах, И.Р. Пригожин в це лом ряде своих работ (часть из них переведена на русский
108
язык) раскрывает исторические предпосылки и мировоз зренческие основания теории самоорганизации.
В 70—80-х годах XX века работы в области синергетики быстро расширялись, в них включались все новые исследо ватели. Немецкому профессору Г. Хакену (Институт синер гетики и теоретической физики в Штутгарте) удалось объе динить большую международную группу ученых, создавшую серию книг по синергетике. В этих работах представлялись результаты исследований процессов самоорганизации в са мых разных системах, включая и социальные.
В нашей стране разработкой теории самоорганизации на базе математических моделей и вычислительного (ком пьютерного) эксперимента занялась школа академика А.А. Самарского и члена-корреспондента РАН С.П. Кур дюмова. Эта школа выдвинула ряд оригинальных идей для понимания механизмов возникновения и эволюции от носительно устойчивых структур в нелинейных средах.
Синергетику, как новую парадигму, можно предельно кратко охарактеризовать тремя ключевыми идеями: само организация, открытые системы, нелинейность.
Физика XIX века ввела понятие о необратимых процес сах. Провозглашая необратимый характер физических из менений, классическая термодинамика считала, что эти изменения могут происходить лишь в сторону увеличения энтропии, а следовательно, усиления хаоса, дезорганизации материальных систем. Эти представления об эволюции физических (неорганических) систем, способных лишь к движению в сторону дезорганизации, находились в резком противоречии с самоорганизацией живых систем.
Но физика XIX столетия рассматривала лишь закры тые, изолированные от окружающей среды системы, в ко торых энтропия действительно имеет тенденцию к возрас танию. Такие системы «эволюционируют» в сторону тер модинамического равновесия и дезорганизации - в полном соответствии со вторым началом термодинамики. Однако в наше время считается установленным, что представле ние прежней физики о закрытых системах схематизиру ет и упрощает действительность, то есть является весьма сильной идеализацией, которая реально в природе не встре чается.
Во второй половине XX века в науке утвердилось пред ставление согласно которому открытость системы явля-
109
ется непременным условием самоорганизации. Еще до появления синергетики американский кибернетик Г. Ферс-тер выразил это достаточно ясно. «Термин самоорганизу ющаяся система», - писал он, - становится бессмысленным, если система не находится в контакте с окружением, кото рая обладает доступным для нее энергией и порядком и с которым наша система находится в состоянии постоян ного взаимодействия, так что она умудряется как-то «жить» за счет этого окружения»31.
Тот факт, что для самоорганизации необходима откры тая система, то есть система, обменивающаяся с окружаю щей средой веществом и энергией, ставил под сомнение универсальную справедливость выводов классической тер модинамики, имеющей дело с закрытыми системами (кото рые изолированы от окружающей среды и которые, как уже отмечалось выше, фактически не встречаются в природе). Оказалось, что принцип Больцмана (второе начало термо динамики) в буквальном смысле не применим к системам открытого типа. Конечно, и в открытых системах может нарастать энтропия, происходить увеличение беспорядка (дезорганизации), но за счет обмена энергией с окружающей средой эти процессы могут приостанавливаться и даже приобретать обратный характер. В такого рода системах, грубо говоря, использованная, «обесцененная» энергия рас сеивается в окружающей среде (а взамен поступает новая энергия из среды). Поэтому подобные системы, или струк туры получили наименование «диссипативные», что в пе реводе с английского означает «рассеивающие». Данное понятие сыграло важную роль в становлении синергетики32.
Разработка теории диссипативных структур показало, что диссипация - это не фактор разрушения, а необходи мое и важное свойство процессов самоорганизации. Именно диссипация есть необходимый процесс, способствующий выстраиванию упорядоченной структуры в нелинейной от крытой среде.
Диссипативные структуры, не подчиняющиеся принци пу Больцмана, связаны с совершенно другим принципом, который И.Р. Пригожин назвал «возникновение порядка через флуктуации». Как рождается порядок из хаоса (бес порядка)? - ставит вопрос И.Р. Пригожин (и этот вопрос выносит в заголовок своей основополагающей работы по синергетике, написанной в соавторстве с И. Стенгерс)33.
110
С его точки зрения, инициирующим началом самострук турирования нелинейной открытой среды является малая флуктуация. Под флуктуациями в синергетике понимают случайные отклонения величин, характеризующих систему, от средних значений. Таким образом, синергетическое по нятие флуктуации оказалось тесно связанным с философ ской категорией случайности.
Синергетика по-новому осветила место и роль случай ности в эволюции материального мира. Она опровергла тот привычный взгляд, будто случайная флуктуация несуще ственна, ибо маломасштабна, и в силу этого, не может оп ределять путь развития системы. С точки зрения синерге тики, в открытых нелинейных системах (а таковые типич ны в мире, в котором мы живем) случайное малое воз действие - флуктуация - может приводить к весьма суще ственному результату. Таким образом случайность игра ет особую, конструктивную (можно даже сказать — креатив ную) роль в процессах самоорганизации, происходящих в материальном мире.
Формирование синергетики в последней четверти XX сто летия оказалось в чем-то схожим со становлением кибер нетики в середине этого столетия. Такая схожесть основы вается на обнаруженной общности в феноменах, имеющих место в системах неживой и живой природы, а также в со циальных системах. Во всех этих материальных системах имеют место процессы самоорганизации.
Вместе с тем между кибернетикой и синергетикой су ществует и значительное различие. Кибернетика, возник шая на рубеже 40-50-х годов XX века, претендовала на общенаучное значение в изучении процессов управления, имеющих место в некоторых неорганических (созданных человеком), биологических и социальных системах. И, надо сказать, она успешно отстояла свой общенаучный статус. Синергетика претендует сегодня на большее: она выступает уже как новое миропонимание, как основа концепций гло бального и космического эволюционизма.
Итоги ушедшего столетия
На границе столетий всегда какая-то часть людей была озабочена поисками символов ушедшего времени. Вот и ныне — периодические издания дружно выделяют события, ставшие этапными и оказавшие влияние на жизнь чело-
111
вечества в прошедшие сто лет. Называют атомную бомбу, компьютеры и Интернет, открытие генетического кода и клонированную овечку. Если посмотреть повнимательнее и на прочие более мелкие события века, то все равно ока жется, что, подводя итоги времен, люди выделяют прежде всего и чаще всего достижения науки и техники.
Известное приложение к «Независимой газете» — «НГ-Наука» в течение 2000 года проводила рейтинговые опросы читателей по четырем, как принято сегодня говорить, но минациям:
самые выдающиеся ученые столетия;
открытия и научные концепции (теории), в наибольшей
степени повлиявшие на развитие цивилизации в XX в.;
наиболее значимые технологии и изобретения;
самые грандиозные реализованные технические (инже
нерные) проекты.
В результате, как и планировала «НГ-Наука», появился список — «Золотая сотня» науки и техники XX в., состав ленный по мнениям читателей.
Самые выдающиеся ученые столетия
112
113
Открытия и научные концепции (теории), в наибольшей степени повлиявшие на развитие цивилизации в XX в
114
Наиболее значимые технологии и изобретения
Реализованные инженерные проекты
115
Вопросы для самоконтроля
116
20. Синергетика как новое миропонимание конца
XX века.
Примечания
1 Космология — учение о Вселенной.
2 Чанышев АЛ. Курс лекций по древней философии. М.,
1978. С.143-144.
117
3 Схоластика (от греч. «схоластикос» — школьный)
средневековая «школьная философия», представители ко
торой стремились рационально обосновать и систематизи
ровать христианское вероучение.
4 Клавдий Птолемей (прибл. 90-168 гг. н.э.) по пра
ву считается одним из крупнейших ученых античности. Он
серьезно занимался математикой, увлекался географией,
много времени посвящал астрономическим наблюдениям.
Главный труд Птолемея, носивший название «Математи
ческая система», определил дальнейшее развитие астроно
мии более чем на тысячелетие. В период упадка александ
рийской школы греческий оригинал этого сочинения был
утерян. Сохранился только его арабский перевод, который
много позднее, уже в XII веке, был переведен на латинский
язык. Поэтому книга Птолемея дошла до нас под араб
ским латинизированным названием «Альмагест».
5 Де Бройль Л. По тропам науки. М., 1962. С. 9.
6 Цит. по: Верная Дж. Наука в истории общества. М.,
1956. С. 223.
7 Бруно Дж. О бесконечности Вселенной и мирах. М.:
ОГИЗ, 1936. С. 160.
8 Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.
С.8.
9 Вавилов СМ. Исаак Ньютон. М., 1989. С. 117.
10 Верная Дж. Наука в истории общества. С. 266.
11 В XVII-XVIII веках древнегреческий термин «атом»
(неделимый) часто заменяли латинским термином «кор
пускула», т.е. частичка («корпускула» — уменьшительное
от латинского слова «корпус» — тело).
12 Цит. по: Зубов В.П. Развитие атомистических пред
ставлений до начала XIX в. М., 1965. С. 246.
13 Там же. С. 245-246.
14 Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 19. С. 202.
15 Там же. С.203.
16 Цит. по: Алексеев В.П. От животных к человеку. М.,
1969. С.7.
17 Космогония — учение о происхождении и развитии
Вселенной.
18 Цит. по: Хэллем Э. Великие геологические споры.
М., 1985. С. 105.
19 Цит. по: Холличиер В. Природа в научной картине
мира. М., 1966. С. 109.
118
20 Цит. по: Кудрявцев П.С. Курс истории физики. М.,
1982. С.208.
21 Маркс К., Энгельс Ф. Соч. Т. 20. С. 353.
22 Там же. С. 304-305.
23 Цит. по: Бернал Дж. Наука в истории общества.
С. 265.
Сравнение с Солнечной системой было не случайно: диаметр Солнца (1,4-106 км) почти во столько же раз меньше размеров Солнечной системы (6-109 км), во сколько размеры ядер (10-12 см) меньше диаметра атома (10-8 см).
25 Цит. по: Парнов Е.И. На перекрестке бесконечнос
тей. М., 1967. С. 294.
26 Данин Д. Нильс Бор // Известия, 22 янв. 1998. С. 5.
27 Цит. по: Дынкин А.А. Новый этап НТР. М., 1991.
С. 38.
28 До этого Нобелевская премия в области физики при
суждалась отечественному ученому более двадцати лет на
зад: в 1978 году лауреатом этой премии стал знаменитый
ученый-физик, академик П.Л. Капица за исследования в
области физики низких температур.
29 Энтропия — понятие, появившиеся в термодинами
ке и означающее меру неупорядоченности (беспорядка, хао
са) системы.
30 Хаос — термин древнегреческого происхождения, ас
социировавшийся у древних мыслителей с образом темной,
«зияющей» бездны. Как отмечает известный специалист
по истории античной философии А.Н.Чанышев, «древне
греческое слово «хаос» происходит от глагола «хайно» —
раскрываюсь, разверзаюсь. Это первичное, бесформенное
состояние мира» (см.: Чанышев А.Н. Курс лекций по древ
ней философии. М., 1981. С.110).
31 Ферстер Г. О самоорганизующихся системах и их
окружении // Самоорганизующиеся системы. М., 1964.
С. 116.
32 Под диссипацией понимаются процессы рассеивания
энергии, превращение ее в менее организованные формы
(например, - в тепловую энергию из-за наличия трения,
вязкости и т.п.).
33 Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый
диалог человека с природой. М., «Прогресс», 1986.
119
Раздел III
ЭЛЕМЕНТЫ
СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
I Пространство и время
1.1. Развитие представлений о пространстве и времени в доньютоновский период
Пространство и время являются основными категория ми в физике, ибо большинство физических понятий вводят ся посредством операциональных правил, в которых ис пользуются расстояния в пространстве и времени. В то же время пространство и время относятся к фундаментальным понятиям культуры, имеют длительную историю, важное место занимают как в учениях Древнего Востока, так и в мифологии, а позднее в науке Древней Греции. Большое влияние на формирование понятий пространства и време ни как научных категорий сыграла пифагорейская школа. «Вселенная втягивает из беспредельного время, дыхание и пустоту», — говорит Пифагор. Причем «пустота» у пифа горейцев не имеет такого строгого понятия как у атомис тов, это — скорее, неоформленное, безграничное простран ство. В этом беспредельном пространстве зародилась Еди ница, сыгравшая роль семени, из которого вырос весь кос мос. Вытягиваясь в длину, она порождает число 2, что в геометрической интерпретации означает линию; линия, вытягиваясь в ширину, порождает число 3 — плоскость; плоскость, вытягиваясь в высоту, порождает число 4 — объем. Таким образом, уже пифагорейцы, описывая космос, осознают (воспринимаемый и нами с самого раннего дет ства, как очевидный) факт трехмерности пространства, в котором мы живем.
120
Платон, развивая учение пифагорейцев о математиче ском начале мира, впервые в античной науке вводит поня тие геометрического пространства. До Платона в античной науке пространство не рассматривалось как самостоятель ная категория, отдельно от его наполнения. Платон же помещает между идеями и чувственным миром геометри ческое пространство, рассматривая его как нечто среднее, «промежуточное» между ними. Пространство понимается им как «интеллигибельная материя». Если математиче ские числа — это чисто идеальные сущности, то всевозмож ные математические объекты — сущности промежуточные, и получаются они путем соединения числа и материи. Сформировав впервые в истории науки философию объек тивного идеализма, признавая идеи — первичными сущно стями (бытием), Платон тем не менее считал, что идея (еди ное) не может не существовать, не быть познанной без со отнесенности с другим, с материей, представляющей собой множество чувственно воспринимаемых вещей. Таким об разом, Платон рассматривает три реальности: бытие — сфера идеального; возникновение — сфера чувственных ве щей и пространство — не идеальное и не чувственное. Со ответственно математика выполняет роль посредника меж ду сферами чувственного и идеального бытия; геометриче ские же объекты являются результатами сращивания идеи с интеллигибельной материей, то есть с пространством. Платон проводит классификацию математики, делит ее на четыре части: арифметику, геометрию, геометрию, изучаю щую тела, имеющие три измерения, и астрономию. Так что философия Платона также использует представление о трехмерности пространства. Познать природные элементы, по Платону, это значит познать их геометрически, то есть определить их пространственное образование. Поэтому и атомы Платона, соответствующие 4 стихиям: огонь, воздух, вода и Земля, различны, ибо представляют собой различные геометрические многоугольники: атомы Земли имеют форму куба, огня — форму тетраэдра (четырехгранник), воздуха — форму октаэдра(восьмигранник), воды — форму икосаэдра (двадцатигранник). Учение Платона может быть рассмот рено как попытка геометризации мира. Характерно, что развитие современной физики своей важнейшей задачей имеет проблему геометризации физики, на основе которой
121
предполагается возможным построение единой теории всех физических взаимодействий. Речь об этом пойдет ниже. Здесь же уместно привести мнение одного из величайших физиков современности В.Гейзенберга: «... современное развитие физики повернулось от философии Демокрита к философии Платона. В самом деле, именно в соответствии с убеждениями Платона, если мы будем разделять материю все дальше и дальше, мы в конечном счете придем не к мельчайшим частицам, а к математическим объектам, оп ределяемым с помощью симметрии, платоновским телам и лежащим в их основе треугольникам. Частицы же в со временной физике представляют математические абстрак ции фундаментальных симметрий».
Платоново-пифагорийская научно-исследовательская программа была развита в эллинистический период в ра ботах Клавдия Птолемея, Аполлония, Архимеда и Евклида. В главном труде Евклида — «Началах» излагаются основ ные свойства пространства и пространственных фигур.
В современной науке широко используется понятие ев-клидового пространства как плоского пространства трех измерений. Систематическое изучение пространства и про странственных фигур греками было подчинено главной цели — исследованию природы, в структуре которой воп лощены геометрические принципы.
Следует отметить, что наряду с понятием пространства в Древней Греции были выработаны такие понятия как пустота и эфир. Эти понятия неразрывно связаны с пред ставлениями о свойствах пространства, и принятие или неприятие их как основополагающих в структуре науки, существенно влияет на ход развития самой физической науки, о чем свидетельствуют катаклизмы, происходившие в физике на протяжении всего ее развития, в особенности на рубеже XIX-XX веков.
Впервые соотношение противоположностей «бытия» и «небытия» рассматривается в философии Гераклита, пред метом рефлексии они становятся в философии элеатов, представителями которой являются Парменид, Зенон, Ксе-нофан. В их учениях выкристаллизовывается прототип будущей пустоты Демокрита. В качестве первоначала всего сущего «пустота» впервые определяется в философии ато мистов. Теория Левкиппа-Демокрита — это попытка обос-
122
нования возможности движения. Существование пустоты постулируется ими именно в целях решения проблемы движения: движение сводится к простейшему перемеще нию атомов в пустоте. В учении атомистов пустота входит в качестве первоначала на равных правах с атомами. Ато мы, в отличие от пустоты, это полное и твердое сущее, ли шенное каких-либо внутренних различий, и поэтому неде лимое, неизменное, вечное. Первоначально «пустота» име ла греческое название «kenon». После изложения теории атомизма в поэтически образной форме римским ученым и поэтом Лукрецием Кара в поэме «О природе вещей» в науке укрепился латинский перевод этого понятия — «vacuum».
Одновременно в греческую науку входит и понятие «эфира», как нечто противоположного пустоте, «обнимаю щего все прочее». Так что понятия вакуума и эфира с са мого своего возникновения соответствуют различным пред ставлениям о состоянии мира.
В эпоху Возрождения достигается осознание взаимосвя зи между механикой и геометрией, чего не было в филосо фии древних греков. Это привело к представлению о гео метрическом объекте, движущемся в пространстве с тече нием времени. Это, бесспорно, серьезный шаг в направ лении возникновения физики как стройной системы зна ний, в фундамент которой закладываются представления о пространстве и времени как исходных понятий науки. Однако каковы особенности и характерные черты этого пространства? Заполнено ли оно эфиром или является пус тым? Вопрос этот не был праздным, решение его играло роль глубинной предпосылки построения в дальнейшем всего каркаса ньютоновской физики. Леонардо да Винчи и другие мыслители эпохи Возрождения вплотную подходили к формулированию принципа инерции, но не могли сделать последнего шага, так как не представляли себе движения в абсолютной пустоте, где движущееся тело не встречает никакого сопротивления. Шаг этот сделал Галилео Гали лей. Не случайно, историки науки связывают именно с именем Галилея возникновение физики как самостоятель ной научной дисциплины, потому что именно Галилей при менил научный метод исследования, в основе которого ле жал научный эксперимент с характерной для него чер-
123
той — идеализацией ситуации, позволяющей устанавли вать точные математические закономерности явлений при роды. Галилей объявил сопротивление среды несуществен ной стороной своих законов. Признание им существования пустоты позволило ему объяснить равные скорости паде ния различных тел и сформулировать принцип инерции. В своем труде «Диалог о двух главнейших системах ми ра — птолемеевой и коперниковой» в «Дне втором» Гали лей формулирует два основных принципа механики — принцип инерции и принцип относительности.
По существу, эти принципы описывают свойства про странства Вселенной. Окончательную формулировку оба принципа получили в механике Ньютона. И это связано с тем, что Галилеем используется представление об инерци-альных круговых движениях, на этом построена вся небес ная механика «Диалогов». Представление о прямолиней ном инерциальном движении было развито Декартом, од нако он отрицал существование пустоты. И лишь в меха нике Ньютона произошло объединение двух идей — идеи пустого пространства и прямолинейного инерциального движения.
Галилей вплотную подошел к созданию динамики как части механики, описывающей причины изменения состоя ния движения тел; он впервые связывает понятие силы с ускорением, а не со скоростью, как это было принято до него. Однако являясь приверженником нового мышления, новой методологической установки, отличной от установок Аристотеля и его последователей, он считал истинной це лью естествознания не поиск причин, тем более не умо зрительное выдумывание их, а строгое математическое опи сание их. «Сейчас неподходящее время для занятий воп росом о причинах ускорения в естественном движении (имеется в виду свободное падение тел — Авт.), по пово ду которого различными философами было высказано столько различных мнений», — говорит он устами Саль-виати в книге «Беседы и математические доказательства, касающиеся двух новых отраслей знаний». Зато он опре деляет кинематический закон равноускоренного движения, определяет, что путь, пройденный телом прямо пропорцио нален квадрату времени, в течение которого тело движет ся. Жизнь и творчество Галилея подготовили как в мето-
124
дологическом, так и в научном плане почву для сверше ний Исаака Ньютона, положившими начало новой эре в на уке в целом и не утратившими своего непреходящего зна чения в наши дни. Однако для более полного представле ния о том, какую роль в физике Ньютона играют понятия пространства и времени, необходимо рассмотреть точку зре ния на эти понятия еще одного выдающегося мыслителя Нового времени Рене Декарта.
Основная задача, поставленная Декартом, — математи зация физики, точнее ее геометризация по типу евклидовой геометрии. Изучение физического мира возможно только с помощью математики. «Из всех, кто когда-либо занимал ся поиском истины в науках, только математикам удалось получить некие доказательства, то есть указать причины, очевидные и достоверные», говорит он в «Рассуждении о методе». Следовательно и физика должна опираться на небольшое число аксиом, из которых дедуктивно выводится упорядоченная последовательность выводов, обладающих той же степенью достоверности, что и первичные аксиомы. Объективный мир, по Декарту, не что иное как материали зованное пространство или воплощенная геометрия. Из тождественности материи и пространства Декарт делает вывод о бесконечной делимости материи и, следовательно, о несуществовании неделимых атомов и пустоты. В мире не существует пустого пространства, ибо в этом случае су ществовала бы нематериальная протяженность. Протяжен ность материальна, следовательно, пространство заполнено субстанцией. Форма тел сводится к протяженности, масса сводится к геометрическому пространственному объему тела, индивидуальность которого проявляется только в движении. Разграничение собственно тела и пространства представляется следствием различных скоростей частей пространства. Итак, фундаментальными свойствами мате рии являются протяженность и движение в пространстве и во времени. И эти свойства могут быть строго описаны математически. «Дайте мне протяженность и движение, и я построю Вселенную», — таков основной тезис Декарта. Отрицая пустоту, Декарт постулирует существование эфи ра. Позиция Декарта как геометра физики предпослала создание им новой области математики — аналитической геометрии. Он вводит координатную систему, известную
125
как декартова система координат, а также представление о переменной величине. Иными словами, в математику про никает движение, что само по себе подготавливает почву для возникновения дифференциального и интегрального исчисления.
Следует сказать, что Декарт выделяет два основных акта мышления, с помощью которых можно получать но вое знание без риска впасть в заблуждение — это интуи ция и дедукция. Опираться на интуицию надежнее всего, потому что интуиция — это то, что запечатлено богом в нашей душе. Бог является хорошим математиком, и при сотворении мира он, бесспорно, пользовался хорошо проду манным математическим планом. Именно поэтому интуи ция — более надежное знание, на основании которого с помощью дедукции возможно получение строгих и не ме нее достоверных выводов. Причем бог не просто создал мир, но и каждое мгновение обеспечивает его существова ние. Конечно, доказательство существования бога Декар том — типичное явление для культуры того времени. Тем не менее, именно теологические посылки приводят Декар та к формулированию принципа инерции и закона сохра нения количества движения, которые, согласно Декарту, являются проявлениями абсолютного совершенства бога. Принцип инерции, согласно которому, «каждая частица материи продолжает находиться в одном и том же состоя нии, пока столкновение с другими частицами не вынуждает ее изменить это состояние» и что «каждая частица тела по отдельности всегда стремится продолжать свое движение по прямой линии», является результатом во-первых, неиз менности бога и, во-вторых, непрерывности действия бога. Из неизменности бога следует и сохранение количества движения, ибо «если предположить, что с самого момента творения он вложил во всю материю определенное коли чество движения, то следует предположить, что он всегда сохраняет его в таких же размерах».
1. 2. Пространство и время
в классической механике Ньютона
Натурфилософия Ньютона представляет собой синтез различных методологических установок его предшествен ников в единую целостную концепцию: идея пустого про-
126
странства связывается с идеей инерциального прямолиней ного движения (Галилей, Декарт); аристотелевская концеп ция непрерывного пространства и непрерывного времени связывается с платоновским идеалом описания движения как всеобщего отношения; в основу иерархического строе ния вещества кладется атом Демокрита, который в Новое время рассматривается уже как экспериментально иссле-дуе-мая частица. Любая вещь считается составленной из атомов и может быть разложена на свои составляющие.
Представление о пустоте у Ньютона связывается с су ществованием абсолютного пространства: «Абсолютное пространство по самой своей сущности, безотносительно к чему бы то ни было внешнему остается всегда одинаковым и неподвижным». Ньютон определяет также и абсолютное, истинное математическое время: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и самой своей сущнос ти, безо всякого отношения к чему-либо внешнему проте кает равномерно и иначе называется длительностью». «Время и пространство представляют собой как бы вмес тилища самих себя и всего существующего. Во времени все располагается в смысле порядка последовательности, в пространстве — в смысле порядка положения. По самой своей сущности они есть места, приписывать же первичным местам движения нелепо. Вот эти-то места и суть места абсолютные, и только перемещения из этих мест составля ют абсолютные движения...». Ньютон подчеркивает , что само по себе движение имеет относительный характер, «от носительное движение тела может быть и произведено и изменено без приложения сил к этому телу», то есть в за висимости от системы отсчета, относительно которой это движение рассматривается. При этом система отсчета должна обязательно либо покоиться, либо двигаться рав номерно и прямолинейно по отношению к абсолютному пространству. В механике Ньютона работает принцип от носительности Галилея, о чем речь пойдет несколько ниже. Понятие силы Ньютон вводит в качестве абсолютного эле мента. Истинное абсолютное движение, в отличие от отно сительного, «не может ни произойти, ни измениться ина че, как от действия сил, приложенных непосредственно к движущемуся телу». Ньютон дает также динамическую трактовку массы тела, как индивидуальной характеристи-
127
ки тела по отношению к нетождественному ему пустому пространству. То есть понятия «силы» и «массы» у Нью тона — это как бы «надпространственные» понятия. Сам факт введения Ньютоном пространства пустого, постули рование им абсолютного пространства было продиктова но трудностями, возникшими при объяснении движения тел в неинерциальных системах отсчета, с невозможностью объяснения наличия сил инерции в системах отсчета, дви жущихся с ускорением, взаимодействием тел. (Вспомните, что вы чувствуете, если внезапно затормозится трамвай, в котором вы едете, или что вы испытываете, находясь на вращающейся карусели? В трамвае вам кажется, что вас кто-то толкает в направлении движения. На карусели воз никает чувство, что вот-вот вас с карусели сбросит в направ лении от центра. В обоих примерах вам кажется, что на вас действует сила, хотя вы не можете указать, результа том взаимодействия каких тел является эта сила. Ньютон сам проделывал опыт с вращающимся ведром с водой. При определенной скорости движения ведра при прохож дении им верхней точки окружности дном вверх вода из ведра не только не выливалась, но и образовывала вогну тый мениск, стремясь как можно дальше отойти в направ лении от центра окружности). Эту-то непонятную силу Ньютон назвал силой инерции и считал ее происхождение следствием ускоренного движения тел по отношению к пустому вместилищу — абсолютному пространству. Введе ние же абсолютного времени, то есть времени, не зависящего от движения, основывается на постулате о мгновенном рас пространении взаимодействий в пустоте, что явилось осно вой построения Ньютоном теории тяготения. Следует ска зать, что в доньютоновский период большинство попыток построения теории тяготения основывалось на использо вании представления об эфире. Известно, что и Ньютон пытался объяснить тяготение наличием эфира. Однако в конце концов Ньютону удается построить стройную теорию, связывающую механику Галилея и законы движения пла нет Кеплера, основывающуюся на идее пустого простран ства и мгновенной скорости передачи взаимодействий на любые сколь угодно дальние расстояния. Тем самым Нью тон формулирует в науке принцип дальнедействия.
128
Механика Ньютона, развитая в работах Д'Аламбера, Лагранжа, Лапласа, Гамильтона, Якоби и др. получает стройную завершенную форму, зиждищуюся на принципах, определяющих научную картину мира того времени, назы ваемую механистической научной картиной мира. В ряде ее принципов следующие:
4. Редукционизм и элементаризм. Механистическая концепция целого и части.
Принципы эти являются следствием представлений о непрерывном пустом пространстве и непрерывном времени, в которых выделено индивидуальное тело. Себетождествен ность движущегося тела гарантируется непрерывным из менением координат и непрерывным изменением времени. Благодаря этому континуалистскому, берущему начало из физики Аристотеля, взгляду, позволяющему одновремен но зарегистрировать существование тела и определить его скорость в каждой точке интервала между одним положе нием и другим, делается вывод о том, что перед нами одно и то же тело, само себе тождественное. Континуалистская методология явилась основой для возникновения диффе ренциального и интегрального исчислений в Новое время (Ньютон, Лейбниц). Из непрерывности состояний себетож-дественного физического объекта вытекает существование дифференциальных уравнений, с помощью которых, зная начальные условия, можно с абсолютной достоверностью предсказать все последующее движение тела. Интегриро вание дифференциальных уравнений сводится к вычисле нию траекторий движения частицы, которые дают полное описание поведения частицы как в прошлом, настоящем, так и в будущем, то есть характеризуются свойствами де терминированности и обратимости. Достаточно задания начальных условий и уравнений движения тела, чтобы по лучить полное описание движения частицы. Собственно, ос новной задачей механики является определение траектории движения тела, то есть установления строгой причинной за-
5. Зап. 671 129
висимости координат (положения тела в пространстве) в зависимости от времени.
Траектория — это линия, которую описывает тело в пространстве при своем движении. Подчеркнем, что в ме ханике Ньютона движение тела происходит но строго оп ределенным траекториям, то есть вследствие себетожде-ственности, индивидуальности физического объекта мы все гда можем одновременно измерить и его координату, и его скорость.
Представления об иерархическом строении вещества и о себетождественности физического объекта сформировали механистическую концепцию части и целого в ньютонов ской физике, в основе которой лежат принцип редукцио низма и элементаризма. Можно выделить три основных момента этой концепции:
а) целое рассматривается как простое соединение элемен
тов. Возможно разложение, разделение целого на его
элементы, то есть редукция сложного к простому;
б) элементы целого рассматриваются как неизменяющие
ся, простые, неделимые;
в) элемент внутри и вне целого один и тот же. Это фор
мирует представление об объекте познания как само
стоятельной сущности с присущими ему характеристи
ками и свойствами, не зависящими от условий позна
ний, а тем более от познающего его субъекта.
Заложенная Ньютоном в основания его физики идео
логия адекватно служила целям науки на протяжении
длительного периода вплоть до начала двадцатого столетия.
Пространство и время в его теории играют роль строи
тельного каркаса, поддерживающего все стройное здание
классической физики. Принятие Ньютоном пустоты фор
мирует концептуальные основания физической науки. Аб
солютное пространство и абсолютное время предстают в
механике Ньютона как нечто, отличное от материи, и, бес
спорно, противоположное эфиру. Однако впоследствии этим
понятиям предстояло «материализоваться» в теориях, ис
ходивших как раз из представлений о «неподвижном»
эфире. Следует сказать, что наука удерживала оба поня
тия — и понятие пустого пространства и понятие эфира
вплоть до возникновения теории относительности Эйнш
тейна. Теория относительности, а впоследствии кванто
вая теория поля привели к отрицанию эфира и наполни-
130
ли иным содержанием само понятие вакуума. Однако это оказалось возможным вследствие критического анализа и пересмотра основ ньютоновских принципов, с одной сторо ны, и теорий, опирающихся на концепцию эфира, с другой. Тем не менее, концепция эфира сыграла немаловажную роль в развитии такого физического понятия как поле.
1.3. Дальнедействиеи близкодействие. Развитие понятия «поля»
В механике Ньютона тела взаимодействуют на расстоя нии, и это взаимодействие происходит мгновенно. Именно эта мгновенность передачи взаимодействий и обуславлива ет ненужность какой-либо среды и утверждает принцип дальнедействия. Известно, что Декартом развивалась про тивоположная точка зрения на природу взаимодействий, согласно которой материя взаимодействует с материей лишь при непосредственном соприкосновении. Таким агентом, передающим взаимодействия от тела к телу, яв ляются частички эфира. Эфир трактуется Декартом как тончайшая жидкость, безграничной протяженности, суще ствующей повсюду, — как в порах тел, так и вне их, как подвижный, текучий, непрерывный. Последователем Декар та стал голландский математик и физик Христиан Гюй генс. Известны два альтернативных взгляда на природу света — корпускулярная точка зрения, отстаиваемая Нью тоном, согласно которой свет — поток частиц, корпускул. И точка зрения Гюйгенса о волновой природе света, соглас но которой свет — это волна, распространяющаяся в уп ругой механической среде, которая есть светоносный эфир. Наряду со светоносным эфиром, для объяснения электри ческих свойств тел Бенджамином Франклином вводится понятие электрического эфира, а Францем Эпинусом — понятие о магнитной жидкости. Как писал Кельвин: «Многие труженики и мыслители помогли выработать в XIX в. понятие «пленума» — одного и того же эфира, слу жащего для переноса света, теплоты, электричества и маг нетизма». Тем не менее, идея абсолютного пустого про странства одерживает, благодаря авторитету Ньютона, по беду над концепцией эфира вплоть до начала XIX века. И лишь работы Юнга и Френеля по изучению явлений ин-
5* 131
терференции и дифракции света (явления интерференции и дифракции сами по себе свидетельствуют именно о вол новой природе света) приводят к возрождению концепции светоносного эфира и тут же наталкиваются на весьма се рьезные затруднения, состоящие в установлении попереч-ности световых волн. Если световые волны понимать как упругие механические волны, распространяющиеся в эфи ре, то в случае их поперечности эфир должен быть твердым телом1.
Гипотеза упругих колебаний эфира на повестку дня выносила вопрос: неподвижен ли сам эфир или же он дви жется? Если он движется, то увлекается ли движущимися телами? Для спасения эфира были предприняты попытки различных ученых, которые привели к трем концепциям природы эфира, высветив тем самым конкретные пути для разрешения вопроса о существовании эфира как такового. Первая из них определяла эфир как неподвижную среду, не увлекающуюся движущимися телами. Вторая гласила о полном увлечении эфира движущимися телами, вслед ствие чего различные слои эфира должны иметь различные скорости. И, наконец, третья точка зрения, высказанная Френелем, о частичном увлечении эфира движущимися телами. Проблемная ситуация в физической теории тотчас же стимулировала постановку экспериментов, в ряду наи более блистательных из которых являются опыт Физо и опыт Майкельсона. Однако проблема казалась неразреши мой, ибо результаты опытов Физо свидетельствовали о час тичном увлечении эфира, результаты опытов Майкельсо на — о полном увлечении эфира, явление же аберрации света указывает на то, что если эфир существует, то он не подвижен. Все точки зрения, базирующиеся на динамиче ских теориях эфира, оказались несостоятельными и были опровергнуты специальной теорией относительности Эйн штейна, подготовив тем не менее необходимую почву для ее возникновения.
Хотя гипотеза эфира была устранена наукой XX века, она оставила несомненно важный след в формировании физических понятий. Ведь принятие эфира — это, по су ществу, принятие точки зрения близкодействия — передачи взаимодействия от одной точки эфира к другой, что приве ло в исследованиях Фарадея и Максвелла к выработке понятия поля.
132
Фарадей принимает электрическое действие на расстоя нии, однако не на основе ньютоновского взаимодействия, а посредством силовых линий, которые соединяют друг с дру гом частицы. Таким образом, взаимодействие рассматри вается через колебания высокого порядка в силовых лини ях, приобретающих в теории Фарадея реальный статус. В механике Ньютона сила, а тем более линия действия силы не рассматривались в качестве материально протя женной субстанции, и новый взгляд Фарадея наполнил пустое пространство Ньютона непрерывной совокупностью материальных субстанций — силовым полем (хотя в со временной физической теории силовые линии не имеют того статуса, которое придавал им Фарадей, а служат для наглядной иллюстрации полей). Развивая взгляды Фара дея, Максвелл в своей работе «Динамическая теория поля» пишет: «Теория, которую я предлагаю может быть назва на теорией электромагнитного поля, потому что имеет дело с пространством, окружающим электрические и магнитные тела, и она может быть также названа динамической тео рией, поскольку она допускает, что в этом пространстве имеется материя, находящаяся в движении, посредством которой и производятся наблюдаемые электро-магнитные волны». Таким образом, у Максвелла мы находим конста тацию существования поля как реальности и одновремен но признание им материальной среды — эфира. Иными словами, поле он рассматривает как возбужденное состоя ние эфира. В дальнейшем поле как реальность наделяет ся теми же характеристиками, что и вещество — энерги ей, массой (введено Дж. Томсоном), импульсом (определен ным из опытов по измерению давления света П.Н. Лебеде вым). К началу XX века физика изучает материю в двух ее проявлениях — веществе и поле. Обе эти модификации рассматриваются как равноправные, обе обладают такими характеристиками как энергия, масса, импульс. Частицам вещества приписываются такие свойства как дискретность, конечность числа степеней свободы, в то время как поле ха рактеризуется непрерывностью распространения в про странстве, бесконечным числом степеней свободы. Струк тура электромагнитного поля резюмируется в семи уравне ниях Максвелла. Эти уравнения отличаются от уравнений механики. Уравнения механики применимы к областям
133
пустого пространства, в которых присутствуют частицы. Уравнения же Максвелла применимы для всего простран ства независимо от того присутствует там вещество (в том числе, заряженные тела), иными словами, позволяют просле дить изменения поля во времени в любой точке простран ства, то есть получить уравнение электромагнитной волны. Уравнения Максвелла позволяют описывать все известные электрические и магнитные явления. Тот факт, что семь уравнений Максвелла увязывают воедино большое число физических законов, да к тому же имеют простую изящную симметричную форму, по сей день вызывает истинное эсте тическое восхищение физиков. Людвиг Больцман выска зался по поводу уравнений Максвелла словами Фауста (Гете «Фауст»: «Начертан этот знак не бога ли рукой!»). Исходя из своих уравнений, после ряда преобразований Максвелл устанавливает, что электромагнитные волны рас пространяются с той же скоростью, что и свет, и приходит к выводу о том, что свет — это электромагнитная волна, что было позднее, уже после смерти Максвелла, эксперимен тально подтверждено Г. Герцем.
Поле возникает как развитие идеи эфира, утверждая принцип близкодействия, отвергая представления о пустоте, о вакууме. Интересно следующее обстоятельство: дальней шая судьба этих понятий приводит к отрицанию существо вания эфира и свяжет представление о вакууме с наиниз шим энергетическим состоянием уже квантованного поля (поля как совокупности виртуальных частиц). Идея же абсолютного пространства свяжется с представлением о неподвижном эфире как об абсолютной системе отсчета. Однако специальная теория относительности лишит эфир его основного механического свойства — абсолютного по коя. Ибо, по словам Эйнштейна, «... введение «светонос ного» эфира окажется измышлением, поскольку в специ альной теории относительности не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наделенное особыми свойства ми». И эфир, изгоняясь из физической теории, унесет с со бой концепцию дальнедействия и концепции абсолютного пространства и абсолютного времени. Казалось бы, что все предвещало обратную картину! Вот таковы коллизии раз вития и соперничества различных научных гипотез, взаи мовлияние их, когда каждая из соперниц вносит свое кон-
134
структивное зерно в противоположную точку зрения, обо гащая ее и формируя общее русло идей и направлений в развитии науки.
I Принципы относительности
2.1. Принцип относительности Галилея
Принцип инерции Галилея выделяет определенный класс систем отсчета, которые называют инерциальными. Инерциальными являются системы отсчета, в которых выполняется принцип инерции (первый закон Ньютона). Общепринятая формулировка первого закона Ньютона та кова: Существуют системы отсчета, относительно которых всякое тело сохраняет состояние своего движения (состоя ние покоя или равномерного прямолинейного движения), пока действие всех тел и полей на него компенсировано. Если мы имеем хотя бы одну такую инерциальную систему отсчета, то всякая другая система отсчета, которая движет ся относительно первой равномерно и прямолинейно, так же является инерциальной. Все другие системы отсчета называются неинерциальными. Оговоримся прежде всего, что под системой отсчета понимается тело отсчета, относи тельно которого рассматривается движение, связанная с телом отсчета система координат (например, декартова сис тема координат, состоящая из трех взаимоперпендикуляр ных пространственных координатных осей), и заданный спо соб определения времени. Для отличия вводимых позже координатных систем выберем инерциальную систему от счета (в которой выполняются законы Ньютона) и услов но назовем ее покоящейся системой отсчета К. Рассмот рим другую инерциальную систему отсчета К', движущую ся относительно К равномерно и прямолинейно со ско ростью U, причем оговоримся, что эта скорость много мень ше скорости света. Пусть оси X и X' обеих рассматривае мых систем отсчета совпадают, а оси Y и Y'; Z и Z' соот ветственно параллельны. (Мы всегда можем повернуть в пространстве соответствующим образом системы коорди нат). Таким образом, система К' движется со скоростью
135
U относительно К вдоль оси X. Положение некоторой точ ки (тела) в системах отсчета выражается значениями де картовых координат в соответствующих системах отсчета. Легко видеть, что между ними имеется следующая зависи мость:
Если мы возьмем производную по вре мени от координат, то найдем выражение, связывающее скорос ти движения тела от носительно обеих си стем отсчета:
(2)
Скорость относительно неподвижной системы отсчета складывается из скорости относительно подвижной систе мы отсчета и скорости самой системы отсчета.
Если теперь возьмем производную по времени от пра вой и левой части уравнения (2), то найдем выражение, связывающее ускорения тела относительно обеих систем отсчета. Так как система К' движется равномерно и прямо линейно относительно К, и скорость U является постоянной величиной, то производная от U по времени равна 0, и мы получаем:
а = а'. (3)
Уравнения (1), (2), (3) называются преобразованиями Галилея и описывают, как связаны между собой кинема тические параметры движения тела при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую.
Тот факт, что ускорения тел относительно обеих инер-циальных систем отсчета одинаковы, позволяет сделать вывод о том, что законы механики, определяющие причин но-следственные связи движения тел, одинаковы во всех инерциальных системах отсчета. И это составляет суть принципа относительности Галилея: Во всех инерциаль ных системах отсчета все физические явления происхо дят одинаково.
136
Мы намеренно в формулировке употребили более ши рокое определение, говоря обо всех физических явлениях, хотя первоначально принцип относительности Галилея относился лишь к механическим явлениям. Однако не следует забывать, что существующая вплоть до XX века механистическая картина мира ставила своей задачей све дение всех физических явлений к механическим. А разви тие физики нашего столетия распространило принцип от носительности Галилея на все физические явления.
Попробуем критически взглянуть на проделанные нами процедуры при получении преобразований Галилея. Беря производные по времени от кинематических параметров, мы рассматривали изменения этих величин за бесконечно ма ленькие промежутки времени. При этом нам представля лось само собой разумеющимся, что эти бесконечно малень кие промежутки времени, равно как и любые промежутки времени, одинаковы в обеих системах отсчета. Желая опи сать движение какого-либо тела, то есть получить уравне ние зависимости координат тела от времени, мы некрити чески оперируем понятием времени. И так было вплоть до создания теории относительности Эйнштейна. Все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях. А от сюда — два следствия, неявно присутствующие в наших рассуждениях: во-первых, что «правильно идущие часы» идут синхронно в любой системе отсчета; во-вторых, что временные интервалы, длительность событий одинакова во всех системах отсчета, что и выражено еще одним уравне нием в преобразованиях Галилея, согласно которому
t - t*. (4)
Иными словами, мы пользуемся ньютоновским истин ным математическим временем, протекающим независимо от чего-либо, независимо от движения.
Таким образом, преобразования Галилея отражают наше обыденное представление об инвариантности (неиз менности) пространственных и временных масштабов при переходе из одной инерциальной системы отсчета в другую. Действительно, скажем, длина тела в системе К
в системе К'
137
Легко видеть, что L = L'. Из уравнения (4) получаем, что
Рассмотрим теперь неинерциальные системы отсчета. Система отсчета, которая движется относительно инерци-альной системы отсчета с ускорением, является неинерци-альной. Как следует из принципа относительности Гали лея, никакими опытами, проведенными в инерциальной системе отсчета, невозможно установить, покоится ли она или движется равномерно или прямолинейно, то есть дви жение инерциальной системы отсчета не влияет на ход протекающих в ней физических процессов. В неинерциаль-ных системах отсчета это не так: всякое ускорение систе мы сказывается на происходящих в ней явлениях. Таким образом, на неинерциальные системы отсчета принцип от носительности Галилея не распространяется, и законы Ньютона в них не выполняются. Можно попытаться ис пользовать законы Ньютона для описания движения тел и в неинерциальных системах отсчета. Для этого вводят дополнительные силы — силы инерции, равные произве дению массы тела на ускорение системы отсчета, но при этом направленные противоположно ускорению системы отсчета.
F = -mа.
Принципиальное различие между силами инерции и обычными силами взаимодействия состоит в том, что для сил инерции нельзя конкретно указать, мерой какого взаи модействия они являются.
2.2. Принцип наименьшего действия
В XVIII веке происходит дальнейшее накопление и систематизация научных результатов, отмеченные тенден цией объединения отдельных научных достижений в стро го упорядоченную, связную картину мира с помощью систематического применения методов математическо го анализа к исследованию физических явлений. Рабо та многих блестящих умов в этом направлении привела к созданию базисной теории механистической исследова тельской программы — аналитической механики, на осно ве положений которой были созданы различные фунда ментальные теории, описывающие конкретный класс конк-
138
ретных явлений: гидродинамика, теория упругости, аэро динамика и т. д. Одним из важнейших результатов ана литической механики является принцип наименьшего действия (вариационный принцип), имеющий важное зна чение для понимания процессов, происходящих в физике конца XX века.
Корни возникновения вариационных принципов в на уке уходят в Древнюю Грецию и связаны с именем Геро-на из Александрии. Идея любого вариационного принци па состоит в том, чтобы варьировать (изменять) некоторую величину, характеризующую данный процесс, и отбирать из всех возможных процессов тот, для которого данная вели чина принимает экстремальное (максимальное или мини мальное) значение. Герон попытался объяснить законы отражения света, варьируя величину, характеризующую длину пути, проходимым лучом света от источника к на блюдателю при отражении его от зеркала. Он пришел к выводу, что из всех возможных путей луч света выбирает кратчайший (из всех геометрически возможных).
В XVII веке, спустя две тысячи лет, французский мате матик Ферма обратил внимание на принцип Герона, распро странил его для сред с различными показателями прелом ления, переформулировав его в связи с этим в терминах времени. Принцип Ферма гласит: в преломляющей среде, свойства которой не зависят от времени, световой луч, про ходя через две точки, выбирает себе такой путь, чтобы вре мя, необходимое ему для прохождения от первой точки ко второй, было минимальным. Принцип Герона оказывается частным случаем принципа Ферма для сред с постоянным коэффициентом преломления.
Принцип Ферма привлек пристальное внимание со временников. С одной стороны, он как нельзя лучше сви детельствовал о «принципе экономии» в природе, о ра циональном божественном замысле, реализованном в уст ройстве мира, с другой — он противоречил ньютоновской корпускулярной теории света. Согласно Ньютону получа лось, что в более плотных средах скорость света должна быть больше, в то время как из принципа Ферма вытека ло, что в таких средах скорость света становится меньшей.
В 1740 году математик Пьер Луи Моро де Мопертюи, критически анализируя принцип Ферма и следуя теоло-
139
гическим мотивам о совершенстве и наиболее экономном устройстве Вселенной, провозгласил в работе «О различ ных законах природы, казавшихся несовместимыми» принцип наименьшего действия. Мопертюи отказался от наименьшего времени Ферма и ввел новое понятие — дей ствие. Действие равняется произведению импульса тела (количества движения Р = mV) на пройденный телом путь. Время не имеет какого-либо преимущества перед простран ством, равно как и наоборот. Поэтому свет выбирает не кратчайший путь и не наименьшее время для его прохож дения, а согласно Мопертюи, «выбирает путь, дающий бо лее реальную экономию: путь, по которому он следует, — это путь, на котором величина действия минимальна». Принцип наименьшего действия в дальнейшем был развит в работах Эйлера и Лагранжа; он явился основой, на ко торой Лагранж развил новую область математического анализа — вариационное исчисление. Дальнейшее обобще ние и завершенную форму этот принцип получил в рабо тах Гамильтона. В обобщенном виде принцип наименьше го действия использует понятие действия, выраженного не через импульс, а через функцию Лагранжа. Для случая од ной частицы, движущейся в некотором потенциальном поле, функция Лагранжа может быть представлена как разность кинетическойи потенциальной энергии:
(Понятие «энергия» подробно обсуждается в главе 3 настоящего раздела.)
Произведениеназывается элементарным действи ем. Полным действием называется сумма всех значений на всем рассматриваемом интервале времен, иными словами, полное действие А:
Уравнения движения частицы могут быть получены с помощью принципа наименьшего действия, согласно которо му реальное движение происходит так, что действие оказы вается экстремальным, то есть его вариация обращается в 0:
Вариационный принцип Лагранжа-Гамильтона легко допускает распространение на системы, состоящие из не-
140
скольких (множества) частиц. Движение таких систем обыч но рассматривают в абстрактном пространстве (удобный ма тематический прием) большого числа измерений. Скажем, для N точек вводят некоторое абстрактное пространство 3N координат N частиц, образующих систему, называемую конфи гурационным пространством. Последовательность различных состояний системы изображается кривой в этом конфигу рационном пространстве — траекторией. Рассматривая все возможные пути, соединяющие две заданные точки это го 3N-Mepнoгo пространства, можно убедиться, что реаль ное движение системы происходит в соответствии с прин ципом наименьшего действия: среди всех возможных тра екторий реализуется та, для которой действие экстремально по всему интервалу времени движения.
При минимизации действия в классической механике получают уравнения Эйлера-Лагранжа, связь которых с законами Ньютона хорошо известна. Уравнения Эйлера-Лагранжа для лагранжиана классического электромагнит ного поля оказываются уравнениями Максвелла. Таким образом, мы видим, что использование лагранжиана и прин ципа наименьшего действия позволяет задавать динамику частиц. Однако лагранжиан обладает еще одной важной особенностью, что и сделало лагранжев формализм основ ным в решении практически всех задач современной фи зики. Дело в том, что наряду с ньютоновской механикой в физике уже в XIX веке были сформулированы законы со хранения для некоторых физических величин: закон со хранения энергии, закон сохранения импульса, закон сохра нения момента импульса, закон сохранения электрическо го заряда. Число законов сохранения в связи с развитием квантовой физики и физики элементарных частиц в на шем столетии стало еще больше. Возникает вопрос, как найти общую основу для записи как уравнений движения (скажем, законов Ньютона или уравнений Максвелла), так и сохраняющихся во времени величин. Оказалось, что та кой основой является использование лагранжева форма лизма, ибо лагранжиан конкретной теории оказывается инвариантным (неизменным) относительно преобразований, соответствующих конкретному рассматриваемому в данной теории абстрактному пространству, следствием чего и яв ляются законы сохранения. Эти особенности лагранжиа-
141
на привели к целесообразности формулировки физических теорий на языке лагранжианов. Осознание этого обстоя тельства пришло в физику благодаря возникновению тео рии относительности Эйнштейна.
2.3. Специальная теория относительности А. Эйнштейна
Развитие физики XIX века, казалось бы, не предвеща ло каких-либо резких поворотов, хотя по многим вопро сам ученые не были столь уж единодушны. Это касается и той критики, которой были подвергнуты понятия и прин ципы ньютоновской механики со стороны многих ученых, особенно со стороны Эрнеста Маха и Анри Пуанкаре; и споры между сторонниками атомистической теории строе ния вещества и их оппонентами; тревогу вызывало проти воречие между результатами опытов Майкельсона и Физо и явлением аберрации света; до конца не была понята природа теплового излучения. Здесь имело место резкое расхождение экспериментальных данных с теоретически ми, результаты которых базировались на представлениях классической электродинамики Максвелла и классиче ской термодинамики. Но в целом положение дел казалось очень хорошим. Это настроение ученых-физиков на рубе же XIX-XX веков как нельзя лучше выразил Дж. Томсон, высказавший мнение о том, что здание физики практиче ски построено, не хватает лишь нескольких деталей: на ясном небосклоне имеются только два облачка. По проше ствии века мы с уверенностью можем констатировать, что из этих, на первый взгляд, довольно-таки безобидных об лачков не только выросла вся современная физика: первое облачко дало впоследствии жизнь теории относительнос ти, а второе облачко — квантовой механике, но и постав ленные этими теориями проблемы еще далеки от заверше ния. Так что работы хватит и на следующие столетия.
Первое омрачающее общую умиротворяющую картину облачко Томсон связывал с отрицательным результатом опыта Майкельсона. Кроме этого, однако, существовало еще одно чрезвычайно смущающее физиков обстоятельство: оказалось, что уравнения Максвелла, описывающие элект ромагнитное поле, оказываются неинвариантными при пе-
142
реходе из одной инерциальной системы в другую относи тельно преобразований Галилея. Следует сказать, что имен но эта неинвариантность и побудила новый всплеск кон цепций с принятием эфира, и в конечном счете — опыт Майкельсона. Несмотря на то, что сам Максвелл призна вал существование эфира, электромагнитная теория Макс велла не требует существования эфира как такового. Элек тромагнитные колебания полностью описываются с помо щью силовых характеристик электрического и магнитного полей. Тем самым, теория Максвелла вводит в рассмотре ние понятие поля как исходного понятия в физике, наря ду с веществом, и ослабляет значение эфира в теории. Од нако тот факт, что уравнения Максвелла не удовлетворя ли принципу относительности, вновь вызвал к жизни концепцию эфира как некоторой среды такой, что уравне ния Максвелла справедливы только в одной, связанной с этой средой системе отсчета. Различный спектр мнений и предложений, возникших в связи с вышеуказанной колли зией «неподчинения уравнений Максвелла механическо му принципу относительности», можно выразить тремя ос новными точками зрения. Согласно первой точке зрения, следует отказаться от уравнений Максвелла или внести в них необходимые поправки, лишь бы сделать их инвари антными относительно галилеевых преобразований. Однако уравнения Максвелла демонстрировали высочайшую сте пень совпадения теории с экспериментом, а все вносимые поправки оказывались неподтверждаемыми. Вторая точка зрения отстаивалась А. Пуанкаре и Г. Герцем, считавши ми принцип относительности обязательным для описания не только механических явлений, но и электромагнитных. В 1890 году Герц принимает гипотезу, высказанную ранее Стоксом, о существовании эфира, полностью увлекающегося движущимися телами. Исходя из этих принципов, он на ходит уравнения, инвариантные по отношению к галиле-евым преобразованиям координат и времени при пере ходе от одной инерциальной системы отсчета в другую. В час-тном случае покоящегося тела эти уравнения пере ходят в уравнения Максвелла. Герц получил «наиболее очевидное обобщение теории Максвелла на случай движу щихся тел, но оно оказалось несовместимым с результа том эксперимента», ибо противоречило эксперименту Физо по распространению света в движущейся жидкости.
143
И, наконец, третья точка зрения, отстаиваемая Лорен цем. Известно, что Лоренц являлся сторонником атомной теории строения вещества, а после открытия в 1897 году Томсоном отрицательно заряженной частицы — электро на, он создал теорию, в которой уравнения Максвелла включают в себя идею о дискретной структуре электриче ства. При этом Лоренц использует гипотезу эфира, рас сматривая электромагнитное поле как свойство эфира, про тивопоставляя его состоящему из электрически заряжен ных частиц веществу. Лоренцу удалось всю электродина мику покоящихся и движущихся тел свести к уравнени ям Максвелла, дать на этой основе объяснение большому числу экспериментальных фактов. Но при этом он вводит абсолютно покоящуюся выделенную среди прочих систему отсчета, связанную с неподвижным эфиром, в которой толь ко и выполняются уравнения Максвелла. Таким образом, точка зрения, отстаиваемая Лоренцем, говорила о несостоя тельности самого принципа относительности. На место аб солютного пустого неподвижного ньютоновского простран ства он ставит абсолютное тело отсчета — неподвижный эфир, то есть вводит привилегированную систему отсчета. Однако все имеющиеся опытные данные говорили в пользу принципа относительности, в том числе и опыт Майкель-сона свидетельствовал в пользу эквивалентности всех инер-циальных систем отсчета, кроме этого он устанавливал факт постоянства скорости света в любой системе отсчета. А. Эйнштейн писал, что «специальная теория относитель ности обязана своим происхождением этой трудности, ко торая, ввиду ее фундаментального характера, казалась нетерпимой». Следует сказать, что Лоренц (и ряд других физиков, среди которых Лармор, Фицджеральд и др.) пред принимал многочисленные попытки, пытаясь согласовать отрицательный результат опыта Майкельсона с идеей аб солютной системы отсчета. В том числе была выдвинута гипотеза о сокращении линейных размеров тел в направ лении их движения относительно эфира. При этом Лоренц и Фицджеральд считали, что тела действительно сокраща ют свои размеры в направлении движения. Это сокраще ние должно было полностью компенсировать влияние от носительного движения на скорость распространения све та, почему и казалось, что скорость света остается по-
стоянной во всех инерциальных системах отсчета. Несмот ря на то, что высказанная гипотеза выглядела очень искус ственной и оказалась неверной, как это выяснилось впос ледствии, она привела к нахождению уравнений преобра зований кинематических параметров, отличных от преоб разований Галилея, которые называют уравнениями Лорен ца. При условии, что относительная скорость систем отсче та V велика и сравнима со скоростью светаиме ем следующее:
Очевидно, что преобразования Лоренца содержат не мыслимые, с точки зрения обыденных представлений, пара доксы: кроме вышеупомянутого сокращения линейных раз меров тел, движущихся вместе с системой отсчета К' отно сительно неподвижной системы К
оказалось, что и длительность событий в этих системах отсчета разная. Если длительность временного интервала в системеа в системето
145
Длительность— длительность события относитель но движущейся системы К', относительно которой тело покоится. Длительность события в системе отсчета, отно сительно которой тело неподвижно, называется собствен ным временем. Собственное времяминимально. Это говорит о том, что относительно системы К интервал вре мениоказывается большим. С этим связан парадокс близнецов, получивший большую популярность и широкое освещение в литературе. Итак, из преобразований Лорен ца следовало, что пространственные и временные интервалы оказываются неинвариантными при переходе из одной сис темы отсчета в другую. Возникла ситуация, в которой по требовались глубокий анализ и критика имеющихся пред ставлений о пространстве и времени, на основании которых удалось бы выяснить причины, по которым преобразова ния Галилея заменяются преобразованиями Лоренца. Это и было сделано А. Эйнштейном в его вышедшей в свет в 1905 году работе «К электродинамике движущихся сред». Свою статью Эйнштейн начинает с двух предположений, которые в современной науке именуются постулатами те ории относительности, которые он рассматривает как пред посылки для того, чтобы, «положив в основу теорию Мак свелла для покоящихся тел, построить простую, свободную от противоречий электродинамику движущихся сред».
Постулаты теории относительности
1. Принцип относительности: все законы природы оди
наковы во всех инерциальных системах отсчета.
Лоренц отмечал по этому поводу: «Заслуга Эйнштейна состоит в том, что он первый высказал принцип относи тельности в виде всеобщего, строго и точно действующего закона». Следует отметить, что точки зрения об универсаль ности принципа относительности придерживался также А. Пуанкаре.
2. Принцип постоянства скорости света: скорость света
в пустоте одинакова во всех инерциальных системах от
счета и не зависит от движения источников и приемни
ков света.
В любом случае, увлекался бы эфир движущимися те лами или не увлекался бы, скорость света относительно различных инерциальных систем отсчета должна была
146
оказаться различной. Если бы эфир увлекался движущи мися телами, то скорость света относительно внешней не подвижной системы отсчета должна быть другой, чем изве стное значение С. Если же эфир не увлекается движущими ся телами, то должна меняться скорость света относительно системы отсчета, движущейся вместе с источником света. Отрицательный результат опыта Майкельсона как раз и состоит в том, что скорость света оказывалась одинаковой по отношению к обеим системам отсчета. Положив за ос нову теории этот экспериментальный факт, Эйнштейн го ворит о том, что введение «светоносного эфира» окажется при этом излишним, «поскольку в предлагаемую теорию не вводится «абсолютно покоящееся пространство», наде ленное особыми свойствами. Скорость же света в пусто те не зависит от системы отсчета и является максималь ной (верхней границей) для скорости распространения сигналов.
Исходя из постоянства скорости света, Эйнштейн под вергает критическому анализу традиционное понятие вре мени. Ньютоновское понятие абсолютного, универсально го, равномерно текущего времени твердо укоренилось в представлениях физиков и казалось незыблемым. След ствием этого явилось некритически используемое в нью тоновской механике представление об одновременности событий. Критику абсолютного времени Ньютона Эйн штейн начинает с рассмотрения понятия одновременности двух событий, обращая особое внимание на тот факт, «что все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных со бытиях». Пусть в некоторой точке пространства А поме щены часы, и наблюдатель, находящийся в точке А, может устанавливать время событий в непосредственной близос ти от А путем наблюдения одновременных с этими собы тиями положений стрелок часов. Пусть в другой точке пространства В помещены такие же точно часы, как в точке А, тогда в непосредственной близости от В тоже возмож на временная оценка событий находящимся в В наблюда телем. Но при этом определяется только «А-время» и «В-время», но не общее для А и В «время». В классичес кой механике принимается, что одновременность двух со бытий может быть установлена путем переноса часов из
147
точки А в точку В, при этом считается, что движение ча сов никаким образом не должно сказываться на их ходе. Эйнштейн указал на неочевидность последнего утвержде ния, на неправомерность принятия его априори. Посколь ку не существует физических явлений, распространяющих ся мгновенно, то без определенных предположений невоз можно сравнивать во времени какое-либо событие, проис ходящее в А, с событием, происходящим в В. Часы в А и В будут идти синхронно, если принять, что время для про хождения света из точки А в точку В равно времени для прохождения сигнала из точки В в точку А:
Если при этом предположить, что скорость света оди накова по всем направлениям, то сумма этих времен, ум ноженная на скорость света, должна равняться удвоенно му расстоянию от точки А до точки В. Установив, что сле дует понимать под синхронно идущими в разных точках пространства покоящимися часами, Эйнштейн дает опреде ления понятий одновременности и времени. Но установ ленная таким образом одновременность событий в одной системе отсчета не будет верна в другой, движущейся по отношению к первой. Если один наблюдатель считает од новременными два события, которые пространственно раз общены, в той системе отсчета, относительно которой он неподвижен, то другой наблюдатель, участвующий в равно мерном прямолинейном движении относительно первой системы отсчета, не считает их одновременными. Так что одновременность становится понятием относительным, за висящим от наблюдателя. Таким образом, следует гово рить о собственном времени каждой системы отсчета. Уни версальное абсолютное ньютоновское время должно усту пить место бесчисленным собственным временам различ ных систем отсчета. Этот, на первый взгляд, парадоксаль ный вывод является следствием того, что невозможно син хронизировать часы с помощью сигналов, распространяю щихся со скоростью, превышающей скорость света. Наше же обыденное представление о времени, совпадающее с представлением об универсальном ньютоновском време ни, — следствие того, что мы живем в мире малых скоро стей, неосознанно пользуясь при этом информационными
148
волнами, распространяющимися со скоростями, сравнимыми со скоростью света. Если бы скорость электромагнитных волн была бы порядка обычных для нашего сознания ско ростей, то гораздо раньше встал бы вопрос об одновремен ности событий в различных точках пространства. Эйн штейн показал, что в основе преобразований Галилея как раз и лежит произвольное допущение о том, что понятие одновременности имеет смысл независимо от состояния движения используемой системы координат.
Рассуждая таким образом и используя два указанных выше принципа (постулаты теории относительности), Эйн штейн математически вывел лоренцево сокращение движу щихся тел при их наблюдении из покоящейся системы, при условии, что скорость движущегося телаСлед-
ствием лоренцева сокращения является эффект замедления времени. То же обстоятельство, что длительности событий различны в различных системах отсчета, приводит к замене галилеева правила сложения скоростей релятивистским законом сложения скоростей. Из релятивистского закона сложения скоростей следует, что сложение скорости света со скоростью источника дает во всех случаях опять-таки скорость света, тем самым скорость света в пустоте — максимальная скорость передачи взаимодействий в приро де. Следует сказать, что интерпретация результатов опы та Физо без привлечения гипотезы эфира с использовани ем релятивистского закона сложения скоростей дает блес тящее совпадение теории с экспериментом. Таким обра зом, изменение понятий о пространстве и времени приво дит в специальной теории относительности к изменению основных принципов кинематики. Не случайно специаль ную теорию относительности называют кинематическим но вовведением в физику. Новая кинематика, к которой при шел Эйнштейн при анализе понятий пространства и вре мени, совпала с преобразованиями, полученными ранее Лоренцом. Однако Эйнштейн наполняет преобразования Лоренца новым физическим содержанием. Так, если Ло ренц рассматривал сокращение линейных размеров движу щихся тел как действительное сокращение по отношению к неподвижному эфиру, то Эйнштейн рассматривает это со кращение как кажущееся для наблюдателя, относительно которого тело движется. Сокращение линейных размеров
149
тел и замедление длительности временных интервалов — это следствие различных процессов измерения, которыми пользуются различные наблюдатели в различных системах отсчета. «Вопрос о том, реально лоренцово сокращение или нет, не имеет смысла, — писал Эйнштейн. — Сокращение не является реальным, поскольку оно не существует для наблюдателя, движущегося вместе с телом; однако оно ре ально, так как оно может быть принципиально доказано физическими средствами для наблюдателя, не движущегося вместе с телом». Итак, два постулата принципа относитель ности должны быть дополнены преобразованиями Лорен ца. Чтобы принцип относительности мог выполняться, не обходимо, чтобы все законы физики не изменяли своего вида, были инвариантны при переходе из одной инерциаль-ной системы отсчета в другую относительно преобраеова-ний Лоренца. Это одно из первых следствий, вытекающих из постулатов теории относительности, устанавливающее критерий включения физического закона в релятивистскую схему. Эйнштейн показал также, что преобразования Ло ренца переходят в преобразования Галилея при скоростях V« С, тем самым устанавливая границы применимости классической механики для мира малых скоростей.
Преобразования Галилея основывались на гипотезе о полной независимости времени и пространства. Это приво дило к тому, что пространственные и временные интервалы рассматривались по отдельности неизменными при переходе из одной системы отсчета в другую. То есть двум соседним точкам пространства ставилась в соответствии численная мера dS, выражаемая уравнением:
dS2 = dX2 + dY2 + dZ2.
dS2 не зависит от выбора системы координат и может быть измерена единичным измерительным стержнем. Не зависимо от этого двум событиям ставился в соответствие временной интервал dt, также не зависящий от системы отсчета. Однако специальная теория относительности в корне изменяет сложившийся взгляд. Из самого вида пре образований Лоренца отчетливо видно, что пространствен ные и временные координаты больше не могут быть рас смотрены независимо. Г. Минковский, исходя из положе ния, что пространство и время — понятия, неотделимые друг от друга, предложил математический формализм, запись
150
в котором физического закона приводит к его инвариант ности относительно преобразований Лоренца. Формализм Минковского использует представление о четырехмерном мире, четырехмерном пространственно-временном контину уме, в котором время по своему месту в физических урав нениях эквивалентно трем пространственным координа там. Двум соседним точкам в четырехмерном простран стве-времени ставится в соответствии численная мера, называемая мировым интервалом и выражаемая уравне нием:
где X, Y, Z — прямоугольные координаты, а
— время, умноженное на мнимую
единицу и на скорость света. Именно мировой интервал не зависит от выбора системы отсчета, остается инвариант ным относительно преобразований Лоренца. Каждый на блюдатель, находящийся в своей инерциальной системе отсчета, по-своему отделяет пространство и время из четы рехмерного пространственно-временного мира, но мировой интервал dS остается для каждого из них неизменным.
Специальная теория относительности — теория, кото рая решает две основные задачи: во-первых, приспосабли вает пространственно-временную метрику к уравнениям Максвелла. Это приводит к выработке новой «метрики» пространства-времени, где на смену евклидовой метрики, в которой пространства и время рассматриваются независи мыми друг от друга и в которой пространственные и вре менные масштабы сохраняют неизменность по отдельнос ти друг от друга в различных системах отсчета, приходит видоизмененная метрика, с пространственно-временным континуумом, называемым псевдоевклидовым простран ством Минковского, в котором время эквивалентно про странственным координатам, играет роль четвертого изме рения в этом континууме и в котором инвариантным от носительно преобразований Лоренца является четырех мерный мировой интервал. И, во-вторых, применение этой новой «метрики» ко всей физики. Этот второй этап при водит к видоизменению ньютоновских законов движения на случай больших скоростей и к закону взаимосвязи мас сы тела и энергии:
151
В дальнейшем все известные физические законы были записаны в четырехмерном формализме Минковского, что привело к созданию новой релятивистской (relativ — от носительный) физической исследовательской программы, пришедшей на смену механистической исследовательской программе.
Все упомянутые выше законы сохранения впоследствии были рассмотрены как следствия инвариантности лагранжи ана при поворотах в четырехмерном континууме.
2.4. Элементы общей теории относительности
Благодаря специальной теории относительности в фи зике создается новый взгляд на характер физический, за конов, «наисовершеннейшим выражением которых счита ется теперь их инвариантное выражение». Несмотря на революционность специальной теории относительности, приведшей к коренному изменению наших представлений о пространстве и времени, тем не менее, возникает чувство некоторой незавершенности теории. И связано это с тем, что специальная теория относительности так же, как и классическая механика, сохраняет привилегированное по ложение наблюдателей, находящихся в инерциальных си стемах отсчета. А как быть с наблюдателями, находящи мися в системах отсчета, движущихся по отношению к первым с ускорением (в неинерциальных системах отсче та)? Чем объясняется неинвариантность законов физики в неинерциальных системах отсчета? Правомерно ли это? Подобное положение дел казалось неудовлетворительным. Эйнштейн, повторяя вопрос Э. Маха: «Почему инерциаль-ные системы физически выделены относительно других систем отсчета?», первым обращает внимание на то, что специальная теория относительности (СТО) не дает на него ответа. Следующая проблема возникла при попытке пред ставить в рамках СТО тяготение. Оказалось, что тяготение укладывается в рамки специальной теории относительно сти только в том случае, если потенциал гравитационно го поля постоянен. Если же гравитационное поле перемен но, то глобальная лоренц-инвариантность, в основе которой лежит однородность всех точек пространства, не работает2.
152
Эйнштейном была выяснена причина этого: она состо ит в том, что не только инертная масса зависит от энер гии, но и гравитационная. Галилеем был установлен закон, согласно которому все тела падают, при отсутствии сопро тивления среды, с одинаковым ускорением. Это является следствием равенства инертной и гравитационной (весо мой) массы. Равенство инертной и гравитационной массы соблюдается с точностью выше одной двадцатимиллионной, что было показано в серии весьма точных опытов, проде ланных Р. Этвешем. Тем не менее, это равенство не полу чило объяснения в физической теории. В 1908 году Эйн штейн доказывает, что каждому количеству энергии в гра витационном поле соответствует энергия, по величине равная энергии инертной массы величиной Е/с2, и делает вывод о том, что закон этот выполняется не только для инертной, но и для гравитационной массы. Рассматривая факт равенства инертной и гравитационной массы, Эйн штейн приходит к выводу о том, что гравитационное поле (в котором проявляется гравитационная масса) эквива лентно ускоренному движению (в котором проявляется мас са инертная) и формулирует принцип эквивалентности, ко торый и был положен в основу создания общей теории от носительности: «Факт равенства инертной и весомой массы или, иначе, тот факт, что ускорение свободного падения не зависит от природы падающего вещества, допускает и иное выражение. Его можно выразить так: в поле тяготения (малой пространственной протяженности) все происходит так, как в пространстве без тяготения, если в нем вместо «инерциальной» системы отсчета ввести систему, ускорен ную относительно нее».
Принцип эквивалентности Эйнштейн называл «счаст ливейшей мыслью в моей жизни». Как уже отмечалось, попытки включения тяготения в специальную теорию от носительности наталкивались на серьезные трудности, так как в этом случае не работает глобальная лоренц-инвари-антность. Эйнштейн приходит к выводу о том, что главная задача состоит не в том, как включить тяготение в СТО, а в том, как использовать тяготение для обобщения требо вания инвариантности к любым типам движения, в том числе и ускоренным. Оказалось, что тяготение не может быть полностью заменено ускорением (гравитационные
153
силы — силами инерции) в больших областях с неоднород ным гравитационным полем. Сведение гравитационного поля к ускоренным системам отсчета требует ограничения принципа эквивалентности бесконечно малыми масштаба ми. Иными словами, принцип эквивалентности имеет ло кальное значение. Локальный характер принципа эквива лентности приводит к представлениям о мире, отличном от плоского евклидова пространства, для которого сумма углов треугольника всегда равно 180 градусов. Это мир — с кри визной пространственно-временного континуума. Случи лось так, что в математике уже были развиты теории неев клидовой дифференциальной геометрии — теория Лобачев ского и теория Римана. В общей теории относительности инвариантность физических законов в системах отсчета, в которых действуют гравитационные силы (или которые яв ляются неинерциальными), достигается относительно ло кальных преобразований в римановом четырехмерном про странстве-времени положительной кривизны. Иными слова ми, гравитационное поле может интерпретироваться как следствие искривления пространства.
Итак, в результате восьмилетних размышлений над природой тяготения (с 1907 по 1915 год) Эйнштейн в по лемике и при поддержке ряда крупных физиков и матема тиков пришел к созданию общей теории относительнос ти — теории, распространяющей принцип относительности на любые системы отсчета и в то же время представляю щей из себя более общую теорию тяготения, содержащую в себе теорию тяготения Ньютона как предельный случай.
Специальная теория относительности имеет глубокое экспериментальное подтверждение и является мощным аппаратом в ядерной физике и физике элементарных ча стиц. Следует отметить существовавший в ряду физиков скепсис по поводу возможной экспериментальной проверя емости общей теории относительности, который, однако, просуществовал недолго. Первое экспериментальное под тверждение теории состояло в объяснении аномального движения планеты Меркурий, чего не удавалось сделать на основе теории Ньютона. Меркурий — это наиболее близкая к Солнцу планета- Согласно общей теории относительно сти, эллиптическая траектория движения планет должна медленно поворачиваться вокруг Солнца. Леверрье было
154
открыто вековое вращение орбиты Меркурия, составляю щее около 45" в столетие (ясно, что для остальных пла нет оно еще меньшее). Результат этот не согласовывался с расчетами, полученными на основе ньютоновского зако на всемирного тяготения. Результаты расчета по общей теории относительности продемонстрировали полное совпа дение с данными астрономических наблюдений. Далее, след ствием теории является более сильное (в два раза большее) искривление светового луча гравитационным полем, неже ли это было получено из опытов, проведенных Зольденером в 1804 году. Экспедиции, наблюдавшие солнечные затмения 29 мая в 1919 году и 21 сентября 1921 года обнаружили, что искривление света близко к значению, предсказываемо му общей теории относительности. И, наконец, третий экс периментальный результат не только соответствовал тео рии, но и дал мощный импульс для развития на базе об щей теории относительности науки о происхождении и эволюции Вселенной — космологии. Речь идет об откры тии в 1929 году Хабблом смещения спектральных линий излучения звезд в сторону красного света, так называемое «красное смещение», свидетельствующее о том, что Вселен ная, в которой мы обитаем, не статична, а расширяется, так что всевозможные галактики разбегаются. Несколько ра нее, в 1922-1924 годах, А. Фридманом были получены решения общей теории относительности для нестационар ной Вселенной, расширяющейся в настоящую эпоху, что и было экспериментально подтверждено открытием Хаббла. Современные космологические модели еще более разви вают представления о пространстве-времени нашей Вселен ной. Здесь ставятся вопросы о том, почему пространство мира, в котором мы живем, трехмерно? Возможна ли жизнь нашего типа в пространстве с большим числом измерений? Что представляет собой пространство в масштабах порядка 10-33 см? Каковы его метрика и топология? Как связаны между собой известные типы физических взаимодействий и пространственно-временная структура нашей Вселенной? Эти и другие вопросы будут рассмотрены в следующих гла вах этой книги. Ведь, по существу, вопрос о пространстве и времени известного мира — это вопрос всей современной науки. Вот почему он не укладывается в размер одной гла вы, а требует ознакомления с другими важными разделами физики.
155
В настоящей главе часто упоминается понятие «энер гия». Поэтому мы позволим себе перелистать странички истории назад и рассмотреть, как это фундаментальное понятие вошло в структуру физической науки, чему и по священа следующая глава книги.
Вопросы для самоконтроля
156
3. Закон сохранения энергии в макроскопических процессах
Энергией называется единая мера различных форм движения. Мы так часто пользуемся этим термином в своей повседневной жизни, что не задумываемся о том центральном месте, которое занимает это понятие в струк туре современного естествознания, являясь, по существу, фундаментом всего здания современной физики.
Энергия проявляется во множестве различных форм. Обыкновенная заводная игрушка, с которой связано наше детство, обладает энергией. Энергия приводит в движение автомобиль, обогревает дома, дает возможность производить всевозможные изделия, добывать необходимые полезные ископаемые, изготавливать удобрения и т. д. Мы уже при выкли к рекламным роликам и знаем, что нам покупать на прилавках магазинов, чтобы в стольких-то калориях получить «свежее дыхание» или «заряд бодрости на целый день». Кусочек шоколада, булка хлеба и другие продукты питания обладают энергией. Весной все вокруг зеленеет и расцветает, и это тоже следствие того, что растения потреб ляют солнечную энергию. Все живое вокруг обязательно должно потреблять энергию, чтобы жить.
Нашим однопланетянам повезло. Потому что без энер гии, излучаемой Солнцем, не было бы жизни на планете Зем ля. Миллиарды лет тому назад Солнце пробудило жизнь на Земле и неустанно поддерживало ее, щедро посылая нам свою энергию. Однако подобное расточительство когда-либо окончится, запасы водорода, обеспечивающие протекание реакций термоядерного синтеза на Солнце, в конце концов, иссякнут. Перед человечеством неизбежно возникнет про блема переселения, возможно, даже в другую галактику. Важно найти звезду, более молодую, и разместиться на удобной планете неподалеку от нее. Думать об этом не
157
мешало бы уже сейчас. Вот почему проблема освоения кос моса является глобальной проблемой, стоящей перед чело вечеством.
Но все это задачи далекого будущего. А сегодня нас волнует вопрос использования энергетических ресурсов Земли. Мы постоянно слышим, что цивилизация человече ского общества связана со все увеличивающимся ростом потребления энергии. Запасы топлива — нефти, угля, дре весины и др. не безграничны. И на повестку дня ставит ся вопрос о дальнейшем развитии атомной энергетики.
Мы с удовольствием характеризуем известных нам людей, говоря: «Очень энергичный молодой человек» или «С Вашей-то энергией горы своротить можно».
Итак, энергия проявляется во всех этих формах. Соб ственно, само понятие энергии было выработано именно в поисках связей между различными формами движения материи. Переход энергии из одной формы в другую озна чает, что энергия в данной ее форме исчезает, превращает ся в энергию в иной форме. И вот тут-то кроется самое главное, что определяет энергию как фундаментальное по нятие естествознания. Оказывается, что при любых процес сах, происходящих в изолированной системе, полная энер гия системы не изменяется. То есть переход энергии из од ной формы в другую происходит с соблюдением количест венной эквивалентности. Для количественной характери стики различных форм движения вводятся соответствую щие им виды энергии: механическая, внутренняя (тепло вая), электромагнитная, химическая, ядерная и т. д. Закон сохранения энергии — закон, управляющий всеми явления ми природы, исключений из него науке неизвестно.
3.1. «Живая сила»
Характерно, что, являясь центральным понятием в физике, само формирование понятия энергии есть вместе с тем история открытия закона сохранения и превращения энергии. Так что в структуру физической теории понятие энергии вошло лишь к середине XIX века.
Терминв качестве физического понятия
встречается у Аристотеля. Аристотель был первым антич ным философом, создавшим понятийный аппарат для оп-
158
ределения того, что есть движение. Движение трактуется Аристотелем как средний термин, как переход от возмож ности к действительности, от потенции к деятельности. Терминупотребляется Аристотелем для ха-
рактеристики деятельности по осуществлению способности, то есть переход от потенции в ее реализацию, деятельность (например, строительство). Можно было бы сделать вывод о том, что прямой связи междуАристотеля и
современным содержанием этого понятия нет. Однако су щественным является то, чтопоявляется у Аристотеля именно в связи с попыткой охарактеризовать движение в качестве общей категории, описывающей все виды, роды движения.
Само представление о превращениях различных видов движения, о неуничтожимости движения содержится и в древней мифологии, и в философии Древней Греции и Во стока. Идея о неуничтожимости и несотворимости движе ния возродилась в Новое время и стала принимать более определенные, научные формы в XVII веке.
В связи с изучением механического движения и форми рования механистической исследовательской программы мысль о неуничтожимости и несотворимости движения была первоначально сведена к представлению о несотвори мости и неуничтожимости именно механического движе ния. Изучение механического движения сразу же привело к дилемме, какой величиной «mV» или «mV2» следует из мерять механическое движение и какая из этих величин сохраняется в процессе взаимодействия тел? Здесь m озна чает массу тела, а величина V — скорость тела. Величина «mV» введена Декартом и названа им количеством дви жения. Величина «mV2» введена Лейбницем и названа «живой силой» — «vis viva», хотя еще ранее в теории уп ругого удара Гюйгенсом и Вреном было установлено сохра нение величины «mV2». Чтобы проследить генезис этих понятий в физике, рассмотрим случай удара двух, напри мер, бильярдных шаров. Два шара массами m1 и m2 дви жутся со скоростями V1 и V2 и сталкиваются. Скажем, пер вый шар догоняет второй. После удара они движутся уже с другими скоростями U1 и U2. Спрашивается, что сохраня ется при взаимодействии шаров.
159
Декарт утверждал, что справедливо следующее равен ство:
Гюйгенс, Лейбниц и ряд других ученых считали, что сохраняется «живая сила» и справедливо равенство:
Между последователями Декарта и Лейбница возник спор о том, какому из понятий следует отдать предпочте ние при изучении механического движения, какая из вели чин сохраняется в процессе взаимодействия — количество движения или «живая сила»? Разрешение этой полемики последовало только с открытием закона сохранения при превращении механической энергии в другие формы движе ния. При исследовании удара двух тел было установлено не только сохранение «живой силы» в случае упругого удара, но и потеря ее при неупругом ударе. Приоритет это го открытия принадлежит Валлису.
Надо отметить, что понятие «живой силы» коренным образом отличалось от понятия силы в ньютоновской ме ханике. Ньютоновская сила имеет свое конкретное место в системе понятий физики и рассматривается как причи на изменения состояния движения тела. Ньютон подчер кивал внешний по отношению к материи характер меха нических сил, то есть в понятии силы заключалась мысль о внешнем источнике движения, отделенном от материи. Именно такое понимание приводит к представлению о раз личных силах, рассматриваемых в качестве внешних аген тов, в качестве активного начала, приводящего в движение пассивную материю. Отсюда и название «живая сила», ко торая связывается с представлением об активном начале любого движущегося тела, в противоположность «мертвой силе», активном начале, запасенном в каком-либо покоя щемся теле.
Понятие силы играет центральную роль в механике Нью тона. Сам Ньютон не ставил перед собой задачи о создании механики, которая выводилась бы из какого-либо принципа сохранения некоторой меры движения. Что касается «живой силы», то Ньютон обращал внимание на факт несохранения движения в случае неупругого удара или трения.
Таким образом, хотя наука XVII века выработала пред ставление об энергии в виде «живой силы», а более чем
160
через 100 лет, в 1829 году, Кориолис рассмотрел величину, равную половине «живой силы» mV2/2, которая определяет кинетическую энергию в современной структуре научного знания; понятие энергии, как, впрочем, и понятие работы, отсутствовали в механике Ньютона и вплоть до XIX века не фигурировали в учебниках физики.
Термин «энергия» в смысле динамической переменной появился лишь в 1807 году в работе Юнга «Курс лекций по натуральной философии», понятие «работ» подробно развито в труде Ж.В. Понселе «Введение в индустриаль ную механику».
Юнг ввел понятие энергии для обозначения «живой силы», не выводя это понятие за рамки механистического описания явлений природы. Сама задача расширения этого понятия на другие формы движения, задача категориаль ного обоснования этого понятия и установления отличия его от понятия количества движения стала возможной лишь благодаря исследованиям переходов немеханическо го движения в другие виды движения. Усилиями ученых XVII-XIX веков были открыты и качественно исследова ны связи между:
механическим движением и теплотой;
химическими явлениями и электричеством;
механическим движением и электричеством;
электричеством и магнетизмом;
химическими явлениями и теплотой;
теплотой и электричеством и т. д.
Результаты этих исследований и привели к открытию закона сохранения и превращения энергии. Остановимся вкратце на рассмотрении этих результатов.
3.2. Работа в механике. Закон сохранения и превращения энергии в механике
Формирование понятия механической энергии было связано с формированием понятия механической работы.
Зададимся вопросом, каким образом можно было бы сообщить телу кинетическую энергию mV2/2? Ее можно передать телу при столкновении, как это имело место в случае удара шаров. Но ее можно также получить, подтал кивая тело с помощью действия некоторой силы. Пусть
6. Зак 671 161
некоторое тело под действием силы F выходит из состоя ния покоя и движется со все увеличивающейся скоростью в течение некоторого времени t. За это время скорость тела возрастает до значения V, и тело проходит некоторое рас стояние х. Можно показать, используя законы механики, что справедливо равенство:
Величину Fx, равную произведению силы на расстояние, на котором она действовала на тело, принято называть работой А:
Теперь попробуем выяснить, входят ли работа и энер гия как составные части в один и тот же закон сохране ния? Или, выражаясь иначе, если над телом совершается работа, благодаря чему увеличивается кинетическая энер гия тела, сможет ли тело потом за счет своего запаса ки нетической энергии произвести столько же работы?
Ответ положителен. Если на пути движущегося тела окажется какое-то другое тело, скажем, пружина, то тело, налетая на пружину, будет сжимать ее, создавая перемеще ние ее звеньев относительно друг друга, то есть будет дей ствовать на пружину с некоторой силой. В конце концов, тело остановится, растратив всю свою энергию движения на совершение работы по сжатию пружины. Вслед за этим пружина начнет расширяться и будет толкать тело назад. То есть при своем расширении пружина совершит работу над телом, которая вся уйдет на увеличение кинетической энергии тела после остановки. Если пружина хорошая, упругая, то можно будет констатировать практическое ра венство кинетической энергии тела до и после взаимодей ствия с пружиной.
Чувствуется, что в наших рассуждениях пропущено некоторое звено. А именно, возникает вопрос: «В те мгно вения, когда пружина сжата, и тело уже не действует на нее с силой, перемещая ее, то есть не совершает в эти мгнове ния работу; само тело в эти мгновения покоится, так как запас ее кинетической энергии уже растрачен на соверше ние работы по сжатию пружины. Так что в эти мгнове ния ни работа не совершается, ни тело не имеет более ки нетической энергии. Так куда же все это подевалось?» Мы
162
отчетливо видим, что пружина перешла в другое качест венное состояние: из недеформированного состояния она перешла в сжатое, после чего, разжимаясь, сама соверши ла работу. Мы приходим к пониманию того, что запас кинетической энергии не пропал бесследно, а перешел в запас энергии, которой обладает пружина в сжатом состо янии, «мертвой силы», как ее первоначально называли. Такую неподвижную форму энергии принято называть по тенциальной энергией, как бы подчеркивая, что эта энер гия потенциально может перейти в энергию движения.
Самый простой способ запасти такую энергию — это поднять груз на высоту. Когда груз падает, запасенная потенциальная энергия превращается в кинетическую. И наоборот, когда мы испытываем усталость, поднимаясь на высокую горку или же по ступенькам на верхний этаж здания, связано это с тем, что мы постоянно совершаем работу по увеличению потенциальной энергии своего тела, поднимая его на соответствующую высоту.
Обычно термин «потенциальная энергия» относят к энергии, запасенной в деформированном теле, в теле, под нятом на высоту, иными словами, к запасу энергии, обус ловленному положением тела в некотором поле и приро дой самого поля. Современной физике известны четыре типа полей: гравитационное, электромагнитное, сильное и слабое. Сам факт обусловленности потенциальной энергии наличием полей говорит о несводимости понятия потенци альной энергии просто к механическому движению. Вели чина потенциальной энергии определяется теми процессами, которые обусловлены конкретной природой взаимодействия системы тел (гравитационным, электромагнитным, сильным или слабым) и зависит от изменения конфигурации тел в соответствующих полях. Потенциальная энергия сжатой пружины, например, выражает собой энергию внутреннего движения частиц, составляющих пружину. Механика не занимается изучением «внутренних сил», связанных со взаимодействием атомов друг с другом, а интересуется ко нечным результатом. Этот результат может быть вычис лен по величине работы, которую нужно затратить, чтобы таким-то образом изменить конфигурацию частей пружи ны. Запас этой работы и понимается нами как потенциаль ная энергия пружины. Так что потенциальная энергия вхо-
6* 163
дит в механику как понятие, определяющее свойство систе мы материальных тел совершать работу при изменении кон фигурации тел в системе.
Таким образом, работа может быть определена как мера изменения энергии. В ряде случаев работа, соверша емая за счет уменьшения потенциальной энергии тела, практически полностью идет на увеличение кинетической энергии тела. Позже мы укажем на ограниченность наше го примера. Однако именно эти случаи послужили основа нием для формулирования закона сохранения и превраще ния энергии применительно к механическим процессам. Этот закон звучит следующим образом: полная энергия замкнутой консервативной системы тел, равная сумме их потенциальной и кинетической энергии, остается величи ной постоянной. То есть всякое изменение потенциальной и кинетический энергии есть превращение потенциальной энергии в кинетическую, а кинетической в потенциальную. В случае механического движения передача энергии про исходит в форме работы в процессе силового взаимодей ствия тел.
Теперь оговоримся, что всякий физический закон име ет границы своей применимости. Это в первую очередь от носится к закону сохранения механической энергии. Пер вое важное ограничение этого закона состоит в требовании изолированности системы рассматриваемых тел от внешних воздействий. Такую систему мы называем замкнутой. Вто рое ограничение связано с тем, что не всегда работа одно значно определяется изменением потенциальной энергии тела при перемещении его из одной точки поля в другую. Однозначное определение работы как меры изменения по тенциальной энергии имеет место лишь для определенных типов полей, называемых потенциальными. Примерами таких полей могут служить гравитационное или электро статическое поля. Потенциальными считаются поля, работа сил которых не зависит от траектории движения тела в поле. Соответственно силы этих полей называют консер вативными. В случае, если работа сил зависит от формы пути или силы зависят от скорости движения, механиче ская энергия системы не сохраняется. Например, силы тре ния, которые не являются консервативными, присутствуют во всех случаях. Следовательно, закон сохранения механи-
164
ческой энергии имеет смысл лишь применительно к идеа лизированным ситуациям. Не следует в связи с этим удив ляться и делать поспешные выводы типа: «Надо было столько морочить голову каким-то законом, который прак тически не существует вовсе?» Во-первых, это замечание несправедливо, потому что существует множество явлений, которые допускают при их анализе подобную идеализа цию. В этих случаях закон сохранения механической энер гии может быть использован с достаточно хорошей степе нью точности, разумеется, в малые временные интервалы, когда трение в расчет можно и не принимать. Во-вторых, без установления этого закона было бы очень трудно сде лать следующий шаг: выяснить, куда же растрачивается механическая энергия при трении?
Другое дело — попытаться обмануть природу настоль ко, чтобы создать машину, с помощью которой можно было бы совершать работу без затраты энергии в той или иной форме. Это проблема создания вечного двигателя — «пер петуум-мобиле». История развития человеческого обще ства особой страницей содержит в себе те, в общем-то, немногочисленные варианты вечных двигателей, свиде тельствующих о невероятных ухищрениях человеческого ума. Первый до сих пор известный достоверный документ об «осуществлении» идеи вечного двигателя относится к ХIII веку. Еще до установления закона сохранения энер гии в 1775 году было сделано заявление французской Ака демии, в котором говорилось о невозможности создания веч ного двигателя. Вследствие чего Академия отказывалась принимать впредь подобные проекты для рассмотрения.
Итак, механическая энергия при трении растрачивает ся, но куда? Выяснение энергетической стороны таких про цессов и составило следующую важную страницу в истории открытий превращения механической энергии в другие формы движения.
3.3. Внутренняя энергия
О том, что такое теплота, люди задумывались очень дав но. Такие понятия, как «огонь», «свет», «теплород», встре чаются уже в древнейших сказаниях Востока, а позже в работах античных философов Древней Греции. Однако в те
165
далекие времена были высказаны только общие предполо жения о природе огня, света и теплоты. И античные фи лософы, и схоласты средневековья рассматривали холод и тепло как разные вещи. Они были далеки от представле ния о том, что холод следует рассматривать как недоста ток тепла, а не как противоположную субстанцию. Эта точка зрения просуществовала довольно долго. Так, уже в Новое время, в сочинениях Пьера Гассенди, вышедших в 1658 году, теплота и холод трактуются как разные мате рии. Причем атомы холода, в отличие от атомов тепла, являются острыми; проникая в жидкость, они скрепляют ее, превращают в твердое тело.
Учение о тепловых явлениях начинает развиваться только с середины XVIII века. Толчком для этого разви тия является изобретение термометра. Интересно отметить, что на протяжении долгого времени между понятиями теп ла и температуры не проводилось различия.
Temperatura — в переводе с латинского означает «сме шивание в должном отношении». Это говорит о проис хождении самого термина «температура». Дело в том, что не сразу было понято, что здоровые люди имеют практиче ски одну и ту же температуру. Степень нагретости отно сили к темпераменту человека. Так, во II веке великий врач Гален утверждал, что темперамент человека создает ся смешением четырех жидкостей. Эти жидкости, играю щие важную роль также в учении Гиппократа, отвечают за темперамент человека. Они назывались: кровь, слизь, чер ная желчь и желтая желчь. При определенном смешива нии они порождают сангвиников, флегматиков, меланхоли ков и холериков.
Ученым, который первым изобрел прибор для измере ния нагретости тела, был Галилей. Конечно, этот прибор был еще далек от совершенства, он даже не был програду-ирован. Однако он все же позволял сравнивать температу ры тел, находящихся в одном и том же месте и в одно и то же время. Впервые температуру человеческого тела на чал измерять итальянский врач и анатом Санторио с по мощью им же изобретенного термометра. После Галилея многие ученые занимались изготовлением приборов для оп ределения нагретости тел: итальянские мастера из Фло ренции, Отто фон Герике, Амонтон, Гук, Фаренгейт, Цельсий, Реомюр, Делиль и др.
166
В 1655 году Гюйгенс предложил в качестве опорных точек термометра избрать точку кипения воды и точку та яния льда. Современная шкала Цельсия была предложена шведским ботаником Андерсом Цельсием в 1742 году. Однако за 0 градусов он принимал точку кипения воды, а за 100 градусов — точку таяния льда, как и Далиль. Та кая шкала не завоевала популярности и очень скоро была перевернута обратно.
Сама по себе градуировка термометров доставляла не меньше хлопот, чем конструкция термометров. И это свя зано с вопросом о том, происходит ли расширение исполь зуемых в термометрах жидкостей (воды, спирта, ртути) или газа пропорционально увеличению температуры во всех интервалах интересующих температур. Таким образом, задача усовершенствования термометров явилась толчком для изучения явления расширения тел при нагревании. Однако все эти исследования не разделяли понятия «теп лота» и «температура». И температура тела так же, как и теплота связывалась с представлением о теплороде. В «Словаре церковнославянского и русского языка», издан ном в середине XIX века, можно прочитать: «Температу ра есть мера сгущения теплорода, показываемая в градусах термометром». «Теплород — вещественная причина жара, тепла и холода, непостижимо тонкая жидкость, изливаю щаяся из Солнца и проникающая во все тела физическо го мира, невидимая, невесомая и только ощущением ощу щаемая»3.
Итак, температуру и теплоту связывали с особым ви дом невесомой материи — теплородом. Именно присут ствие теплорода в теле вызывает нагретость тела. Едини ца измерения теплоты, дожившая до наших дней, «кало рия» в переводе на русский язык означает не что иное, как «теплород». Однако так думали не все. В истории разви тия взглядов на природу теплоты ясно прослеживаются два направления: одно из них связано с представлением о теплороде, а второе связывает сущность тепловых явле ний с движением атомов, из которых состоят тела. Это так называемые теплородная и кинетическая теории теплоты. В отношении теплородной теории также существовали две точки зрения. Первая точка зрения — традиционная, со гласно которой теплород — «некая жидкость, крайне мел-
167
кие частицы которой наделены силой взаимного оттаива ния». В этом случае большее или меньшее скопление этой жидкости в телах определяет их состояние»4. Вторая точ ка зрения являлась менее популярной, но в ней как бы делалась попытка синтеза кинетической теории с теорией теплорода.
Кинетической теории теплоты придерживались многие ученые. Среди них — Фрэнсис Бэкон, Рене Декарт, Даниил Бернулли, М. Ломоносов, Л. Эйлер. Однако господствующей на протяжении столетий являлась теплородная теория. Причина этого кроется в том, что вплоть до изготовления паровых машин и их усовершенствования ученые не инте ресовались вопросом о путях превращения теплоты в ме ханическую работу. Обратные процессы превращения рабо ты в теплоту были известны с незапамятных времен, но они, как казалось, хорошо объяснялись теплородной теори ей (вплоть до опытов Румфорда).
Спор между сторонниками теплородной и кинетической теории состоял в следующем: сводится ли представление о теплоте к некоторой субстанции, пусть даже и невесомой, или же теплота есть проявление кинетического движения молекул? А. Эйнштейн и Л. Инфельд отмечают: «В исто рии физики часто встречаются такие испытания, которые способны произвести приговор о жизни или смерти теории: они называются crucis (круцис, то есть решающими) экспе риментами. Решением суда такого эксперимента может быть оправдана только одна теория явлений... Такой решающий эксперимент был произведен Румфордом; он нанес смер тельный удар субстанциональной теории теплоты»5. Надо сказать, что этот эксперимент мог быть поставлен только благодаря и вследствие развития калориметрических иссле дований — исследований по изучению явлений теплообмена между двумя веществами (однородными с различными температурами, разнородными с различными температура ми, в разных фазах и т. д.) при смешивании их в теплоизо лированном сосуде — калориметре. В процессе этих опы тов, где основная заслуга принадлежит петербургскому академику Георгу Рихману, было установлено, что при сме шении жидкостей, даже однородных, устанавливается оп ределенная одинаковая для всей смеси температура. Даль нейшие исследования сконцентрировались в выяснении
168
вопроса, «как распределяется теплота между различными телами». Было установлено, что различные тела имеют различные удельные теплоемкости. Под удельной теплоем костью вещества понимается количество теплоты (пока еще теплорода) для увеличения температуры единицы мас сы вещества на один градус. В процессе калориметриче ских исследований было сделано важное заключение: при исследовании тепловых явлений следует различать такие понятия, как температура и теплота. Так, при превраще нии, например, льда в воду, теплота расходуется, а темпе ратура при этом не изменяется (лед, как и прочие тела, плавится при строго определенной температуре). Вместе с понятием количества теплоты были установлены понятия удельной теплоемкости, теплоемкости, теплоты плавления, теплоты парообразования.
Так, в чем же состоит суть решающего эксперимента, проведенного графом Румфордом? Граф Румфорд (Бенджа мин Томсон) ссылался на опыты по выделению теплоты при трении. Это явление хорошо известно с древнейших времен. Оно явилось одной из важнейших предпосылок возникно вения человеческой цивилизации. Ибо благодаря трению первобытный человек добывал себе огонь. Теплородная теория объясняла выделение теплоты при трении тел друг о друга тем, что при трении тела как бы выжимают из себя теплород, вследствие чего количества теплорода в них, то есть теплоемкость, должны изменяться. Самая известная работа Румфорда «Исследование источника тепла, вызыва емого трением» была представлена в Королевское общество в Лондоне в 1798 году. К слову сказать, Румфорд известен как активный политический деятель, выдающийся органи затор, внесший значительный вклад в реорганизацию ар мии. При этом он сохранял постоянный активный инте рес к науке и технике. Талантливый экспериментатор, он большое внимание уделял практическим применениям научных знаний. В вышеназванной работе Румфорд при вел результаты эксперимента, связанного со сверлением пушечного ствола. В течение 2,5 часов за счет трения было получено количество теплоты, достаточной для пре вращения в пар 12 килограммов воды при получении всего лишь 270 граммов металлической стружки. Далее было обнаружено, что стружка имеет такую же удельную тепло-
169
емкость, как исходный металл отливки. Вследствие по лученных результатов Румфорд сделал вывод о том, что теплота не могла быть получена за счет «выжимания» теплорода из металла. «Обсуждая этот предмет, — пишет Румфорд, — мы не должны забывать учета того самого за мечательного обстоятельства, что источник теплоты, по рожденный трением, оказался в этих экспериментах явно неисчерпаемым.
Совершенно необходимо добавить, что это нечто, кото рое любое изолированное тело или система тел может не прерывно поставлять без ограничения, не может быть ма териальной субстанцией; и мне кажется чрезвычайно трудным, если не совершенно невозможным, создать какую-либо точную идею о чем-то, что в состоянии возбуждать ся и передаваться, подобно тому как возбуждается и пере дается в этих экспериментах теплота, если только не до пустить, что это что-то есть движение»6.
Опыты Румфорда были подтверждены также работами Хэмфри Дэви, показавшими, что трение двух кусков льда друг о друга может вызвать их таяние. Румфорд, выражая свое непримиримое отношение к теплородной теории, как-то сказал: «Я удовлетворен тем, что доживу до того, что буду иметь удовольствие увидеть теплород, похороненный вместе с флогистоном в одном гробу»7. Напомним, что фло гистоном называли газ, который считали основой огня. Флогистону приписывалась такая же роль в объяснении химических реакций, как теплороду в объяснении тепловых явлений. Опровергателем теории флогистона выступил Антуан Лавуазье, который, однако, спас «теплород», считал его полноправным элементом в своей таблице химических простых тел.
Рассмотрение процессов превращения работы трения в тепло создало все необходимые предпосылки для отрица ния теплородной теории. Тем не менее, этого отрицания не произошло. Теплородная теория просуществовала еще зна чительно долго, несмотря на опыты Румфорда. Для выра ботки закона сохранения и превращения энергии не менее важными явились исследования обратных процессов по превращению теплоты в работу, то есть по исследованию функционирования тепловых машин.
Принято считать, что первая паровая машина была изобретена греческим ученым и математиком Героном.
170
Это так называемая эолипил (греч. — ветряной шар) Ге-рона. Герон пытался использовать движущую «силу» теп ла для облегчения труда. Однако открытие Герона не по лучило практического применения. Хорошо известно, с ка ким предубеждением относились греки к подобного рода изобретениям, которые ими рассматривались как попытки обмана истинной природы и считались недостойными.
По существу, развитие тепловых машин связано с из готовлением орудий войны — ракет и пушек. К сожале нию, в истории эволюции человеческого общества немало страниц, свидетельствующих о том, что возникновение но вых машин, механизмов, технологий предопределялось во енными интересами, и лишь позже они получали примене ние для облегчения мускульного мануфактурного труда че ловека (manu — рукой, factus — сделано, — лат.). Другой важной причиной возникновения и практического приме нения паровых машин послужила необходимость добычи топлива — каменного угля из шахт, находящихся под вод ными пластами. Нужно было откачивать воду из шахт. И так получилось, что деятельность первых конструкторов тепловых устройств была связана с добычей топлива. Пер вый паровой насос, служащий для откачки воды из шахт, был сконструирован владельцем одной из шахт в Англии, Томасом Сэйри в конце XVII века. Паровой насос Сэвери в усовершенствованных видах использовался вплоть до се редины XVIII века. Более совершенную паровую машину построил англичанин Томас Ньюкомен, работавший вместе с Сэвери. Машина Ньюкомена уже имела основные детали современной паровой машины — цилиндр и поршень. Глав ное новшество состояло в том, что в машине Ньюкомена пар давил не непосредственно на поверхность воды, а на пор шень в цилиндре. Известно, что Ньюкомен состоял в пере писке с выдающимся физиком Робертом Гуком, и эта идея, возможно, была подсказана Гуком.
Главный недостаток первых паровых машин состоял в том, что, во-первых, они потребляли много топлива, во-вто рых, это не были машины непрерывного действия. Действи тельная эпоха паровых машин начинается с машины Уат-та, как это и преподносится практически во всех учеб никах истории. Машина Уатта изобретена в 1763 году шотландским механиком Джеймсом Уаттом. Основная
171
идея Уатта заключалась в уменьшении потерь тепла в ма шине за счет попеременного нагревания и охлаждения ци линдра. В том же 1763 году русским изобретателем И. Ползуновым, работавшим механиком на алтайских гор норудных и металлургических заводах, была изобретена первая паровая машина непрерывного действия.
Широкое применение паровых машин в XVIII-XIX ве ков послужило также толчком для создания самодвижу щихся устройств. В 1807 году в Америке Фультоном стро ится первый пароход, а в 1825 году в Англии начинает действовать построенная Стефенсоном железная дорога. На повестку дня встает вопрос о том, какими путями мож но было бы увеличить работу паровой машины, то есть возникла необходимость теоретического анализа процессов превращения теплоты в работу. Эту задачу выполнил французский инженер Сади Карно в 1827 году в работе «Размышление о движущей силе огня и о машинах, спо собных развивать эту силу». Работа эта основывалась на общепринятой в то время точке зрения о теплородной при роде теплоты, тем не менее, именно она явилась фундамен тальной для развития термодинамики. Свою работу Кар но начинает следующими словами: «Никто не сомневает ся, что теплота может быть причиной движения, что она даже обладает большой двигательной силой: паровые ма шины, ныне столь распространенные, являются этому оче видными доказательствами»8.
Итак, к 1827 году был сделан совершенно ясный вы вод о том, что теплота и механическая работа обратимы одна в другую. Однако спор о том, что есть теплота — дви жение или субстанция-теплород — до конца разрешен не был. Для торжества кинетической точки зрения важно было установить механический эквивалент теплоты. Стро го количественное соотношение для случая превращения механической работы в теплоту было впервые определено немецким врачом Робертом Майером.
Майер определил, что количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы газа на один градус, совер шаемое при постоянном давлении (С ), всегда больше, чем количество теплоты, необходимое для нагревания единицы массы вещества на один градус при постоянном объеме (Cv). Нагревание при постоянном давлении отличается от
172
нагревания при постоянном объеме тем, что изменение объема газа при расширении сопровождается толканием поршня, то есть совершением работы. Если нагревание при постоянном объеме идет только на увеличение внутренней энергии газа, то нагревание при постоянном давлении, по мимо такого же увеличения внутренней энергии газа, сопро вождается также совершением механической работы. Если рассматривать теплоту как «силу», рассуждал Майер (а под «силой» он понимал то, что впоследствии стало на зываться энергией), то тогда понятно, почему С больше, чем Cv. Более того, если найти, на сколько Ср больше, чем Cv, и сопоставить полученный результат с величиной совер шенной работы, то можно получить механический эквива лент теплоты. Этот результат Майер вычислил в 1841 году. А в 1845 году в работе «Органическое движение в связи с обменом веществ» он впервые дает формулировку закона сохранения и превращения энергии. Правда, он употребля ет другую терминологию, используя понятия «сила движе ния», «сила падения», «химическая сила», «теплота», «электричество» и т. д. Сейчас мы заменили бы слово «сила» словом «энергия». «Сила как причина движения является неразрушимым объектом, никакое действие не возникает без причины. Никакая причина не исчезнет без соответствующего ей действия... Количественная неизмен ность данного есть верховный закон природы... Различные силы могут превращаться друг в друга. Эта сила в вечной смене циркулирует как в мертвой, так и в живой приро де»9. «При всех физических и химических процессах дан ная сила остается постоянной величиной»10. Таким обра зом, Майер определил механический эквивалент теплоты, отверг теплород как вещественную субстанцию, определил теплоту как «силу» движения и сформулировал закон со хранения и превращения «сил».
Однако при определении механического эквивалента теплоты он не точно проделал расчет. И важное место в истории развития науки о тепловых явлениях заняли ре зультаты опытов Джоуля, которые были проделаны с та кой тщательностью, что оказали убедительное воздействие на умы современников, сломив, в конце концов, их сопро тивление. Опыт Джоуля состоял в том, что опускающий ся груз вращал лопатку, погруженную в различные жидко-
173
сти. В результате жидкость перемешивалась, что приводи ло к увеличению температуры смеси, которую Джоуль из мерял термометром. Сопоставляя значение механической работы опускающегося груза с количеством теплоты, необ ходимой для нагревания смеси жидкостей на соответству ющую температуру, Джоуль очень точно определил значе ние механического эквивалента теплоты.
Честь открытия механической теории тепла с Майером и Джоулем разделяет также датский инженер Кольдинг, поставивший эксперимент по измерению теплоты, выделя ющейся при движении тел с различной скоростью по ме таллическим, деревянным и прочим поверхностям вслед ствие трения.
Цикл открытий 40-х годов XIX века был в известной мере подкреплен работой Германа Гельмгольца «О сохра нении силы», вышедшей в 1847 году. Герман Гельмгольц, немецкий врач и естествоиспытатель, впоследствии стал одним из выдающихся физиков XIX века. В своей рабо те Г. Гельмгольц придает принципу сохранения строгую и четкую форму. Он вводит новую количественную характе ристику, которая равна работе по величине, но берется с противоположным знаком. Эта характеристика соответству ет современному понятию потенциальной энергии. Гельм гольц назвал ее напряжением, а вместо величины mV2 он предлагает рассматривать в качестве «живой силы» вели чину mV2/2 и получает закон сохранения механической «силы»:
живая сила + напряжение = const (постоянно).
«Сумма существующих в природе напряженных сил и живых сил постоянна. В этой наиболее общей формулиров ке мы можем наш закон назвать принципом сохранения сил»11.
Надо сказать, что Майер придавал закону сохранения не просто немеханический характер, в отличие от Гельмгольца, сформулировавшего, по существу, закон сохранения механи ческой энергии, но и распространил его как на «мертвую» (включающую физические и химические процессы), так и на «живую» природу. Однако строгая формулировка Гельмголь ца позволяла выйти за рамки механики и придать впослед ствии закону сохранения универсальный характер.
Работами Майера, Джоуля, Кольдинга и Гельмгольца был выработан «закон сохранения сил». Тем не менее,
174
первая ясная формулировка этого закона была получена Рудольфом Клаузиусом и Уильямом Томсоном (лордом Кельвином), которые внесли наиболее значительный вклад в развитие термодинамики. Сади Карно положил начало новому методу рассмотрения превращения теплоты и рабо ты друг в друга в макроскопических системах, в первую очередь, в тепловых машинах, и тем самым явился осно вателем науки, которая впоследствии была названа Уиль ямом Томсоном «термодинамикой». Термодинамическое рассмотрение ограничивается, в основном, изучением осо бенностей превращения тепловой формы движения в дру гие формы, не интересуясь вопросом микроскопического движения частиц, составляющих веществ.
История открытия закона сохранения и превращения энергии привела к изучению тепловых явлений в двух на правлениях: термодинамическом, изучающем тепловые процессы без учета молекулярного строения вещества, и молекулярно-кинетическом. Молекулярно-кинетическая теория явилась развитием упоминаемой выше кинетичес кой теории вещества (альтернативной теплородной). Она характеризуется рассмотрением различных макропроявле ний систем как результатов суммарного действия огром ной совокупности хаотически движущихся молекул. При этом молекулярно-кинетическая теория использует стати стический метод, интересуясь не движением отдельных мо лекул, а только средними величинами, которые характеризуют движение огромной совокупности частиц. Отсюда другое ее название — статистическая физика. Оформившись к середине XIX века, оба эти направления, подходя к рассмотрению из менения состояния вещества с различных точек зрения, до полняют друг друга, образуя одно целое.
До тех пор, пока Клаузиус и Томсон, исследуя более подробно работу тепловой машины Карно, не пришли к выводу (независимо друг от друга) о том, что в основе цикла Карно лежат два независимых принципа — первое и вто рое начала термодинамики, нельзя было с твердой уверен ностью принять закон сохранения энергии. По существу, работы Джоуля, Майера и Кольдинга устанавливают пер вое начало термодинамики. Клаузиус первым высказал мысль об эквивалентности работы и количества теплоты как о первом начале термодинамики и записал уравнение,
175
которое не содержалось в работе Карно. Надо было сделать вывод о том, что всякое тело имеет внутреннюю энергию, которую Клаузиус называл «теплом, содержащимся в теле» (U), в отличие от «тепла», сообщенного телу» (Q). Величину U можно увеличить двумя эквивалентными способами — произведя над телом механическую работу (А) или сооб щая ему количество теплоты (Q):
В 1860 году Уильям Томсон, заменив термином «энер гия» устаревший термин «силы», записывает первое начало термодинамики, которое он называет «основным положе нием механической теплоты»:
количество теплоты, сообщенное газу = увеличению
внутренней энергии газа + совершению внешней
работы
Следует еще раз подчеркнуть важное значение установ ления эквивалентности теплоты и работы. Именно пони мание количества теплоты как меры изменения внутрен ней энергии способствовало установлению закона сохране ния и превращения энергии.
3.4. Взаимопревращения различных видов энергии друг в друга
Установлению закона сохранения и превращения энер гии способствовало также открытие эффектов, отличных от механических и тепловых, а также превращения других форм движения в тепловую энергию. Еще Майер в своей работе составляет таблицу всех рассматриваемых им «сил» природы и приводит 25 случаев их взаимопревращений. Рассмотрев превращение теплоты в механическую работу, имеющее место в функционировании паровой машины, он говорит об электрической «силе» и превращении механичес кого эффекта в «электричество», о «химической силе веще ства», о превращении «химической силы» в теплоту и элект ричество. Он распространяет положение о сохранении и пре вращении этих различных «сил» природы на живые орга низмы, утверждая, что при поглощении пищи в организме постоянно происходят химические процессы, результатом которых являются тепловые и механические эффекты.
176
Исследования электрических явлений давали серьезные основания для подкрепления вывода о взаимопревращении различных форм движения друг в друга. В 1800 году Воль изобретает первый химический источник электрического тока. В 1840 году русский академик Гесс получает важные результаты, свидетельствующие о превращении химических «сил» в теплоту. Работы Фарадея и Ленца приводят к от крытиям о превращении электричества и магнетизма. Изучение процессов, происходящих в контактах двух ме таллических проводников, проделанных Пельтье и Ленцем, свидетельствует о взаимопревращениях электрической «силы» и теплоты. В 1845 году Джоуль устанавливает со отношение между величиной количества теплоты, выделя емой при прохождении электрического тока через провод ник, и величиной самого тока и сопротивления проводни ка (закон Джоуля-Ленца).
Итак, на протяжении более четырех десятилетий фор мировался один из самых великих принципов современной науки, приведший к объединению самых различных явле ний природы. Принцип этот гласит, что существует опре деленная величина, называемая энергией, которая не меня ется ни при каких превращениях, происходящих в приро де. Исключений из закона сохранения энергии не сущест вует. Историками науки открытие закона сохранения и превращения энергии рассматривается как первая револю ция в физике.
Основные выводы главы
177
Вопросы для самоконтроля
178
9. Сформулируйте первое (I) начало термодинамики.
Опишите способы передачи энергии от одного макроскопи
ческого тела другому?
10. Объясните, чем обусловливается передача энергии
путем теплообмена.
4. Принцип возрастания энтропии
Принцип возрастания энтропии составляет сущность II начала термодинамики. II начало термодинамики, в об щем-то, хорошо известно и понятно каждому человеку, ибо с ним каждый из нас сталкивается буквально на каждом шагу. Не удивительно потому, что II начало термодинами ки было установлено даже раньше I начала термодинами ки. Правда, первоначальная формулировка его еще не со держала понятия энтропии.
Существует точка зрения, что первая формулировка II закона термодинамики принадлежит Жану-Батисту Жо-зефу Фурье, префекту Изера, которому в 1811 году была присуждена премия французской Академии наук за матема тическую теорию распространения тепла. Фурье сформули ровал закон теплопроводности, согласно которому количе ство теплоты, которое переносится в единицу времени че рез единицу площади поверхности вдоль какого-либо направления, прямо пропорционально величине изменения температуры вдоль этого направления. Причем, что харак терно, количество теплоты переносится от тел с большей температурой в направлении к телам с меньшей темпера турой. Теплопроводность приводит к все большему вырав ниванию температур до тех пор, пока распределение темпе ратуры во всех точках пространства рассматриваемой изо лированной системы станет одинаково.
Фурье оказался первым, кто количественно описал явление, составляющее элемент обыденного знания чело века, и в то же время немыслимое с точки зрения клас сической ньютоновской механики, все законы которой яв ляются обратимыми. Немыслимое по той причине, что явление теплопроводности описывает необратимые про цессы.
179
Дальнейшая судьба понятия необратимости в науке связана с упоминаемой в предыдущей главе работе С. Кар-но «Размышления о движущей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу».
4.1. Идеальный цикл Карно
Отец Никола Леонара Сади Карно — знаменитый фран цузский генерал, «организатор побед Великой французской революции» Лазар Никола Карно, инженер по образованию, проявлял значительный интерес к науке и практическому применению инженерных достижений. Он занимался ана лизом работы тепловых машин, и Сади Карно продолжил работу своего отца. Придерживаясь теплородной теории, С. Карно, тем не менее, сумел получить результаты, имею щие непреходящее значение для развития науки.
Во-первых, С. Карно ввел понятие циклического (кру гового) процесса. Наблюдая действие паровой машины, он обратил внимание, что используемый для перемещения цилиндра пар затем выпускается в среду с меньшей тем пературой, где он снова превращается в воду (конденсат), причем конденсат в дальнейшем более не используется. Карно ставит вопрос о возможности использования отра ботанного конденсата, о возможности возвращения конден сата в котел, где он вновь нагреется, превратится в пар, который при своем дальнейшем расширении вновь совер шит работу над поршнем. Таким образом, вода будет про ходить полный цикл — ряд процессов, в результате кото рых возвратится в исходное состояние.
Второй важный шаг состоял в том, что Карно устано вил, что подобный непрерывный циклический процесс воз можен лишь при наличии двух нагревателей: нагревателя при высокой температуре Т1 и холодильника при более низкой температуре Т2. Кроме нагревателя и холодильника необходимо рабочее тело. Рабочее тело, забирая у нагрева теля количество теплоты Q1 произведя работу, для восста новления своих исходных параметров (для обеспечения непрерывности цикла) должно отдать некоторое количе ство теплоты Q2 холодильнику. Основываясь на теплород ной теории теплоты, Карно полагал, что «падение теплород ной субстанции», обусловленное разностью температур на-
180
гревателя и холодильника, аналогично падению воды с бо лее высокого уровня на низкий. Так что работа определя ется перепадом между температурами теплорода в нагре вателе и холодильнике.
Далее Карно вводит для характеристики тепловой ма шины понятие коэффициента полезного действия (КПД), рассматриваемого как отношение работы, совершаемой ра бочим телом, к количеству теплоты Q1 взятой у нагрева теля:
Основная задача, решение которой являлось целью ра боты Карно, состояла в определении, от чего зависит КПД тепловой машины. При этом он демонстрирует поистине научно-теоретический подход, ибо пытается определить КПД машины независимо от «какого-либо механизма», «какого-либо определенного агента», то есть предлагает рассмотреть идеальную тепловую машину. Основная осо бенность этой идеальной машины состоит в том, что все изменения в ней должны происходить обратимым путем.
Обратимым называется процесс, который может идти как в прямом, так и в обратном направлении, и по возвра щении системы в исходное состояние не происходит ника ких изменений. Любой другой процесс называется необра тимым. Оказывается, если исключить из рассмотрения яв ления, происходящие в микромире, то в природе строго обратимых процессов не существует. Еще Лазар Карно об ратил внимание на то, что для достижения наивысшего КПД при постройке и эксплуатации механического устрой ства следует сводить до минимума удары, трение, иными словами, все процессы, которые приводят к потере «живой силы». Сади Карно строит свою теорию, рассматривая яв ление получения движения из тепла, исходя из самых об щих соображений, отвлекаясь от разнообразных частных факторов в функционировании машины. Он пытается оп ределить, от чего зависит максимальный КПД машины. Поэтому он и берет в рассмотрение идеализированную ма шину, существенной особенностью процесса которой явля ется циклический и обратимый характер. В качестве рабо чего тела Карно использует воздух, чтобы избежать слож ностей, связанных с изменением фазы — превращением
181
воды в пар, а затем пара — в воду. Более того, Карно при ходит к верному заключению о том, что для повышения КПД надо исключить прямые контакты между нагревате лем и холодильником, чтобы ни одно изменение темпера туры не было обусловлено прямыми потоками тепла между двумя телами, находящимися при различных температу рах. Эти потоки не производили бы никакой механической работы и приводили бы к снижению КПД.
Рассуждая подобным образом, Карно разделил цикл идеальной тепловой машины на четыре стадии.
1-я стадия. Рабочее тело, обладающее температурой на гревателя T1, приводится в контакт с нагревателем и по лучает у него количество теплоты Q1, которое целиком расходуется на работу по расширению рабочего тела. Ни какая часть от полученной теплоты не расходуется на уве личение внутренней энергии рабочего тела, не теряется зря вследствие равенства температур рабочего тела и нагрева теля в начале цикла. 1-я стадия цикла протекает при по стоянной температуре Т1, изотермически.
2-я стадия. Рабочее тело изолируется от источника, тепло не поступает и не уходит из системы. То есть коли чество теплоты не поглощается и не тратится. Говорят, что процесс на 2-й стадии протекает адиабатически, то есть без теплообмена. При этом рабочее тело продолжает расши ряться, и работа по его расширению происходит за счет резервов внутренней энергии рабочего тела. Внутренняя энергия рабочего тела при его расширении уменьшается, и рабочее тело охлаждается. Такое адиабатическое расшире ние рабочего тела продолжается до тех пор, пока темпера тура его не станет равной температуре холодильника.
3-я стадия. И вот тут-то рабочее тело с температурой Т2 подается в холодильник с такой же температурой Т2. Опять достигается экономия: теплота не растрачивается зря, так как нет переноса тепла между рабочим телом и холодильником, связанного с разностью их температур. Тем не менее, рабочее тело отдает некоторое количество теплоты Q2 холодильнику, вследствие чего уменьшается объем рабочего тела, оно сжимается. Процесс сжатия ра бочего тела необходим для обеспечения цикличности ра боты машины, ибо при этом уменьшается объем рабочего тела. Вспомним, что в нагреватель на 1-й стадии рабочее
182
тело поступало с меньшим объемом и только потом рас ширялось, совершая работу.
4-я стадия. И, наконец, на 4-й стадии рабочее тело ади абатически сжимается до первоначального объема. При этом внутренняя энергия его увеличивается. Процесс этот продолжается до тех пор, пока температура рабочего тела не становится равной температуре нагревателя Т1.
Итак, цикл оказывается обратимым. Две изотермичес кие стадии (1-я и 3-я) при постоянных температурах (со ответственно, Т1 — на 1-й стадии и Т2 — на 3-й стадии) связаны между собой двумя адиабатическими стадиями.
И хотя Сади Карно не определил величину КПД иде альной обратимой машины, и сама его книга «О движу щей силе огня и о машинах, способных развивать эту силу» содержит в себе всего 45 страниц, основные прин ципы, выдвинутые автором в этом труде оказались фун даментальным вкладом в генезис и развитие термодина мики. Карно пришел к совершенно верному выводу о том, что КПД идеальной машины зависит только от тем ператур нагревателя и холодильника, а КПД любой дру гой машины всегда меньше КПД идеальной тепловой ма шины.
Уже после смерти Сади Карно, в 1850 году, Клаузиус дал новое строго математическое описание цикла Карно с точки зрения сохранения энергии. Согласно I началу тер модинамики количество теплоты, отдаваемое рабочим те лом холодильнику Q2, должно быть меньше количества теплоты, взятого у нагревателя Q1 на величину произведен ной работы:
A = Q1 — Q2.
Напомним, что анализ Карно, основанный на представ лениях о теплороде, предполагает равенство Q1 и Q2.
Клаузиус определяет, что при работе тепловой машины не все количество теплоты, взятое у нагревателя, переда ется холодильнику. Часть этой теплоты превращается в работу, совершаемую машиной. Однако одного первого на чала термодинамики недостаточно для объяснения работы тепловой машины. Клаузиус показал, что объяснение пре вращения теплоты в работу основывается еще на одном принципе, сформулированном Карно, утверждающим, что в любом непрерывном процессе превращения теплоты от го-
183
рячего нагревателя в работу непременно должна происхо дить отдача теплоты холодильнику. Таким образом, име ет место общее свойство теплоты, заключающееся в том, что теплота «всегда обнаруживает тенденцию к уравниванию температурной разницы путем перехода от теплых тел к холодным». Это положение Клаузиус предлагает назвать «вторым основным положением механической теории теп лоты».
В 1852 году Уильям Томсон пришел к аналогичным выводам. Он указал на существование в природе универ сальной тенденции к деградации механической энергии. Значение работ Клаузиуса и Томсона трудно переоценить. Фактически они объединили при анализе работы тепловой машины две концепции: концепцию Майера, Джоуля, Коль динга о сохранении энергии и принцип Карно, утвержда ющий зависимость КПД машины от разности температур нагревателя и холодильника. Тем самым, были утвержде ны I и II начала термодинамики.
Взяв оба эти начала за исходные, Клаузиус получил выражение для КПД идеальной тепловой машины:
и показал, что КПД любой тепловой машины должен быть меньше или равен КПД идеальной машины:
Это утверждениетакже является одной из формулиро вок II начала термодинамики. Итак,
4.2. Понятие энтропии
Для идеальной машины Карно справедливо, что
Отсюда получается равенство
184
Так как количество теплоты Q2 отдается холодильни ку, его надо взять со знаком «минус». Следовательно, по лучаем выражение
Будем писатьвместо Q, подчеркивая, что речь идет о порции, полученной рабочим телом от нагревате ля, и порции, потерянной им в холодильнике.
Полученное выражение напоминает закон сохранения, а это, в свою очередь, не может не привлечь внимания к величине
В 1865 году Клаузиус ввел новое понятие «энтропия» (entropia — от греч. «поворот», «превращение»). Клаузис посчитал, что существует некоторая величина S, которая, подобно энергии, давлению, температуре, характеризует со стояние газа. Когда к газу подводится некоторое количе ство теплоты, то энтропия S возрастает на величину, равную
В предыдущей главе говорилось о том, что в течение длительного времени ученые не делали различий между такими понятиями, как температура и теплота. Однако ряд явлений указывал на то, что эти понятия следует раз личать. Так, при таянии льда теплота расходуется, а тем пература льда не изменяется в процессе плавления. После введения Клаузиусом понятия энтропии стало понятно, где пролегает граница четкого различения таких понятий, как теплота и температура. Дело в том, что нельзя говорить о каком-то количестве теплоты, заключенном в теле. Это понятие не имеет смысла. Теплота может передаваться от тела к телу, переходить в работу, возникать при трении, но при этом она не является сохраняющейся величиной. Поэтому теплота определяется в физике не как вид энер гии, а как мера изменения энергии. В то же время введен ная Клаузиусом энтропия оказалась величиной, сохраняю щейся в обратимых процессах. Это означает, что энтропия системы может рассматриваться как функция состояния системы, ибо изменение ее не зависит от вида процесса, а определяется только начальным и конечным состояния-
185
ми системы. Покажем, что в идеальном цикле Карно эн тропия сохраняется.
Рассмотрим величину, которая означает бесконеч но малое приращение теплоты, настолько малое, что состо яние системы характеризуется одним и тем же значени ем температуры, неизменным по всему объему рассматри ваемой системы. То есть предполагается, что система во все моменты времени находится в тепловом и механическом равновесии, и любое изменение ее состояния слагается из последовательности равновесных состояний, каждое из ко торых лишь бесконечно мало отличается от предшеству ющего. Именно такой характер поведения системы реали зуется в обратимых процессах.
Если процесс обратимый, как в круговом цикле Карно, то
Из этого соотношения следует, что энтропия рабочего тела на 1-й стадии возрастает ровно настолько, насколь ко она уменьшается на 3-й стадии. На 2-й и на 4-й ста диях энтропия рабочего тела не изменяется, так как про цессы здесь протекают адиабатически, без теплообмена.
Иными словами, в случае обратимых процессов,
то есть
S = const — энтропия изолированной системы в случае обратимых процессов постоянна.
При необратимых процессах получаем закон возраста ния энтропии:
Для того чтобы осуществить обратимый процесс, необ ходимо, как это уже упоминалось, добиться очень медленно го расширения или сжатия рабочего тела, чтобы изменения системы представляли собой последовательность равновес ных состояний. В таком цикле совершение какой-либо полезной работы потребует бесконечно большого времени. Чтобы получить работу в короткие промежутки времени, то есть хорошую мощность, приходится нарушать условия идеального цикла. А это сразу приведет к неодинаковос ти температуры на разных участках системы, к потокам тепла от более горячих участков к менее горячим, то есть к возрастанию энтропии системы.
Для описания термодинамических процессов I начала термодинамики оказывается недостаточно, ибо I начало
186
термодинамики не позволяет определить направление про текания процессов в природе. Тот факт, что энтропия изо лированной системы не может убывать, а только возрастает и достигает максимального значения в равновесном состо янии, является отражением того, что в природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.
Существуют различные формулировки II начала термо динамики. Все они являются эквивалентными. Приведем некоторые из них:
1. Невозможны такие процессы, единственным конеч
ным результатом которых был бы переход тепла от
тела, менее нагретого, к телу, более нагретому.
В природе возможны процессы, протекающие только в одном направлении — в направлении передачи тепла только от более горячих тел менее горячим.
2. КПД любой тепловой машины всегда меньше 100
%, то есть невозможен вечный двигатель (перпетуум-мо
биле) II рода (так как невозможно построить тепловую
машину, работающую не за счет перепада теплоты, а за
счет теплоты одного нагревателя).
КПД любой реальной тепловой машины всегда мень ше КПД идеальной тепловой машины.
3. Энтропия изолированной системы при протекании
необратимых процессов возрастает, ибо система, предо
ставленная самой себе, переходит из менее вероятного со
стояния в более вероятное. Энтропия системы, находя
щейся в равновесном состоянии, максимальна и постоян
на
Эту последнюю формулировку требуется обсудить более подробно.
4.3. Энтропия и вероятность
В основе термодинамики лежит различие между двумя типами процессов — обратимыми и необратимыми.
Понятие энтропии позволяет отличать в случае изоли рованных систем обратимые процессы (энтропия макси мальна и постоянна) от необратимых процессов (энтропия возрастает).
187
Благодаря работам великого австрийского физика Люд вига Больцмана, это отличие было сведено с макроскопи ческого уровня на микроскопический. Состояние макроско пического тела (системы), заданное с помощью макропара метров (параметров, которые могут быть измерены макро приборами — давлением, температурой, объемом и други ми макроскопическими величинами, характеризующими си стему в целом), называют макросостоянием.
Состояние макроскопического тела, охарактеризованное настолько подробно, что оказываются заданными состоя ния всех образующих тело молекул, называется микросо стоянием.
Всякое макросостояние может быть осуществлено раз личными способами, каждому из которых соответствует некоторое микросостояние системы. Число различных мик росостояний, соответствующих данному макросостоянию, называется статистическим весом W, или термодинамичес кой вероятностью макросостояния. Попробуем разобраться в этом.
Мы знаем, что весь окружающий мир состоит из моле кул и атомов. Поместим в некоторый сосуд с теплоизоли рованными стенками некоторое количество газа, число мо лекул которого равно N. Выделим какую-либо одну моле кулу. Предположим, что каким-либо образом мы можем ее пометить, скажем, можем окрасить ее в зеленый цвет. Если бы мы могли это сделать, то получили бы возмож ность отличать ее от других молекул и тем самым отсле дить ее поведение в данном объеме. Наблюдая за этой молекулой, мы очень скоро убедимся, что она может зани мать любое положение в сосуде. Причем положение ее в любое мгновение оказывается случайным.
Теперь разделим наш объем на две половины. Мы уви дим, что наша молекула, беспорядочно блуждая, постоянно натыкаясь (сталкиваясь) с другими молекулами, пробудет в одной из половинок сосуда ровно половину времени, в течение которого мы за ней наблюдаем. В этом случае, го ворят, что вероятность ее пребывания в одной из полови нок сосуда равна 1/2. Если мы будем наблюдать уже за двумя мечеными молекулами, то вероятность того, что мы обнаружим сразу обе молекулы в одной из половинок со суда, окажется равной произведению вероятностей каждой
188
молекулы 1/2 • 1/2 = 1/4. Аналогично для трех молекул эта вероятность равна (1/2)3, а для N молекул — (1/2)N. В 29 граммах воздуха, например, содержится число моле кул N, равное 6,023 • 1023. Соответственно, вероятность на хождения сразу всех молекул в одной половине объема со суда (1/2)N ничтожно мала. Такое событие является мало вероятным. Нам это и не кажется странным. Странным было бы, если бы в одной комнате все молекулы воздуха вдруг в некоторый момент времени собрались бы в одной ее половине, а в другой половине оказалось бы безвоздуш ное пространство. И если бы мы не успели или не догада лись, что надо срочно перепрыгнуть в нужную половину комнаты, то умерли бы от кислородного голодания. Мы знаем, что такое событие является маловероятным. Веро ятность же того, что все молекулы находятся во всем объе ме данного сосуда, максимальна и примерно равна едини це. Состояние это может реализовываться наибольшим числом способов, когда любая из молекул может находить ся в любой точке пространства сосуда. В этом случае ста тистический вес, то есть число способов, которым может быть реализовано это состояние, максимальный.
Пусть в некоторый момент времени нам удалось за гнать все молекулы с помощью диафрагм (перегородок) в правую верхнюю часть сосуда. Остальные 3/4 объема со суда оставались при этом пустыми. Далее уберем диафраг мы и увидим, что молекулы заполнят весь объем сосуда, то есть перейдут из состояния с меньшей вероятностью в со стояние с большей вероятностью. То есть процессы в си стеме идут только в одном направлении: от некоторой структуры (порядка, когда все молекулы содержались в верхнем правом углу объема сосуда) к полной симметрии (хаосу, беспорядку, когда молекулы могут занимать любые точки пространства сосуда).
Больцман первым увидел связь между энтропией и ве роятностью. При этом он понял, что энтропия должна выражаться через логарифм вероятности. Ибо если мы рассмотрим, скажем, две подсистемы одной системы, каждая из которых характеризуется статистическим весом, соответ ственно W1 и W2, полный статистический вес системы ра вен произведению статистических весов подсистем:
189
в то время как энтропия системы S равна сумме энтропии подсистем:
Больцман связал понятие энтропии S с InW. В 1906 году Макс Планк написал формулу, выражающую основную мысль Больцмана об интерпретации энтропии как лога рифма вероятности состояния системы:
S = k lnW
Коэффициент пропорциональности к был рассчитан Планком и назван постоянной Больцмана. Формула «S = k lnW» выгравирована на памятнике Больцману на его могиле в Вене.
Идея Больцмана о вероятностном поведении отдельных молекул явилась развитием нового подхода при описании систем, состоящих из огромного числа частиц, впервые раз витого Максвеллом. Максвелл пришел к пониманию того, что в этих случаях физическая задача должна быть постав лена иначе, чем в механике Ньютона. Очевидно, что наш пример с мечеными молекулами сам по себе неосуществим, ибо в принципе невозможно проследить в течение значи тельного интервала времени за движением отдельной мо лекулы. Невозможно также определить точно координаты и скорости всех молекул макроскопического тела одновре менно в данный момент времени. Задачу следует ставить иначе, а именно — попытаться найти вероятность того, что данная молекула обладает таким-то значением скорости. Максвелл ввел для описания случайного характера пове дения молекул понятие вероятности, вероятностный (ста тистический закон). Используя новый подход, Максвелл вывел закон распределения числа молекул газа по скоро стям. Этот закон вызвал длительную дискуссию, длившу юся десятилетия вплоть до изготовления молекулярных насосов, позволивших произвести экспериментальную про верку закона. В 1878 году Больцман, как уже говорилось, применил понятие вероятности, введенное Максвеллом, и показал, что второй закон термодинамики также является следствием более глубоких статистических законов поведе ния большой совокупности частиц.
Таким образом, с развитием статистической физики и термодинамики на место причинных динамических законов
190
становятся статистические законы, позволяющие предви деть эволюцию природы не с абсолютной достоверностью, а лишь с большой степенью вероятности.
4.4. Порядок и хаос. Стрела времени
Точка зрения Больцмана означала, что необратимое возрастание энтропии в изолированной системе, которая не обменивается энергией с окружающей средой, следует рас сматривать как проявление все увеличивающегося хаоса, постепенного забывания начальной асимметрии, ибо асим метрия приводит к уменьшению числа способов, которыми может быть осуществлено данное макросостояние, то есть к уменьшению термодинамической вероятности W. Так что любая изолированная система самопроизвольно эволюци онирует в направлении забывания начальных условий, в направлении перехода в макроскопическое состояние с мак симальной W, соответствующего состоянию хаоса и макси мальной симметрии. При этом энтропия возрастает, что соответствует самопроизвольной эволюции системы. Закон этот обойти нельзя, возрастание энтропии является платой за любой выигрыш в работе, оно присутствует во всех фи зических явлениях. В состоянии теплового равновесия энтропия достигает своего максимального значения. Ины ми словами, в равновесном состоянии существует состоя ние молекулярного хаоса, что означает полное забвение системой своего начального состояния, несохранения сис темой информации о своем прошлом.
По словам Эддингтона, возрастание энтропии, определя ющее необратимые процессы, есть «стрела времени». Для изолированной системы будущее всегда расположено в на правлении возрастания энтропии. Это и отличает будущее от настоящего, а настоящее от прошлого. То есть возрас тание энтропии определяет направление, стрелу времени. Энтропия же возрастает по мере увеличения беспорядка в системе. Поэтому любая изолированная физическая систе ма обнаруживает с течением времени тенденцию к переходу от порядка к беспорядку. Старая концепция движения, которая не обращала должного внимания на необратимые процессы, по существу, описывала движение как постоян ное повторение одного и того же круга превращений. Сфор-
191
мулировав II начало термодинамики, Клаузиус проводит четкую границу между движением как повторением и дви жением как необратимым процессом. «Часто приходится слышать, — пишет он, — что все в мире происходит в замкнутом круге... Когда первый основной принцип меха нической теплоты был сформулирован, его, пожалуй, мож но было счесть за блестящее подтверждение вышеупомя нутого мнения... Но второй основной принцип механичес кой теплоты противоречит этому мнению решительным образом... Отсюда вытекает, что состояние Вселенной долж но все более и более изменяться в определенном направ лении»12.
4.5. «Демон Максвелла»
С возникновением термодинамики в физике сложилась весьма щекотливая ситуация. Дело в том, что законы нью тоновской классической механики являются обратимыми. Это своим следствием содержит тот факт, что в классичес кой динамической системе всегда можно, варьируя началь ные условия, привести систему в определенное, «нужное», заранее выбранное состояние. Иными словами, жесткая детерминированность законов классической физики, отсут ствие в ней элементов вероятности, случайности определя ют возможность воздействия на систему, управления сис темой. Наиболее ярким примером подобного детермини рованного описания может служить «демон Лапласа».
Второе начало термодинамики указывает на то обсто ятельство, что вследствие необратимого характера протека ния процессов в термодинамических системах, они не мо гут быть управляемыми до конца. И. Пригожин и И. Стенгерс очень образно выразили этот факт словами: «Необратимое увеличение энтропии описывает приближе ние системы к состоянию, неодолимо «притягивающему» ее, предпочитаемому ею перед другими, — состоянию, из кото рого система не выйдет по «доброй воле»13.
Однако II начало термодинамики справедливо для си стемы с большой совокупностью частиц. На это обстоя тельство особенно обращал внимание Максвелл, говоря о том, что в системах с малым количеством объектов след ствием статистических законов должно стать нарушение
192
второго начала термодинамики. И если бы существовало такое существо («демон Максвелла»), которое обладало бы способностью видеть, следить за каждой молекулой, отби рать отдельные молекулы, то оно могло бы нарушить за кон возрастания энтропии. Так, если бы это существо от бирало бы самые быстрые молекулы и перекладывало бы их во второй сосуд, то в первом сосуде газ охлаждался бы, а во втором нагревался. Так что с помощью демона Макс велла можно было бы нагревать газ во втором сосуде без расхода энергии, просто за счет умелого разделения моле кул газа на две части. С точки зрения классической меха ники, если рассматривать молекулы в качестве материаль ных точек, здесь не возникает никакого парадокса. Сам Максвелл считал, что если в макроскопической теории сле дует оперировать усредненными величинами и статистиче скими закономерностями, что отличает это описание от описания, принятого в классической механике, то для мик ропроцессов такого различения не требуется: здесь тепло вые и механические явления тождественны по своей сути. Разрешение парадокса с демоном Максвелла было дано Сциллардом в 1928 году. Демон, для того, чтобы осуществ лять наблюдение за молекулами, должен иметь размеры, ненамного превышающие размеры самих молекул. Но при этом те молекулы (небольшое количество их, составляю щих самого демона) все время сами будут пребывать в ха отическом движении. Чтобы исключить хаотическое дви жение самого демона, надо все время поддерживать его при очень низкой температуре. Вот и получается, что для по давления собственного хаотического движения демона, его собственных флуктуации требуется не меньше энергии, чем демон мог бы раздобывать, неутомимо работая по разделе нию быстрых (горячих) молекул и медленных (холодных).
4.6. Проблема тепловой смерти Вселенной. Флуктуационная гипотеза Больцмана
Дальнейшее развитие принципа необратимости, прин ципа возрастания энтропии состояло в распространении этого принципа на бесконечную Вселенную в целом. Уильям Томсон экстраполировал принцип возрастания энтропии на крупномасштабные процессы, протекающие в
7. Зак 671 193
природе. Клаузиус распространил этот принцип на Вселен ную в целом, что привело его к гипотезе о тепловой смер ти Вселенной. Все физические процессы протекают в на правлении передачи тепла от более горячих тел к менее горячим; это означает, что медленно, но верно идет про цесс выравнивания температуры во Вселенной. Следова тельно, будущее вырисовывается перед нами в достаточ но трагических тонах: исчезновение температурных раз личий и превращение всей мировой энергии в теплоту, равномерно распределенную во Вселенной. Отсюда Клау зиус делает вывод о том, что: «1. Энергия мира постоян на. 2. Энтропия мира стремится к максимуму».
Экстраполяционный вывод о грядущей тепловой смерти Вселенной, означающий прекращение каких-либо физиче ских процессов вследствие перехода Вселенной в равновес ное состояние с максимальной энтропией, на протяжении всего дальнейшего развития привлекает внимание ученых, так как затрагивает как глубинные проблемы чисто науч ного характера, так и философско-мировоззренческие, ибо указывает определенную верхнюю границу возможности су ществования человечества. С научной точки зрения возни кают проблемы правомерности следующих экстраполяции, высказанных Клаузиусом:
Проблемы эти представляют несомненную трудность и для современной физической теории. Решение их следует искать в общей теории относительности и развивающей ся на ее основе современной космологии. Многие теоретики считают, что в общей теории относительности мир как це лое должен рассматриваться «не как замкнутая система, а как cистема, находящаяся в переменном гравитационном поле; в связи с этим применение закона возрастания эн тропии не приводит к выводу о необходимости статисти ческого равновесия»14.
Проблему будущего развития Вселенной пытался раз решить Больцман, применивший к замкнутой Вселенной понятие флуктуации. Под флуктуацией физической вели-
194
чины понимается отклонение истинного значения величи ны от ее среднего значения, обусловленное хаотическим тепловым движением частиц системы. Больцман принял ограничение Максвелла, согласно которому для небольшого числа частиц II начало термодинамики не должно приме няться, ибо в случае небольшого числа молекул нельзя говорить о состоянии равновесия системы. При этом он использует это ограничение для Вселенной, рассматривая видимую часть Вселенной как небольшую область беско нечной Вселенной. Для такой небольшой области допусти мы флуктуационные отклонения от равновесия, благодаря чему в целом исчезает необратимая эволюция Вселенной в направлении к хаосу. Идея эволюции, результатом ко торой явились бы самоорганизация материи, возникнове ние огромной палитры многообразных красок физической реальности, неотразимо влекла Больцмана. Больцман на звал XIX век, век величайших открытий в области физи ки, веком Дарвина, подчеркивая особое значение эволюци онной теории Дарвина. Если эволюционная теория Дарви на — это путь от спонтанных флуктуаций видов, после чего наступает отбор и необратимая биологическая эволю ция в сторону возникновения и возрастания сложности, то в физике, согласно II началу термодинамики, картина об ратная: необратимость приводит к забыванию начальных условий и разрушению порядка. Со времен Дарвина идея эволюции и самоорганизации целиком относилась к жи вым организмам. Больцман поставил своей целью не про сто описывать состояние равновесия, но и создать теорию эволюции системы к равновесию. При этом он пытался со единить II начало термодинамики с динамикой, вывести «необратимость» из динамики. Флуктуационная гипотеза Больцмана как раз является развитием этих его целеуст ремлений. Как отмечают авторы: «Его мечтой было стать Дарвином эволюции материи»15. При формулировании флуктуационной гипотезы Больцман исходил из допуще ния, что бесконечная Вселенная уже достигла состояния термодинамического равновесия. Но вследствие статисти ческого характера принципа возрастания энтропии для небольших областей этой бесконечной Вселенной возмож ны макроскопические отклонения от состояния равнове сия — флуктуации. «Имеется выбор между двумя пред-
195
ставлениями, — пишет Больцман. — Можно предполо жить, что вся Вселенная сейчас находится в некотором весьма невероятном состоянии. Но можно мыслить зоны — промежутки времени, по истечении которых снова наступа ют невероятные события, — такими же крошечными по сравнению с продолжительностью существования Вселен ной, как расстояние от Земли до Сириуса ничтожно по сравнению с ее размерами.
Тогда во всей Вселенной (которая в противном случае повсюду находилась бы в тепловом равновесии, т. е. была бы мертвой) имеются относительно небольшие участки (мы будем называть их отдельными мирами), которые в тече ние относительно небольших по сравнению с эоном про межутков времени значительно отклоняются от теплово го равновесия, а именно: среди этих миров одинаково часто встречаются состояния, вероятности которых возра стают и уменьшаются. Таким образом, для Вселенной в целом два направления времени являются неразличимы ми, так как в пространстве нет верха и низа. Но точно так же, как мы в некотором определенном месте земной повер хности называем «низом» направление к центру Земли, так и живое существо, которое находится в определенной временной фазе одного из таких отдельных миров, назовет направление времени, ведущее к более невероятным состо яниям, по-другому, чем противоположное (первое — как направление к «прошлому», к началу, последнее — к «бу дущему», к концу), и вследствие этого названия будет об наруживать «начало» для этих малых областей, выделен ных из Вселенной, всегда в некотором невероятном состо янии.
Этот метод представляется мне единственным, с помо щью которого можно осмыслить второе начало, тепловую смерть каждого отдельного мира без того, чтобы предпола гать одностороннее изменение всей Вселенной от некоторо го определенного начального состояния к некоторому ито говому конечному состоянию»16.
К сожалению, мечта Больцмана не сбылась в полной мере; ему не удалось найти ключ к объединению динами ки и II начала термодинамики, а предлагаемая флуктуаци-онная модель эволюции Вселенной имела всего лишь ха рактер гипотезы ad hoc и при этом очень большое число оппонентов.
196
Скептическое отношение многих ученых к атомистиче ской теории Больцмана (сам он был убежден в том, что от стаиваемое им учение об атомах завоюет признание через много десятков лет), трудности с определением роли II на чала термодинамики в системе естествознания, возможно, и ряд других причин привели этого замечательного ученого к трагическому концу. В 1906 году он покончил жизнь самоубийством.
XX век вносит свои коррективы в проблемы самоорга низации сложных систем и формирует новое междисцип линарное направление — синергетику, в рамках которой мы и попытаемся рассмотреть эволюцию Вселенной.
4.7. Синергетика. Рождение порядка из хаоса
Понятие хаоса играло немаловажную роль на протяже нии всей истории развития человеческой мысли. С хаосом связывались представления о гибельном беспорядке, о не различимой пучине, зияющей бездне. Собственно, такое представление является наиболее распространенным и в обыденной жизни. Тем не менее, идея первичного хаоса, из которого потом все родилось, также достаточно распрост ранена в древних мифах, в восточной философии, в учени ях древних греков. И в ведийских «Ригведах», и в учении Платона мы встречаемся с мыслью о превращении изна чального Хаоса в Космос, о возникновении из него «жиз недеятельного». Эти представления очень созвучны совре менному развитию естествознания. Начиная с 70-х годов нашего века бурно развивается направление, называемое «синергетикой», в фокусе внимания которого оказывают ся сложные системы с самоорганизующимися процессами, системы, в которых эволюция протекает от хаоса к поряд ку, от симметрии ко все возрастающей сложности.
Синергетика в переводе с греческого языка означает «содружество, коллективное поведение». Термин этот впер вые был введен Хакеном. Как новационное направление в науке, синергетика возникла, в первую очередь, благодаря выдающимся достижениям И. Пригожина в области не равновесной термодинамики. Им было показано, что в не равновесных открытых системах возможны эффекты, при водящие не к возрастанию энтропии и стремлению термо-
197
динамических систем к состоянию равновесного хаоса, а к «самопроизвольному» возникновению упорядоченных структур, к рождению порядка из хаоса.
Процессы, протекающие в различных явлениях приро ды, следует разделять на два класса. К первому классу от носятся процессы, протекающие в замкнутых системах. Они развиваются в направлении возрастания энтропии и приводят к установлению равновесного состояния в систе мах. Ко второму классу относятся процессы, протекающие в открытых системах. В соответствующие моменты — мо менты неустойчивости — в них могут возникать малые возмущения, флуктуации, способные разрастаться в макро структуры. Таким образом, хаос и случайности в нем мо гут выступать в качестве активного начала, приводящего к развитию новых самоорганизаций. Таким образом, флук-туационная гипотеза Больцмана на современном витке раз вития науки получает в некотором смысле «оправдание» и «право на жизнь». Одним из важнейших результатов, полученных Пригожиным, его школой и последователями, является новый подход к анализу сложных явлений. Во-первых, самоорганизация в сложных системах свиде тельствует о невозможности установления жесткого конт роля за системой. То есть самоорганизующейся системе нельзя навязать путь развития. Управление такой систе мой может рассматриваться лишь как способствование соб ственным тенденциям развития системы, с учетом прису щих ей элементов саморегуляции. Во-вторых, для самоор ганизующихся систем существует несколько различных путей развития. В равновесном или слаборавновесном со стоянии в системе существует только одно стационарное состояние, которое зависит от некоторых управ- ляющих параметров. Изменение этих управляющих параметров будет уводить систему из равновесного состояния. В кон це концов, вдали от равновесия система достигает некото рой критической точки, называемой точкой бифуркации. Начиная с этого момента на дальнейший ход эволюции системы могут оказывать воздействия даже ничтожно ма лые флуктуации, которые в равновесом состоянии системы попросту неразличимы. Поэтому невозможно точно пред сказать, какой путь эволюции выберет система за порогом бифуркации. В параграфе 6 главы 7 этой книги будет рас-
198
смотрен сценарий эволюций Вселенной через призму синер гетики. Следует отметить высокий темп идей и открытий при описании синергетических явлений во всех отраслях науки. Важное значение синергетики состоит в том, что она указывает границы применимости II начала термодинами ки и, более того, делает его элементом более широкой тео рии необратимых процессов, в которой предполагается ес тественное описание с единой точки зрения обоих классов явлений природы.
Вопросы для самоконтроля
10. Приведите примеры самоорганизации, синергетиче-
ского поведения систем, известные вам из истории науки,
истории развития человеческого общества.
199
I Элементы квантовой физики
5.1. Развитие взглядов на природу света. Формула Планка
Вторым «темным облачком» на ясном небосклоне физики XIX-XX веков (см. 2.3) было серьезное расхожде ние между теорией и экспериментом при исследовании за конов теплового излучения абсолютно черного тела. Абсо лютно черное тело — это идеализированное тело, полнос тью поглощающее упавшее на него излучение всех частот. В качестве примера, близкого к понятию абсолютно черного тела, можно привести зрачок глаза. Тепловое излучение — свечение тел, обусловленное тепловым хаотическим движе нием молекул, связанное с переходом энергии теплового движения в электромагнитную волну. Это самый распро страненный вид излучения, существующий при любой тем пературе. Иными словами, это свечение тел, обусловленное их нагреванием. В отличие от теплового излучения, люми несценция представляет собой вид излучения, избыточный над тепловым, обусловленный другими процессами. Толь ко тепловое излучение является равновесным. Для того чтобы пояснить это, представим себе тело, способное испус кать и поглощать энергию. Окружим его непроницаемой оболочкой с идеально отражающей поверхностью, то есть заключим тело в замкнутую полость. Предположим, что температура тела в начальный момент отличалась от тем пературы полости, скажем, была несколько больше. Тело будет излучать энергию; отраженное оболочкой излучение, упав на тело, вновь поглотится им. В результате процес сов поглощения и излучения с течением времени темпера тура тела станет равна температуре полости, то есть сис тема придет в состояние термодинамического равновесия, характеризуемого равновесием между поглощаемой и из лучаемой в единицу времени энергией. Состояние равнове сия определяется функцией, характеризующей распределе ние плотности энергии излучения, заключенного в этой полости, по всевозможным частотам излучения (при по стоянной температуре). Перед физиками встала задача на хождения вида этой функции на базе законов классиче-
200
ской физики. К равновесным процессам применимы зако ны термодинамики и, кроме этого результаты, полученные в электродинамике, позволяли делать попытки в этом на правлении. В конце концов Рэлеем был получен точный закон распределения плотности энергии излучения абсо лютно черного тела по частотам, который тем не менее не соответствовал экспериментальным данным. Именно на это обстоятельство указывал Томсон, говоря о «втором темном облачке». Согласно закону Рэлея, функция должна моно тонно возрастать с увеличением частоты, в то время как из эксперимента было хорошо известно, что с увеличением частоты эта функция вначале растет, а затем, начиная с некоторой частоты, соответствующей максимуму плотнос ти энергии, падает. При условии, что частота стремится к бесконечности, эта функция стремится к нулю. Проблема была решена в 1900 году Максом Планком, высказавшим идею, которая впоследствии перевернула казавшиеся незыб лемыми представления ученых о характере физических законов и открыла новую эру в физике.
Вся классическая физика строится, исходя из представ ления о непрерывной природе пространства, времени, дви жения, непрерывного характера изменения всех физических величин. Эта континуалистская методология, берущая свое начало от понимания движения Аристотелем, сыграла свою важную роль в развитии математической физики, в част ности, в создании дифференциального и интегрального ис числений. Соответственно, при выводе закона Рэлей и Джинс руководствовались представлением о непрерывном характере излучения. Гениальная гипотеза, высказанная Планком, постулирует, что вещество не может излучать или поглощать энергию иначе, как конечными порциями (квантами), пропорциональными излучаемой (или погло щаемой) частоте. Энергия одной порции (кванта) Е = h v , где v — частота излучения, a h — некоторая универсаль ная константа, получившая название постоянной Планка.
Исходя из этой гипотезы, Планк получил новый закон распределения спектральной плотности энергии излучения абсолютно черного тела, дающий полное согласие с экспе риментом.
Вся важность открытия Планка была осознана не сра зу. Однако уже было готово явление, которое оказалось
201
возможным объяснить только с использованием высказан ной Планком идеи. Это явление фотоэффекта, законы ко торого также находились в противоречии с тем, чего ожи дала классическая физика. В 1905 году А. Эйнштейн об ратил внимание на то, что явление фотоэффекта указывает на дискретную природу света в соответствии с гипотезой Планка. При этом дискретная природа света проявляет ся не только в актах испускания или поглощения, но и при свободном распространении излучения в пространстве с течением времени. Иными словами, свет — это поток кор пускул, квантов. Эйнштейн назвал кванты света фотонами. В 1923 году было открыто еще одно явление, подтвержда ющее существование фотонов — эффект Комптона.
Итак, свет — поток квантов. В физике вновь склады вается сложная ситуация. Как все же понимать свет, ведь волновая природа света надежно установлена? Напомним, что на природу света в истории науки существовали две точки зрения. Одна из них, поддерживаемая авторитетом Ньютона, рассматривала свет как поток упругих корпус кул. Вторая точка зрения, отстаиваемая Декартом, а впо следствии Гюйгенсом, рассматривала свет как механиче скую волну, распространяющуюся в упругой среде — эфи ре. До начала XIX века господство одерживала первая точка зрения. Однако с 1801 года ситуация резко измени лась в связи с установлением Т. Юнгом явления интер ференции на двух щелях. Опыты Юнга были продолжены Френелем, который дал объяснение явлениям интерферен ции и дифракции, исходя из представлений о волновой природе света. Таким образом, к середине XIX века не было никаких сомнений по поводу того, что свет являет ся волной. Открытие Максвеллом электромагнитной при роды света только укрепило эту уверенность. Специальная теория относительности не подвергала критическому пере смотру эту точку зрения. Отметим, что классическая физика исходит из коренного различия между понятиями части цы и волны. Считается, что частица обладает конечным числом степеней свободы, строгой траекторией движения, отсутствием интерференции и дифракции. Волна же обла дает бесконечным числом степеней свободы, бестраектор-ностью, ибо каждая точка пространства, куда приходит воз буждение, сама становится источником вторичных волн.
202
Явление интерференции и. дифракции — не что иное, как наложение друг на друга когерентных волн; то есть эти явления отражают волновую природу конкретных матери альных объектов. Открытие Планка не перечеркивало ряд эффектов, в которых свет проявляет свои волновые свой ства. Но при этом были открыты явления, свидетельству ющие о корпускулярной природе света. Таким образом, заговорили о корпускулярно-волновом дуализме света: в одних ситуациях свет ведет себя как волна; а в других ситуациях, не совместимых с первыми в одном и том же эксперименте, свет ведет себя как поток фотонов. Остано вимся подробнее на понятии фотона.
5.2. Энергия, масса и импульс фотона
Фотон обладает энергией Е = hv. Согласно теории отно сительности, частица с энергией Е обладает массой m = Е/С2. Фотон — частица, движущаяся со скоростью света С. При движении фотона его масса, как видно из приведенных формул, конечна. Однако подстановка в фор мулы специальной теории относительности значения ско рости движущегося объекта V=C приведет к равенству нулю массы покоя фотона. То есть фотон существенно от личается от обычных известных к тому времени в физике частиц, так как не имеет массы покоя и может существо вать только в движении. Из равенства вышеприведенных формул получим:
Импульс фотона Р = mС и, следовательно, равен:
где— длина волны.
5.3. Гипотеза де Бройля.
Волновые свойства вещества
Основополагающей в квантовой механике является идея о том, что корпускулярно-волновая двойственность свойств, установленная для света, имеет универсальный характер. В 1924 году Луи де Бройль распространил идею о двойственной корпускулярно-волновой природе света на
203
все материальные объекты, введя представление о волнах, названных волнами де Бройля. Все частицы, обладающие конечным импульсом Р, обладают волновыми свойствами, и их движение сопровождается некоторым волновым про цессом. Де Бройль, исходя из общих принципов теории относительности, получил закон, устанавливающий зависи мость длины волны, связанной с движущейся частицей, от импульса частицы:
Вид зависимости полностью совпал с соотношением для фотона и связанной с ним световой волной. Как от мечал сам автор идеи: «Так был осуществлен знаменитый синтез, ибо оказалось, что для частиц материи и для све та установлен один и тот же вид дуализма». Однако воз никает вопрос, если с какой-либо движущейся частицей, скажем, с движущимся электроном, связана волна, то дол жны проявляться эффекты, определяемые волновыми свой ствами электрона, например, дифракция электронов? Еще за несколько лет до опубликования статьи де Бройля К.Дж. Дэвиссон со своими коллегами по лаборатории «Белл те лефон» экспериментально исследовали явления испускания вторичных электронов и получили непонятные результа ты, которые тогда они не смогли объяснить. После опуб ликования статьи де Бройля Дэвиссон и его сотрудник Л. Джермер возобновили опыты и установили, что элект роны дифрагируют на кристаллах как волны, и длина этих волн полностью соответствует формуле де Бройля. Впослед ствии экспериментальная проверка дифракции электронов была многократно повторена. В настоящее время во мно гих университетах этот эксперимент используют в качест ве демонстрационного материала при чтении лекций по квантовой физике. Позже были проведены эксперименты, устанавливающие дифракцию других элементарных час тиц и даже атомов. Итак, сомнений в волново-корпуску лярном дуализме частиц нет, но есть ли понимание это го явления? Наверное, ситуация немного прояснится, если рассмотреть опыт с двумя щелями, подробно описанный Р. Фейнманом. «Я разберу только этот эксперимент, — пи шет Р. Фейнман на странице 118 книги «Харакер физи ческих законов», — который специально придуман таким
204
образом, чтобы охватить все загадки квантовой механики и столкнуть нас со всеми парадоксами, секретами и стран ностями природы на все сто процентов. Оказывается, что любой другой случай в квантовой механике всегда можно объяснить, сказав: «Помните наш эксперимент с двумя отверстиями? Здесь — то же самое». Интересующегося чи тателя мы отсылаем к вышеназванной книге для более глубокого проникновения в суть результатов опыта, рас смотренного Фейнманом для объяснения квантовой меха ники. Мы же вкратце прокомментируем его результаты.
Фейнман рассматривает три случая прохождения через экран с двумя отверстиями различных объектов.
Случай 1. Пусть имеется источник с пулями, перед ко торым установлен броневой щит с одним отверстием, про пускающим пули. На большом расстоянии от первого щита поставим второй, уже с двумя отверстиями. До статочно далеко от второго щита будет установлен третий щит, в котором пули, прошедшие через отверстия, будут застревать — так, что их можно будет сосчитать. Сразу можно обратить внимание на то, что пули представляют собой дискретные порции энергии. Предположим, что вся энергия движения пули полностью переходит во внутрен нюю энергию мишени. Ясно, что энергия мишени при по падании в нее пули увеличивается скачком на величину энергии одной пули, то есть дискретными порциями. Каж дая пуля — одна нерасчленяемая и опознаваемая порция, поэтому если в качестве мишени использовать ящики с песком, расположенные вдоль поверхности последнего щита, то одна пуля может попасть только в один из ящи ков. Если второе отверстие закрыть броневой завесой, то пули могут достичь мишени только через первое отверстие. При этом большая часть пролетевших пуль будет попадать в ящик с песком, находящимся прямо напротив этой щели. Число прошедших пуль за определенную единицу времени легко сосчитать. Скажем, это будет значение N1. Теперь закроем первое отверстие, получим число пуль N2, прошед ших через второе отверстие. Если будут открыты оба от верстия, то окажется, что число прошедших через обе щели пуль N12 представляет собой простую сумму N1 и N2. Этот факт не является для нас поразительным, именно это мы и ожидали получить. Учитывая, что пули — это дискрет-
205
ные порции веществ, — частицы, а не волны, «отсутствие интерференции» в опыте находится в полном соответствии с нашим обыденным опытом.
Случай 2. Здесь через отверстия будут пропускаться волны, например, морские. Броневые щиты заменяют на дамбу с двумя проходами для воды. Оказывается в случае, если оба прохода будут открыты сразу, наблюдается явле ние интерференции — явление перераспределения гребней и впадин в пространстве за дамбой вследствие наложения волн, проходящих через первый проход и через второй про ход, друг на друга. Интенсивность суммарной волны уже не будет равна сумме интенсивностей волн, проходящих через первый проход (при закрытом втором проход) и че рез второй проход (при закрытом первом проходе):
Здесь под величиной I понимается интенсивность вол ны — величина, характеризующая энергию волны. Поло жение максимумов интенсивностей, то есть гребни резуль тирующей волны за дамбой, может быть достаточно легко рассчитано. Но что интересно: вовсе не обязательно, что они будут располагаться прямо напротив проходов.
Различие между корпускулами и волнами очевидно.
Случай 3. Теперь поэкспериментируем с электронами. Пусть у нас имеется источник с электронами, экран с дву мя отверстиями и детектор, стоящий за экраном и способ ный регистрировать заряд, приносимый электроном. При попадании электронов в детектор происходит щелчок. Мы легко установим по щелчкам, что электроны попадают в детектор дискретно, строго по одному, порциями. Следова тельно, можно поступать так же, как и в случае с пулями: можно измерять вероятность появления электронов в каж дой точке экрана. Экспериментально установлено, что если оба отверстия будут открыты, то мы получим кривую ве роятности попадания, соответствующую кривой, получен ной в опыте с интерференцией волн. Если поочередно за крывать то одно отверстие, то другое, а при этом снимать кривые вероятности попадания одной дискретной порции в детектор, то мы получим значения N1 и N2, но вероят ность попадания при условии, когда открыты оба отверстия, уже не равна их сумме:
206
Электроны попадают в детектор дискретными порция ми, как если бы это были частицы, но вероятности попа дания этих частиц определяются по тем же законам, по которым определяется интенсивность волнения воды.
Теперь обратим внимание на следующее важное обсто ятельство: когда были открыты оба отверстия, вследствие чего была получена интерференционная картина, мы не следили за тем, через какое из двух отверстий в данный момент пролетает электрон. Изменим экспериментальную ситуацию таким образом, чтобы можно было следить за этим. Поэтому за отверстиями помещают мощный источ ник света: электроны рассеивают свет, и по вспышке за отверстием 1 или 2 можно точно установить, через какое из них пролетел электрон. При такой постановке экспери мента мы получаем совершенно другой результат: интер ференционная картина разрушается, и поведение электро нов совпадает с поведением пуль в первом рассмотренном нами случае, так что N12 = N1 + N2. И какие бы усовер шенствования в постановке экспериментов не были бы предложены, каждый раз оказывается, что невозможно, с од ной стороны, сказать, через какое отверстие пролетает наш электрон, то есть точно определить его координату, а с дру гой стороны — не исказить картины распределения реги стрируемых электронов, не нарушить характера интерферен ции. По интерференционной картине всегда можно опреде лить длину волны электронов, а затем по формуле де Бройля импульс электрона. Но в этом случае оказывает ся, что мы знаем импульс электрона, но не знаем его ко ординату, так как не определяли, через какое отверстие прошел электрон. И наоборот, если мы знаем координату электрона, то ничего не можем сказать об импульсе вслед ствие разрушения интерференционной картины. В разных экспериментальных ситуациях электрон ведет себя по-раз ному: в одних — как частица, а в других — как волна. Этот совершенно неожиданный, с точки зрения классичес кой физики, результат был выражен в принципе неопреде ленности Гейзенберга и принципе дополнительности Бора.
207
5.4. Принцип неопределенности Гейзенберга
Приведенный выше эксперимент ясно указывает на то, что точное знание координаты электрона означает полное незнание его импульса, и наоборот. Такая ситуация совер шенно необъяснима с точки зрения классической физики. Немало усилий было приложено физиками для устранения возникшего противоречия с целью сохранения классичес кого идеала описания движения физических объектов. Наиболее революционно настроенные ученые посчитали, что подобное неклассическое поведение объектов в микро мире требует критического пересмотра самого понятия «ча стицы», точно локализованной во времени и пространстве. Можно говорить лишь о вероятности того, где в данный момент времени находится частица, и это является неиз бежным следствием введения в физическую теорию посто янной Планка, представлений о квантовых скачках. Фи зическая интерпретация «неклассического» поведения мик рообъектов была впервые дана Вернером Гейзенбергом, указавшим на необходимость отказа от представлений об объектах микромира как об объектах, движущихся по стро го определенным траекториям, для которых однозначно с полной определенностью могут быть одновременно указа ны и координата и импульс частицы в любой заданный момент времени. Надо принять в качестве закона, описы вающего движение микрообъектов, тот факт, что знание точной координаты частицы приводит к полной неопреде ленности ее импульса, и наоборот, точное знание импуль са частицы — к полной неопределенности ее координаты. Исходя из созданного им математического аппарата кван товой механики, Гейзенберг установил предельную точность, с которой можно одновременно определить координату и импульс микрочастицы, и получил следующее соотношение неопределенностей этих значений:
где— неопределенность в значении координаты; — неопределенность в значении импульса. Произве дение неопределенности в значении координаты и неопре деленности в значении импульса не меньше, чем величи на порядка постоянной Планка h.
Чем точнее определена одна величина, скажем, X тем больше становится неопределенность дру-
208
той:Если же точно определен импульс частицы Р
то неопределенность координаты стремится к бесконечности
Итак, соотношение неопределенности накладывает оп ределенные ограничения на возможность описания движе ния частицы по некоторой траектории; понятие траекто рии для микрообъектов теряет смысл.
5.5. Принцип дополнительности Бора
Анализируя соотношения неопределенностей, Бор вы двигает принцип дополнительности, согласно которому точ ная локализация микрообъекта в пространстве и времени и точное применение к нему динамических законов сохра нения исключают друг друга. Бор показал, что из-за соот ношения неопределенностей корпускулярная и волновая модели описания поведения квантовых объектов не входят в противоречие друг с другом, потому что никогда не пред стают одновременно. В одном и том же эксперименте не представляется возможным одновременно проводить изме рения координат и параметров, определяющих динамичес кое состояние системы, например, импульса. Если в одной экспериментальной ситуации проявляются корпускулярные свойства микрообъекта, то волновые свойства оказывают ся незаметными. В другой экспериментальной ситуации, наоборот, проявляются волновые свойства и не проявляют ся корпускулярные. То есть в зависимости от постановки эксперимента микрообъект показывает либо свою корпус кулярную природу, либо волновую, но не обе сразу. Эти две природы микрообъекта взаимно исключают друг друга, и в то же время должны быть рассмотрены как дополняющие друг друга. Если вернуться к рассмотренному нами опыту с двумя отверстиями, то, согласно Бору, мы имеем две раз личные экспериментальные ситуации: одну — с одним открытым отверстием, когда точно известна координата электрона, и поведение электрона соответствует поведению частицы; и вторую — с двумя открытыми отверстиями, в которой появляется интерференционная картина на экране, по которой мы определяем импульс, и поведение электро на сопоставляем с волной. То есть говорить об электроне как об индивидуальной «себетождественной» частице вне зависимости от конкретной экспериментальной ситуации,
209
в которой он проявляет свои свойства, не имеет физиче ского смысла. Это составляет сформулированный Бором принцип физической целостности при описании объектов микромира. Выделим суть принципа дополнительности Бора.
Вся информация о микрообъектах может быть получена с помощью только макроприборов, работающих в опреде ленных диапазонах, позволяющих довести эту информацию, в конечном итоге, до органов чувств познающих субъектов. Макроприборы подчиняются законам классической физики и должны переводить информацию о явлениях в микроми ре на язык понятий классической физики. Следовательно, любое явление в микромире не может быть проанализиро вано как само по себе отдельно взятое, а обязательно долж но включать в себя взаимодействие с классическим мик роскопическим прибором. С помощью конкретного макро скопического прибора мы можем исследовать либо кор пускулярные свойства микрообъектов, либо волновые, но не и те, и другие одновременно. Обе стороны предмета долж ны рассматриваться как дополнительные по отношению друг к другу.
5.6. Концепция целостности в квантовой физике. Парадокс Эйнштейна-Подольского-Розена
В основе естествознания с момента его возникновения и вплоть до открытия Планка господствовала механисти ческая концепция целого и части. Принципы неопределен ности и дополнительности отражают фундаментальную неопределенность явлений природы. Квантовый объект не может быть рассмотрен сам по себе, не обладает индиви дуальными свойствами, а находится в классически опреде ленных внешних условиях. Таким образом, в квантовой механике формулируется концепция целостности, отличная от механистической концепции целого и части, ибо объект вне целого и внутри целого не один и тот же; отдельный объект рассматривается лишь в отношении к чему-либо, свои свойства он проявляет лишь по отношению к конк ретной целостности, чем и определяется статистическая природа его поведения. Говоря словами Н. Бора: «С от крытием Планком элементарного кванта действия нача лась новая эпоха в физических науках. Это открытие об-
210
наружило свойственную атомным процессам черту цель ности, идущую гораздо дальше старой идеи об ограничен ной делимости материи». Боровская интерпретация кван товой теории означает, по существу, отказ от классических представлений о частицах как «внеположенных», «себе-тождественных», «индивидуальных».
Микрообъект постоянно чувствует на себе влияние це лостности, элементом которой он является. Известный физик Поль Ланжевен так высказался по этому поводу: «Мне кажется, что основной причиной всех наших совре менных трудностей является введение представлений об индивидуальных частицах. Сущность принципа неопреде ленности заключается именно в утверждении невозможно сти проследить за движением отдельного электрона, то есть невозможности представить его себе в качестве отдель ного предмета».
Точка зрения Н. Бора, В. Гейзенберга и их сторонни ков, названная копенгагенской интерпретацией квантовой механики, конечно, не могла быть воспринята безоговороч но многими физиками, оставшимися верными идеалу строго детерминированного, причинно-следственного описания движения физических объектов. Так, А. Эйнштейн не при нял принципиально статистический характер копенгаген ской интерпретации квантовой теории. В. Гейзенберг вспо минает о беседах на Сольвеевском конгрессе в Брюсселе, куда по традиции фонда Сольве в 1927 году была пригла шена группа специалистов по квантовой теории: «Эйн штейн не хотел допустить принципиальную невозможность познания всех определяющих моментов, необходимых для полной детерминации рассматриваемых процессов. «Гос подь Бог не играет в кости», — это выражение часто мож но было услышать от него во время дискуссий. Эйнштейн не мог поэтому примириться с соотношением неопределен ности и старался придумать эксперименты, в которых эти соотношения уже не имели бы места».
Дискуссия между Бором и Эйнштейном длилась око ло десяти лет и сыграла очень важную роль в формирова нии основ квантовой теории. Именно этот спор привел к более глубокому пониманию концепции целостности. Свое содержательное развитие эта концепция получила благо даря работе трех авторов — А. Эйнштейна, Б. Подольского и Н. Розена «Можно ли считать квантово-механическое
211
описание физической реальности полным?», опубликован ной в 1935 году. В этой работе формулируется парадокс, на званный парадоксом Эйнштейна — Подольского — Розе-на (ЭПР-парадокс). Если вся предыдущая полемика меж ду Бором и Эйнштейном концентрировалась, в основном, вокруг принципа неопределенности (Эйнштейн предлагал пример, опровергающий соотношение неопределенностей, а Бор всегда доказывал ошибочность аргументов Эйнштей на), то в ЭПР-парадоксе предложена ситуация, приведшая, в конечном счете, вопреки ожиданиям ее авторов, к расши рению принципа целостности. Ситуация, предлагаемая ав торами парадокса, состоит в следующем: пусть некоторая частица самопроизвольно распадается на две частицы, ко торые расходятся на столь большое расстояние друг от друга, что физическое взаимодействие между ними исклю чается. Тогда, если квантовая механика верна, измерение, произведенное над одной из частиц, должно приводить к однозначному предсказанию соответствующей характери стики (импульса, момента импульса — в зависимости от типа измерения над первой частицей) другой. Иными сло вами, не произведя эксперимент над второй частицей, не возмущая ее, на основании квантовой механики должно получаться определенное числовое значение ее характери стик независимо от акта воздействия. Следует сказать, что в настоящее время ЭПР-парадокс надежно подкреплен экс периментами. Известно, что Бор дал немедленный ответ на рассуждения авторов парадокса, утверждая, что физическую реальность необходимо трактовать на основе идеи нераз дельности экспериментальной ситуации, неделимости и целостности квантовых явлений. ЭПР-парадокс для свое го решения открывает возможность для более полного ис пользования концепции целостности, не апеллирующей к целостности экспериментальной ситуации. Здесь речь идет уже не о целостности экспериментальной ситуации, а о це лостности квантовой системы, об особом коррелятивном, взаимосвязанном поведении квантовых объектов. Объек ты, составлявшие некогда единое целое, разведенные друг от друга на расстояния, исключающие взаимодействия, сохра няют на себе печать прошлого, и любые изменения одно го партнера приводят к коррелятивному поведению второ го. Этот перенос состояния с одной частицы на другую, не зависимо от того, как далеко друг от друга они находятся,
212
называют квантовой телепортацией. Мир предстает перед нами как единая целостная единица, несводимая к меха ническому разложению его на составные части. Таким об разом, в квантовой механике сформировано представление о целостном, неразложимом характере мира, о не сведении его к отдельным элементам. Этот результат, имеющий глу бокое мировоззренческое значение, является едва ли не са мой удивительной страницей в истории физики и имеет да леко идущие перспективы по развитию телепортационных способов передачи информации. XXI век, по всей видимо сти, станет веком квантовой телепортации.
5.7. Волны вероятности. Уравнение Шредингера. Принцип причинности в квантовой механике
В настоящей книге не приводится аппарат квантовой механики, ибо он потребовал бы серьезного, содержатель ного знания математики. Тем не менее аппарат этот суще ствует и очень надежно работает. Можно сказать, что прак тически одновременно были созданы две эквивалентные математические теории, позволяющие описывать поведение объектов в микромире, — квантовая механика В. Гейзен-берга и волновая механика Э. Шредингера. Шредингер, проникшись идеей де Бройля о волнах материи, создал свою теорию, в которой дискретные стационарные состоя ния уподоблялись стоячим волнам какой-либо системы. В аппарат квантовой теории прочно вошло в качестве ее основного уравнения — уравнение Шредингера относитель но волновой функции. Сам Шредингер интерпретиро вал-функцию как реальный волновой процесс в про странстве и во времени, который, в конечном счете, должен приводить к отрицанию дискретных состояний и кванто вых скачков. Однако копенгагенская школа физиков по казала неадекватность подобных представлений, и волно вая функциястала интерпретироваться как волна ве роятности, а квадрат ее модуля — как мера вероятности обладания микрообъектом определенной координаты или в другой, дополнительной к первой, физической ситуации — определенного импульса. Итак, волновая функция, по лучившая свое название в связи с надеждой, что она опи сывает реальные волновые процессы, получила статус волны вероятности, чем еще раз подчеркивается статистический,
213
вероятностный характер поведения микрообъектов. Каза лось бы, что о причинно-следственном описании движения объектов следует забыть. Однако это не так. Уравнение Шредингера описывает эволюцию-функции с течением времени, является детерминированным и обратимым. Де терминированность и обратимость уравнения Шредингера определяют ситуацию в квантовой механике, аналогичную ситуации в классической механике, однако квантовая ме ханика обладает важным отличием, состоящим в том, что в квантовой теории предсказуемы только вероятности, а не отдельные события. Для того чтобы лучше разобраться в этом, следует выяснить, что означает понятие состояния в физике.
5.8. Состояния физической системы. Динамические и статистические закономерности в природе
Понятие состояния физической системы является цент ральным элементом физической теории. Казалось бы, в науке речь должна идти только о закономерностях в по ведении различных явлений природы. Открытие этих за кономерностей, установление законов природы, отражаю щих устойчивые, необходимые связи между различными сторонами явления, — вот истинная цель науки. Однако имеются, по крайней мере, два возражения по поводу того, как достичь этой цели. Первое из них указывает на то, что все законы природы всегда носят приближенный характер и действуют в определенных рамках, называемых граница ми применимости физических законов. Мы уже убедились в существовании трех ограничений в применимости зако нов Ньютона: во-первых, если скорость рассматриваемых тел близка к скорости света, то нужно применять реля тивистскую кинематику и релятивистскую динамику спе циальной теории относительности. Во-вторых, в случае сильных гравитационных полей следует пользоваться тео рией тяготения Эйнштейна, то есть общей теорией относи тельности. Проявление гравитации как искривления про странства-времени приводит к неадекватности описания по ведения частицы в искривленном пространстве с помощью теории Ньютона. В-третьих, классическая ньютоновская ме-
214
ханика не работает в микромире; аппаратом, описывающим движение микрообъектов, является квантовая теория.
Второе возражение состоит в том, что при установлении законов всегда пытаются абстрагироваться от случайнос тей, множества факторов, всегда сопровождающих любое явление. На это обстоятельство особенно указывает вели чайший математик Е. Вигнер в своей книге «Этюды о сим метрии», подчеркивая, что для описания поведения како го-либо объекта одних только законов природы недоста точно, важно знать также начальные условия, описывающие состояние данного объекта в начальный момент времени. «Именно в четком разделении законов природы и началь ных условий и состоит удивительное открытие ньютонов ского века», — пишет Е. Вигнер.
Состояние физической системы — это конкретная оп ределенность системы, однозначно детерминирующая ее эволюцию во времени. Для задания состояния системы необходимо: 1) определить совокупность физических вели чин, описывающих данное явление и характеризующих состояние системы, — параметры состояния системы; 2) выделить начальные условия рассматриваемой системы (зафиксировать значения параметров состояния в началь ный момент времени); 3) применить законы движения, опи сывающие эволюцию системы.
Попробуем применить данный алгоритм к тем обла стям физики, которые нами рассмотрены в этой книге. Однако предварительно разделим физические теории на динамические и статистические и, используя понятия со стояния, попытаемся провести сравнение между ними и выяснить, в каком отношении друг к другу находятся ди намические и статистические закономерности в природе. Это глубоко и полно сделано Г.Я. Мякишевым в книге «Динамические и статистические закономерности в физи ке», результатами которой мы воспользуемся при последу ющем изложении материала.
Понятие состояния в динамических теориях
Классическая механика
Параметром, характеризующим состояние механисти ческой системы, является совокупность всех координат и импульсов материальных точек, составляющих эту систе-
215
му. Задать состояние механической системы — значит ука зать все координаты ri (xi, yi, zi) и импульсы Рi всех мате риальных точек. Основная задача динамики состоит в том, чтобы, зная начальное состояние системы и законы движе ния (законы Ньютона), однозначно определить состояние системы во все последующие моменты времени, то есть од нозначно определить траектории движения частиц. Траек тории движения получаются путем интегрирования диф ференциальных уравнений движения. Траектории движе ния дают полное описание поведения частиц в прошлом, настоящем и будущем, то есть характеризуются свойства ми детерминированности и обратимости. Здесь полностью исключается элемент случайности, все заранее жестко при чинно-следственно обусловлено. Можно сказать, что в ди намических теориях необходимость, отраженная в форме закона, выступает как абсолютная противоположность слу чайному. В науке утвердилась точка зрения о том, что только динамические законы полностью отражают причин ность в природе. Причем понятие причинности связывает ся со строгим детерминизмом в лапласовском духе. Здесь уместно привести фундаментальный принцип, провозгла шенный Лапласом, и отметить вошедший в науку в связи с этим принципом образ, именуемый «демоном Лапласа»: «Мы должны рассматривать существующее состояние Все ленной как следствие предыдущего состояния и как при чину последующего. Ум, который в данный момент знал бы все силы, действующие в природе, и относительное положе ние всех составляющих ее сущностей, если бы он еще был столь обширен, чтобы ввести в расчет все эти данные, ох ватил бы одной и той же формулой движения крупнейших тел Вселенной и легчайших атомов. Ничто не было бы для него недостоверным, и будущее, как и прошедшее, стояло бы перед его глазами».
Возникновение теории относительности не изменило ус тановившегося в классической физике детерминистского подхода. В релятивистской теории, несмотря на совершенно иной взгляд на пространство — время, вся эволюция фи зических явлений также определяется знанием начальных условий и дифференциальных уравнений движения, на ос нове чего однозначно можно охарактеризовать состояние системы в прошлом, настоящем и будущем в любой задан-
216
ный момент времени. То есть при описании четырехмерного пространства теория относительности предполагает задан ной всю совокупность состояний, соответствующих любо му моменту времени (для каждого наблюдателя как сово купность состояний по мере течения его собственного вре мени).
Классическая равновесная термодинамика вводит две однозначные функции состояния — внутреннюю энергию и энтропию. Понятие равновесности процессов, то есть про цессов, протекающих бесконечно медленно, практически снимает вопрос о рассмотрении эволюции систем. Поэтому с помощью термодинамики, в основном, устанавливаются связи между термодинамическими параметрами различных равновесных состояний.
Классическая электродинамика
Здесь состояние электромагнитного поля задается зна чениями векторов напряженностей Б и Н и индукцией D и В электрических и магнитных полей. Уравнения Макс велла позволяют для этих четырех величин по заданным начальным значениям Б и Н внутри некоторого объема (и граничным условиям) однозначно определить величину электромагнитного поля в любой последующий момент времени.
Понятие состояния в статистических теориях
Статистическая механика
При рассмотрении систем, состоящих из огромного чис ла частиц (нами рассматривалась молекулярно-кинетиче-ская теория), состояние системы характеризуют не полным набором значений координат и импульсов всех частиц, а вероятностью того, что эти значения лежат внутри опре деленных интервалов. Тогда состояние системы задается с помощью функции распределения, зависящей от координат, импульсов всех частиц системы и от времени. Функция распределения интерпретируется как плотность вероятно сти обнаружения той или иной физической величины (на пример, xt или Pi) в определенных интервалах от хi до xi + +или от Pi до Рi +. По известной функции рас пределения можно найти средние значения любой физиче-
217
ской величины, зависящей от координат и импульсов, и ве роятность того, что эта величина принимает определенное значение в заданных интервалах.
Квантовая механика
В квантовой механике вектором состояния является волновая функция, представляющая собой амплитуду вероятности. Уравнение Шредингера однозначно описывает эволюцию состояния с течением времени. Волновая функ ция представляет собой, таким образом, полную характе ристику состояния: зная волновую функцию , можно вычислить вероятность обнаружения определенного значе ния любой физической величины и средние значения всех физических величин. Существует важное различие между описанием состояния в статистической физике и в кван товой механике. Оно состоит в том, что состояние в кван товой механике описывается не плотностью вероятности, а амплитудой вероятности. Плотность вероятности пропор циональна квадрату амплитуды вероятности. Это и приво дит к сугубо квантовому эффекту интерференции вероят ностей.
Как уже отмечалось выше, идеалом классического опи сания физической реальности считалась динамическая де терминированная форма законов физики. Поэтому перво начально физики негативно относились к введению веро ятности в статистические законы. Многие считали, что вероятность в законах свидетельствует о мере нашего не знания. Однако это не так. Статистические законы также выражают необходимые связи в природе. Действительно, во всех фундаментальных статистических теориях состояние представляет собой вероятностную характеристику систе мы, но уравнения движения по-прежнему однозначно опре деляют состояние (статистическое распределение) в любой последующий момент времени по заданному распределению в начальный момент. Г.Я. Мякишев подчеркивает, что главное отличие статистических законов от динамических состоит в учете случайного (флуктуаций). В философии давно выработано представление о диалектическом тожде стве и различии противоположных сторон любого явления. В диалектике необходимое и случайное — это две проти воположности единого явления, две стороны одной медали, которые взаимообусловливают друг друга, взаимопревраща-
218
ются, не существуют друг без друга. Главное различие меж ду динамическими и статистическими законами с философ ско-методологической точки зрения состоит в том, что в статистических законах необходимость выступает в диалек тической связи со случайностью, а в динамических — как абсолютная противоположность случайного. А отсюда вы вод: «Динамические законы представляют собой первый низший этап в процессе познания окружающего нас мира; статистические законы обеспечивают более современное отображение объективных связей в природе: они выража ют следующий, более высокий этап познания».
5.9. Релятивистская квантовая физика. Мир античастиц. Квантовая теория поля
Квантовая механика, которая в первых работах Бора, Шредингера, Гейзенберга и других ученых являлась, в ос новном, теорией атомных спектров, получила за короткое время интенсивное развитие и была обобщена до теории, описывающей поведение микрообъектов в микромире. Фи зики стали делить окружающий нас мир на три уровня: мега-, макро- и микромир. Это оказалось возможным бла годаря синтезу квантовой механики и специальной теории относительности, благодаря созданию релятивистской кван товой механики.
В 1927 году английский физик Поль Дирак, рассмат ривая уравнение Шредингера, обратил внимание на его не релятивистский характер. При этом квантовая механика описывает объекты микромира, и хотя к 1927 году их было известно только три: электрон, протон и фотон (даже ней трон был экспериментально обнаружен только в 1932 году), было ясно, что движутся они со скоростями, весьма близ кими к скорости света или равными ей, и более адекват ное описание их поведения требует применения специаль ной теории относительности. Дирак составил уравнение, которое описывало движение электрона с учетом законов и квантовой механики и теории относительности Эйнштей на, и получил формулу для энергии электрона, которой удовлетворяли два решения: одно решение давало извест ный электрон с положительной энергией, другое — неизве стный электрон-двойник, но с отрицательной энергией. Так возникло представление о частицах и соответствующих им
219
античастицах, о мирах и антимирах. К этому же времени была разработана квантовая электродинамика. Суть ее со стоит в том, что поле более не рассматривается как кон-тинуалистская непрерывная среда. Дирак применил к те ории электромагнитного поля правила квантования, в результате чего получил дискретные значения поля. Обна ружение античастиц углубило представление о поле. Счи талось, что электромагнитного поля нет, если нет квантов этого поля — фотонов. Следовательно, в этой области про странства должна быть пустота. Ведь специальная теория относительности «изгнала» из теории эфир, можно сказать, что победила точка зрения о вакууме, о пустоте. Но пуст ли вакуум, — вот вопрос, который вновь возник в связи с открытием Дирака. Сейчас хорошо известны факты, дока зывающие, что вакуум пуст только в среднем. В нем по стоянно рождается и исчезает огромное количество вирту альных частиц и античастиц. Даже если мы меряем заряд электрона, то, как оказалось, голый заряд электрона равнял ся бы бесконечности. Мы же измеряем заряд электрона в «шубе» окружающих его виртуальных частиц.
Собственно представление о вакууме как непрерывной активности содержащихся в нем виртуальных частиц со держится в принципе неопределенности Гейзенберга. Прин цип неопределенности Гейзенберга имеет, кроме приведен ного выше, еще и такое выражение:Согласно этому квантовые эффекты могут на время нарушать закон сохранения энергии. В течение короткого времениэнер гия, взятая как бы «взаймы», может расходоваться на рож дение короткоживущих частиц, исчезающих при возвраще нии «займа» энергии. Это и есть виртуальные частицы. Возникая из «ничего», они снова возвращаются в «ничто». Так что вакуум в физике оказывается не пустым, а пред ставляет собой море рождающихся и тут же гасящихся всплесков.
Квантовая теория поля является ядром всей современ ной физики, представляет собой общий подход ко всем известным типам взаимодействий. Одним из важнейших результатов ее является представление о вакууме, но уже не пустом, а насыщенным всевозможными флуктуациями всевозможных полей. Вакуум в квантовой теории поля определяется как наинизшее энергетическое состояние кван-
220
тованного поля, энергия которого равна нулю только в сред нем. Так что вакуум — это «Нечто» по имени «Ничто».
Релятивистская квантовая теория поля, которая нача лась работами Дирака, Паули, Гейзенберга в конце 20-х го дов нашего столетия, была продолжена в трудах Фейнма-на, Томонаги, Швингера и других ученых, давая все более полное представление о физической неразложимости мира, о несведении его к отдельным элементам. Здесь принцип целостности находит свое отражение при рассмотрении взаимодействия микрообъектов с определенным состояни ем физического вакуума. Именно в этом взаимодействии все элементарные частицы обнаруживают свои свойства. Вакуум рассматривается как объект физического мира, выражающий как раз момент физической неразложимос ти его.
Какова судьба понятия «вакуум» в современной физике XXI столетия? Почему наш мир состоит преимущественно из вещества, а «антивещество» долгое время оставалось скрытым от нашего взгляда? На эти и другие вопросы мы постараемся ответить в кратком очерке современного со стояния физики элементарных частиц на рубеже третьего тысячелетия, приведенном в следующей главе. Заканчивая же разговор о квантовой физике, отметим, что результаты ее полностью изменили наши представления о мире, наш подход к структуре физических законов. В итоге, вырабо тан новый тип научного мышления, называемый некласси ческим, в котором есть место случайности, вероятности, целостности.
Вопросы для самоконтроля
221
I На пути построения единой теории поля 6.1. Теорема Нетер и законы сохранения
В 2.2 уже говорилось о принципе наименьшего дей ствия, о вариационном принципе в физике. Следует ска зать, что при формулировании общей теории относитель ности Эйнштейн пытался вывести уравнения гравитацион ного поля с использованием вариационных принципов, однако они оказались неверными. Д. Гильберту удалось получить верные уравнения из вариационных принципов, но при этом он не обратил внимание на то, что из сфор мулированной им теоремы вытекают законы сохранения. Примерно в тот же период времени в математике развивал ся подход, связывающий геометрию с теорией групп, состав ляющей ядро современной абстрактной алгебры. Так, в 1872 году немецким математиком Феликсом Клейном была выдвинута «Эрлангенская программа», в которой вы ражалась идея систематического применения групп симмет рии к изучению конкретных геометрических объектов. Все разнообразие геометрических систем удалось понять бла годаря этому подходу с единой теоретико-инвариантной
222
точки зрения. Инвариантный принцип построения теории относительности привлек внимание Феликса Клейна. Он явно видел связь теории относительности с идеями «Эрлан-генской программы», что стимулировало его к поиску вы вода законов сохранения с использованием вариационных принципов. В это же время (1918 г.) Эмми Нетер была до казана теорема, из которой следует, что если некоторая система инвариантна относительно некоторого глобального преобразования, то для нее существует определенная сохра няющая величина. Теорема Нетер, доказанная ею во вре мя участия в работе целой группы по проблемам общей теории относительности как бы побочно, стала важнейшим инструментом теоретической физики, утвердившей особую роль принципов симметрии при построении физической теории. Можно сказать, что теоретико-инвариантный под ход, эрлангенский принцип проник в физику и определил целесообразность формулирования физических теорий на языке лагранжианов. Так, упоминаемые выше законы со хранения являются следствиями симметрий, существую щих в реальном пространстве-времени. Закон сохранения энергии является следствием временной трансляционной симметрии — однородности времени. В силу однородности времени функция Лагранжа замкнутой системы явно от времени не зависит, а зависит от координат и импульсов всех элементов, составляющих эту систему (которые зави сят от времени). Несложными математическими преобра зованиями можно показать, что это приводит к тому, что полная энергия системы в процессе движения остается не изменной.
Закон сохранения импульса является следствием транс ляционной инвариантности пространства (однородности пространства). Если потребовать, чтобы функция Лагран жа оставалась неизменной (инвариантной) при любом бес конечно малом переносе замкнутой системы в пространстве, то получим закон сохранения импульса.
Закон сохранения момента импульса является след ствием симметрии относительно поворотов в пространстве, свидетельствует об изотропности пространства. Если потре бовать, чтобы функция Лагранжа оставалась неизменной при любом бесконечно малом повороте замкнутой систе мы в пространстве, то получим закон сохранения момен та импульса. Эти законы сохранения характерны для всех
223
частиц, являются общими, выполняющимися во всех вза имодействиях.
До недавнего времени в физике проводилось четкое раз деление на внешние и внутренние симметрии. Внешние симметрии — это симметрии физических объектов в реаль ном пространстве-времени, называемые также простран ственно-временными или геометрическими. Законы сохра нения энергии, импульса и момента импульса являются следствиями внешних симметрий.
К классу внутренних симметрий относят симметрии относительно непрерывных преобразований во внутренних пространствах, не имеющих, как считалось до недавнего времени, под собой физической основы, связывающих их со структурой пространства-времени. Такой, к примеру, явля ется глобальная калибровочная симметрия для электро магнитного поля, следствием которой является закон со хранения электрического заряда, и многие другие. Совре менный этап развития физики раскрывает возможность сведения всех внутренних симметрий к геометрическим, пространственно-временным симметриям, что само по себе свидетельствует об очень сложной структуре самого про странства-времени нашей Вселенной. Основанием для это го является тот факт, что все внутренние симметрии име ют одну калибровочную природу, о чем подробнее будет сказано ниже. Однако современная теоретическая физика дает еще один чрезвычайно важный результат, свидетель ствующий о том, что все многообразие физического мира проявлено вследствие нарушений определенных видов сим метрии. Поэтому для более глубокого понимания происхо дящих в физической теории процессов следует более под робно рассмотреть функционирование понятий симметрии и асимметрии в науке.
6.2. Понятие симметрии
Симметрия как философская категория означает про цесс существования и становления тождественных момен тов в определенных условиях и определенных отношени ях между различными и противоположными состояниями явлений мира. Это означает, что, изучая симметрию каких-либо систем, необходимо рассматривать их поведение при различных преобразованиях. То есть из всей совокупнос-
224
ти преобразований выделяются такие, которые оставляют неизменными, инвариантными некоторые функции, соответ ствующие рассматриваемым системам. Самым емким, удоб ным и простым языком для выражения симметрий ока зался математический язык. Математическая теория, рас сматривающая такие преобразования или совокупности преобразований, называется математиками теорией групп. Корни идеи теории групп восходят к работам великих ма тематиков П. Руффини (1765-1822), Н. Абеля (1802-1829) и Эвариста Галуа (1811-1832). Одной из центральных за дач классической алгебры того времени была задача о на хождении корней алгебраического уравнения n-степени по известным коэффициентам, входящим в это уравнение. Руффини, а впоследствии Абель и Галуа доказали неразре шимость в радикалах общего алгебраического уравнения пятой и более степени. Так что проблема общего изучения закона образования корней из известных коэффициентов не была решена, несмотря на многочисленные усилия матема тиков. Результат был получен Эваристом Галуа лишь на основе введения абстрактных понятий более высокой сте пени общности, на основе создания совершенно новой ал гебраической теории, развившейся впоследствии в теорию групп. Интерес к теории групп со стороны Феликса Клей на передался норвежскому математику М. Ли, который и явился создателем математического аппарата теории групп (групп Ли) и их инвариантов, ставшего важнейшим инструментом современной теоретической физики.
6.3. Калибровочные симметрии
В 2.4 уже говорилось о том, что при создании общей те ории относительности Эйнштейн обнаружил, что попытки включения тяготения в специальную теорию относительно сти (СТО) наталкиваются на серьезные трудности, связанные с тем, что в этом случае не работает глобальная лоренц-ин-вариантность. Поставив во главу угла задачу распростране ния принципа инвариантности применительно к любым системам отсчета, в том числе и к неинерциальным, Эйн штейн приходит к выводу, что лоренц-инвариантность не является более глобальным свойством, но в то же время продолжает играть центральную роль в теории в качестве локальной инвариантности. А это означает, что, если гали-
8. Зак 671 225
леево пространство максимально однородно, то в общей теории относительности такого рода однородность суще ствует локально, в бесконечно малом, то есть здесь долж на существовать возможность свободного изменения мас штаба от одной точки пространства к другой, что означает кривизну траектории, отклонение ее от прямой линии. Ус ловие выполнения инвариантности физических законов от носительно локальных преобразований требует введения гравитационного поля, роль которого состоит в компенсации эффектов, связанных с этим изменением масштаба или, как говорят, вызванных калибровкой от точки к точке.
Термин «калибровка» вошел в физику из жаргона же лезнодорожников, употребляемый в значении перехода с узкой колеи на широкую. Под калибровкой, по аналогии с железнодорожной терминологией, первоначально понима лось именно изменение уровня или масштаба. В СТО за коны физики не изменяются относительно переноса (или сдвига) при калибровке расстояния. То есть траектории движения остаются прямолинейными, пространственный сдвиг оказывается одинаковым у всех точек пространства. Иначе говоря, здесь работают глобальные калибровочные преобразования. В общей теории относительности инвари антность физических законов достигается только относи тельно локальных калибровочных преобразований. При этом в общей теории относительности обнаруживается со вершенно новый подход к природе физических взаимодей ствий, что в существенной степени расширило смысл самого понятия «калибровочное преобразование», возведя его в принцип, который лежит в основе всего фундамента совре менной физики. Калибровочный принцип называют дина мическим нововведением в общей теории относительнос ти. Нововведением является тот факт, что гравитационное поле здесь не постулируется, а выводится как результат инвариантности лагранжиана теории относительно группы локальных калибровочных преобразований. То есть требо вание инвариантности порождает определенный конкрет ный вид взаимодействия. А это уже принципиально новый подход в физике. Благодаря ему современная физика ото шла от исторической традиции, согласно которой заранее давалась форма взаимодействий, установленная эксперимен тально и теоретически описанная некоторыми умными физиками. Форма взаимодействия более не постулируется,
226
а выводится как результат инвариантности относительно групп определенных локальных преобразований, как спо собы, которыми в природе должно компенсироваться ло кальное калибровочное преобразование. И неважно, какие виды симметрий (калибровочные в прямом смысле или другие) обусловливают эти взаимодействия. В каждом слу чае теории, в которых работает этот принцип, называют ка либровочными. Иными словами, калибровочная инвариан тность позволяет ответить на вопрос: «Почему и зачем в природе существуют такого рода взаимодействия?»
Для обеспечения инвариантности относительно локаль ных калибровочных преобразований в различных про странствах (в каждом конкретном случае) производят за мену обычных производных ковариантными (впервые вве дены в общей теории относительности) путем добавления таких слагаемых, которые позволяют построить лагранжи ан, инвариантный одновременно или по отдельности отно сительно калибровочных преобразований во всех соответ ствующих внутренних пространствах частиц. Калибровоч ный принцип оказался важным инструментом теоре тической физики, это основной принцип, на котором стро ится единая теория всех взаимодействий в физике. Но представляется, что этот принцип выходит далеко за рамки собственно физики и может стать мощным методологичес ким регулятивом при решении ряда проблем социально го и экономического характера. Очевидно, что такие прин ципы, как социальная справедливость, равенство, устойчи вый уровень жизни населения и др. и могут быть по ставлены в соответствии с категорией симметрии. А это го ворит о том, что путь к достижению этих идеалов может стать в том числе и математическим. Лагранжев форма лизм, использованный в экономике, мог бы стать мощней шим фактором в регулировании денежной системы, кон троле за монопольными отраслями производства и др. Важно и то, что лагранжев подход, ставящий во главу угла обеспечение конкретных видов симметрии, с изменением ситуации позволяет строить лагранжиан путем замены обычных производных ковариантными производными, от личающимися от первоначальных. Это указывает на мо бильность и перспективность калибровочного подхода.
8* 227
6.4. Взаимодействия. Классификация элементарных частиц
В настоящее время в физике определено существование четырех типов физических взаимодействий — гравитаци онного, сильного, электромагнитного и слабого. Оказыва ется, что все они имеют калибровочную природу и описы вается калибровочными симметриями, являющимися раз личными представлениями групп Ли. Так, электромагнит ное взаимодействие описываются калибровочной симметрий SU(1), слабое взаимодействие — калибровочной симметрией SU(2), сильное взаимодействие — калибровочной симметри ей SU(3). Тот факт, что все известные физические взаимо действия имеют одну калибровочную природу, как бы сде ланы «из одной болванки», вселяет надежду, что можно будет найти «единственный ключ ко всем известным зам кам» и описать эволюцию Вселенной из состояния, пред ставленного единым суперсимметричным суперполем, из состояния, в котором различия между типами взаимодей ствий, между всевозможными частицами вещества и кван тами полей еще не проявлены. История же самодвижения Вселенной отмечена датами спонтанного нарушения сим метрии, моментами, когда проявляется различие между ти пами физических взаимодействий, когда микрообъекты приобретают массы, заряды и другие характеристики, что, в конечном счете, приводит ко всему последующему мно гообразию физического мира.
Для обсуждения этих проблем остановимся вкратце на существующей в современной физике классификации эле ментарных частиц. При этом подчеркнем, что обсуждаемые нами выше взаимодействия и связанные с ними поля со гласно квантовой теории поля — квантованы, то есть со держат соответствующие каждому конкретному полю кван ты, посредством которых и осуществляются взаимодей ствия между частицами.
Физика до недавнего времени изучала материю в двух ее проявлениях — веществе и поле. Причем частицы ве щества и кванты полей подчиняются разным квантовым статистикам и ведут себя различным образом. Так, части цы вещества являются ферми-частицами (фермионами). Системы тождественных ферми-частиц подчиняются стати-
228
стике Ферми—Дирака. Все фермионы имеют полуцелое значение некоторой очень важной квантовой характеристи ки элементарной частицы (не менее важной, чем заряд или масса), называемой спином. А для частиц с полуцелым зна чением спина справедлив принцип запрета Паули, соглас но которому две тождественные частицы с полуцелым спи ном не могут находиться в одном и том же состоянии. Принцип Паули определяет образование электронных обо лочек в атомах, поскольку в одном и том же состоянии на одном подуровне могут находиться только два электрона с противоположными спинами, что определяет закономерно сти периодической системы элементов Менделеева.
Все кванты полей являются бозе-частицами (бозона ми) — частицами с целочисленным значением спина. Си стемы тождественных бозе-частиц подчиняются статистике Бозе-Эйнштейна. Принцип Паули для них несправедлив: в одном и том же состоянии может находиться любое число частиц. Так что бозе- и ферми-частицы рассматри ваются как частицы, имеющие различную природу. В ка либровочных теориях до недавнего времени это различие снять не удавалось, и физики констатировали факт разде ления в настоящую эпоху эволюции Вселенной материи на два вида — вещество и поле.
Частицы вещества
В свою очередь, частицы вещества делятся на две груп пы — кварки и лептоны. Кварки и лептоны входят в со став других физических объектов и считаются при достиг нутых на сегодняшний день энергиях «бесструктурными». Кварки — это частицы, которые, кроме электрического за ряда, обладают цветным зарядом. Наличие у кварков цвет ного заряда обусловливает способность их к сильным вза имодействиям. Известно, что протон и нейтрон состоят из трех кварков. Однако принцип Паули здесь не нарушает ся, так как эти кварки имеют различные цветовые заряды. Заряд сильного взаимодействия назвали «цветом» именно по аналогии с действительными цветами для того, чтобы подчеркнуть, что смешение трех цветов кварков делает протон или нейтрон бесцветным (так же, как смешение красного, желтого и зеленого цветов даст белый цвет). Со ответственно различают три заряда сильных взаимодей-
229
ствий — красный (R), желтый (Y) и зеленый (G). Лепто-ны — бесцветны и не участвуют в сильных взаимодействи ях. Предполагается существование шести кварков и шес ти лептонов. При этом производится деление их на семей ства трех поколений.
В столбце «Кварки» латинскими буквами обозначены различные ароматы кварков, индексами — цвета кварков. Название ароматов кварков: U — от английского слова up — вверх; d — от английского слова down — вниз; С — от английского слова charm — очарование; S — от англий ского слова strange — странный; t — от английского сло ва top — верхний; b — от английского слова botton — нижний.
Все вещество во Вселенной составлено из четырех ча стиц I (первого) поколения. Частицы второго (П) и третьего (III) поколения рассматриваются как возбужденные состо яния частиц первого поколения в соответствии с их рас положением в таблице. В настоящее время пока неизвест но, почему существует именно такое количество поколений частиц, и не существуют ли и другие, пока еще не откры-
230
тые семейства частиц? И почему до сих пор не наблюда лись переходы между частицами разных поколений?
Все частицы участвуют в гравитационных и в слабых взаимодействиях. Так, например, действие слабых сил при водит к изменению природы частиц — превращению квар ка одного аромата в кварк другого аромата, электрона в нейтрино и т. д. В электромагнитных взаимодействиях участвуют только те частицы, которые имеют электриче ский заряд. Известно, что кварки имеют дробный электри ческий заряд. Значит, они также участвуют в электромаг нитных взаимодействиях, как и электрон. Нейтрино в электромагнитных взаимодействиях не участвуют. И, на конец, только кварки, обладающие цветным зарядом, спо собны к сильным взаимодействиям. Частицы, состоящие из кварков, называются адронами. Адроны делятся на два класса — барионы, в состав которых входят три квар ка с различными цветами, и мезоны, состоящие из пары кварк — антикварк. Соответственно, антикварк имеет ан-тицветовой заряд. Таким образом, адроны, содержащие в себе цветные кварки, сами являются бесцветными. Барио-нами являются протоны и нейтроны — частицы, входящие в состав ядра атома. Протон состоит из двух u-кварков и одного d-кварка (р =uud); нейтрон состоит из одного и-кварка и двух d-кварков (n =udd). Протон имеет положи тельный электрический заряд, нейтрон является электри чески нейтральной частицей. Ядра и электроны образуют атомы, а атомы — молекулы.
Следует сказать, что физика кварков открывает новую, необычную страницу в истории физики. С одной стороны, ничего нетрадиционного в поисках наиэлементарнейшего уровня в иерархии элементарных частиц и в связи с этим с гипотезой кварков нет. Но, с другой стороны, само пове дение кварков несколько необычно, ибо они никогда не встречаются в свободном состоянии, а находятся в посто янном плену, заключены внутри адронов. В физике квар ков сформулирована гипотеза конфайнмента (от англ. confinement — пленение), кварков внутри адронов, соглас но которой невозможно вылетание свободного кварка из адрона. Несмотря на это необычайное обстоятельство, су ществование кварков как реальных частиц в физике на дежно обосновано.
231
Кванты полей
Квантом гравитационного поля является гравитон. Однако гравитон пока не установлен экспериментально, равно как и не построена по сей день теория квантовой гравитации.
Квантом электромагнитного поля является фотон Масса покоя фотона равна 0. Фотон не несет на себе элек трического заряда. Это обеспечивает линейный характер электромагнитных взаимодействий и большой радиус их действия.
Квантами слабого взаимодействия являются три бозо на — W+, W-, Z0-бозоны. Верхние индексы указывают знак электрического заряда этих квантов. Кванты слабо го взаимодействия имеют значительную массу, что приво дит к тому, что слабое взаимодействие проявляется на очень коротких расстояниях.
Квантами сильного взаимодействия являются восемь глюонов. Свое название глюоны получили от английско го слова glue (клей), ибо именно они ответственны за конфайнмент кварков. Массы покоя глюонов равны нулю. Однако глюоны обладают цветным зарядом, благодаря чему они способны к взаимодействию друг с другом, как говорят, к самодействию, что приводит к трудностям описания сильного взаимодействия математически ввиду его нели нейности. Если слабое взаимодействие ответственно за из менение ароматов кварков, то сильное взаимодействие, осу ществляемое посредством обмена глюонами между кварка ми, приводит к изменению цветов кварков. Так что в ядре постоянно происходят превращения протонов в нейтроны и наоборот — за счет обмена квантами слабого взаимодей ствия между кварками, вследствие чего u-кварк превраща ется в d-кварк и наоборот. Кроме этого внутри протонов и нейтронов кварки постоянно меняют свои цвета, испус кая и поглощая глюоны. При этом протоны и нейтроны остаются бесцветными. Подобная инвариантность требует существования поля сильного взаимодействия для поддер жания цветовой симметрии кварков. Хвост сильного вза имодействия между кварками внутри протонов и нейтро нов обеспечивает силы притяжения между протонами и протонами, протонами и нейтронами, нейтронами и нейтро нами внутри ядра (ядерные силы).
232
Следует отметить, что взаимодействия, соответствующие калибровочной симметрии, характерны тем, что их величи на определяется величиной заряда соответствующего вза имодействия. То есть заряд калибровочного взаимодей ствия одновременно определяет и величину заряда элемен тарной частицы, и величину («силу») самого взаимодейст вия, так называемую константу связи. В настоящую эпо ху эволюции Вселенной константы связи различных вза имодействий соотносятся следующим образом:
где aS — константа связи сильного взаимодействия; аЕ — константа связи электромагнитного взаимодействия; aW — константа связи слабого взаимодействия; aG — константа связи гравитационного взаимодействия.
Современные физики считают, что такое соотношение существовало не всегда. Иными словами, рассматриваемые постоянные не являются постоянными. И существовала эпоха в эволюции Вселенной, когда эти константы были равны. А это означает, что не существовало различий между четырьмя типами физических взаимодействий. Именно это обстоятельство и стимулирует физиков в построении еди ной теории всех физических взаимодействий — единой тео рии поля. Однако для того, чтобы понять те физические идеи, на которых базируется построение этой теории, сле дует сказать, что в действительности физика рассматривает материю не в двух проявлениях — веществе и поле, как это отмечается во многих физических справочниках, сло варях и энциклопедиях, а в трех проявлениях. Третьим ка чественно отличным от вышеназванных двух форм мате рии является физический вакуум. Дело в том, что все кван ты полей, рассмотренные нами ранее, являются векторными калибровочными бозонами. Калибровочными их называют по той причине, что они являются квантами калибровоч ных полей. Векторными их называют потому, что все они имеют целочисленное значение спина, равного единице (1), за исключением гравитона, спин которого предполагается равным двум (2). Физический вакуум нашей Вселенной рассматривается как коллективные возбуждения хиггсо-вых скалярных бозонов, спин которых равен нулю (0). Именно физический вакуум является прародителем всех
233
частиц вещества и квантов полей, резервуаром, перекачка энергии из которого обеспечила их возникновение и фун кционирование. Способность вакуума в ходе эволюции Вселенной изменять свое состояние и привела к многооб разию форм физического мира.
Составление представлений о структуре материи на разных этапах эволюции науки представлено ниже:
6.5. На пути к единой теории поля. Идея спонтанного нарушения симметрии вакуума
Создание единой теории поля основывается на трех фундаментальных физических идеях: идеи о калибровоч ной природе взаимодействий, идеи о лептонно-кварковом структурном уровне в строении вещества и идеи о спонтан ном нарушении симметрии исходного вакуума.
Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума вошла в физику элементарных частиц из физики
234
твердого тела. Эта идея оказалась нитью Ариадны, кото рая привела из запутанных лабиринтов к созданию единой теории электромагнитного и слабого взаимодействия. Тео рия слабого взаимодействия была создана не сама по себе, а оказалась вписанной в единую электрослабую теорию. В настоящее время теория электрослабого взаимодействия подтверждена экспериментально. Идея спонтанного нару шения симметрии исходного вакуума означает отход от об щепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно 0. Здесь признается возможность существования со стояний с наименьшей энергией при отличном от нуля зна чении некоторых физических полей, возникает представле ние о существовании вакуумных конденсатов — состояний с отличным от нуля вакуумным средним. Спонтанное на рушение симметрии означает, что при определенных макро условиях фундаментальные симметрии оказываются в состо янии неустойчивости. Платой за устойчивое состояние си стемы является асимметричность вакуума.
Наиболее распространенной и наглядной иллюстрацией спонтанного нарушения симметрии является пример со спонтанным нарушением вращательной симметрии. Пусть тело находится на вершине «мексиканского сомбреро» (или на донышке бутылки). Очевидно, что симметричному реше нию исходной вращательной симметрии соответствует тело, находящееся на верхушке сомбреро (рис. 1). Однако это положение является неустойчивым, и в конце концов тело скатится в одно из устойчивых состояний, соответствующих минимуму энергии (рис. 2). При этом наблюдаемое состо яние уже не отражает исходной вращательной симметрии, которая, тем не менее, по-прежнему существует.
235
Эта идея присутствует и в случае не вращательной, а калибровочной симметрии. Возможны ситуации, когда лаг ранжиан квантовой теории обладает точной симметрией, в то время как низшее же энергетическое состояние (ваку ум) не обладает симметрией лагранжиана. В случае хиггсо-вого поля мы имеем дело с подобным явлением, как если бы изменение потенциальной энергии вакуума имело форму «мексиканского сомбреро». Калибровочные бозоны и фер-мионы, взаимодействуя с этим конкретным состоянием вакуума, приобретают массы и заряды. Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вку пе с идеей спонтанного нарушения симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа входит принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь призму диалектики симметрии и асимметрии. Ибо здесь явно просматривается диалектическое тождество этих противоположностей, когда симметрия содержит в себе в виде возможности асимметрию, а асимметрия зиждется на симметрии.
В 1967 году С. Вайнбергом и А. Саламом была при менена идея спонтанного нарушения симметрии для пост роения единой теории электрослабых взаимодействий с массивными W+, W-, Z0-бозонами и безмассовым фото ному , описываемой симметрией SU(2) • U(l). Предполага ется существование такого этапа в эволюции вселенной, когда не существовало различий между электромагнитны ми и слабыми взаимодействиями. Однако последующее рас ширение Вселенной привело к нарушению симметрии SU(2) • U(l) до симметрии U(l), отвечающей электромагнит ному взаимодействию, и симметрии SU(2), отвечающей сла бому взаимодействию. Так что в настоящую эпоху симмет рия между этими типами взаимодействий оказывается скрытой, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. 1979 год ознаменовался вручением Нобелевских премий А. Саламу. С. Вайнбергу и Дж. Глэшоу за создание единой теории элек трослабых взаимодействий. А эксперименты 1983 года на ускорителе в ЦЕРНе по обнаружению W+, W-, Z+0-бозонов, результаты которых оказались в полном соответствии с предсказаниями теории, дали подтверждение правильнос ти стратегической линии использования идей калибровоч ной симметрии в единстве с представлением о спонтанно
236
нарушенной симметрии вакуума и явились косвенным подтверждением существования вакуумных хиггсовых конденсатов. Успех этот стимулирует физиков в направле нии поисков адекватной симметрии, объединяющей силь ное и электрослабое взаимодействие (Великое объединение) и симметрии, объединяющей Великое объединение и грави тационное (Суперобъединение).
6.6. Синергетическое видение эволюции Вселенной. Историзм физических объектов. Физический вакуум как исходная абстракция в физике
Космология, наука об эволюции Вселенной, очень моло дая наука. Хотя космологические построения являлись сердцевиной многих учений, начиная с древности, все они являются предысторией научной космологии. Лишь созда ние общей теории относительности Эйнштейна в 1916 году открыло новую строго научную эру развития этой дисцип лины. Современный же этап ее истории свидетельствует о полном слиянии двух, в прошлом различных, отраслей знания — космологии и физики элементарных частиц, в одну науку. Так что рассматриваемые в космологии модели эволюции Вселенной — не досужие домыслы фантазеров, а модели, которые еще должны прорабатываться, дополнять ся, но в рамках которых видится возможность для реше ния как известных космологических проблем, так и про блем физики элементарных частиц.
Современная космология рассматривает в качестве од ного из наиболее вероятных сценариев эволюции Вселен ной, в рамках которого удается решить большинство кос мологических проблем, сценарий, включающий инфляцион ную стадию. Основная идея инфляционной теории состоит в том, что расширение Вселенной и весь последующий ход ее эволюции рассматриваются из состояния, когда вся ма терия была представлена только физическим вакуумом. Вакуум нашей Вселенной обладает вполне конкретными свойствами, определившими характер взаимодействий, спе цифику явлений, протекающих в нашем мире, размерность пространства, в котором мы живем. Возможно, наша Все ленная — это лишь мини-Вселенная, обитаемый островок,
237
на котором возникла жизнь нашего типа. Инфляция (от лат. inflatio) означает «вздутие». Инфляционная стадия предполагает процесс вздутия Вселенной. При этом ваку ум той эпохи Вселенной — «ложный» вакуум. Он отлича ется от истинного вакуума (считается, что истинный ваку ум — это состояние с наинизшей энергией) тем, что обла дает огромной энергией. Квантовая природа наделяет «ложный» вакуум стремлением к гравитационному оттал киванию, обеспечивающему его раздувание. Этот «ложный» вакуум представляет собой симметричное, но энергетически невыгодное, нестабильное состояние, что на языке физики означает стремление его к распаду. Эволюция Вселенной предстает в контексте инфляционной теории как синерге-тический самоорганизующийся процесс. Если встать на точку зрения модели Вселенной как замкнутой системы, то процессы самоорганизации могут быть рассмотрены в ней как взаимодействие двух открытых подсистем — физиче ского вакуума и всевозможных микрочастиц и квантов по лей. Считается, что в процессе расширения из вакуумного суперсимметричного состояния Вселенная разогрелась до «большого взрыва». Дальнейший ход ее истории пролегал через критические точки — точки бифуркации, в которых происходили спонтанные нарушения симметрии исходно го вакуума. В эти моменты энергия из вакуума перекачи валась в энергию тех частиц и полей, которые из вакуума же и рождались. Причем ход этой эволюции, выбор путей дальнейшего развития в моменты бифуркаций оказался именно таким, что в результате появилась жизнь нашего типа.
Как отмечалось выше, противопоставление между дву мя видами материи, изучаемых физикой, между веществом и полем, выливается в противопоставление между бозе-ча-стицами и ферми-частицами. Предполагается в рамках моделей Суперобъединения, что это различие проявилось во вполне определенный момент в процессе эволюции Все ленной через 10-43 секунд с момента взрыва, когда темпе ратура упала ниже критического значения Т1 = 1019 ГэВ. То есть при температуре ниже Т1 проявляется различие ви дов материи по спинам; при температурах выше Т1 это раз личие должно сниматься. При температурах, больших Т1, предполагается такое состояние материи, которое совпадало бы с понятием единого суперполя, рассматриваемого как
238
целое, в котором моменты его дальнейшего развития еще не вычленены, вследствие чего все возможные в будущем взаимодействия представляют собой одно. По достижении Т1 и ниже, можно констатировать разделение согласно клас сической терминологии, материи на вещество и поле соот ветственно по спинам. Иными словами, происходит саморас членение единой субстанции на две противоположности — вещество и поле, а также расчленение единого суперполя единого взаимодействия на два — гравитационное и единое взаимодействие Великого объединения.
Следующий этап в эволюции Вселенной — это симмет рия Великого объединения, симметрия между различными частицами с полуцелыми спинами. Речь здесь идет о тож дестве между кварками и лептонами. При температурах, больших второго критического значения температуры (сле дующей точки бифуркации в эволюции) Т2 за счет суще ствования квантов поля Великого объединения Х-бозонов, способных превращать кварки в лептоны, и наоборот, раз личие между цветными кварками и бесцветными лептона ми нивелируется. Однако при достижении Т2 = 1015 ГэВ примерно через 10-35 секунд с момента взрыва происходит спонтанное нарушение симметрии вакуума, вследствие чего Х-бозоны приобретают массу, и симметрия Великого объе динения нарушается до симметрии SU(3), отвечающей силь ным взаимодействиям, и симметрии SU(2) • U(l), отвечаю щей электрослабым взаимодействиям. Это момент само движения Вселенной, в которой проявляется такая ка чественная определенность у кварков, как цветовой заряд, что приводит к различному поведению кварков и лептонов в последующие эпохи. Вселенная представляет собой в пе риод после второй критической точки кварк-глюонный ме шок; другим аспектом этого момента является симметрия между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Именно на этом витке в истории Вселенной происходят несимметричные распады массивных Х-бозонов, при этом частиц вещества рождается немного больше, чем частиц антивещества. Впоследствии вещество аннигилирует с ан тивеществом, превращаясь в Y -кванты. Избыток вещества и составит в последующем строительный материал, из ко торого рождаются звезды, звездные скопления и галакти ки. Так что наша Вселенная оказывается построенной из вещества. Но при этом она заполнена реликтовым излу-
239
чением, возникшим вследствие аннигиляции вещества и антивещества. Существование реликтового излучения было предсказано еще в 1948 году Г. Гамовым, Р. Альфером и Р. Херманом на основании фридмановской модели эволю ции Вселенной. В 1964 году американскими радиоастроно мами А. Пензиасом и Р. Вилсоном был зарегистрирован радиошум, который оказался шумом, соответствующим реликтовому излучению. Излучение это должно было вы жить в процессе расширения Вселенной, вследствие кото рого температура его должна была постепенно понижать ся и на сегодняшний день составлять примерно 3 градуса Кельвина.
Следующая критическая точка в районе температур Т3102 ГэВ приводит к спонтанному нарушению симмет рии электрослабого взаимодействия, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействием. При этом W+, W-, Z0-бозоны приобрета ют массу.
В районе температур Т41 ГэВ нарушается так назы ваемая киральная симметрия, что приводит к фрагмента ции кварков и глюонов на отдельные области — протоны и нейтроны.
Дальнейшая эволюция Вселенной приводит к возник новению водорода, гелия, ионизованного газа, звезд, звезд ных скоплений, галактик и т. д.
Спонтанное нарушение симметрии вакуума выражает ся в том, что он отдает энергию на рождение микрообъек тов, на приобретение ими масс и зарядов, вследствие чего плотность энергии вакуума уменьшается примерно на 120 порядков и после всех этих качественных скачков ста новится равной 0.
Современное развитие физики выработало новый взгляд на природу физических объектов, который можно было бы охарактеризовать как целостно-синергетический. Можно сказать, что основным объектом изучения физики стано вится единая неделимая самоорганизующаяся Вселенная. Вакуум рассматривается как конкретно-всеобщая часть ее, обеспечивающая самоорганизующиеся процессы ее эволю ции. Следует подчеркнуть определяющую роль физического вакуума в современной физической теории. Выделенность вакуума, его особая роль в космологических процессах воз никновения и развития физического мира позволяет рас-
240
сматривать его в качестве исходной абстракции в теорети ческой физике. Именно физический вакуум принимает не посредственное участие в формировании и качественных и количественных свойств физических объектов. Такие свой ства, как спин, масса, заряд, проявляются именно во взаи модействии с определенным вакуумным конденсатом вследствие перестройки вакуума в результате спонтанно го нарушения симметрии, что вносит коррективы в пред ставление об историзме физических объектов. Ибо любой физический объект со своими характеристиками рассмат ривается в современной теории как момент, элемент космо логической эволюции Вселенной.
6.7. Антропный принцип. «Тонкая подстройка» Вселенной
Разобщенность мира, которая имела место в классиче ской физике между физической картиной мира и челове ком, преодолевается. Ибо сама жизнь является следстви ем определенным образом нарушенных симметрий. Однако возникает вопрос, как получилось такое согласованное на рушение симметрий, что в результате всех перипетий воз ник человек? По мере проникновения в тайны строения фи зического мира от элементарных частиц до галактик не пе рестаешь удивляться точно «подобранным» значениям фундаментальных постоянных, удивительному совпадению ряда чисел, построенных из этих фундаментальных посто янных, так называемой «тонкой подстройкой» Вселенной. А если бы в природе реализовалась другая последователь ность чисел? Появился бы человек и каким бы он был? Попытка связать основные особенности того мира, в кото ром мы живем, с самим фактом существования человека, познающего этот мир, привела к формулированию принци па, который вряд ли можно назвать строго физическим принципом, но который, тем не менее, основывается на нео споримом факте существования человека в нашей Вселен ной. Этот принцип был назван антропным.
Антропный принцип в физике впервые был сформули рован в 1961 году Д. Дикке, а в дальнейшем развит Б. Картером, которому и принадлежит сам термин «антроп ный принцип». Антропный принцип утверждает, что мир
241
таков, каков он есть, потому что в противном случае некому был бы спрашивать о том, почему мир таков. Можно ска зать, что наука со времен Коперника развивалась таким образом, что наблюдателю-человеку в ней отводилась весь ма скромная роль. Человек не занимал какого-либо при вилегированного, центрального положения в науке о Все ленной. Как бы без внимания оставался и тот факт, что необходимой предпосылкой нашего существования являют ся благоприятные условия (температура, химический состав окружающей среды и т. д.), возникновение которых оказа лось возможным благодаря именно тонкой подстройке значений физических величин во Вселенной. Некоторые ученые обратили внимание на ограниченность такого под хода, считая, что строение физического мира неотделимо от обитателей, наблюдающих его в самом фундаментальном смысле. Наше положение в мире, если и не является цен тральным, то неизбежно — привилегированным. И можно заранее, до наблюдений предсказать ряд астрофизических и других факторов по той причине, что то, что мы ожида ем наблюдать, должно быть ограничено условиями, необ ходимыми для нашего существования как наблюдателей. Основанием для таких предсказаний и служит антропный принцип — как принцип, отражающий невероятно тонкую подстройку Вселенной.
Можно привести несколько примеров, свидетельствую щих о том, что свойства окружающего нас мира явились результатом определенной согласованности соответствую щих фундаментальных констант. Интервал возможных значений этих констант, обеспечивающий нам мир, пригод ный для жизни, очень мал. Так, ослабление на несколько порядков константы сильных взаимодействий привело бы к тому, что на ранних стадиях расширения Вселенной об разовывались бы, в основном, только тяжелые элементы, и в мире не было бы источников энергии. Если на несколь ко порядков было бы меньше гравитационное взаимодей ствие, то не возникло бы условий для протекания ядерных реакций в звездах. Усиление слабых взаимодействий пре вратило бы на ранних этапах эволюции Вселенной все ве щество в гелий, а значит, отсутствовали бы реакции термо ядерного синтеза в звездах. Наконец, усиление на несколь ко порядков электромагнитного взаимодействия привело бы к заключению электронов внутри атомных ядер и не-
242
возможности вследствие этого химических превращений и реакций. Не говоря уже о том, что если бы первоначаль ная скорость расширения Вселенной хотя бы на 0,1% была бы меньшей критической скорости расширения, то Вселенная достигла бы лишь 3 10-6 своего теперешнего радиуса, после чего она бы начала сжиматься. Разумеется, «таких если бы» существует еще достаточное количество, но и приведенных примеров достаточно, чтобы понять: в современную физику наряду с идеей самоорганизации вхо дит также идея целесообразности, что приводит к появле нию в физической картине мира человека как уникального и одновременно естественного результата глобально-косми ческой эволюции.
Безусловно, антропный принцип возник не сейчас, кор ни его имеют начало на самых ранних этапах истории че ловеческой культуры. Однако «переоткрытие» антропного принципа в современной космологии имеет важное значе ние в становлении нового постнеклассического типа науч ной рациональности. Существуют разные версии антропно го принципа: слабый антропный принцип, сильный антроп ный принцип, финалистский антропный принцип, антроп ный принцип, включающий соучастника-наблюдателя. Появляются и теологические нотки при обсуждении ант ропного принципа. Все это повлияло на то, что многие ученые-физики с настороженностью относятся к этому принципу, рассматривая его как ненаучный. Однако поло жение резко меняется, если антропный принцип рассмат ривать в контексте синергетического самоорганизующего ся процесса эволюции Вселенной. Здесь на первый план выдвигается идея о корреляции свойств наблюдателя и свойств мира подобно корреляции между состояниями двух разных частиц в эксперименте Эйнштейна — Подольско го — Розена. То есть речь идет о вероятности того, что мир имеет наблюдаемые нами свойства. А это значит, что можно сравнивать вероятности оказаться в разных мирах с раз ными свойствами. То есть антропный принцип получает не теологическое объяснение при условии существования мно жества миров. Следует сказать, что инфляционные сцена рии раздувания Вселенной содержат в себе результаты, предсказывающие разделение Вселенной на неограниченно большое числом мини-вселенных — огромных областей, внутри которых реализуются свои типы физических ваку-
243
умов, размерностей пространства-времени, цепочек спонтан ного нарушения симметрий. Так что вероятность возник новения из этого огромного числа разных мини-вселенных таких, которые подобны нашей, в которых возможна жизнь, подобная нашей, существует. Как отмечает сам автор ин фляционного сценария самовосстанавливающейся Вселен ной А. Линде: «Мы живем в областях с определенными свойствами пространства-времени и материи не потому, что другие области невозможны, а потому что области обсуж даемого типа существуют, а в других областях жизнь на шего типа невозможна или маловероятна».
Современная физика с использованием антропного принципа как бы расширяет границы своего традиционно го рассмотрения вопросов. Человек, рассматриваемый ранее лишь в качестве непосредственного потомка прогрессивной эволюции жизни в биосферных условиях, предстает уже в качестве непосредственного продукта космологической эво люции Вселенной.
Вопросы для самоконтроля
Сформулируйте известные вам законы сохранения.
Следствием каких симметрий эти законы являются?
Какие типы физических взаимодействий вам изве
стны? Какова их природа?
Каковы физические идеи, лежащие в основе постро
ения единой теории поля?
Опишите инфляционный сценарий эволюции Вселен
ной.
Какова роль физического вакуума в структуре совре
менной физической теории?
244
Примечания
1 Различают продольные и поперечные волны. Механи
ческая волна — это процесс распространения колебаний
частиц в упругой среде. Однако хорошо известно, что жид
кости и газы — текучи, то есть в них не возникает сил
упругости при деформации сдвига, при изменении формы
тела. Следовательно, в жидкостях и газах могут существо
вать только продольные механические волны, являющие
ся следствием наличия сил упругости при деформации
сжатия (растяжения), то есть при изменении объема тел.
2 Здесь следует заметить, что сам по себе принцип инер
ции свидетельствует об однородности точек пространства.
Тот факт, что принцип инерции был сформулирован толь
ко в Новое время, говорит о том, что укоренившимся взгля
дом на порядок вещей в природе была концепция Аристо
теля о неоднородности точек пространства в подлунном
мире, согласно чему каждое тело стремится к своему есте
ственному месту, тяжелое — вниз, а легкие газы — вверх).
3 Цит. по: Смородинский ЯЛ. Температура. М., 1987.
С. 12.
4 Цит. по: Дорфман Я.Г. Всемирная история физики.
М., 1979. С. 74.
5 Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М., 1965.
С. 39.
6 Цит. по: Эйнштейн А, Инфельд Л. Эволюция физи
ки. М., 1965. С. 40.
7 Цит. по: Фен. Дж. Машины. Энергия. Энтропия. М.,
1986. С. 104.
8 Карно С. Размышления о движущей силе огня и о ма
шинах, способных развивать эту силу. М. Пг., 1923. С. 5.
9 Майер Р. Закон сохранения и превращения энергии.
Четыре исследования 1841-1851 гг. М.-Л., 1933. С. 93-94.
10 Там же. С. 127.
11 Гельмгольц Г. О сохранении сил. М., 1922. С. 15.
12 Второе начало термодинамики. М.-Л., 1934. С. 133-
134.
13 Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. М.,
1986. С. 173.
14 Ландау Л Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика.
М., 1964. С. 46.
15 Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. С. 308.
16 Больцман Л. Избранные труды. М., 1984.
245
Раздел IV
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
И ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ХИМИИ
1. Химия в системе "общество-природа"
На протяжении длительного развития человечество не раз сталкивалось с большим числом проблем, от которых нередко зависело само его существование. Чтобы выжить, наш предок научился изготавливать и использовать про стейшие орудия труда, чем компенсировал свои природные недостатки. В дальнейшем первобытный человек, оказав шись перед проблемой обеспечения пищей, освоил охоту, а затем земледелие и скотоводство. Освоение все более слож ных орудий и предметов труда вызвало энергетическую проблему, потребовало перехода от естественных источни ков энергии к более совершенным. Энергетическая пробле ма последовательно привела человека к освоению энергии пара, тепловой, электрической энергии, наконец, энергии атома.
Необходимость повышения производительности труда и эффективности производства, роста темпов добычи и пе реработки громадного объема минеральных ресурсов, наря ду с необходимостью решения многих жизненно важных проблем вызвали к жизни использование химической тех нологии, всеобщую химизацию, а затем и компьютеризацию общественного производства и быта.
Суммируя, можно сказать, что лейтмотивом, осью раз вития человеческой цивилизации была и есть проблема выживания человеческого общества в условиях окружаю щей среды, природы в целом. Мотив выживания, как пред ставляется, есть ведущий мотив всей преобразующей дея тельности человека на земле. Для своего выражения чело-
246
век всегда будет вынужден решать вечные проблемы овла дения веществом, энергией и информацией.
Успехи человека в решении больших и малых проблем выживания в значительной мере были достигнуты благо даря развитию химии, становлению различных химических технологий. Успехи многих отраслей человеческой деятель ности, таких как энергетика, металлургия, машиностроение, легкая и пищевая промышленность и других, во многом зависят от состояния и развития химии. Огромное значе ние химия имеет для успешной работы сельскохозяйствен ного производства, фармацевтической промышленности, обеспечения быта человека.
Химическая промышленность производит десятки ты сяч наименований продуктов, многие из которых по техно логическим и экономическим характеристикам успешно конкурируют с традиционными материалами, а часть — являются уникальными по своим параметрам. Химия дает материалы с заранее заданными свойствами, в том числе и такими, которые не встречаются в природе. Подобные ма териалы позволяют проводить технологические процессы с большими скоростями, температурами, давлениями, в усло виях агрессивных сред. Для промышленности химия по ставляет такие продукты, как кислоты и щелочи, краски, синтетические волокна и т. п. Для сельского хозяйства химическая промышленность выпускает минеральные удобрения, средства защиты от вредителей, химические до бавки и консерванты к кормам для животных. Для до машнего хозяйства и быта химия поставляет моющие средства, краски, аэрозоли и другие продукты.
Химия характерна не только тем, что обеспечивает про изводство многих необходимых продуктов, материалов, ле карств. Во многих отраслях промышленности и сельско хозяйственного производства широко используются также химические методы обработки: беление, крашение, печа тание в текстильной промышленности; обезжиривание, травление, цианирование в машиностроении; кислородное дутье в металлургии; консервация, синтезирование витами нов и аминокислот — в пищевой и фармацевтической про мышленности и т. д. Внедрение химических методов ведет к интенсификации технологических процессов, увеличению выхода полезного вещества, снижению отходов, повышению качества продукции.
247
Таким образом, химизация, как процесс внедрения хи мических методов в общественное производство и быт, по зволила человеку решить многие технические, экономиче ские и социальные проблемы. Однако масштабность, а не редко и неуправляемость этого процесса обернулась «вто рой стороной медали». Химия прямо или опосредованно затронула практически все компоненты окружающей сре ды — сушу, атмосферу, воду Мирового океана, внедрилась в природные круговороты веществ. В результате этого нару шилось сложившееся в течение миллионов лет равновесие природных процессов на планете, химизация стала замет но отражаться на здоровье самого человека. Получилась ситуация, которую ученые обоснованно именуют химической войной против населения Земли. За последние 30-40 лет в этой войне пострадали сотни миллионов жителей плане ты. Возникла самостоятельная ветвь экологической на уки — химическая экология.
Основными источниками, загрязняющими окружающую среду, кроме собственно химической промышленности, яв ляются металлургия, автомобильный транспорт, тепловые электростанции. Они дают большой объем газообразных отходов, загрязняют водоемы рек и озер сточными водами, используемыми в технологических целях. Газообразные отходы содержат оксиды углерода, серы, азота, соединения свинца, ртути, бензопирен, сероводород и другие вредные вещества. В связи со сжиганием топлива в больших объе мах возникла проблема снижения концентрации кислорода и озона в атмосфере, получившая название «кислородного голодания».
К твердым отходам относятся отходы горнодобываю щей промышленности, строительный и бытовой мусор. Сточные воды содержат многие неорганические соедине ния — ионы ртути, цинка, кадмия, меди, никеля и т. д. Пя тая часть вод Мирового океана загрязнена нефтью и неф тепродуктами. Значительный ущерб водоемам вследствие вымывания удобрений из почвы наносят загрязнения, свя занные с сельскохозяйственным производством. Вредные вещества из воздуха и воды попадают в почву, в которой на капливаются тяжелые металлы, радиоактивные элементы.
В организм человека вредные вещества попадают через воздух, воду и пищу. Таким образом, человечество, пройдя ряд этапов развития — от огня костра до термоядерной
248
бомбы, — в начале XXI века оказалось в условиях, когда в очередной раз встал вопрос о его выживании. Угроза эко логической катастрофы требует решительного пересмотра отношений современной «химической» цивилизации и при роды в сторону оптимизации этих отношений. Задача зак лючается в том, чтобы через новые технологии гармонизи ровать отношения «общество — природа» таким образом, чтобы компенсаторных возможностей окружающей среды было достаточно для нейтрализации антропогенных воз действий на нее.
Новые технологии по своим параметрам должны при ближаться к природным процессам, отличаться от про мышленных своей безотходностью или малоотходностью. В безотходном производстве технологический цикл «сы рье — производство — использование готового продукта — вторичное сырье» вписывается в окружающую среду, не нарушая экономического развития. В настоящее время наметились следующие пути решения сложных экологиче ских проблем: комплексная переработка сырья; пересмотр традиционных процессов и схем получения известных про дуктов; внедрение бессточных и замкнутых схем водопот-ребления; очистка выбрасываемых газов; использование промышленных комплексов с замкнутой структурой мате риальных и энергетических потоков.
Проблема выживания человека в конце XX века оказа лась усложненной проблемами геополитического, социаль ного и чисто технического характера. Решение последних затруднено ввиду потребительского характера сложившей ся цивилизации и эгоцентризма индустриально развитых стран. Однако, опираясь на идеи В.И. Вернадского о пере растании биосферы в ноосферу, можно говорить о неслучай ности появления человека на Земле, о его предназначении в кризисной ситуации сыграть роль спасителя природы.
Экологические проблемы порождены не только эконо микой и техникой, но и нравственным состоянием чело века. Вопрос состоит не только в том, чтобы остановить процесс разрушения природы техническими средствами. Вопрос состоит в том, чтобы в корне изменить потреби тельское отношение человека к окружающему миру. Че ловечество должно стремиться не просто к выживанию, но и к нормальной, достойной каждого человека жизни в ус ловиях гармонии с природой.
249
Из сказанного вытекает, что место и роль химии в со временной цивилизации должны рассматриваться систем но, т. е. во всем многообразии отношений, существующих между обществом и природной средой в рамках критерия экологической безопасности. При этом неизбежно рассмот рение химии как активного элемента сложной системы «общество — природа», представляющего собой, в свою очередь, открытую систему со своей структурой и взаимо обменом между веществом, энергией и информацией.
I Предмет химии
Химия — это естественная наука, изучающая состав, свойства и химические превращения веществ, явления, которые сопровождают эти превращения, а также рассмат ривает вопросы использования результатов этих превра щений. Самое краткое определение предмета химии дал великий русский ученый-химик Д.И. Менделеев в книге «Основы химии». По Менделееву, химия — это учение об элементах и их соединениях.
Отдельные химические процессы (получение материалов из руд, крашение тканей и др.) использовались еще на заре становления человеческой цивилизации. Позже, в III—IV ве ках, зародилась алхимия, задачей которой было превраще ние неблагородных металлов в благородные (золото, серебро). Начиная с эпохи Возрождения, химические исследования все в большей мере стали использовать для практических целей (металлургия, стеклоделие, керамика, получение красок и т. д.). Во второй половине XVII века Р. Бойль дал научное определение понятия «химический элемент».
Превращение химии в подлинную науку завершилось во второй половине XVIII века, когда был сформулирован закон сохранения массы вещества при химических реакци ях (М.В. Ломоносов, А.Л. Лавуазье). В начале XIX века Дж. Дальтон ввел понятие «молекула». Атомно-молеку-лярные представления утвердились в 60-х годах XIX века. В этот период A.M. Бутлеров создал теорию строения хи мических соединений, а Д.И. Менделеев (1869 г.) открыл периодический закон (периодическая система элементов Менделеева). С конца XIX — начала XX века важнейшим
250
направлением химии стала разработка теоретических ос нов науки (атомно-молекулярное учение), изучение законо мерностей химических процессов.
В современной химии постепенно оформились самосто ятельные области химической науки: неорганическая хи мия, органическая химия, химия полимеров, аналитическая химия, другие ответвленные науки. На стыке химии и дру гих областей знания сложились такие науки, как физиче ская химия, агрохимия, геохимия, биохимия. На базе дос тижений химии появился также ряд технических наук, как, например, металлургия, термохимия, электрохимия и др.
3. Физические и химические изменения веществ
Вещество представляет собой однородный (гомогенный) вид материи, т. е. такой материи, каждая частица которой имеет одинаковые физические свойства. Различные изде лия, имеющие различное назначение и форму, могут быть изготовлены из одного и того же материала, но их веще ство будет одинаковым. Под веществом будем понимать чистую материю, без примесей. Под материалом — веще ство того же наименования, полученное в реальных усло виях, т. е. имеющее неизбежные примеси.
Вещества по своему составу делятся на простые и слож ные; по происхождению — на натуральные (природные) и искусственные; по агрегатному состоянию — на твердые, жидкие и газообразные; по внутреннему строению — на аморфные (неупорядоченные по структуре) и кристалличе ские, имеющие упорядоченную периодическую структуру (кристаллическое строение).
Вещества, взаимодействуя друг с другом, подвергаются различным изменениям и превращениям.
Физическим изменением вещества называют такое изме нение, при котором внутреннее строение, состав и свойства не подвергаются изменению. Например, из древесины изготав ливают мебель, при этом внутреннее строение (структура), со став и свойства древесины остаются прежними.
Химическими изменениями вещества называют такие, когда в результате взаимодействия не менее двух исходных
251
веществ (химической реакции) появляются одно или не сколько других веществ, отличающихся от первоначальных составом, структурой и свойствами. Например, раскаленная сталь покрывается на воздухе окалиной; уголь, сгорая, об разует углекислый газ; в результате химической переработ ки природного газа получают водород, ацетилен, метиловый спирт и другие продукты. Именно такими изменениями веществ, их получением, описанием и объяснением зани мается химия.
Экспериментально доказано, что многие физические из менения сопровождаются химическими изменениями, и наоборот. Раскаленная сталь на воздухе, как было сказа но, покрывается окалиной, а уголь, сгорая, дает тепло и свет. Практическое применение химических изменений излагает химическая технология — область знания о ме тодах и средствах рациональной химической переработки сырья, полуфабрикатов и промышленных отходов.
4. Химический анализ. Понятие о химическом элементе
Если подвергнуть, например, обыкновенный известняк нагреву, получится известь и углекислый газ. Известь и углекислый газ можно подвергнуть дальнейшему разложе нию (известь на кальций и кислород, углекислый газ на углерод и кислород). Полученные вещества разложению уже не подвергаются. На сегодня известно 116 таких ве ществ, их называют простейшими веществами или хими ческими элементами.
Химическое разложение, в результате которого получа ются простейшие вещества, называется химическим ана лизом. В результате химического анализа определяется, ка кие элементы содержатся в исследуемом веществе. Хими ческую реакцию анализа упрощенно можно выразить урав нением: А = В + С, где А — исходное сложное вещество, а В и С — полученные вещества (химические элементы).
Все известные на сегодня химические элементы в сис тематизированном виде в соответствии с периодическим законом, открытым Д.И. Менделеевым, расположены в
252
Периодической системе элементов Менделеева — таблице, приведенной ниже.
Химические элементы классифицируются на металлы (золото, платина, серебро, железо, медь, алюминий, кальций, ртуть и др.) и неметаллы (сера, фосфор, углерод, азот, хлор, кислород и т. д.). Установлено, что в составе земной коры, морской воды и атмосферы содержится примерно:
Из сказанного следует, что простейшие вещества явля ются основой всей живой и неживой материи, а следова тельно, и всей Вселенной.
Большинство веществ, находящихся в естественных условиях, состоят в соединениях друг с другом, т. е. явля ются веществами сложными. Незначительное число элемен тов в природе находится в свободном состоянии (кислород, серебро, сера и некоторые другие). Ряд химических элемен тов может существовать в разных модификациях. Так, например, элемент кислород образует два видоизменения: кислород и озон; углерод — три: алмаз, графит и корбин и т. д. Явление видоизменения одного и того же элемента, связанного со сложным внутренним строением химиче ских элементов, называется аллотропией, а образующиеся простейшие вещества — аллотропными видоизменениями или модификациями.
| Химический синтез. Понятие о соединении
Если нагревать цинковый порошок с серой (два от дельных элемента), то в результате получается соединение, называемое сернистым цинком, которое по своим свой ствам отличается от исходных простейших веществ. Та кое соединение элементом называется синтезом. Синтез осуществляется только в результате химической реакции, при которой появляется более сложное вещество с новыми
253
свойствами и строением, отличными от свойств и строения исходных веществ.
Когда говорят о химическом синтезе, то подразумева ют получение сложных соединений из исходных элементов (например, производство искусственного каучука, камфары и т. д.). Полученные материалы в результате синтеза на зывают синтетическими материалами. Химический синтез можно упрощенно выразить уравнением А + В = С, где А и В — исходные вещества, а С — синтезированное веще ство. Способность вещества соединяться с одним или боль шим числом веществ называется валентностью, механизм которой будет приведен ниже.
Простое перемешивание исходных материалов без их химического соединения называют смесью. Смеси состоят из нескольких веществ, каждое из которых сохраняет свои индивидуальные свойства и может быть выделено в чис том виде. При смешивании веществ речь идет о физиче ском процессе.
I Химические обозначения
В химии для обозначения химических элементов, ото бражения состава сложных веществ и химических реакций, для показа производимых количественных расчетов выра ботан свой особый язык.
Элементы принято обозначать химическими символа ми. Символ состоит из первой буквы или первой и одной из следующих букв латинского названия элемента — пер вая буква всегда прописная, вторая — строчная. Например, бор (Borum) имеет символ В, барий (Barum) обозначается Ва, железо (Ferrum) — Fe и т. д.
Состав сложных химических веществ отображается химическими формулами. При этом символы элементов пишутся рядом друг с другом. Например, FeS — формула соединения железа с серой; H2SO4 — формула серной кис лоты, где цифры показывают необходимые пропорции вхо дящих в состав серной кислоты водорода, серы и кислоро да. С помощью химических символов и формул записыва ются химические уравнения. В каждом уравнении, как в математике, имеются две части, соединенные знаком равен-
254
ства. В левой части записываются формулы веществ, всту пающих в реакцию, в правой — формулы веществ, образо вавшихся в результате реакции. По химическим форму лам и уравнениям производятся различные количествен ные расчеты.
I Основные законы химии
Химические процессы подчиняются всеобщим законам природы — закону сохранения массы вещества и закону сохранения энергии, а также ряду специфических для хи мии законов, которыми управляются все химические реак ции.
Закон сохранения массы вещества установили М.В. Ломоносов (1756 г.) и А.Л. Лавуазье (1789 г.) почти независимо друг от друга. Они далеко продвинули разви тие химии тем, что при химических реакциях применили физические методы, в частности, взвешивание.
Закон сохранения массы в химических процессах мож но сформулировать так: масса веществ, вступающих в химическую реакцию, равна массе веществ, образующих ся в результате реакции. Например, при разложении воды масса воды будет равна сумме массы водорода и массы кис лорода. Из закона сохранения вещества вытекает, что ве щество нельзя ни создать из ничего, ни уничтожить совсем.
Количественным выражением закона сохранения мас сы веществ применительно к производственному химиче скому процессу является материальный баланс, в котором подтверждается, что масса веществ, поступивших на техно логическую операцию (приход), равна массе полученных веществ (расход):
где- соответственно массы твердых, жидких и
газоооразныхматериалов, поступивших на обработку (при ход материалов);— массы продуктов, получив шихся в результате химической переработки (расход мате риалов).
Закон сохранения массы веществ М.В. Ломоносов свя зывал с законом сохранения энергии. Он рассматривал эти
255
законы в единстве. Взгляды Ломоносова подтверждены современной наукой.
Закон сохранения энергии действует во всех случаях и повсюду, где одна форма энергии переходит в другую. Например, при переходе энергии пара в турбине в энергию вращательного движения, т. е. механическую энергию, при переходе электрической энергии в электрической лампоч ке в световую и т. д. Так же как нельзя ни уничтожить, ни создать вещество, нельзя ни создать, ни уничтожить энергию.
Особым видом энергии является химическая энергия, которая освобождается или расходуется при каждой хими ческой реакции. Химическую энергию, как любой вид энер гии, можно превратить в механическую (использование взрывчатых веществ), тепловую (сжигание топлива), элект рическую (гальванические элементы) и т. п. Измерить хи мическую энергию непосредственно нельзя. Ее величина определяется, как и величина тепловой энергии, в килоджо улях (в кДж).
Различают химические реакции с выделением тепла и химические реакции с поглощением тепла. Первые назы ваются экзотермическими, вторые — эндотермическими реакциями. Изучением тепловых явлений при химических реакциях занимается термохимия.
Количественным выражением закона сохранения энер гии в химическом производстве является тепловой (энер гетический) баланс. Применительно к тепловым процес сам химической переработки закон сохранения энергии формулируется так: количество тепловой энергии, прине сенной в зону взаимодействия веществ, равно количеству энергии, вынесенной веществами из этой зоны. Пример равенства прихода и расхода теплоты можно выразить уравнением:
где Qф — физическая теплота, введенная в процесс с исход ными веществами; Qэ — теплота экзотермических реак ций; Qв — теплота, введенная в процесс извне; Q'ф — фи зическая теплота, выведенная из процесса с продуктами реакции; Q'п — потери теплоты в окружающую среду.
К специфическим законам химии относятся такие зако ны, как закон постоянства состава (Ж. Пруст, 1808 г.), закон
256
постоянных весовых отношений (Дж. Дальтон, 1800 г.), за кон простых объемных отношений для газов (Ж.Л. Гей-Люс сак, 1808 г.) и в качестве его развития — закон А. Авогад-ро (1811 г.). Данными законами руководствуются ученые-хи мики и практики для проведения химических расчетов.
I Реакционная способность веществ
Число известных в природе и технике химических про цессов очень велико. Одни из них, например, окисление бронзы на воздухе, протекают веками, другие — горение бен зина — очень быстро. Разложение же взрывчатых веществ происходит в миллионные доли секунды. При промышлен ном производстве химических продуктов очень важно знать закономерности протекания реакций во времени, т. е. зави симость их скорости и выхода продукта от температуры, давления, концентрации реагентов и примесей.
Изучением скорости и особенностей протекания хими ческих реакций занимается химическая кинетика. Осно вополагающим для химической кинетики является пред ставление о том, что исходные вещества, вступающие в химическую реакцию, чрезвычайно редко непосредственно превращаются в ее продукты. В большинстве случаев ре акция проходит ряд последовательных и параллельных стадий, на которых образуются и расходуются промежуточ ные вещества. Число последовательных стадий может быть очень велико — в цепных реакциях их десятки и сот ни тысяч. Время жизни промежуточных веществ весьма разнообразно: одни вполне стабильны, другие существуют в равновесном состоянии доли секунды. Изучение скоро сти протекания химических процессов показало, что хими ческие реакции протекают тем быстрее, чем выше темпе ратура, давление и концентрация реагентов.
На скорость некоторых химических реакций можно влиять присутствием небольшого количества определен ных веществ, которые сами в реакции участия не прини мают. Вещества эти называются катализаторами. Катали заторы бывают положительными, ускоряющими реакцию, и отрицательными — замедляющими ее. Каталитическое ускорение химической реакции называется катализом и
9. За*. 671 257
является приемом современной химической технологии (производство полимерных материалов, синтетического топ лива и др.). Считается, что удельный вес каталитических процессов в химической промышленности достигает 80%. Благодаря катализу существенно повысилась эффектив ность экономики химической промышленности, поскольку ускорение химических реакций заметно влияет на сниже ние издержек производства.
9. Атомно-молекулярное учение
Ведущей идеей атомно-молекулярного учения, состав ляющего фундамент современной физики, химии и есте ствознания, является идея дискретности (прерывности стро ения) вещества. Вещество не заполняет целиком занима емое им пространство, оно состоит из отдельных, на ходящихся на очень малом расстоянии друг от друга час тиц, называемых молекулами. Молекула — это наименьшая частица данного вещества, обладающая его химическими свойствами. Свойства молекулы определяются ее составом и химическим строением.
Каждая молекула, в свою очередь, состоит из атомов. Атом — наименьшая частица химического элемента, вхо дящая в состав молекул простых и сложных веществ. Химические свойства элемента определяются строением его атомов. Число видов молекул исчисляется количе ством возможных соединений атомов (порядка миллиона), число атомов равно числу химических элементов (116, о чем уже было сказано выше).
Атомы разных наименований веществ различаются атомной массой. При обычных условиях атомы отдельно существовать не могут. Ввиду их способности соединять ся, одноименные атомы образуют молекулы элементов, а разноименные — молекулы соединений. Атомы элементов не меняются в результате химического процесса. Молеку лы при любой химической реакции изменяются.
Атом сложен по своему строению. С открытием радио активности в самом конце XIX века представление о не делимости атома изменилось. Было доказано, что атомы
258
веществ имеют сложное строение, и что все химические изменения вызываются преимущественно действием элект рических сил. Атомы всех элементов являются системами, образующимися из так называемых элементарных час тиц — протонов, электронов, нейтронов. Атомы одного и того же элемента имеют ядро, содержащее одинаковое число протонов. Атомы разных элементов различаются между собой числом протонов и их расположением.
Согласно электронной теории строения вещества, атом любого элемента состоит из электрически положительно заряженного атомного ядра, состоящего из протонов и ней тронов. Вокруг ядра, подобно планетам Солнечной систе мы, обращаются электроотрицательно заряженные элект роны («электронная оболочка»), которые по сравнению с ядром почти не имеют массы. Атом в целом является электрически нейтральным — заряд ядра атома равен за ряду электронной оболочки, т. е. число электронов оболоч ки равно числу протонов ядра атома. Электроны вращают ся вокруг ядра атома по определенным энергетически урав новешенным орбитам.
Таким образом, определение атома, приведенное выше, следует уточнить. Согласно современным представлениям, атом — это электронейтральная частица, состоящая из по ложительно заряженного атомного ядра и отрицательно заряженных электронов.
Молекулы, находясь в непрерывном движении, сталки ваются друг с другом электронными оболочками. Так как электронные оболочки молекул отталкиваются, то они при столкновении отскакивают. Если соударения сильные, то может высвободиться достаточное количество энергии для перегруппировки электронов в столкнувшихся молекулах. При этом происходит формирование нового набора связей между атомов, т. е. образование новых соединений. Так, со гласно атомно-молекулярного учения, происходят химиче ские реакции.
Учение о строении атома сыграло колоссальную роль в
химии и физике XIX века. На основе атомной модели
вскрыты глубинные принципы периодического изменения
свойств химических элементов и развита теория Периоди
ческой системы Д.И. Менделеева. Решающее значение
здесь имело установление закономерностей формирования
электронных конфигураций (оболочек) по мере роста заря
259
да атомного ядра. Современная формулировка периодиче ского закона Д.И. Менделеева такова: свойства химиче ских элементов, а также формы и свойства соединений элементов находятся в периодической зависимости от за ряда ядер их атомов.
Периодический закон и Периодическая система элементов Д.И. Менделеева (см. таблицу) позволили химии стать ис тинной наукой. Химия перестала быть описательной, экспе риментальной научной дисциплиной. С открытием периоди ческого закона в ней стало возможным научное предвиде ние. Периодический закон и Периодическая система уско рили развитие учения о строении атома, что привело к откры тию атомной энергии и использованию ее для нужд челове чества. Периодический закон сыграл решающую роль в раз витии ряда смежных с химией естественных наук.
С учетом данных периодической системы элементов решаются современные задачи химической науки и про мышленности. Успешно ведутся работы по получению но вых полимерных и полупроводниковых материалов, жаро прочных сплавов, веществ с заданными свойствами. Реша ются другие задачи, в том числе и задачи охраны окру жающей среды, освоения космоса и т. д.
Применение атомно-молекулярного учения позволяет дать толкование многим положениям, изложенным выше, достигнутым экспериментально. Согласно данной теории, можно констатировать:
а) основой любого вещества являются атомы;
б) элементы — это вещества, состоящие из одинаковых
молекул, которые, в свою очередь, состоят из одного или
нескольких одинаковых атомов (газообразные элемен
ты обычно имеют двухатомные, металлы — одноатом
ные молекулы);
в) соединения — это вещества, состоящие из одинаковых
молекул, каждая из которых состоит из разных атомов;
г) смеси — это вещества, состоящие из разных молекул;
д) аморфные вещества — это вещества с неупорядочен
ным расположением атомов и молекул;
е) кристаллические вещества — вещества с упорядочен
ным, периодическим расположением в пространстве
атомов в виде кристаллической решетки.
Следует сказать, что большое число веществ, имеющих кристаллическое строение, состоит не из молекул, а из элект-
261
роположительных ионов. Ионы — это электрически заряжен ные частицы — атомы или атомные группы, потерявшие или присоединившие к себе некоторое количество электронов. Положительно заряженные ионы называются катионами, отрицательно заряженные — анионами. Химические соеди нения при этом называются ионными соединениями.
Из атомно-молекулярного учения следует, что при каж дой химической реакции сначала молекулы реагирующих веществ распадаются на атомы, а затем свободные атомы соединяются в новые молекулы. При этом, подчеркнем еще раз, атомы элементов не меняются, изменяются только мо лекулы участвующих в реакциях веществ. Химическое со единение элементов объясняется способностью атомов одного элемента соединяться с одним или несколькими атомами другого элемента. Эта способность к соединяемости, как уже говорилось, называется валентностью. Электронная теория строения вещества говорит о том, что соединяться могут только такие элементы, атомы которых имеют неза полненные внешние электронные орбиты (валентные сфе ры), обладающие определенной валентностью и вследствие чего проявляющие неустойчивость и стремление к упоря дочению.
Существует большое разнообразие типов химического взаимодействия веществ. Однако характерным для них яв ляется перестройка электронных оболочек связываемых между собой атомов. В результате перестройки происходит обобществление электронов соединяемых элементов, а си стема в целом приходит в устойчивое положение. Меж атомное взаимодействие, сопровождающееся перестройкой валентных электронных оболочек атомов и обобществле нием электронов, называют химической (или ковалентной) связью.
Исследование радиоактивности химических элементов привело к открытию изотопов. С современной точки зре ния, изотопы — это разновидности атомов одного и того же химического элемента: у них разная атомная масса, но одинаковый заряд ядра. Ядра таких элементов содержат одинаковое число протонов, но разное число нейтронов и занимают одно и то же место в периодической системе эле ментов. Почти все элементы имеют два или более изото пов. Например, водород — два, кислород — три, железо — четыре и т. д. Только примерно 24 элемента не имеют изо-
262
топов. Изотопы применяют в ядерной технике как конст рукционный материал в качестве ядерного горючего в тер моядерном синтезе. Радиоактивные изотопы широко ис пользуются в качестве источников излучения, в технике меченых атомов и т. д.
10. Химическая технология. Химическая промышленность
Химическая технология — прикладная научная дис циплина о процессах, методах и средствах переработки сырья в конечный химический продукт. Основная задача химической технологии — оптимальное сочетание в единой технологической системе разнообразных химических пре образований с физико-химическими и механическими про цессами типа измельчения твердых материалов, фильтро вания, воздействия высоких или низких температур, элект рических полей и т. п.
Для решения задач химической технологии использу ют достижения всех разделов химии, физики, биологии, кибернетики, экономики. Химические технологии класси фицируются по сырью (технология нефти, пластмасс), по виду товара (технология удобрений, красителей и т. п.), по группам элементов (технология щелочных металлов, тех нология тяжелых металлов и т. п.), по типам химических процессов (технология хлорирования и др.).
Химическая технология является научной базой химиче ской промышленности. Химическая промышленность в це лом — одна из крупнейших отраслей промышленности — сложная производственная система, состоящая из 15 специа лизированных отраслей. 11 отраслей из 15 организованы в химическую промышленность, 4 — в нефтехимическую.
В химическую промышленность входят:
Промышленность синтетических смол и пластиче
ских масс.
263
В нефтехимическую промышленность входят:
Химическая промышленность характеризуется тесны ми связями со всеми отраслями народного хозяйства бла годаря широкому ассортименту производимой ею продук ции. Эта область производства отличается высокой мате риалоемкостью. Материальные и энергетические затраты в производстве продукции могут составлять от 2/3 до 4/5 себестоимости конечного продукта.
Развитие химической технологии идет по пути ком плексного использования сырья и энергии, применения не прерывных и безотходных процессов с учетом экологиче ской безопасности окружающей среды, применения высоких давлений и температур, достижений автоматизации и ки бернетизации.
***
Выше были изложены основные представления о хи мии, ее законах, месте в человеческой цивилизации. В зак лючение следует еще раз подчеркнуть, что химия — «палка о двух концах». С одной стороны, это благо для человека, без которого немыслимо дальнейшее развитие общества, с другой — бедствие для окружающей среды. Очевидно, что идеал покорения природы, сопутствовавший научно-техни ческой революции в XIX веке, должен быть коренным об разом пересмотрен, что предполагает формирование эколо гического сознания у всех людей, молодого поколения в
264
первую очередь. Молодым предстоит решать трудные за дачи ограждения природы от негативного воздействия че ловека — во избежание глобальной экологической катаст рофы.
Вопросы для самоконтроля
265
Раздел V
ВОЗНИКНОВЕНИЕ
И ЭВОЛЮЦИЯ ЖИЗНИ
Природа жизни, ее происхождение, разнообразие живых существ и объединяющая их структурная и функциональ ная близость занимает одно из центральных мест в биоло гической проблематике.
I Теории возникновения жизни
Теории, касающиеся возникновения Земли, да и всей Вселенной, разнообразны и далеко не достоверны. Соглас но теории стационарного состояния, Вселенная существо вала извечно. Согласно другим гипотезам, Вселенная воз никла из сгустка нейтронов в результате Большого взры ва, родилась в одной из черных дыр или же была создана Творцом. Вопреки бытующим представлениям, наука не в состоянии опровергнуть идею о божественном сотворении первозданной Вселенной, так же как теологические взгляды не обязательно отвергают возможность того, что жизнь в процессе своего развития приобрела черты, объяснимые на основе законов природы.
Наиболее распространенными теориями возникновения жизни на Земле являются следующие:
266
1.1. Креационизм
Согласно этой теории, жизнь возникла в результате какого-то сверхъестественного события в прошлом; ее при держиваются последователи почти всех наиболее распрост раненных религиозных учений. В 1650 году архиепископ Ашер из г. Арма (Ирландия) вычислил, что Бог сотворил мир в октябре 4004 г. до н. э. и закончил свой труд 23 октября в 9 часов утра, создав человека. Ашер получил эту дату, сложив возраст всех людей, упоминающихся в библей ской генеалогии, от Адама до Христа («кто кого родил»). С точки зрения арифметики, это разумно, однако при этом получается, что Адам жил в то время, когда, как показы вают археологические находки, на Ближнем Востоке суще ствовала хорошо развитая городская цивилизация.
Традиционное иудейско-христианское представление о сотворении мира, изложенное в Книге Бытия, вызывало и продолжает вызывать споры. Хотя все христиане признают, что Библия — это завет Господа людям, по вопросу о дли не «дня», упоминающегося в Книге Бытия, существуют разногласия. Некоторые считают, что мир и все населяю щие его организмы были созданы за шесть дней продолжи тельностью по 24 часа. Они отвергают любые другие точ ки зрения и целиком полагаются на вдохновение, созерца ние и божественное откровение. Другие христиане не относятся к Библии как к научной книге и считают, что в Книге Бытия изложено в понятной для людей всех вре мен форме теологическое откровение о сотворении всех жи вых существ всемогущим Творцом. Для них описание со творения живых существ относится к ответу, скорее, на вопрос «почему», а не «каким образом». Если наука в по исках истины широко использует наблюдение и экспери мент, то богословие постигает истину через божественное откровение и веру.
1.2. Самопроизвольное (спонтанное) зарождение
Эта теория была распространена в Древнем Китае, Ва вилоне и Египте в качестве альтернативы креационизму, с которым она сосуществовала. Аристотель (384—322 гг. до н. э.), которого часто провозглашают основателем биоло гии, придерживался теории спонтанного зарождения жиз-
267
ни. На основе собственных наблюдений он развивал эту теорию дальше, связывая все организмы в непрерывный ряд — «лестницу природы».
«Ибо природа совершает переход от безжизненных объектов к животным с такой плавной последовательно стью, поместив между ними существа, которые живут, не будучи при этом животными, что между соседними груп пами, благодаря их тесной близости, едва можно заметить различия» (Аристотель).
Этим утверждением Аристотель укрепил более ранние высказывания Эмпедокла об органической эволюции. Со гласно гипотезе Аристотеля о спонтанном зарождении, определенные «частицы» вещества содержат некое «актив ное начало», которое при подходящих условиях может со здать живой организм. Аристотель был прав, считая, что это активное начало содержится в оплодотворенном яйце, но ошибочно полагал, что оно присутствует также в сол нечном свете, тине и гниющем мясе.
«Таковы факты — живое может возникать не только путем спаривания животных, но и разложением почвы. Так же обстоит дело и у растений: некоторые развивают ся из семян, а другие как бы самозарождаются под действи ем всей природы, возникая из разлагающейся земли или определенных частей растений» (Аристотель).
С распространением христианства теория спонтанного зарождения жизни оказалась не в чести: ее признали лишь те, кто верил в колдовство и поклонялся нечистой силе, но эта идея все продолжала существовать где-то на заднем плане в течение еще многих веков.
Ван Гельмонт (1577—1644), весьма знаменитый и удач ливый ученый, описал эксперимент, в котором он за три недели якобы создал мышей. Для этого нужны были гряз ная рубашка, темный шкаф и горсть пшеницы. Активным началом в процессе зарождения мыши Гельмонт считал человеческий пот.
В 1688 году итальянский биолог и врач Франческо Реди, живший во Флоренции, подошел к проблеме возникнове ния жизни более строго и подверг сомнению теорию спон танного зарождения. Реди установил, что маленькие белые червячки, появляющиеся на гниющем мясе, — это личин ки мух. Проведя ряд экспериментов, он получил данные, подтверждающие мысль о том, что жизнь может возник-
268
нуть только из предшествующей жизни (концепция био генеза).
«Убежденность была бы тщетной, если бы ее нельзя было подтвердить экспериментом. Поэтому в середине июля я взял четыре больших сосуда с широким горлом, поместил в один из них змею, в другой — немного рыбы, в третий — угрей из Арно, в четвертый — кусок молочной телятины, плотно закрыл их и запечатал. Затем я поме стил то же самое в четыре других сосуда, оставив их откры тыми... Вскоре мясо и рыба в незапечатанных сосудах за-червили; можно было видеть, как мухи свободно залетают в сосуды и вылетают из них. Но в запечатанных сосудах я не видел ни одного червяка, хотя прошло много дней, после того как в них была положена дохлая рыба» (Реди).
Эти эксперименты, однако, не привели к отказу от идеи самозарождения, и хотя эта идея несколько отошла на зад ний план, она продолжала оставаться главной теорией в неклерикальной среде.
В то время как эксперименты Реди, казалось бы, опро вергли спонтанное зарождение мух, первые микроскопи ческие исследования Антона ван Левенгука усилили эту теорию применительно к микроорганизмам. Сам Левен-гук не вступал в споры между сторонниками биогенеза и спонтанного зарождения, однако его наблюдения под мик роскопом давали пищу обеим теориям и в конце концов побудили других ученых поставить эксперименты для ре шения вопроса о возникновении жизни путем спонтанно го зарождения.
В 1765 году Ладзаро Спалланцани провел следующий опыт: подвергнув мясные и овощные отвары кипячению в течение нескольких часов, он сразу же их запечатал, пос ле чего снял с огня. Исследовав жидкости через несколь ко дней, Спалланцани не обнаружил в них никаких при знаков жизни. Из этого он сделал вывод, что высокая тем пература уничтожила все формы живых существ, и что без них ничто живое уже не могло возникнуть.
В 1860 году проблемой происхождения жизни занялся Луи Пастер. К этому времени он уже многое сделал в об ласти микробиологии и сумел разрешить проблемы, угро жавшие шелководству и виноделию. Он показал также, что бактерии вездесущи и что неживые материалы легко мо-
269
гут быть заражены живыми существами, если их не стери лизовать должным образом.
В результате ряда экспериментов, в основе которых ле жали методы Спалланцани, Пастер доказал справедливость теории биогенеза и окончательно опроверг теорию спонтан ного зарождения.
Однако подтверждение теории биогенеза породило дру гую проблему. Коль скоро для возникновения живого орга низма необходим другой живой организм, то откуда же взялся самый первый живой организм? Только теория ста ционарного состояния не требует ответа на этот вопрос, а во всех других теориях подразумевается, что на какой-то стадии истории жизни произошел переход от неживого к живому. Было ли это первичным самозарождением?
1.3. Теория стационарного состояния
Согласно этой теории, Земля никогда не возникала, а существовала вечно; она всегда была способна поддержи вать жизнь, а если и изменялась, то очень мало; виды так же существовали всегда.
Оценки возраста Земли сильно варьировали — от при мерно 6 000 лет по расчетам архиепископа Ашера до 5000 106 лет по современным оценкам, основанным на учете скоростей радиоактивного распада. Более совершен ные методы датирования дают все более высокие оценки возраста Земли, что позволяет сторонникам теории стаци онарного состояния полагать, что Земля существовала все гда. Согласно этой теории, виды также никогда не возни кали, они существовали всегда, и у каждого вида есть лишь две возможности — либо изменение численности, либо вы мирание.
Сторонники этой теории не признают, что наличие или отсутствие определенных ископаемых остатков может ука зывать на время появления или вымирания того или ино го вида, и приводят в качестве примера представителя ки-степерых рыб — латимерию. По палеонтологическим дан ным кистеперые вымерли в конце мелового периода 70 млн лет назад. Однако это заключение пришлось пере смотреть, когда в районе Мадагаскара были найдены жи вые представители кистеперых. Сторонники теории стаци онарного состояния утверждают, что только изучая ныне
270
живущие виды и сравнивая их с ископаемыми останками, можно сделать вывод о вымирании, да и в этом случае весьма вероятно, что он окажется неверным. Используя палеонтологические данные для подтверждения теории ста ционарного состояния, ее немногочисленные сторонники интерпретируют появление ископаемых остатков в эколо гическом аспекте. Так, например, внезапное появление ка кого-либо ископаемого вида в определенном пласте они объясняют увеличением численности его популяции или его перемещением в места, благоприятные для сохранения остатков. Большая часть доводов в пользу этой теории связана с такими неясными аспектами эволюции, как зна чение разрывов в палеонтологической летописи, и она наи более подробно разработана именно в этом направлении.
1.4. Теория панспермии
Эта теория не предлагает никакого механизма для объяснения первичного возникновения жизни, а выдвига ет идею о ее внезапном происхождении. Поэтому ее нельзя считать теорией возникновения жизни как таковой; она просто переносит проблему возникновения жизни в какое-то другое место Вселенной.
Теория панспермии утверждает, что жизнь могла воз никнуть один или несколько раз в разное время и в раз ных частях Галактики или Вселенной. Для обоснования этой теории используются многократные появления НЛО (неопознанных летающих объектов), наскальные изображе ния предметов, похожих на ракеты и «космонавтов», а так же (пока еще пишем — не подтвержденные) сообщения о встречах с инопланетянами. Советские и американские исследования в космосе позволяют считать, что вероятность обнаружить жизнь в пределах нашей Солнечной системы ничтожна, — однако они не дают никаких сведений о воз можной жизни вне этой системы. При изучении материа ла метеоритов и комет в них были обнаружены многие «предшественники живого» — такие вещества, как циано-гены, синильная кислота и органические соединения, кото рые, возможно, сыграли роль «семян», падавших на голую землю. Появился ряд сообщений о нахождении в метеори тах объектов, напоминающих примитивные формы жизни,
271
однако доводы в пользу их биологической природы пока не кажутся ученым убедительными.
1.5. Биохимическая эволюция
Среди астрономов, геологов и биологов принято считать, что возраст Земли составляет примерно 4,5—5 млрд лет.
По мнению многих биологов, в далеком прошлом со стояние нашей планеты было мало похоже на нынешнее: по всей вероятности, температура ее поверхности была очень высокой (4 000-8 000 градусов по Цельсию). По мере того как Земля остывала, углерод и более тугоплав кие металлы конденсировались и образовывали земную кору; поверхность планеты была, вероятно, голой и неров ной, так как на ней в результате вулканической активнос ти, непрерывных подвижек коры и сжатия, вызванного ох лаждением, происходило образование складок и разрывов.
Полагают, что в те времена атмосфера была совершен но не такой, как теперь. Легкие газы — водород, гелий, азот, кислород и аргон — уходили из атмосферы, так как грави тационное поле нашей еще недостаточно плотной плане ты не могло их удержать. Однако другие соединения, содер жащие (среди прочих) эти элементы, должны были удержи ваться: к ним относятся вода, аммиак, двуокись углерода и метан. До тех пор, пока температура Земли не упала ниже 100 градусов по Цельсию, вся вода, вероятно, находи лась в парообразном состоянии. Атмосфера была, по-види мому, «восстановительной», о чем свидетельствует наличие в самых древних породах Земли металлов в восстанови тельной форме, таких как двухвалентное железо. Более молодые горные породы содержат металлы в окисленной форме, например, трехвалентное железо. Отсутствие в атмос фере кислорода было, вероятно, условием для возникнове ния жизни; лабораторные опыты показывают, что, как это ни парадоксально, органические вещества (основа живых организмов) гораздо легче создаются в восстановительной среде, чем в атмосфере, богатой кислородом.
В 1923 г. АЛ. Опарин высказал мнение, что атмосфе ра первичной Земли была не такой, как сейчас. Исходя из теоретических соображений, он полагал, что органические вещества, возможно, углеводороды, могли создаваться в океане из более простых соединений; энергию для этих
272
реакций синтеза, вероятно, доставляла интенсивная солнеч ная радиация (главным образом ультрафиолетовая), па давшая на Землю до того, как образовался слой озона, кото рый стал задерживать большую ее часть. По мнению Опа рина, разнообразие находившихся в океане простых со единений, площадь поверхности Земли, доступность энер гии и масштабы времени позволяют предположить, что в океанах постепенно накопились органические вещества и обр азовался тот «первичный бульон», в котором могла возникнуть жизнь. Эта идея была не нова; в 1871 г. схо жую мысль высказал Дарвин: «Часто говорят, что все не обходимые для создания живого организма условия, кото рые могли когда-то существовать, имеются и в настоящее время, но если (ох, какое это большое «если») представить себе, что в каком-то небольшом теплом пруду, содержа щем всевозможные аммонийные и фосфорные соли, при наличии света, тепла, электричества и т. п. образовался бы химическим путем белок, готовый претерпеть еще более сложные превращения, то в наши дни такой материал не прерывно пожирался бы или поглощался, чего не могло случиться до того, как появились живые существа».
В 1953 г. Стэнли Миллер в ряде экспериментов моде лировал условия, предположительно существовавшие на первобытной Земле. В созданной им установке, снабжен ной источником энергии, ему удалось синтезировать мно гие вещества, имеющие важное биологическое значение, в том числе ряд аминокислот, аденин и простые сахара, та кие как рибоза. После этого Орджел в Институте Солка в сходном эксперименте синтезировал нуклеотидные цепи длиной в шесть мономерных единиц (простые нуклеиновые кислоты).
Позднее возникло предположение, что в первичной ат мосфере в относительно высокой концентрации содержа лась двуокись углерода. Недавние эксперименты, проведен ные с использованием установки Миллера, в которую, од нако, поместили смесь СО2 и Н2О и только следовые ко личества других газов, дали такие же результаты, какие по лучил Миллер. Теория Опарина завоевала широкое призна ние, но она оставляет нерешенными проблемы, связанные с переходом от сложных органических веществ к простым живым организмам. Именно в этом аспекте теория био химической эволюции предлагает общую схему, приемлемую
273
для большинства современных биологов. Однако они не пришли к единому мнению о деталях этого процесса.
Опарин полагал, что решающая роль в превращениях неживого в живое принадлежала белкам. Благодаря амфо-терности белковых молекул, они способны к образованию коллоидных гидрофильных комплексов — притягивают к себе молекулы воды, создающие вокруг них оболочку. Эти комплексы могут обособляться от всей массы воды, в ко торой они суспендированы (водной фазы), и образовывать своего рода эмульсию. Слияние таких комплексов друг с другом приводит к отделению коллоидов от водной сре ды — процесс, называемый коацервацией (от лат. — сгус ток, куча). Богатые коллоидами коацерваты, возможно, были способны обмениваться с окружающей средой веществами и избирательно накапливать различные соединения, в особен ности кристаллоиды. Коллоидный состав данного коацер-вата, очевидно, зависел от состава среды. Разнообразие со става «бульона» в разных местах вело к различиям в хи мическом составе коацерватов и поставляло сырье для «биохимического естественного отбора».
Предполагается, что в самих коацерватах входящие в их состав вещества вступали в дальнейшие химические реакции; при этом происходило поглощение коацервата-ми ионов металлов и образование ферментов. На границе между коацерватами и внешней средой выстраивались мо лекулы липидов (сложные углеводы), что приводило к об разованию примитивной клеточной мембраны, обеспечива ющей коацерватам стабильность. В результате включения в коацерват предсуществующей молекулы, способности к самовоспроизведению и внутренней перестройке покрыто го липидной оболочкой коацервата могла возникнуть при митивная клетка. Увеличение размеров коацерватов и их фрагментация, возможно, вели к образованию идентичных коацерватов, которые могли поглощать больше компонен тов среды, так что этот процесс мог продолжаться. Такая продолжительная последовательность событий должна была привести к возникновению примитивного самовоспроизво дящего гетеротрофного организма, питавшегося органиче скими веществами первичного «бульона».
Хотя эту гипотезу происхождения признают очень мно гие ученые, астроном Чандра Викрамасингх недавно выс казал мнение, что мысль о возникновении живого в резуль-
274
тате описанных выше случайных взаимодействий молекул «столь же нелепа и неправдоподобна, как утверждение, что ураган, пронесшийся над местной свалкой, может привес ти к сборке Боинга-747». Самое трудное для этой теории — объяснить появление способности живых систем к само воспроизведению. Гипотезы по этому вопросу пока мало убедительны.
Существенным недостатком старых гипотез о возник новении жизни на Земле, и в частности гипотезы академи ка А.И. Опарина, является то, что они не опираются на современную молекулярную биологию. Впрочем, это впол не естественно, так как механизм передачи наследственных признаков, и в частности роль ДНК, стал в известной сте пени ясным только сравнительно недавно.
Как произошел качественный скачок от неживого к живому, гипотеза А.И. Опарина совершенно не объясняет. Только привлечение основных представлений современной молекулярной биологии, а также кибернетики, может по мочь решению этой важнейшей, основной проблемы. Неко торые пути ее решения уже намечаются. Важным вопро сом является возможность синтеза ДНК в естественных условиях «первобытной» Земли.
Итак, центральной проблемой происхождения жизни на Земле является реконструкция эволюции механизма на следственности. Жизнь возникла только тогда, когда на чал действовать механизм репликации1. Любая сколь угодно сложная комбинация аминокислот и других слож ных органических соединений — это еще не живой орга низм. Ведь последний, даже в простейших случаях — это отлично налаженный механизм, способный к репликации. Можно, конечно, предположить, что при каких-то исключи тельно благоприятных обстоятельствах где-то на Земле возникла некая «праДНК», которая и послужила началом всему живому на Земле. Вряд ли, однако, это так, если ги потетическая «праДНК» была вполне подобна современ ной. Дело в том, что современная ДНК сама по себе совер шенно беспомощна. Она может функционировать только при наличии белков-ферментов. Думать, что чисто случай но, путем «перетряхивания» отдельных белков — много атомных молекул — могли возникнуть такая сложнейшая машина как «праДНК» и нужный для ее функционирова ния комплекс белков-ферментов, — это значит верить в
275
чудеса. Куда, например, более вероятно предположить, что какая-нибудь мартышка, беспорядочно барабаня по клавиа туре пишущей машинки, случайно напечатает, например, 66-й сонет Шекспира.
Английский биолог Ф. Крик, расшифровавший код ДНК и получивший за это Нобелевскую премию, считает, что «если это не фантазия, то Мыслящее Существо (Homo Sapiens) служит только орудием, упаковкой, неким космо-бусом для распространяющегося Истинного Разума, скры вающегося в разумной и победоносной крупинке рибонук леиновой кислоты. Это ДНК творит цивилизацию! Наше тело и разум вместе с их физическими и духовными «уси лителями» — это только орудия того (занесенного, очевид но, несколько миллионов лет назад на нашу Землю) заро дыша, который имеет задачу овладеть нашей Галактикой или нашей частью Вселенной. А в дальнейшем будущем — встреча с Теми, которые его занесли на нашу Землю». Од нако это только «фантастическая гипотеза». Речь в этой гипотезе идет о внеземных существах, сеющих семена жиз ни в различных частях Вселенной, чтобы в конечном сче те господствовать над ней. Доводом в пользу этой доволь но-таки фантастической гипотезы служит наличие в бел ке молибдена в количестве непропорционально большем, чем имеется его на Земле, что может свидетельствовать о космическом генезисе ДНК и жизни на нашей планете. При таком подходе человек является в определенном смысле искусственным знаком, запрограммированным кос мическим сообщением, доказывающим возможность жиз ни в космосе.
Мы еще раз должны подчеркнуть, что центральная про блема возникновения жизни на Земле — объяснение каче ственного скачка от «неживого» к «живому» — все еще далека от ясности. Недаром один из основоположников современной молекулярной биологии профессор Крик на Бюраканском симпозиуме в сентябре 1971 года сказал: «Мы не видим пути от первичного бульона до естествен ного отбора. Можно прийти к выводу, что происхождение жизни — чудо, но это свидетельствует только о нашем не знании».
В связи с возможностью синтеза живого вещества (не обязательно разумного) из неживого возникает большое количество острых проблем. Так, И. С. Шкловский пишет,
276
что «коль скоро не существует принципиального различия между жизнью естественной и жизнью искусственной, нельзя исключить возможность того, что жизнь на некото рых планетах может иметь искусственное происхождение. Небезынтересно в порядке гипотезы обсудить возможность занесения живых спор и микроорганизмов во время посе щения безжизненной планеты недостаточно стерилизован ным инопланетным космическим кораблем. Можно так же высказать гипотезу гораздо более радикального свой ства: жизнь на некоторых планетах могла возникнуть как результат сознательного эксперимента высокоорганизован ных космонавтов, некогда посетивших эти планеты, кото рые в те времена были безжизненны. Можно даже предпо ложить, что подобное «насаждение жизни», так сказать, «в плановом порядке» является нормальной практикой высокоразвитых цивилизаций, разбросанных в просторах Вселенной. Вместо того, чтобы пассивно ожидать «есте ственного», самопроизвольного возникновения жизни на подходящей планете — процесса, возможно, весьма малове роятного, высокоразвитые галактические цивилизации как бы планомерно сеют посевы жизни во Вселенной... Если это так, то вероятность обитаемости планетных систем в Га лактике может быть увеличена на много порядков. Нако нец, чтобы быть последовательным, нужно еще учитывать возможность заселения планет, на которых существуют подходящие условия, разумными существами — искусст венными или естественными».
В интервале времени между 4,6 и 3,83 млрд лет назад на Земле возможны были два события: 1) химическая эво люция привела к спонтанному зарождению жизни; 2) на нашей планете жизнь возникла благодаря панспер мии; семена жизни проросли при благоприятных физиче ских условиях. Английские астрономы Ф. Хойл и Ч. Вик-рамасингх приводят аргументы в пользу второго события. Прежде всего против первого события свидетельствует про блема возникновения присущего жизни объема информа ции, которая специфична в качественном отношении и характеризуется астрономическими числами в количествен ном отношении. Действительно, хорошо известно, что име ется порядка 1 000-2 000 ферментов, играющих централь ную роль в жизнедеятельности организмов, начиная с прос тых микроорганизмов и кончая человеком. Расчеты пока-
277
зывают, что вероятность получить, например, сто ферментов равна 201000, а это превышает число атомов, содержащих ся во всех звездах Вселенной. Поэтому первое событие оказывается невозможным, представляется более вероятной возможность осуществления второго.
Следующим соображением служит факт прекрасного соответствия общего элементарного состава комет содержа нию элементов живой материи. Кроме того, кометы содер жат воду и органическое вещество, являющееся превосход ной питательной средой для некоторых видов микроорга низмов. Исследования комет показали, что в них неопре деленно долго могут сохраняться почти все формы микро организмов, известных в настоящее время на Земле. Со гласно гипотезе Ф. Хойла и Ч. Викрамасингха, наша пла нета ежегодно получает более 1018 спор как остаток комет-ного материала, рассеянного в Солнечной системе. Таким образом, именно кометы принесли на Землю органические молекулы, способствовавшие возникновению на ней жизни. Более того, к нам до сих пор продолжают поступать из космоса живые организмы в виде бактерий и вирусов. Не обходимо отметить, что данная гипотеза не пользуется большой популярностью среди представителей мира науки.
В настоящее время Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх исхо дят из существования Высшего разума, который является частью космоса. В качестве основополагающего тезиса бе рется положение о том, что жизнь как на Земле, так и во обще где-либо во Вселенной не может возникнуть случай но. Чтобы объяснить накопленные факты в различных научных дисциплинах, начиная с космологии и кончая биологией, необходимо выбрать один из альтернативных вариантов: либо жизнь представляет собой акт преднаме ренного творения, либо для вечной и безграничной Вселен ной характерно неизменное постоянство картин жизни. Принятие первого варианта приводит современные космо логические представления к отождествлению с библейски ми истинами и вносит акт творения в царство эмпириче ской науки. Ф. Хойл и Ч. Викрамасингх не приемлют представления о Творце, находящемся вне Вселенной, где когда-то вполне естественным путем возник Высший ра зум, который значительно превосходит человеческий и ко торый сотворил жизнь.
278
В то же время в XX в. получает мощное развитие и хорошее эмпирическое и теоретическое обоснование возрож денная на новом уровне доктрина о спонтанном возник новении жизни из неживой материи, причем существуют многочисленные варианты абиогенеза. Эта химическая концепция происхождения жизни не может не считаться с тем фундаментальным положением, что генезис жизни представляет собой закономерный этап в общем развитии Вселенной. Круг вопросов, связанных с идеей о космиче ском характере жизни, получил серьезное обоснование в трудах В.И. Вернадского и занимает одно из центральных мест в современной науке. В своих «Философских мыслях натуралиста» наш соотечественник подчеркивает, что если в самых различных философских системах вопрос о косми ческой природе жизни ставился и ставится многократно, то сейчас он должен быть поставлен и в науке. И действи тельно, многие научные дисциплины — космология, астро физика, космохимия, планетология, биофизика и другие — дают основания для вывода о том, что жизнь представляет собой результат естественной эволюции Вселенной, что живые структуры многочисленными нитями связаны с ближайшим и дальним космосом, что нет необходимости прибегать к помощи сверхъестественного разума в объяс нении происхождения жизни.
I Теория эволюции
Теория эволюции занимает особое место в изучении истории жизни. Эволюция подразумевает всеобщее посте пенное развитие, упорядоченное и последовательное. При менительно к живым организмам эволюцию можно опре делить как развитие сложных организмов из предшеству ющих, более простых организмов с течением времени.
История развития эволюционной теории показывает, что концепция непрерывности или постепенного развития более сложных видов из предшествующих, более простых форм возникла у ряда философов и естествоиспытателей еще до формального провозглашения в XIX в. эволюцион ных гипотез.
279
2.1. Теория эволюции Ламарка
Французский биолог Ламарк в 1809 году выдвинул ги потезу о механизме эволюции, в основе которой лежали две предпосылки: упражнение и неупражнение частей организ ма и наследование приобретенных признаков. Изменения среды могут вести, по его мнению, к изменению форм по ведения, что вызовет необходимость использовать некото рые органы или структуры по-новому или более интенсивно (или перестать ими пользоваться). В случае интенсивно го использования эффективность и (или) величина органа будет возрастать, а при неиспользовании может наступить его дегенерация и атрофия. Эти признаки, приобретенные индивидуумом в течение всей жизни, согласно Ламарку, наследуются, т. е. передаются потомкам.
С точки зрения ламаркизма, длина шеи и ноги жира фа — результат того, что многие поколения его некогда коротконогих и короткошеих предков питались листьями деревьев, за которыми им приходилось тянуться все выше и выше. Незначительное удлинение шеи и ног, происходя щее в каждом поколении, передавалось следующему поко лению, пока эти части тела не достигли своей нынешней длины. Перепонки между пальцами у водоплавающих птиц и форму тела камбалы объясняли таким же образом. Пе репонки возникли в результате постоянного раздвигания пальцев и растяжения кожи между ними при плавании в поисках пищи или для спасения от хищников, а уплощен ное тело — из-за лежания на боку на мелководье. Хотя теория Ламарка подготовила почву для принятия эволю ционной концепции, его взгляды на механизм изменения так и не получили широкого признания.
Однако Ламарк был прав, подчеркивая роль условий жизни в возникновении фенотипных изменений у дан ной особи. Например, занятия физкультурой увеличивают объем мышц, но, хотя эти приобретенные признаки затра гивают фенотип, они не являются генетическими и, не ока зывая влияния на генотип, не могут передаваться потом ству.
Но теория Ламарка была исторической предпосылкой для признания впоследствии наследования генетических особенностей при половом размножении.
280
2.2. Дарвин, Уоллес и происхождение видов в результате естественного отбора
Чарлз Дарвин родился в 1809 году. Он был сыном вра ча. В 1831 году он принял предложение отправиться в качестве натуралиста (без жалованья) в путешествие на военном корабле «Бигль», который уходил на пять лет в море для проведения топографических съемок у восточного
281
побережья Южной Америки. «Бигль» возвратился в октяб ре 1836 года. Большую часть этого времени Дарвин зани мался геологическими исследованиями, но во время пяти недельного пребывания на Галапагосских островах его внимание привлекло сходство между флорой и фауной этих островов и материков. Он собрал много данных об измен чивости организмов, которые убедили его в том, что виды нельзя считать неизменяемыми. После возвращения в Анг лию Дарвин занялся изучением практики разведения го лубей и других домашних животных, что привело его к концепции искусственного отбора. Однако он все еще не мог представить себе, каким образом отбор мог бы действо вать в природных условиях.
В 1778 году священник Томас Мальтус опубликовал свой труд «Трактат о народонаселении», в котором пока зал, к чему бы привел рост населения, если бы он ничем не сдерживался. Дарвин перенес такой подход на другие орга низмы и обратил внимание на то, что все-таки численность популяций остается относительно постоянной. Он начал понимать, что в условиях интенсивной конкуренции меж ду членами популяции любые изменения, благоприятные для выживания в данных условиях, повышали бы способ ность особи размножаться и оставлять плодовитое потом ство, а неблагоприятные изменения, очевидно, не выгодны, и у организмов, переживающих эти неблагоприятные изме нения, шансы на успешное размножение понижались бы. Эти соображения послужили отправным пунктом для со здания теории эволюции путем естественного отбора, сфор мулированной Дарвином в 1839 году. В сущности, наиболь ший вклад Дарвина в науку заключается не в том, что он доказал существование эволюции, а в том, что он объяснил, как она может происходить.
Тем временем другой естествоиспытатель, Альфред Рас сел Уоллес, много путешествовавший по Южной Америке и островам Юго-Восточной Азии и тоже читавший Маль туса, пришел к тем же выводам, что и Дарвин.
В 1858 году Уоллес изложил свою теорию на двадца ти страницах и послал их Дарвину. Это стимулировало и ободрило Дарвина, и в июле 1858 года Дарвин и Уоллес выступили с докладами о своих идеях на заседании Лин-неевского общества в Лондоне. В ноябре 1859 года Дарвин
282
опубликовал свой труд «Происхождение видов путем ес тественного отбора».
Согласно Дарвину и Уоллесу, механизмом, с помощью которого из предсуществующих видов возникают новые виды, служит естественный отбор. Эта гипотеза (или тео рия) основана на трех наблюдениях и двух выводах.
Наблюдение 1. Особи, входящие в состав популяции, обладают большим репродуктивным потенциалом.
Наблюдение 2. Число особей в каждой данной популя ции примерно постоянно.
Вывод 1. Многим особям не удается выжить и оста вить потомство. В популяции происходит «борьба за суще ствование».
Наблюдение 3. Во всех популяциях существует измен чивость.
Вывод 2. В «борьбе за существование» те особи, при знаки которых наилучшим образом приспособлены к ус ловиям существования, обладают «репродуктивным пре имуществом» и производят больше потомков, чем менее приспособленные особи.
2.3. Современное представление об эволюции
Теория эволюции, предложенная Дарвином и Уоллесом, была расширена и разработана в сфере современных дан ных генетики, палеонтологии, молекулярной биологии, эко логии, этологии и получила название «неодарвинизм». Неодарвинизм можно определить как теорию органической эволюции путем естественного отбора признаков, детерми нированных генетически.
Термин «эволюция» может означать как сам этот про цесс, так и его результат; соответственно, разные аспекты неодарвинизма опираются на доказательства разного типа. Для того чтобы признать сформулированную неодарвинист скую эволюционную теорию, необходимо:
283
Не существует пока твердо установленных законов эво люции; у нас есть лишь хорошо подкрепленные фактами гипотезы, которые в совокупности составляют достаточно обоснованную теорию.
I Подтверждение теории эволюции
Сведения, подтверждающие современные представле ния об эволюции, поступают из разных источников, среди которых главное место занимают палеонтология, биогеог рафия, систематика, селекция растений и животных, морфо логия, изучение адаптивной радиации, сравнительная эмб риология и сравнительная биохимия. В числе этих данных немало также доказательств, нуждающихся в подтвержде нии, а также исключений или сведений, которым можно дать иную интерпретацию; однако концепция эволюции в широком смысле основана на огромном количестве науч ных сведений.
3.1. Палеонтология
Палеонтология занимается изучением ископаемых остатков, т. е. любых сохранившихся в земной коре остат ков, предположительно принадлежащих каким-либо жи вым организмам. Это могут быть целые организмы, твер дые скелетные структуры, наружные и внутренние ядра, окаменелости, отпечатки, следы и копролиты (окаменевшие экскременты).
Ископаемые остатки были хорошо известны еще до того, как мысль об эволюции получила всеобщее признание. Их считали либо остатками существ, сотворенных раньше дру гих, либо артефактами, помещенными в горные породы Богом. В самых древних породах, содержащих ископаемые остатки, встречаются организмы очень немногих типов, и все они имеют простое строение. Более молодые породы содержат и более разнообразные ископаемые остатки со все более сложным строением. Во всей палеонтологической летописи многие виды, появляющиеся на каком-либо стра тиграфическом уровне, на более позднем уровне исчезают.
284
В эволюционном смысле это истолковывают как возник новение и вымирание видов в соответствующие эпохи.
Геофизические данные указывают на то, что географи ческие области и климатические условия изменялись на всем протяжении истории Земли. Поскольку каждый орга низм приспособлен к определенной среде, непрерывно из меняющиеся условия могли благоприятствовать возникно вению некоего механизма эволюционного изменения, что позволяет объяснить прогрессивные изменения в строении организмов. Экологические соображения тоже согласуют ся спалеонтологическими данными: так, например, растения появились на суше раньше, чем животные, насекомые — раньше, чем опыляемые ими растения.
Одно из главных возражений против использования ископаемых остатков для доказательства эволюции — от сутствие непрерывности в палеонтологической летописи. Разрывы в ней («недостающие звенья») считают веским доводом против теории образования новых форм путем постепенного изменения. Однако существует ряд соображе ний, позволяющих объяснить неполноту палеонтологиче ских данных:
5) обнаружена только часть ископаемых остатков.
Данные в пользу эволюционного процесса пополняют
ся по мере нахождения все большего числа «недостающих
звеньев» — либо недостающих остатков, таких как сейму-
рия (амфибии => рептилии), археоптерикс (рептилии =>
птицы) и циногнатус (рептилии => млекопитающие), либо
ныне живущих, как латимерия, близких по своему строе
нию к вымершим формам.
Возможно также, что новые виды возникли внезапно и промежуточных форм не существовало. Элдредж и Гоулд описали процесс, позволяющий объяснить внезапное появ ление некоторых видов в палеонтологической летописи. По их мнению, скорости эволюции варьируются и некото-
285
рые новые виды возникают очень быстро, что и приводит к неполноте палеонтологической летописи. Эти «скачки» в эволюционной последовательности породили термин «скачкообразная эволюция».
3.2. Географическое распространение
Все организмы в большей или меньшей степени приспо соблены к своей среде. Если абиотические или биотиче ские факторы, имеющиеся в определенном местообитании, могут обеспечить существование какого-то вида в одной географической области, то этот вид будет обнаружен в аналогичном местообитании и в другой сходной географи ческой области, например, в африканских саваннах и юж ноамериканской пампе. Однако на самом деле это не так. Распространение растений и животных на земном шаре носит прерывистый характер. Это нередко обусловлено экологическими факторами, однако данные об успешной ко лонизации новых местообитаний растениями и животны ми, интродуцированными в них человеком, позволяют ду мать, что в этом участвуют, наряду с экологической адап тацией, и какие-то иные факторы.
Кроликов в Австралии не было, но быстрое увеличение их численности после того, как они были завезены туда человеком, указывают, что австралийские места обитания им подходят. Рациональное объяснение прерывистого рас пространения организмов основано на концепции, согласно которой виды возникают в какой-то данной области, а затем расселяются из нее. Степень расселения зависит от того, на сколько успешно может обосноваться данный организм в новых местах, от механизма его расселения и от наличия или отсутствия естественных преград, таких как океаны, горные хребты и пустыни. Наиболее приспособлены для распростра нения через сушу и моря, по-видимому, споры и семена, пере носимые ветром, и летающие насекомые.
Все изложенное выше можно свести к следующему:
286
4) отсутствие в какой-либо области более высокооргани зованных форм обычно указывает на то, что она отде лилась от родины этих форм до возникновения послед них.
Ни один из приведенных выше фактов не позволяет объяснить механизм возникновения видов, однако все они указывают на то, что разные группы возникали в разное время и в разных областях.
3.3. Классификация
Система классификации была создана Линнеем задол го до Дарвина и Уоллеса, но тем не менее она содержит кое-какие намеки, связанные с проблемой происхождения видов и эволюции. Конечно, можно представить себе, что все виды, как ныне живущие, так и вымершие, были сотво рены каждый в отдельности в какой-то отдельный момент времени или существовали всегда, однако структурное сход ство между организмами, составляющее основу естествен ной филогенетической классификации, наводит на мысль о существовании эволюционного процесса. Черты сходства и различия между организмами можно представить как ре зультат прогрессивной адаптации организмов в пределах каждой группы к определенным условиям среды на про тяжении некоторого периода.
3.4. Селекция растений и животных
Одним из самых распространенных достижений чело веческой цивилизации было выведение сортов растений и пород домашних животных от диких предков. Отбирая те особи, которые обладали какими-то желательными откло нениями, более крупным размером или более приятным вкусом и запахом, человек сохранял эти признаки путем искусственного разведения с помощью избирательного раз множения или опыления. В результате непрерывной селек ции человек создал породы домашних животных и сорта культурных растений, которыми мы располагаем сейчас.
До того как стали известны работы Менделя, теорети ческие основы генетики и селекции растений и животных оставались неясными. Однако это не ограничивало прак тические усилия человека. Если перейти на генетическую
287
терминологию, человек сохраняет гены, желательные для его целей, и элиминирует те, которые его не устраивают. Производя отбор, он использует существующую в природе изменчивость, а также возникающие время от времени слу чайные мутации.
Недавно возникла новая форма искусственного отбо ра — неумышленный отбор на устойчивость к антибиоти кам, пестицидам и гербицидам, которому подвергаются со ответственно патогенные микроорганизмы, вредители и сор няки. Создается порочный круг: все возрастающее число химических веществ, изобретаемых для борьбы с вредны ми организмами, приводит к появлению новых форм устой чивости к этим веществам.
3.5. Сравнительная анатомия
При сравнительном изучении анатомии (морфологии) групп животных или растений становится ясно, что по ряду особенностей они в основе своей сходны. Например, у всех цветков имеются чашелистики, лепестки, тычинки, рыльце, столбик и завязь; однако каждый отдельный вид отлича ется от других по размерам, окраске, числу этих частей и деталям их строения.
Органы, построенные по одному плану, занимающие сходное положение в организме животного, похожие по гистологическому строению и развивающиеся из одних и тех же зачатков, называют гомологичными (термин введен в 1843 году Оуэном).
Специфические функции, выполняемые гомологичными структурами, могут различаться у разных организмов; их различия отражают особые способы адаптации каждого организма к его среде и образу жизни.
Некоторые структуры у многих видов, по-видимому, не несут никакой функции, и их называют рудиментарными органами. Например, копчиковые позвонки у человека счи тают рудиментами хвоста, имевшегося у наших предков и сохранившегося у зародышей. Существование рудиментных органов было бы трудно объяснить вне связи с процессом эволюции.
288
3.6. Адаптивная радиация
Адаптивной радиацией называют развитие какой-либо гомологичной структуры у разных представителей данной группы в различных направлениях, в соответствии с выпол няемыми ею различными функциями.
У всех организмов, принадлежащих к определенному классу, имеется ряд диагностических признаков, при этом различия между разными видами в пределах этого класса дают им возможность вести различный образ жизни, при способленный к определенным местообитаниям.
Относительно высокая степень адаптивной радиации, наблюдаемой у насекомых, отражает высокую приспособ ляемость и полезность основных особенностей этой груп пы. Наличие у предкового организма какой-либо структу ры или физической функции, которая имеется в сильно модифицированной форме у более высокоразвитых, по-ви димому, родственных организмов, можно истолковать как указание на происхождение последних путем видоизмене ния первого; это и составляет основу эволюционной тео рии. Значение адаптивной радиации состоит в том, что она указывает на возможность дивергентной эволюции, осно ванной на модификации гомологичных структур.
Сходные структуры, физиологические процессы или осо бенности образа жизни, наблюдаемые у организмов, явно не связанных близким филогенетическим родством, но обла дающих адаптациями для выполнения одних и тех же функций, называют аналогичными. Например, глаза позво ночных и головоногих моллюсков, крылья насекомых и летучей мыши.
Существование аналогичных структур говорит о воз можности конвергентной эволюции. Конвергентную эво люцию можно объяснить как результат действия среды путем естественного отбора, благоприятствующего тем изменениям, которые сообщают организмам повышенную выживаемость.
3.7. Сравнительная эмбриология
Фон Бэр (1792-1867), изучая эмбриональное развитие у представителей разных групп позвоночных, обнаружил удивительное структурное сходство во всех этих группах,
10. Зак.671 289
особенно на стадиях дробления, гаструляции и дифферен-цировки зарождающегося организма.
Геккель (1834—1919) высказал мысль, что это сходство имеет эволюционное значение. Он сформулировал закон рекапитуляции, согласно которому «онтогенез повторяет филогенез», т. е. стадии, через которые проходит организм в процессе своего развития, повторяют эволюционную ис торию той группы, к которой он относится. Изучение од них только ранних зародышей любых позвоночных пока зывает, что определить группу, к которой они принадлежат, невозможно. Только на относительно поздних стадиях развития эмбрион начинает приобретать некоторое сход ство с соответствующей взрослой формой. Изначальное сходство между эмбрионами объясняется тем, что все они, а следовательно, и классы, к которым они относятся, имели общего предка. Закон рекапитуляции, однако, не может быть принят безоговорочно, так как ни у одного из ныне живущих организмов нельзя обнаружить всех признаков его предполагаемых эволюционных предков. Но кажется вероятным, что организмы сохраняют механизмы развития, унаследованные от предков. Поэтому возможно, что на раз ных стадиях развития у данного организма будут черты структурного сходства с зародышами предковых форм. Последующие адаптации к иным условиям среды и образу жизни изменяют дальнейший ход развития. Как показы вают наблюдения, чем ближе группы, к которым относят два данных организма на основании общих гомологиче ских структур, тем дольше сохраняется их сходство на эм бриональных стадиях. Организмы, приспособленные к оп ределенному образу жизни и определенному местообитанию, не типичному для крупной группы, к которой они принад лежат, менее сходны с другими членами этой группы и в процессе эмбрионального развития.
3.8. Сравнительная биохимия
По мере разработки более точных методов биохимиче ского анализа эта область исследований стала источником новых данных в пользу эволюционной теории. Наличие одинаковых веществ у всех организмов указывает на воз можную биохимическую гомологию, подобную морфологи ческой гомологии на уровне органов и тканей. Большая
290
часть сравнительно-биохимических исследований касалась первичной структуры широко распространенных белков, таких как цитохром и гемоглобин, а позднее — нуклеино вых кислот, в особенности РНК. Незначительные измене ния в генетическом коде ДНК, связанные с генными мута циями, приводят к тонким изменениям в общей структу ре соответствующих белков или РНК.
Например, при изучении глобинов — гемоглобина и миоглобина, участвующих в переносе и накоплении кисло рода, была получена степень сходства между молекулами гемоглобина у четырех видов приматов: человека, шимпан зе, гориллы и гиббона. Иммунологические исследования тоже свидетельствуют об эволюционном родстве между организмами. Если белки, содержащиеся в сыворотке кро ви, ввести в кровь животным, у которых этих белков нет, то они действуют как антигены, т. е. побуждают организм вырабатывать соответствующие антитела; в результате возникает реакция антиген — антитело. Эта иммунная реакция обусловлена способностью животного-реципиента распознавать присутствие в сыворотке чужеродных белков.
Сравнительно-серологический метод широко использу ется для подтверждения филогенетических связей. Напри мер, зоологи не могли систематизировать мечехвоста. Ког да к сыворотке против антигенов мечехвоста добавляли антигены различных членистоногих, образование наиболь шего количества преципитата2 вызывали антигены пау кообразных.
3.9. Эволюция и генетика
Современная генетика — это быстро развивающаяся наука о законах наследственности и изменчивости, пережи вающая глубокие качественные преобразования не только в теоретической сфере, но и в области практического при менения (селекция, медицинская генетика).
Первое, на что надо обратить внимание — это те исто рически развивающиеся изменения, которые создали совре менный философский фундамент теории генетики. Стоит выяснить внутренние связи между эволюционной биологи ей (теорией естественного отбора Дарвина) и зарождаю щейся генетикой. Эта связь вытекает из определенной об щности предметов исследования. Так, дарвинизм изучает
10* 291
интегральное действие трех факторов эволюции — наслед ственности, изменчивости и естественного отбора. Предме том же генетики является природа наследственности и из менчивости. Нетрудно заметить, что они взаимообусловлены тем, что познание эволюции органического мира оказывает ся поверхностным и неполным, если оно проходит без уче та сущности наследственности и изменчивости. Взаимообус ловленность проблем теории эволюции и генетики не абсо лютизирована и благодаря тому, что это единство внутренне различимо, теория эволюции и генетика выступают как от носительно самостоятельные дисциплины.
Теоретические обоснования умозрительного развития генетики (К. Нечели, Г. Спенсер, А. Вейсман) исторически а логически были связаны с эволюционным учением и вытекали из него.
История генетики распадается на три этапа — класси ческий (1900-1930 гг.), неоклассический (1930-1953 гг.) и синтетический (с 1953 г.).
Материалистический подход в развитии генетики обес печил создание теории гена, хромосомной теории наслед ственности, теории мутаций и современной молекулярной генетики.
Классический этап генетики начался после переоткры тия законов Менделя. В своей работе 1865 году Мендель, анализируя потомство, полученное от сортов гороха, обла дающих контрастно отличающимися признаками, открыл новый мир явлений. Его работа объединила биологический и математический анализ. Ему удалось создать логическую модель наследственности и дать формулировку законов наследственности. Исходя из этого, Мендель основал тео рию гена. Он выделил самое существенное свойство ге нов — дискретность — и сформулировал принципы незави симости комбинирования генов при скрещивании.
В течение первого десятилетия XX века генетика пере живала сложный этап своего развития. Теория генов ут верждалась на основе громадного числа опытов с растени ями, животными, микроорганизмами, а также при наблюде ниях за наследственностью человека. Теория гена стала развиваться, признавая всеобщность генной организации наследственности для всех органических форм. Заслуга в этом вопросе принадлежит английскому ученому В. Бэт-сону (1861—1926), который показал, что менделевские за-
292
коны наследственности свойственны не только растениям, но и животным, и установил явление взаимодействия ге нов при развитии особи.
Исключительно важным было обоснование учения о фенотипе и генотипе организмов, которое положило начало рассмотрению «явления» и «сущности» в проблемах гене тики. Работы датского ученого В. Иогансена (1857-1927) показали действие естественного отбора как фактора, пре образующего генотип на основе наследственной изменчиво сти при формирующей роли среды.
Развитие генетики этого периода оказало серьезное влияние на селекцию, и в первое десятилетие XX века на чалась коренная перестройка методов селекции. Селекция переходит на аналитический уровень путем выделения из популяции генотипически ценных линий.
Сформулированные выше принципы, а именно:
4. Единство и многообразие органического мира
Еще на заре развития человеческой культуры людей поражала не только целесообразность строения отдельных живых существ, но и тот «порядок», который существует в живой природе в целом. Уже в древнейших индийских, египетских, китайских источниках и особенно в античной философии можно найти много интересных мыслей о вза имосвязи между животными и растениями, о единстве и целостности органического мира и его закономерном вза имодействии с органической природой.
В истории биологии видное место занимает борьба ма териалистического толкования единства, целостности и многообразия живой природы с идеалистическими представ лениями о божественном творении животных и растений, о гармонии, приданной миру творцом. С развитием науки ма-
293
териалистические представления о единстве и многообразии живых существ все более конкретизировались и углубля лись. Важную роль в этом сыграло изучение великого мно жества органических форм, населяющих Землю.
Многообразие органического мира не ограничивается числом различных видов. Виды, в свою очередь, состоят из молодых и взрослых индивидуумов, многие — из самцов и самок, у некоторых общественных насекомых имеются мат ки, трутни, рабочие и солдаты, и, наконец, у большинства видов есть разновидности, географические расы и экологи ческие формы. Для них характерны определенные строе ния и образ жизни.
При всем многообразии органический мир — не что-то разрозненное и хаотичное. Напротив, он представляет со бой единое целое. Единство живой природы, как и мира в целом, выражается в ее материальности. Все виды живот ных и растений представляют собой различные формы су ществования живой материи. Как бы ни отличались друг от друга отдельные виды животных, растений и микроор ганизмов, всем им присуще определенное биохимическое единство, выражающееся в общности химического состава (белков, углеводов, жиров, ферментных и гормональных систем и др.) и близости типов реакций, лежащих в основе процессов ассимиляции и диссимиляции. Одним из выра жений такой близости служит, например, сходство химиче ского состава растительного пигмента хлорофилла с жи вотными кровяными пигментами — гемоглобинами и гемо-цианинами, обеспечивающими дыхание. Близки химически ферменты растений и животных, и одинакова общая роль белков и нуклеиновых кислот; у всех животных, от про стейших до человека, основные ферменты сходны. Есть и много других признаков удивительной биохимической общ ности всех отделов органического мира. В то же время име ются и специфические особенности биохимизма, отличающие животных от растений, бактерии от вирусов, а порой даже одну разновидность от другой.
Сходность основных биохимических и физиологиче ских особенностей животных, растений и микроорганиз мов дополняется едиными чертами их строения и особен но тем, что клетка является основой структуры всех орга низмов. Существенным моментом, характеризующим един ство органического мира, является наличие некоторых об-
294
щих законов, по которым живут и развиваются все виды животных и растений. Таков закон единства живого тела и условий жизни, закон естественного отбора, закон взаи мосвязи индивидуального и исторического развития орга низмов и т. д.
Органический мир представляет собой единое целое, но в то же время он дискретен, т. е. состоит из отдельно су ществующих частей. Эти части соподчинены и образуют целостную систему, каждая часть обладает самостоятель ностью, т. е. в определенных отношениях является и це лым. Обладая известной автономией, части входят в состав более крупных структурных единиц, образуя разные ступе ни организации — от клетки до органического мира как целого.
Как и всякое вещество, живая материя построена из молекул и атомов. Их взаимодействие, обусловливающее обмен веществ или проявление жизни на молекулярном уровне, изучают биохимия и биофизика. Следующей по величине частью живого являются клетки, образующие ткани и органы. Отличаясь высокой степенью интеграции частей, организмы обладают неизмеримо большей авто номностью по отношению друг к другу, нежели составля ющие их органы и части.
Но автономность организмов (особей, индивидуумов) тоже относительна, они существуют лишь как составные части популяций. Популяции представляют собой совокуп ности свободно скрещивающихся особей одного вида, зани мающих определенные территории — биотопы. Совокуп ность таких территориальных популяций составляет вид, распространенный на определенной части земной поверх ности, к условиям которой он приспособился.
Почти каждый вид состоит из различающихся по стро ению, но в то же время кровнородственных групп индиви дуумов; у многих животных личинки не только отличают ся по внешнему виду, строению и физиологии, но и живут в других местах либо питаются иной пищей и имеют мно гие другие особенности. Также отличаются самцы и самки, а у многих видов насекомых, паразитических червей и других известны пищевые расы, живущие за счет разных кормов или по-разному размножающиеся, например, ози мые и яровые расы рыб. Вид, таким образом, представляет не простое собрание одинаковых индивидуумов, а сложную
295
систему группировок, соподчиненных, тесно связанных друг с другом и тем самым поддерживающих существование друг друга.
Объединение разнородных индивидуумов в популяции, а различных популяций в виды создает много преимуществ в борьбе за существование и обеспечивает более активные отношения вида со средой, поскольку здесь возникают бо лее активные сложные формы групповой жизнедеятельно сти. Морфологическое разнообразие внутри вида, существо вание географических рас (подвидов) и биологических форм расширяют использование видом среды и имеют важ ное значение для успеха его борьбы с другими видами.
Изучением видов заняты систематика, экология, пале онтология, биогеография и популяционная генетика.
Наконец, популяции разных видов образуют сообщест ва (биоценозы), занимающие отдельные участки земной по верхности. В каждый биоценоз, где бы он ни находился, входят хлорофиллоносные растения, питающиеся ими ра стительноядные животные, хищники и паразиты, живущие за счет растительноядных животных, и, наконец, микроор ганизмы, минерализующие трупы животных и растений. Такие сообщества представляют собой целые системы, где существование одних видов без других невозможно, так как их обмен веществ приспособлен друг к другу и одни виды используют продукты метаболизма других видов или их самих в качестве пищи. В биоценозах на основе взаи модействия составляющих их видов возникают новые фор мы отношений живых существ с неживой природой. Био ценозы отдельных биотопов и природных зон на основе общего круговорота веществ объединяются в единую сис тему — органический мир. Экология (биоценология) и био география изучают эти сложные системы многих видов.
Все части единого органического мира отличаются не только степенью самостоятельности и автономности, но и тем, что по мере их усложнения на каждой ступени возни кают качественно новые, все более сложные проявления жизни, при этом углубляется и расширяется взаимодей ствие живого с неорганической средой.
Единство многообразной и сложно организованной живой природы выражается во взаимосвязях и взаимодей ствии качественно различных видов животных, растений и микроорганизмов. Эти взаимоотношения и служат основой
296
возникновения и развития сообществ, состоящих из раз ных видов. Такова структура органического мира, покоя щаяся на основном свойстве живой материи — обмене веществ и энергии со средой.
Будучи единым целым, живая природа не представля ет собой какой-то замкнутой автономной системы. Она находится в тесном единстве и взаимодействии с окружа ющей ее неживой природой. Тела животных и растений состоят из тех же химических элементов, в них действуют те же химические и физические законы, которые присущи неживой природе. Неживая природа не только породила живое на определенной ступени своего развития, но и яв ляется необходимым условием его существования и раз вития. Существование жизни обеспечивается взаимодей ствием каждой особи с окружающей ее абиотической и биотической средами, а также взаимоотношениями всего органического мира как целого с неживой природой. Пер вое исторически обусловило строение индивидуумов, их приспособленность к определенным условиям. Второе осу ществляется посредством определенной организации видов и образованием сообществ различных форм животных, растений и микроорганизмов.
Единство, тесная взаимосвязь организмов с окружаю щими абиотической и биотической средами нашли яркое выражение в трудах русского биолога К.Ф. Рулье, русского физиолога И.М. Сеченова. Углубил эти представления о единстве организмов и среды И.В. Мичурин. «Каждый организм, каждое свойство, каждый член, все внутренние и наружные части всякого организма, — писал он, — обус ловлены внешней обстановкой его существования. Если организация растения такова, какова она есть, то это по тому, что каждая ее подробность исполняет известную функ цию, возможную и нужную только при данных условиях»3. Разнообразные формы животных, растений и микроорга низмов отличаются друг от друга величиной, формой, стро ением, функциями (характером жизнедеятельности), места ми обитания (географическим распространением), органи ческим веществом, синтезируемым с помощью хлорофилла. Помимо растений это делают бактерии — хемосинтетики, использующие при синтезе энергию химических превраще ний. За счет растений живут другие организмы. Животные питаются готовыми органическими веществами и являются
297
его потребителями (консументами). Наконец, значительная часть микроорганизмов (большая часть бактерий и низших грибов — актинолицетов) существует за счет мертвого органического вещества (трупов животных и растений), разлагая его и возвращая к исходному неорганическому состоянию. Поэтому их называют разрушителями (редуцен тами) органического вещества. Другие микроорганизмы ведут паразитический образ жизни, существуя за счет жи вых растений и животных.
Таким образом, животные, растения и микроорганизмы не просто сосуществуют, а живут за счет друг друга, нахо дятся в необходимой связи, без которой их жизнь невозмож на. Эти связи сложились исторически в ходе развития орга нического мира в результате противоречий, с одной стороны, между живой и неживой природой, с другой — между орга низмами, каждый из которых для своих партнеров представ ляет часть окружающей его среды, причем часть относитель но более важную, нежели неорганическая природа.
5. Жизнь как биологический круговорот веществ
Нормальное протекание жизненного процесса каждого организма требует не только поступления в организм оп ределенных веществ и энергии, но и удаления из него про дуктов обмена и рассеяния избыточной энергии во вне шнюю среду. Из этого и складываются основные потреб ности организма, удовлетворяемые за счет других живых существ и неорганической среды. В эти потребности вхо дят пищевые вещества (органические и минеральные), газы (кислород) и вода; для нормального хода реакций необхо димы определенная температура (различная в разных слу чаях), активная реакция (рН), плотность, давление среды и движение ее частиц; наконец, для существования организма требуется известное пространство, на котором он находит для себя все необходимое.
Растения получают основные вещества и энергию почти полностью из неорганической природы. Климат и другие физические и химические особенности среды зависят от положения участка на земной поверхности и его геологи-
298
ческого строения, т. е. преимущественно также от неорга нических факторов. Одновременно в жизни всех растений непосредственную и очень важную роль играют взаимоот ношения с другими видами растений и животных, так как они воздействуют на химические процессы и на физиче ское состояние среды.
Все организмы прямо и косвенно связаны как с нежи вой природой, ее климатическими, географическими и дру гими физическими и химическими факторами, так и со своими партнерами по сообществу. В этом многообразии отношений находит выражение взаимосвязь и взаимо обусловленность абиотических и биотических факторов сре ды, воздействующих на всякий организм как целостная си стема, хотя каждый из перечисленных элементов среды в то же время самостоятелен и в определенных пределах мо жет меняться независимо от других.
Отношения разных видов со средой всегда специфичны, что и отличает виды друг от друга. Каждый вид связан с определенными элементами (факторами) среды, которые могут быть безразличными или малозначительными для его соседей — других видов. Эта специфичность является прямым следствием эволюции, происходящей по открыто му Ч. Дарвином принципу расхождения (дивергенции) ви дов, каждый из которых имеет свою «экологическую нишу» в сообществе. Под экологической нишей понимают место, занимаемое данным видом в тех сообществах, куда он вхо дит в качестве одного из членов. Это место определяется отношением к абиотическим условиям и связям данно го вида с другими видами. Особенно важны пищевые свя зи. Опираясь на них, можно выделить ниши травоядных копытных (преимущественно древоядных оленей), насеко моядных птиц, хищных птиц и т. д.
В результате объединения отдельных видов сложной системы — биоценоза — образуется единая структура орга нического мира; она обладает высокой степенью слажен ности, чем и объясняется ее устойчивость. Но эти связи одновременно и противоречивы, что определяется характе ром отношений каждого со средой.
Отношения к среде отдельно взятого вида имеют одно сторонне необратимый характер. Вид извлекает из среды необходимые ему вещества и энергию, но возвращает их в иной, обычно измененной и непригодной для повторного
299
использования форме. Этим вид истощает и засоряет свою среду, не восстанавливая причиненных нарушений. И если бы результаты его деятельности не ликвидировались про тивоположно направленной восстановительной деятельно стью других видов, его существование в скором времени стало бы невозможным. Так, растения, извлекая из почвы питательные вещества, обедняют ее, и, если бы не существо вали почвенные микроорганизмы, разлагающие мертвые тела погибших растений и животных, растительность очень скоро погибла бы.
Односторонний характер воздействия любого вида на окружающую среду и невозможность его непрерывного су ществования без восстановления другими видами исполь зованных ресурсов объясняют неизбежность возникнове ния и развития жизни как общего и единого круговорота веществ в биосфере. Биосфера представляет собой те части газообразной, жидкой и твердой оболочек земного шара — атмосферы, гидросферы и литосферы, которые за селены и преобразованы живыми существами.
Еще на заре жизни наметились два основных звена биогенного круговорота веществ — гетеротрофного и ав-тотрофного питания. Гетеротрофное питание означает усвоение организмами уже существующих органических веществ, а автотрофное — их синтез из веществ неживой природы. Круговорот веществ замкнулся при появлении сапрофитов, минерализующих мертвое органическое веще ство и возвращающих его в исходное неорганическое состо яние. Последующий рост многообразия органического мира приводил к расширению и углублению биологического кру говорота веществ. В ходе эволюции не только увеличилось многообразие форм живой материи, но и росло число видов, усложнилось строение организмов. Одновременно усложни лась общая структура живого покрова земли и занимаю щих отдельные участки земной поверхности сообществ животных, растений и микроорганизмов. Эволюция видов была неразрывно связана с развитием их сообществ и тем самым — с усложнением и расширением их связей с не живой природой. Увеличение многообразия и усложнение структуры органического мира укрепило его целостность и единство.
Основным стержнем круговорота веществ служит пи тание особей одних видов особями других и использование
300
одними видами продуктов обмена других. Важнейшей фор мой круговорота явились возникавшие на этой основе сна чала простые трехчленные, а позднее более сложные (из 5-7 звеньев) цепи питания. Они состоят из производителей органического вещества — растений, его первичных потре бителей — растительноядных животных, вторичных потре бителей — хищников (плотоядных) и паразитов и третич ных потребителей — сапрофитов — разрушителей. При мерами таких цепей питания в степном биоценозе могут быть:
Отношения пищи и ее потребителей в подобных цепях важны для жизни каждого вида и определяют его основ ные морфофизиологические и экологические особенности, в частности, соотношения величин индивидуумов, числа особей и их массы. В грубом приближении размеры организмов растут от звена к звену, и потребитель в большинстве слу чаев оказывается крупнее пищи. Есть, правда, и довольно многочисленные исключения, связанные со способами до бывания и использования пищи. Так, при коллективной охоте хищников они нападают и на добычу, которая круп нее их, а паразиты, как правило, мельче хищников. Увели чение размеров организмов ухудшает их двигательные спо собности; к тому же крупному животному необходима большая территория для существования. В противополож ность размерам особей их число и биомасса (суммарный вес организмов) прогрессивно убывают от звена к звену: и масса пищи примерно в десять раз больше суммарной мас сы ее потребителей. Многократное убывание массы объяс няется тем, что большая часть пищевых веществ расхо дуется не на построение тела потребителя, а на его дея тельность.
Возрастание размеров особей и убывание их числа и их массы ограничивают число звеньев в каждой пищевой цепи, в редких случаях превышающее пять-шесть. Зави симость числа и биомассы других обусловливает структу-
301
ру сообществ, реагирующих на изменение среды как цело стная совокупность взаимосвязанных видов. Эти же свя зи служат механизмами регуляции, обеспечивающими из вестную устойчивость сообществ. Все это осуществляется главным образом, на базе биологического круговорота ве ществ, хотя пищевые связи дополняются очень важными для жизни пространственными отношениями, регулируемы ми многочисленными внутривидовыми и межвидовыми приспособлениями.
Описанные отношения и связи разных видов служат конкретными путями круговорота веществ. В каждом уча стке земной поверхности живут свои сообщества, состоящие из многих, иногда параллельных, иногда соединяющихся или пересекающихся цепей питания. Они-то и представля ют те отдельные ручьи и реки, из которых состоит общий поток биологического круговорота веществ и энергии. Но эти отдельные ручьи и реки соединены многочисленными рукавами — протоками, так как некоторые виды живот ных, особенно подвижные хищники, одновременно явля ются участниками нескольких параллельных цепей пита ния и могут входить в несколько сообществ. Так, местные популяции разных видов, образующие сообщества отдель ных биотопов, объединяются в биоценозы более крупно го ранга — сообщества географических районов, природ ных зон, континентов и морей, и, наконец, в единый орга нический мир.
С ростом многообразия и усложнением органическо го мира в круговорот вовлекается все больше веществ; среда все полнее и глубже осваивается организмами. Од новременно часть вовлеченных веществ выходит из кру говорота в виде инертных отложений (известняки, сапро пели, торф и т. п.).
Отношения животных, растений и микроорганизмов, развивающиеся на базе биологического круговорота ве ществ, имеют столь же длительную историю, как и эво люция этих групп; они регулируются возникшими в ходе эволюции взаимными приспособлениями. Именно этим объясняется известный порядок и слаженность в биоцено зах. Но эти отношения и противоречивы. Отдельные виды животных, растений или микроорганизмов связаны друг с другом пищевыми, пространственными и другими отноше ниями; во многих случаях они не могут существовать друг
302
без друга. В то же время каждый вид обладает определен ной самостоятельностью.
Автономность вида как части целостного органического мира заключается в возможности множества путей его при способления к среде. Какой из них реально осуществится, будет зависеть от конкретного сочетания обстоятельств. Кроме того, виды возникли в разных местах и в разное время, имеют, следовательно, неодинаковую историю и спо собность существовать в тех или иных условиях, В био ценозах виды различного происхождения, в разное время вошедшие в состав данного сообщества, обычно составля ют значительную долю. Поэтому неодинакова и степень их взаимной приспособленности, а сами приспособления отно сительны.
Различают два основных типа межвидовых отношений:
а) симбиоз, не обоюдное полезное сожительство, а все фор
мы сожительства и взаимных связей или сосущество
вание (в широком смысле слова), при котором виды
связаны друг с другом взаимными приспособлениями и
входят в состав одного биоценоза, часто одной цепи пи
тания;
б) антибиоз, или невозможность сожительства видов, так
как существование одного исключает или затрудняет
пребывание другого.
При симбиозе наиболее важную роль играют пищевые связи. Они поддерживаются обоюдными приспособления ми пищи и ее потребителей, обеспечивающими взаимную регуляцию их численности. Так, анатомия, физиология, образ жизни и повадки растительноядных животных свя заны с поисками, поеданием и перевариванием корма. Раз множение и увеличение их числа на пастбищах ведут к истощению последних, а в крайних случаях даже к превра щению пастбищ в почти бесплодную пустыню. Прямым следствием истребления корма служит откочевка или ги бель животных; требуется длительное время, чтобы паст бище восстановилось. Примеры такого «перевыпаса» паст бищ хорошо известны не только для домашних, но и для диких животных. Однако гибель пастбищ может насту пить и в случае их неиспользования. В этом случае отра стающая растительная масса накапливается на поверх ности и губит живую растительность. Лишь некоторая средняя интенсивность использования пастбищ поддержи-
303
вает их в хорошем состоянии. Следовательно, многие виды растений, особенно злаки, исторически приобретшие способ ность быстрого роста как приспособление против повреж дений животными, нуждаются в подстригании. Это пока зывает, что существование растительноядных животных в ходе исторического развития стало необходимым услови ем для существования растений. Напомним, кстати, хорошо известную роль многих животных в опылении растений, в распространении их спор и семян.
Противоречивы отношения хищников к их добыче, па разитов, вызывающих болезни, и их хозяев, хотя и у них многочисленные приспособления уменьшают опасность гибели жертв, увеличивают шансы получения пищи их врагами. Питаясь за счет своих жертв, хищники и парази ты причиняют их популяции бесспорный ущерб. Но эти враги оказываются иногда не только вредными, но и полез ными, подчас даже необходимыми для существования жи вотных, служащих им пищей. Так, хищники, усиленно уничтожая слабых и больных животных, способствуют оз доровлению популяции всех видов, на которые они напа дают. Исключение или даже сокращение истребительной деятельности хищников во многих случаях сопровожда лось распространением заболеваний и снижением жизне способности популяция их жертв.
Многие паразиты вызывают заболевания и могут стать причиной гибели своих хозяев (растений и животных), но среди них есть и полезные виды, помогающие пищеварению (микрофлора кишечника), увеличивающие стойкость про тив заболеваний (антагонисты патогенных видов). Неко торые из них совершенно необходимы своим хозяевам («симбионты»).
Таким образом, обоюдные приспособления «пищи» и ее потребителей в некоторой мере уравновешивают пищевые взаимоотношения, обеспечивая известную устойчивость пищевых цепей. Но это уравновешивание постоянно нару шается при изменении численности отдельных видов, ко лебаний погоды и других условий. В результате часть ве ществ выходит из круговорота, что изменяет среду в био ценозе; медленно, но постоянно накапливаются необратимые изменения. Они свидетельствуют не только об отсутствии равновесия в системе «пища — потребитель», но и указы вают на изменения неорганической природы.
304
Наравне с пищевыми, развиваются и пространственные связи, когда одни виды могут служить для других сообита-телями, субстратом или даже средой обитания. Такое допол няющее пищевые связи сожительство усложняет межвидовые отношения, увеличивая их многообразие. Внедрение в биоце ноз нового вида изменяет не только пищевые связи, но и пространственные отношения. Так может усложняться и обогащаться или упрощаться структура биоценозов.
Противоположным по характеру типом межвидовых отношений служит антибиоз, исключающий или затрудня ющий совместное существование различных видов. Сюда относят активную борьбу и конкуренцию за пищу и дру гие средства к существованию, за убежище и пространство. Активная борьба может вестись путем прямых столкнове ний, преследования; многие виды борются друг с другом, выделяя во внешнюю среду ядовитые вещества. Конечным итогом таких отношений бывает либо пространственное разобщение, когда виды могут входить лишь в разные со общества, либо расхождение в разные экологические ниши в пределах одного сообщества. Конкуренция и антагонизм особенно отчетливы во взаимоотношениях близких видов со сходными потребностями, однако антибиоз часто свойствен и многим неродственным группам организмов, например, многим низшим грибам и бактериям.
Биологическое значение антибиоза заключается в том, что он служит средством разграничения отдельных сооб ществ, поддерживающих целостность и устойчивость каж дого из них. Многочисленные случаи хорошо известной конкуренции за источники существования показывают, что, как и всякое приспособление, это средство имеет лишь от носительное значение. Примеры увеличения способности выдерживать конкуренцию или преодолевать антагонизм, переходя к сожительству (среди микроорганизмов), показы вают противоречивость и отношения антибиоза, в отдельных случаях переходящего в свою противоположность.
Таким образом, межвидовые отношения, охватываю щие бесконечное разнообразие пищевых и пространствен ных связей, принимают то формы обоюдного или односто роннего полезного сожительства, то формы антагонизма, исключающего совместное существование. Но так как и те, и другие весьма относительны и противоречивы, они не остаются неизменными и могут переходить друг в друга.
305
Изменения отношений разных видов могут происходить и вследствие превращения какого-либо одного вида в дру гой. Изменяя среду видов-сожителей, такое превращение может оказаться причиной изменения не только биоценоза, но и входящих в его состав видов. Так, следствие ста новится причиной, выясняются связи опосредования, что имеет более важное значение, чем установление только факта взаимодействия.
Вопросы для самоконтроля
Примечания
1 Репликация — механизм копирования генетического
материала.
2 Преципитат — комплекс антиген — антитело, выпа
дающий в осадок, образующийся при введении сенсибили
зирующей сыворотки.
3 Мичурин И.B. Избр. соч. М., 1984. С. 282-283.
306
Раздел VI. ЧЕЛОВЕК
I Происхождение человека и цивилизации
1.1. Возникновение человека
Одной из самых фундаментальных нерешенных про блем современного научного познания является постиже ние генезиса человека. Поскольку человек, представляя собой часть живой природы (биосферы), является космо-планетарным феноменом, постольку традиционный подход к проблеме человека в ключе рассуждений о взаимосвязи биологического и социального, подход к проблеме челове ка, понимаемого как «биосоциальный синтез», явно неадек ватен современному состоянию дел в науке. Более перспек тивным является подход, рассматривающий человека как продукт длительной биологической эволюции, воспроизво дящей в информационном аспекте развитие нашей Вселен ной после Большого взрыва, как вместе с социокультурной эволюцией, с которыми связана и его психическая эволю ция.
Уже известно, что одним из процессов, придавших био сфере неповторимый облик, является эволюция видов, со провождающаяся гибелью одних, выживанием вторых и появлением новых (например, вымерли динозавры, сохра нились кораллы, появились млекопитающие). Б ходе эво люции остаются те организмы, которые своей жизнедея тельностью увеличивают свободную химическую энергию в биосфере, то есть эволюция идет в определенном направ лении. ВЛ. Вернадский подчеркивает значимость выска зывания американского геолога Д. Дана о том, что «в ходе геологического времени, говоря современным языком... наблюдается (скачками) усовершенствование — рост — центральной нервной системы (мозга), начиная от ракооб-
307
разных... и от моллюсков (головоногих) и кончая человеком. Раз достигнутый уровень мозга (центральной нервной сис темы) в достигнутой эволюции идет уже не вспять, а только вперед». В таком ракурсе появление человека есть зако номерный результат развития биосферы, функционирования ее космопланетарных механизмов. В свете последнего по ложения и следует рассматривать проблему происхожде ния человека, относящуюся к числу важнейших вопросов мировоззрения и науки. Согласно современным научным данным, наиболее адекватной действительности является эволюционная теория происхождения человека от живот ного предка — гоминид. Эволюцию мозга гоминид в плей стоцене следует считать весьма особым процессом, по край ней мере, по двум причинам. Во-первых, в связи с ее тем пами: это был один из наиболее бурно протекающих процессов макроэволюции в истории позвоночных, если не в истории животного мира вообще. Во-вторых, в связи с его феноменальным последствием: этот процесс привел к возникновению уникального в животном мире биосферы явления, каковым является человеческая психика. Здесь речь идет о следующих связанных между собой ее свой ствах: 1) оперирование образами и понятиями, содержание которых свободно от ограничений пространства и времени и может относиться к воображаемым, никогда и нигде не существующим событиям; 2) познавательная способность, основанная на проникновении в структуру мира и постро ении модели мира; 3) способность как соблюдения суще ствующих моральных норм поведения, так и разрушения и саморазрушения; 4) самосознание и рефлексия, проявля ющиеся в способности созерцать собственное существова ние и осознавать смерть. Возникает проблема объяснения особенностей эволюции мозга гоминид, а также наличия колоссальных различий между мозгом человека и совре менных человекообразных обезьян, например шимпанзе.
Как известно, в человеческом мозгу уже давно установ лен регион коры больших полушарий, управляющий поня тийной стороной речи (точнее говоря, регион, повреждение которого или электростимуляция вызывают нарушения в семантической или грамматической структуре высказыва ния). Однако мозг человека в сравнении с мозгом шимпан зе не содержит ни одного нового типа клеток, тканей или органов, к тому же отдельные его части имеют аналогич-
308
ные пропорции. Различие состоит в основном в меньшей у человека плотности упаковки нейронов в коре, в большем числе дендритов (следовательно, более плотной сети меж нейронных связей), в большем числе нейронов коры с ко роткими аксонами и большем количестве (на единицу объема коры) нейроглиальных клеток. Наконец, соотноше ние абсолютного числа нейронов коры человеческого моз га и коры мозга шимпанзе равно 1,4:1,0. В сумме извест ные до сих пор структурные и физиологические различия между мозгом человека и мозгом шимпанзе кажутся три виальными, поэтому возникает проблема объяснения гене зиса принципиальных различий в сфере психики и поведе ния между этими двумя видами.
В науке выдвинут ряд гипотез, которые пытаются раз решить эту проблему: человек возник благодаря тому, что его древнейшие предки в большей степени были падалыци-ками, чем охотниками; человек стал человеком благода ря жизни в воде, мутации в клетках мозга гоминид, выз ванной жесткими излучениями вспышки Сверхновой звез ды, либо инверсиями геомагнитного поля; либо мутант среди гоминид появился в результате теплового стресса. Рассмотрим эти гипотезы в изложенном порядке.
В научной литературе имеются данные о том, что употреб ление в пищу мяса крупных животных способствовало фор мированию физических и природных условий, которые при вели к появлению характерных особенностей, отличающих человека от обезьян. Обычно считается само собой разумею щейся формула «человек—охотник» — именно в силу заня тия ранними гоминидами охотой, а не собиранием падали появился человек. Американские ученые Р. Блюменшайн и Дж. Кавалло считают, что теория «человек-охотник» осно вана на «более предрассудках, чем на ископаемых находках и экологических аспектах добывания пищи». Они выдви нули гипотезу, согласно которой подбирание падали, веро ятно, было более распространенным способом добывания пищи, нежели охота 2 млн лет назад, на рубеже плиоцена и плейстоцена: «Охота на очень мелких животных, воз можно, была древнейшей стратегией гоминидов, а с появ лением метательного оружия Homo sapiens стал намного более искусным охотником, чем любой другой примат. Тем не менее такой способ добывания пищи, как подбира ние падали, оказал более заметное влияние на эволюцию
309
человека, чем до этого было принято думать». И хотя эта гипотеза не получила широкого резонанса в сообществе ученых, ее неправомерно сбрасывать со счетов, когда дело касается такой весьма сложной проблемы, как генезис че ловека.
Оригинальной является гипотеза шведского исследова теля Я. Линдблада. Согласно ей, южноамериканские индей цы, живущие в тропическом лесу, являются самыми древ ними людьми на Земле, причем предшественником чело века была «безволосая обезьяна», или «икспитек», ведущая водный образ жизни. Именно редуцированная волосатость, прямохождение, длинные волосы на голове (исключение со ставляют негроидные формы), присущие только человеку эмоциональность и сексуальность обусловлены особеннос тями образа жизни водяного гоминида (меньшую часть суток он проводил на берегу). «Как всегда, когда новый образ жизни повышает процент выживания, — пишет Я. Линдблад, — мутационные изменения наследственных структур влекут за собой приспособление к водной среде. Здесь это выражается в уменьшении волосатости тела и развитии слоя подкожного жира. Однако на голове воло сы длинные — важный фактор для выживания детены шей. По той же причине у женщин большие груди с хо рошей теплоизоляцией, а для защиты спермы от опасной для нее среды углубляется влагалище и удлиняется пенис. У детенышей первые годы жизни особенно мощный слой подкожного жира. Ноги икспитека длиннее рук, большие пальцы ног не противопоставляются и направлены вперед. Осанка при ходьбе более прямая — возможно такая же, как у нас. Другими словами, у икспитека вполне челове ческий вид, во всяком случае, на расстоянии». Дальнейшее развитие черепа и мозга привело к появлению человека современного типа.
В рамках сформировавшегося в последнее время тако го направления научных исследований, как «космический катастрофизм», выдвинута гипотеза о возникновении совре менного человека (и человеческой цивилизации) в связи со вспышкой близкой Сверхновой звезды. Зафиксировано то весьма удивительное обстоятельство, что вспышка близкой Сверхновой звезды по времени (один раз в 100 млн лет) приблизительно соответствует возрасту древнейших остан ков человека разумного (порядка 35-60 тыс. лет назад).
310
К тому же ряд антропологов считает, что появление совре менного человека обусловлено мутацией. А импульс гам ма- и рентгеновского излучения от вспышки близкой Сверхновой звезды мог вызвать необратимые изменения в клетках мозга некоторых животных, в том числе гоминид или рост самого мозга, что привело к формированию разум ных мутантов вида человека разумного. Во всяком случае, со вспышкой Сверхновой звезды связано: 1) образование Солнечной системы; 2) происхождение жизни и 3) возмож но, происхождение современного типа человека с его циви лизацией.
Четвертая гипотеза исходит из того, что современный человек — мутант, возникший вследствие инверсии земно го магнитного поля. Установлено, что земное магнитное поле, которое в основном задерживает космические излу чения, по неизвестным до сих пор причинам иногда осла бевает; тогда и происходит перемена магнитных полюсов, то есть геомагнитная инверсия. Во время таких инверсий степень космических излучений на нашей планете резко возрастает. Исследуя историю Земли, ученые пришли к выводу, что в течение последних 3 млн лет магнитные по люса Земли четырежды менялись местами. Некоторые об наруженные останки первобытных людей относятся к эпохе четвертой, геомагнитной инверсии. Такое необычное стече ние обстоятельств приводит к мысли о возможном влия нии космических излучений на появление человека. Эту гипотезу усиливает следующий факт: человек появился в то время и в тех местах, в которых сила радиоактивного излучения оказалась наиболее благоприятной для измене ния человекообразных обезьян. Именно такие условия воз никли около 3 млн лет назад в Южной и Восточной Аф рике — в период отделения человека от мира животных. По мнению геологов, в этом регионе в силу сильных зем летрясений обнажились залежи радиоактивных руд. Это, в свою очередь, вызвало мутацию у определенного вида обе зьян, который был наиболее предрасположен к изменению генетических черт. Вполне возможно, что около 3 млн лет назад длительное воздействие радиоактивного излучения настолько глубоко изменило австралопитека, что он стал способен совершать действия, необходимые для его безопас ности и обеспечения пищей. В соответствии с этой гипо тезой питекантроп появился около 690 тыс. лет назад,
311
когда наступило второе изменение геомагнитных полюсов. При третьей инверсии магнитных полюсов Земли (около 250 тыс. лет назад) мы имеем дело с неандертальцем, воз никновение же современного человека приходится на чет вертую геомагнитную инверсию. Такой подход вполне пра вомерен, ибо известна роль геомагнитного поля в жизнеде ятельности организмов, в том числе и человека (следует отметить тот примечательный факт, что магнитное поле определенной конфигурации и напряженности становится непроницаемым для радиоактивного излучения).
Оригинальна и интересна пятая гипотеза о росте мас сы мозга у гоминидов в силу адаптации к экстремально му тепловому стрессу. Ее содержание сводится к следую щим положениям.
1. Вполне вероятно, что наиболее ранняя форма охоты у гоминидов — это охота индивидуальным способом, «со стязание на выносливость», применяемым до сих пор, на пример, бушменами. Такая охота требует многочасовых марш-бросков в тропической саванне и должна вызывать сильный тепловой стресс, который угрожает расстройством деятельности нейронов коры, весьма чувствительных к ро сту температуры. В итоге наступает временное нарушение пространственной ориентации и памяти. Человек облада ет характерной и не встречающейся у других приматов адаптацией, предохраняющей тело от перегрева и облегча ющей потерю тепла через выделение и испарение (отсут ствие волосяного покрова, исключительно богатая система потовых желез). Однако такого рода адаптации, вероятно, было недостаточно для устранения угрозы перегрева кро ви в сосудах мозга в условиях «состязания на выносли вость».
2. У быстробегающих млекопитающих тропической зоны имеются специальные приспособления для поддержания постоянной температуры в сосудах мозга, например, сети сосудов у газели Томпсона, благодаря которым температу ра после 7-минутного бега со скоростью 40 км/час возрас тает только на 1 градус, тогда как температура крови в периферических сосудах поднимается на 5 градусов. Поэто му адаптация гоминидов к этому стрессу была иной, осно вывалась именно на создании дополнительных нейронов коры и увеличении числа связей между ними.
312
Пятая гипотеза исходит из того, что человек как новый вид возник благодаря основному биологическому отличию гоминид от других млекопитающих высоким уровнем удельного метаболизма и следующего из этого вероятного эколого-демографического следствия. К этому следует до бавить то обстоятельство, что у человека и его предков имелись средства коллективного производительного потреб ления (коллективные орудия), отсутствующие у осталь ных животных. Именно высокий уровень удельного мета болизма вызвал эколого-демографические проблемы у го минид, которые оказались эффективно решенными не-
313
биологическими средствами демографического самоконтро ля гоминидами своих сообществ. Такими средствами и являются средства коллективного производительного по требления, позволяющие контролировать численность сооб щества. Иными словами, существует вполне определенная связь между демографией и технологией, выработанной в рамках культуры как небиологического наследования в со обществах древних гоминид. «В зависимости от биопро дуктивности своего местообитания ранние гоминиды мог ли иметь тот или иной вариант структуры сообщества... и донести признаки похожих общественных структур до эпохи цивилизаций». Другими словами, речь идет об этно сах, выстроенных на основе архаичных кровно-родственных общественных структур. В целом следует отметить, что проблема происхождения человека весьма сложна и до сих пор не решена.
1.2. Проблема этногенеза
Проблема этногенеза, которая является одной из значи мых в отечественной этнологии и которая до сих пор не решена окончательно, неразрывно связана с пониманием природы этноса (этнического). В современной этнологиче ской науке не выработано единого общепринятого взгля да на природу этнического, сопряженного с понятиями «эт нос» и «этничность». Можно выделить три подхода к по ниманию природы этноса и этничности, а именно: при-мордиалистский, конструктивистский и инструментальный. Согласно первому, этнос и этничность являются объектив но и первозданно существующими — человек в силу сво его происхождения относится к определенному этносу. Конструктивистский подход рассматривает этнос как некое концептуальное построение, интеллектуальный конструкт, который может быть использован для мобилизации людей на коллективные действия для достижения социальных, экономических, политических и других целей. Иными сло вами, этнос не существует в качестве объективной реаль ности, в действительности существует культурное многооб разие. Инструментальный подход представляет собой по пытку синтеза примордиалистского и конструктивистского подходов: с одной стороны, признается основной тезис кон структивизма об искусственном, сконструированном мето-
314
дами социальной инженерии идеях этноса и этничности, которые овладевают умами людей и приводят их в движе ние, с другой — тезис примордиализма о наличии некоей природной объективной основы этноса и этничности, бла годаря чему и возможен феномен «разбуженной этнич ности».
Вполне вероятно, что инструментальный подход к эт носу и этничности является наиболее адекватным дей ствительному положению вещей. Однако здесь возникает зафиксированная в этнологической науке и до сих пор не решенная основная проблема: что выступает объективной основой для формирования этничности как ядра самосоз нания. Современная этнология не имеет общепринятой методологии анализа и интерпретации этнического, трудно выделить четкий универсальный критерий для выделения этноса. В объективистских, примордиалистских интер претациях, которые на материалистической основе пытают ся в качестве критерия использовать язык, культуру, об щую территорию, формирование этнического самосознания по принципу «мы» и «они», фактически речь идет о соци уме, о любой социальной общности. Ни язык, ни общая территория, ни культура и даже ни стереотип поведения (на чем настаивал Л.Н. Гумилев) не являются универсаль ными критериями этноса и формируемой на его основе эт ничности, так как теряется специфика этнического. Субъек тивистские, конструктивистские концепции обладают суще ственным недостатком — они не могут объяснить, почему люди принимают сконструированную идею этничности и на этой основе образуют этническую общность. Существен ным является то, что все эти интерпретации и концепции не могут объяснить результаты эмпирических исследований, которые показывают как устойчивость этнической идентич ности, ее способность транслироваться от поколения к по колению, так и ее вариабельность, способность находить ся в латентном состоянии, актуализироваться в определен ных социальных ситуациях. Инструментализм стремится преодолеть ограниченности примордиалистского и конст руктивистского подходов к этносу и этничности, однако сам не в состоянии решить основную проблему природы этнического и связанного с ним ряда вопросов. В случае примордиализма возникает проблема определения этнично сти приемных детей, детей от смешанных браков и пр.
315
Конструктивизм же считает, что этничность может быть «навязана» извне путем манипуляции сознанием, но тог да нет ответа на вопрос о том, почему одним индивидам можно навязать этничность, а в отношении других это не возможно сделать. Существует еще и такая интересная проблема этничности, как яркая эмоциональная окраска этнического самосознания, болезненная реакция представи телей этноса на негативные оценки их народа. Почему в эпохи развала социума на первый план выступает этниче ское, то есть почему люди начинают идентифицироваться по этническому признаку?
Наша гипотеза, исходящая из выработанной Э.А. Орло вой с сотрудниками модели культуры, включающей в себя фундаментальный обыденный пласт и специализированные сферы культуры — религия, искусство, наука, философия и др., — заключается в следующем. Этнос — это не поли тическая, не экономическая и даже не общность людей, разделяющих набор ценностей и идеалов современной культуры. Это общность, сформированная на основе обы денного пласта культуры, фундаментом которого служат ее древние, архаические слои, связанные с генезисом этничес ких культур, когда шел процесс активной адаптации чело веческих сообществ к разным условиям природной и со циальной среды. Поэтому в разных культурах наряду с инвариантными характеристиками (культурными универ салиями) этим архаистическим слоям присущи некоторые различия, которые проявляются в специфичности этносов. Эти дифференциальные различия сохраняются на уровне обыденной культуры, они осваиваются в ходе первичной социализации индивида — в малой родственной группе, каковой выступает семья. В последней доминирующую роль в воспитании ребенка с первых дней жизни играет мать, когда на эмоциональном и довербальном уровне в ходе освоения и усвоения ребенком предметного мира культуры и способов общения происходит передача стерео типов и ценностей этнического. Этничность в метафориче ском ключе — это образ матери, дремлющий в человеке, она не находится ни в генах, ни в разуме, она хранится в глубинных структурах бессознательного и актуализируется в экстремальных ситуациях, когда у индивида возникает потребность в надежной и прочной опоре, что и объясня ет консолидацию людей по этническому признаку в деста-
316
билизированном обществе. Необычайная стойкость этни ческих стереотипов, архетипов объясняется тем, что проис ходит их закрепление в сознании индивида на довербаль-ном и эмоциональном уровне, субстратом которых явля ются самые древние слои палеокортекса. Для психики человека, носящей многослойный характер, существенной является закономерность: из нее в первую очередь вытес няется все, связанное с неокортексом, и в последнюю — закрепленное в палеокортексе. Обыденный пласт современ ной культуры, связанный по своему генезису с традицион ной культурой, модифицируется под влиянием динамиче ского развития и усложнения общества техногенной ци вилизации, тогда происходит изменение признаков ее наиболее консервативных архаических слоев, что объясняет концепцию Л.Н. Гумилева о дискретном характере этно генеза. Изменяется общество и культура как его «свое иное». Однако сам этнос менее подвержен этим изменени ям, так как его базой является самая консервативная со ставляющая культуры. Предложенная гипотеза природы этнического позволяет в определенном смысле решить сложную проблему этногенеза, укладывающуюся в рамки накопленного современной наукой материала. Действитель но, сама природа этнического связана с миром культуры, присущим только человеку как деятельному существу. Именно мир культуры обусловливает различные поведен ческие стратегии человека, ибо последний не обладает ге нетически заложенной жесткой системой поведения. Спе цифичность человека состоит в том, что он является уни версальным существом в отличие от животных с присущей им специализацией. Это дает ему возможность освоить различные поведенческие стратегии, что позволяет ему выжить в изменяющихся условиях и адаптироваться к динамичному миру.
Возникает вопрос, каким образом человек на заре ант-ропосоциогенеза осваивал стратегии поведения, необходи мые для его жизнедеятельности? Известно, что на ранних этапах становления человека и общества социокультурная эволюция как бы совпадает с биологическими закономер ностями, присущими миру животных. У животных имеется исследовательский рефлекс, человек же представляет собой в определенном аспекте тоже животное и на раннем эта пе становления общества он подражал животным. Пове-
317
дение животных формировалось и шлифовалось в ходе эво люции, то есть оно является адаптивным; человек осваи вал адаптивные формы поведения, подражая прежде всего животным (и растениям), что помогало ему выжить. Воз никает тотем — «учитель жизни» (животное или растение), чьей поведенческой стратегии подражали индивиды («люди леопарда», «люди муравья» и т. д.). Не исключено, тотеми-ческое мышление может объяснить генезис изобразительной деятельности и абстрактного мышления человека. В данном случае трудовая теория проявляет свою слабость: простей шие трудовые операции, связанные с изготовлением при митивных орудий, не требовали такого избыточного раз вития мозга человека. Для адаптации и выживания на уровне охотничьей деятельности достаточно было иметь остро отточенные камни — имитаторы когтей и клыков хищников. Первоначально люди, вероятно, старались внешне копировать тех животных, чьи качества казались им привлекательными, на которых они хотели походить (достаточно вспомнить «людей леопарда» наших дней). История первобытной культуры показывает факты соци ально-психологической ассоциации и до сих пор наблюда ющиеся у народов, которые находятся на сравнительно невысокой ступени экономического развития. Так, перво бытный человек украшал себя когтями и шкурой убито го им свирепого медведя, поскольку когти и шкура живот ного ассоциировались у него с представлением о ловкости, храбрости и силе добывшего их охотника и служили как бы символом этих качеств. Затем они стали изготавли вать тотемы — предметы, обозначающие не только конк ретных животных, но и, самое главное, те качества, те по веденческие характеристики животного, которыми оно об ладает и которые значимы для адаптации и выживания человеческого сообщества. Ведь важную роль в формиро вании этнической психологии играют законы подражания. Свойственное человеку стремление к подражанию наклады вает несомненный отпечаток на его психику, о чем писа ли в своих трудах Г. Тард, Г. Плеханов, В. Бехтерев и др. Можно утверждать, что тотем является первым много значным символом, «духовным», а не физическим предком той или иной человеческой общности. Тотем как учитель жизни выступает культовой фигурой. Видимо, так он и воспринимался в архаическую эпоху, о чем свидетельствует
318
ритуал поедания тотема во время инициации. Тотемом могло быть любое животное или растение (сосна, дуб, волк, заяц и пр.), «поведению» которого подражали. Животные дают образцы как агрессивного, так и альтруистического поведения. Люди, избравшие стратегию поведения зайца или муравья, сделавшие их своим тотемом, естественно, станут более миролюбивыми, нежели те, которые изберут своим тотемом хищника. Первые этнические общнос ти — сообщества людей, поклоняющихся одному тотему и «делающих жизнь» с него, что дает их членам чувство единства «мы», тогда как те, у кого другие тотемы, воспри нимаются как «чужие» («они»). Первые элементы этниче ского характера, представляющие собой построенные на подражании тотему стереотипы поведения, являются мо ральными — из запрета убийства тотемного животного следует запрет убивать «своего». На высоком уровне раз вития общества и соответственно абстрактного мышления перед нами этические ценности, кодексы этического пове дения, присущие той или иной этнической культуре. В дан ном случае можно объяснить первые этические кодексы как системы табу, когда добро — это то, что способствует выживанию той или иной общности («мы»), зло — то, что вредит жизнедеятельности этого сообщества. На основе принципа «полезно — вредно», приобретенного этнической группой в результате подражания тотему и передаваемого не генетически, как у животного, а в знаково-символических формах культуры, вырастают адаптивно-преобразовательные стратегии поведения, абстрактное мышление, изобразитель ная деятельность и моральные категории.
Нейтральные раздражители могут становиться ценно стями в процессах расширения «информационного гори зонта» человека, что ведет к усложнению символизма, ак тивизирует способность к символотворчеству. Благодаря этому одновременно развивается человеческий мозг и этни ческая культура. Человеку на ранней стадии становления общества пришлось в превращенных формах культуры обозначать элементы адаптивного поведения животных для закрепления их в «социальной памяти», которая дополня ет ему генетическую память. Приобщение к тотему в ходе инициации тождественно приобщению к знаниям, полез ным для выживания и способствующим сплочению чело веческой общности, имеющей этнический характер. Таков
319
в общих чертах процесс этногенеза, который дает возмож ность понимания сущности этнических процессов как в исторической ретроспективе, так и в перспективе. Понят но, что перед нами одна из гипотез, которая пытается ре шить проблему этногенеза.
1.3. Культурогенез
Весьма интересной проблемой современной науки, ко торая до сих пор не имеет своего четкого решения, явля ется проблема происхождения культуры. Имеется целый ряд гипотез, объясняющих возникновение присущего толь ко человеку феномена. Прежде всего следует отметить кон цепцию адаптивного характера генезиса культуры. Амери канский ученый Э. Харт прослеживает историю возникно вения человека и смену его форм от австралопитека до «гомо сапиенс» и отмечает, что вся история «гомо» была историей культуры, сменившей в конце концов историю биологической эволюции. Культура же обязана своим су ществованием и своей историей способности человека при спосабливаться к любым меняющимся условиям, которая сама есть чисто человеческая черта. Э. Харт называет ее «прометеевским геном», приобретенным человеком в ре зультате троекратного увеличения его мозга по сравнению с предком. Культура передается не путем биологического наследования, а при помощи коммуникации между поко лениями.
Если рассматривать нашу планету как всеохватываю щую систему, то правомерна предпринимаемая сейчас по пытка понять культуру с биосферной точки зрения, то есть следует учитывать тот момент, что культурогенез есте ственным путем вытекает из биологической эволюции. В биологии различают два вида знаний о внешнем мире — знание видов собственной экологической ниши и знание им соседних ниш; причем в ходе эволюции биосферы не которые сложные надклеточные структуры, обладающие высокой эволюционной пластичностью, смогли быстро про никнуть в другие адаптивные зоны. Именно человеческий вид сумел совершить прорыв в новую адаптивную зону и благодаря культуре, внутри себя дифференцируемой на раз личные виды культур, получить представление о биосфере
320
в целом, что позволяет человеческому виду выжить в из меняющейся среде, приспосабливаться к ней.
В настоящее время вполне утвердилось представление об аналогии культур (хотя и на ином уровне) процессу биологической эволюции. Нельзя не согласиться с выска зыванием американского культуролога П. Рикс-Марлоу, что «подобно биологическому виду, каждый вид культуры следует рассматривать как уникальную хронику попыток приспособиться к вечно изменяющейся окружающей сре де, и приобрести в ней энергетические преимущества над другими». Такой научный подход в области изучения культуры признают столь разные мыслители, как Лоренц, Скиннер, Докинс и Эриксон: он обладает большим эври стическим потенциалом.
Этот подход показывает, что культурогенез связан с эволюцией мозга гоминид, достигшего наибольшего объе ма у человека. Эволюцию мозга гоминид в плейстоцене сле дует считать весьма особым процессом, по крайней мере, по двум причинам. Во-первых, в связи с ее темпами: это был один из наиболее быстрых, наиболее бурно протекающих процессов макроэволюции в истории позвоночных, если не в истории животного мира вообще. Во-вторых, в связи с его феноменальными последствиями этот процесс привел к возникновению уникального в животном мире биосферы явлению, каковым является человеческая психика, не отъемлемая от культуры. Поэтому возникает проблема объяснения особенностей психики человека и соответствен но культурогенеза.
Заслуживает внимания стохастическая модель культу рогенеза, выдвинутая одним из тончайших мыслителей XX века С. Лемом: в ней речь идет о физических, биоло гических и социальных детерминантах культуры. Согласно этой модели, исходящей из понимания культуры как игры, культура возникает потому, что Природа является «ареной» возмущений и неалгоритмических (непредсказуемых) изме нений. Эволюция — это непрестанный процесс, причем каждая эволюционная стратегия является одновременно неопределенной и компромиссной. Компромисс, продикто ванный неопределенностью видовых решений и тенденцией к минимизации, которая навязана отбором, осуществляет ся в рамках биполярной альтернативы. Организмы могут «воспринимать» изменение условий среды как переходное
11. За*. 671 321
или как длительное, при этом различие между флуктуаци ей и стационарным состоянием невозможно провести. Вот почему они реагируют на изменение обратимым способом (фенотипически) либо необратимым (генотипически). В первом случае стратегия организмов имеет этот плюс, что позволяет отказаться от принятого решения, однако адап тивная пластичность фенотипов имеет границы: при их переходе наступают необратимые генотипические измене ния. Второй случай привлекает тем, что генотипические изменения дают возможность совершить переход в масш табе от клона до человека, но они запрещают «пересмот реть» принятые решения. Тот же клон в отличие от смер ти может «войти» при неблагоприятных условиях в состо яние обратимой смерти, образуя стабильную фигуру.
А ведь эволюционный процесс является одновременно приобретением и потерей, риском и выигрышем. Как же решает эту дилемму эволюция? Она применяет особый при ем, называемый нейтрализацией организмов: находясь в клещах фенотипической недостаточности и генотипической необратимости, эволюция находит новый компромисс — создает организмы, сильно детерминированные генотипичес ки, но весьма пластические фенотипически. «Этим комп ромиссом и является, — пишет С. Лем, — мозг, ибо он, обусловленный генотипически, усиливает фенотипическую адаптивность». Именно мозги человеческих индивидов со здают культуру как стратегию выживания, когда вид «гомо» может менять стратегии, не теряя при этом своей генотипической идентичности.
На антропологическом уровне стратегические решения «принимаются» уже не в среде наследственного материа ла, а в культурной системе. Культура делает возможным то, что биологически невозможно — создание стратегий одновременно революционных и обратимых, то есть дающих возможность пересматривать решения и преобразовывать среду в темпе, недосягаемом для наследственного матери ала. Ведь происходящая в этом наследственном матери але дифференциация требует миллионов лет. По меньшей мере миллион лет потребуется для эволюционного упроче ния нового биологического вида. В культуре специализа ция (дифференциация) происходит максимум за тысячу лет, а когда культурогенез ускоряется, тогда для самых крупных стратегических преобразований достаточно не-
322
сколько десятков лет. Такого рода миллионократное уско рение темпов эволюции на нашей планете порождает раз личного рода опасности и никого винить в этом нельзя, ибо в соответствии с правилами теории игр и теории нели нейного программирования эволюция сделала все, что было в ее силах.
Культурогенез связан со стохастичностью мира и суще ствованием в нем бифуркационных механизмов, связанных с неопределенностью мирового эволюционного процесса. Биосфера в своем развитии породила человека с его куль турой и обществом. Ее место в глобальной эволюции Н.Н. Моисеев определяет следующим образом: «На неко тором этапе развития Вселенной как единой системы она начала с помощью человека, его Разума познавать себя и обрела способность целенаправленно влиять на ход соб ственного развития».
Становление культуры (культурогенез) является резуль татом необратимой эволюции биосферы, длительного про цесса взаимовлияния биологической и социальной эволю ции, причем именно человек выступает единственным субъектом культуры, одновременно творя ее и формируясь под ее воздействием. Мир культуры тесно связан с процес сом гоминизации, с процессом перехода от животного к человеку, одним из аспектов которого является переход от определенных инстинктивных, рефлекторных реакций жи вотного на мир к неопределенности человеческого знания, на что обращается внимание в еще одной интересной ги потезе. Действительно, животное обладает инстинктами, связанными с научением, регулирующим его поведение в каждый момент жизни. Исследования в области этологии показывают, что поведение одних животных, живущих в относительно стабильной и неизменной среде, в основном заранее запрограммировано, следует строгому шаблону, тог да как поведение других животных в условиях изменяю щегося окружения требует отклонения от стандарта и вы бора нескольких поведенческих альтернатив. Можно ска зать, что у животного мир восприятия и мир действий (поведения) сопряжены. У человека же эти два мира опос редованы миром социальной истории, и в связи с этим только человек находится зачастую в ситуации, когда он действительно не знает, что должен делать. Таким обра зом, у человека возникает потребность в принятии надеж-
11* 323
ного решения и определения этой надежности. Именно эта потребность и лежит в основе культурогенеза (происхож дении мифологии, религии, искусства, науки и пр.), когда в распоряжении человека оказывается арсенал разнообраз ных физических и духовных техник.
Только культура дает человеку возможность строить свое поведение на основе предсказания будущих, еще не существующих событий при помощи различных стратегий. Культура имеет люфт (полосу свободы) в отношении При роды, что объясняет существование чисто культурно изме няемых форм и смыслов. Об этом С. Лем пишет так: «Стохастическая модель культурогенеза предполагает, что полоса свободы, которую мир оставляет в распоряжение эволюционирующего общества, уже выполнившего долг адаптации, то есть набор непременных заданий, заполня ется комплексами поведений, поначалу случайными. Од нако со временем они застывают в процессах самооргани зации и перерастают в такие структуры норм, которые формируют внутрикультурный образец «человеческой при роды», навязывая ему схемы долженствований и повинно стей. Человек (особенно в начале своего исторического пути) врастает в случайности, которые и решают, каков будет он и его цивилизация. Отбор альтернатив поведе ния — в сущности лотерея; но это еще не значит, что столь же лотерейна композиция того, что получится». Иными словами, человек в исходной точке является аксио логически нейтральным существом, и станет ли он «чудо вищным дикарем» или «невинным простаком» зависит от кода культуры, который различен в разных цивилизациях. Ведь коды, или языки культур, коррелируют и стабилизи руют поведение социальных организмов, выражают куль турные смыслы и показывают степень соизмеримости и не соизмеримости культур и цивилизаций. Коды культур не разрывно связаны с особенностями той или иной циви лизации, что требует выяснения генезиса и сути цивили зации.
1.4. Появление цивилизации
При рассмотрении проблемы генезиса цивилизации не обходимо учитывать момент сопряженности понятий «ци вилизация» и «культура». Не следует забывать и того, что
324
эти понятия относятся к числу необычайно емких и мно гозначных, что для них характерно многоцветье. В свя зи с этим становится понятным многообразие в науке пред ставлений о цивилизации и культуре, о соотношении меж ду ними, а следовательно, и различие в интерпретации ис торических процессов. Для наших целей достаточно будет использование наиболее устойчивого терминологического статуса слова «цивилизация», а именно: «Цивилизация как социокультурная общность, формируемая на основе универсальных, то есть сверхлокальных ценностей, получа ющих выражение в мировых религиях, системах морали, права, искусства». Основное здесь состоит в том, что куль тура выступает компонентом цивилизации, что культурная эволюция в условиях первобытной жизни привела к воз никновению цивилизации.
Исследования древнейших цивилизаций Старого и Нового Света дали основания отечественному ученому В.М. Массону сделать вывод о том, что «с точки зрения культурогенеза сложение цивилизации можно рассматри вать как своего рода культурную революцию, находящуюся в теснейшей причинно-следственной связи со становлени ем классового общества и государства». Эта культурная ре волюция произошла благодаря внутренней дифференциа ции культуры и появлению культурных инноваций, а так же кризису в развитии первобытного, или «примитивного» (А. Тойнби), общества. Именно культурные инновации, ка ково бы ни было их происхождение, придали принципиаль но новый облик первым цивилизациям, интегрировались в них. В итоге с момента своего появления цивилизация ста новится способом бытия культуры, то есть развитие и функ ционирование культуры становится возможным только на основе цивилизации, и поэтому в определенном смысле по нятия «цивилизация», «высшая культура», употребляю щиеся в культурологической литературе, тождественны. Во всяком случае, несомненно одно: понятие цивилизации связано в одном из своих аспектов с фиксацией качествен ного перелома в истории человеческого общества.
Иное дело, что не существует единой точки зрения на природу генезиса первых цивилизаций — перед нами раз брос различных мнений. Так, А. Тойнби считает, что «не зависимые» цивилизации представляют собой результат мутации «примитивных» обществ. Причем он происходит
325
из значимости мимесиса (подражания) в примитивных об ществах и цивилизациях; в первых мимесис ориентирован на прошлое, на обычай, тем самым консервируя общество и придавая ему статичную форму, во вторых мимесис свя зан с будущим, стимулирует деятельность творческих лич ностей, динамизируя общество. «Динамическое движе ние, — пишет А Тойнби, — характерно для цивилизации, тогда как статичное состояние свойственно примитивным обществам. Однако, если спросить, является ли это разли чие постоянным и фундаментальным, ответ будет отрица тельным. Все зависит от времени и места». Иными слова ми, раскрыть причины происхождения цивилизации А. Той нби до конца не удалось, хотя определенные моменты им схвачены верно, а именно: происхождение первичных ци вилизаций — результат мутации примитивных обществ, связанной с трансформацией в функционировании социаль ной памяти. Это интересно и заслуживает внимания, одна ко все же неясно, почему же примитивные общества пре образовались и превратились в цивилизации, а также не выяснен механизм процесса генезиса цивилизации, назван ный известным археологом Г. Чайлдом «городской рево люцией», что подчеркивает революционизирующую роль этого важнейшего качественного скачка в истории разви тия человеческого общества.
Современная наука располагает данными, которые сви детельствуют о том, что эта «городская», или «вторая», революция сама является производной от предшествующей ей неолитической революции, подготовившей материально-технические предпосылки «городской революции». Неоли тическая революция, произошедшая в X—III тысячелетии до н.э., представляет собою переход от собирательства и охоты к земледелию, к воспроизводящему хозяйству. Уже тот факт, что мы не знаем ни одной цивилизации, возник шей на базе охоты и собирательства, а также то, что древ нейшие цивилизации складываются на базе очагов древней шего интенсивного земледелия, позволяют сделать вывод, что цивилизация — продукт производящей системы хо зяйствования и поэтому проблема генезиса цивилизации — это, в первую очередь, проблема генезиса земледелия как ка чественно новой по сравнению с охотой бытия «родовых сущностных сил человека» (К. Маркс).
326
Именно «аграрная революция» привела к изменению человека — на земледельческой основе выросли цивилиза ции и города. Их признаки Г. Чайлд перечисляет в следу ющем порядке: 1) поселения с большим и плотным насе лением; 2) специализация ремесел и труда; 3) концентрация богатств; 4) монументальная общественная архитектура; 5) общество, построенное на классах; 6) письмо и системы исчисления; 7) зарождение науки; 8) высокие стили ис кусств; 9) обмен на большие расстояния; 10) возникнове ние государств. Эти признаки и показывают характер из менения поведения человека; перед нами коренное преоб разование в развитии человечества. Нельзя не согласиться с высказыванием Н.Н. Моисеева о двух бифуркациях (пе рестройках) — мезолитической и неолитической револю циях: «В результате первой произошло затухание внутри видовой борьбы и естественного отбора, характер эволюци онного процесса коренным образом изменился: чисто биологическая эволюция уступила место эволюции обще ственных форм бытия человека. В результате второй воз никла частная собственность, и снова качественно изменил ся характер эволюции, но теперь уже самого общества. Иными стали общественные отношения — появились но вые стимулы его развития. В обоих случаях произошло резкое ускорение всех процессов развития».
По мнению других исследователей (В.Л. Глазычев и др.), представление о неолитической революции как о пе реходе от одного качественного состояния общества к дру гому характеризует необходимое, но недостаточное условие генезиса цивилизации. Необходимо принимать во внима ние инновационную деятельность и соответствующий ей механизм социальных санкций. Такой подход дает воз можность отказаться от сосредоточения внимание на пред метных признаках цивилизации, перечисленных выше. Нам известны цивилизации, в которых не было укреплен ного города, противостоящего деревне (Древний Египет); цивилизации, в коих ни военная, ни религиозная власть не сумели выиграть в борьбе за монополию и на первый план выступает классово детерминированная правовая органи зация (Месопотамия), тогда как в других право не обособ ляется до его позднего и насильственного привнесения извне (Древний Египет). Известны также цивилизации, где сословная иерархия не была связана с частной собствен-
327
ностью (Иранская империя) и не сложилась письменность «классического» типа и т. д. В данных случаях предмет ные признаки не «срабатывают» в качестве критерия. Ге незис цивилизации вполне объясним прежде всего обособ лением инновационной деятельности и вычленением того или иного социального механизма воплощения инноваций на практике. В рамках изложенного подхода делается вы вод, что «цивилизацию определяет фаза существования культуры, отмеченная ставшими формами обособления де ятельности по производству и внедрению инноваций во всех видах материального и духовного производства». Из любленная писателями-фантастами ситуация передачи инновационной деятельности внечеловеческому разуму оз начает конец существованию таким образом понятой ци вилизации.
В специальной литературе высказывается мнение, отож дествляющее возникновение первых, или первичных, циви лизаций с первыми городами. Это основано на том, что в эпоху существования родовой общины городов попросту не могло быть и их действительно не было, несмотря на су ществование у общины своеобразной сложно-иерархиче ской организации. Отечественные ученые В.В. Вербовский и В.А. Капустин считают, что «цивилизация является ре зультатом разделения труда между крестьянином, ремес ленником, купцом, воином и жрецом, результатом обмена между трудовыми сословиями крестьян и ремесленников, на основе которого рождаются нетрудовые сословия куп цов, воинов и жрецов». Логика рассуждения здесь такова: город есть порождение радикального изменения первобыт ного способа производства и следующего из этого не менее коренного изменения формы разделения труда. Начинает развиваться товарное производство, появляется избыточ ный продукт, который служит основой возникновения пер вого нетрудового сословия — купечества, на чьи торговые доходы формируется город с храмами, мощеными улица ми, водопроводами и пр.
Однако процесс обогащения одних сопровождается об нищанием других, происходит поляризация богатства и бедности. И если одни из бедноты обслуживают богатых, то другие скатываются на социальное дно. В итоге появ ляются такие непременные атрибуты цивилизации, как «нищий, проститутка и вор». Чтобы оградить свое богат-
328
ство, купец создает полицию; для его защиты на караван ных путях организуется охрана. Но богатство вызывает алчность и у целых народов (достаточно вспомнить викин гов, монголов и др.)> которые совершают опустошительные набеги на города. С необходимостью появляются и армии, состоящие из хорошо обученных военному делу професси ональных воинов. Возникает сложная иерархия города — купечество, верхушка воинства, сфера обслуживания купе чества и воинства, городской плебс; она нуждается в сис теме управления, которую и берут в свои руки жрецы. Ведь исторически сложилось так, что жречество — это не только религиозная корпорация, но и институт хранения и умно жения знания, и орган управления. В результате появля ются классы и государство, культура расслаивается на про фессиональную и люмпенскую. Таким образом, цивилиза ция рождается и развивается благодаря производству прибавочного продукта, прибавочному труду, создающему общественное богатство и город.
Свою схему генезиса первичных цивилизаций предла гает и крупный востоковед Л.С. Васильев в своей моногра фии «Проблемы генезиса китайской цивилизации». Он представляет процесс эволюции человека и его культуры в виде своеобразной многоступенчатой пирамиды. Нижний ярус — это эпоха верхнего палеолита, в рамках которой эволюционируют многочисленные орды, стремящиеся под няться на следующую ступень пирамиды, символизирую щую эпоху мезолита. В силу ряда благоприятных условий (теплый климат, обилие пищи и пр.) некая серия взаимо действующих орд прорывается в мезолит. Другие же это го не успевают сделать, они оттесняются, ассимилируются и уничтожаются (подобно вымершим тасманийцам).
Такая же картина наблюдается при попытке продви нуться со второй ступени на третью. Некоторые сильно продвинутые вперед мезолитические культуры воспользо вались инновациями неолита, чтобы занять лучшие для земледелия места и начать быстро распространяться по ойкумене. Возникает сложная и пестрая картина населе ния ойкумены, включающего в себя передовых и несколь ко отстающих земледельцев, племен с развивавшимся ско товодством, неземледельческих племен, знакомых и не зна комых с комплексом неолитических инноваций. В ходе культурных контактов эта пестрота подвергалась нивели-
329
рованию, но с течением времени действие этого механизма замедлилось.
И наконец, четвертая ступень пирамиды — это генезис очагов первичных цивилизаций, где действовал тот же принцип. Но здесь имеется своя специфичность: «Процесс генезиса цивилизации, который более всего может быть уподоблен мутации, отличался тем, что основное направле ние развития данного первичного очага цивилизации шло не вширь, как это бывало прежде, а вглубь». Иными сло вами, роль внешних контактов становится меньше, значи мая роль отводится внутреннему развитию (в некоторых случаях возникают замкнутые цивилизации). Сами же очаги первичных цивилизаций (месопотамский и др.) ока зали воздействие на генезис новых очагов цивилизации посредством таких важнейших импульсов эволюции, как миграции, диффузия культурных инноваций и конвергент ное (самостоятельное) развитие техники и культуры в рам ках данной общности, что привело к многообразию путей развития цивилизаций, членению мирового культурного континуума на ряд альтернативных цивилизаций.
И наконец, коснемся еще ряда необычных, экстравагант ных гипотез происхождения первых цивилизаций на нашей планете. Одна из них выдвинута ЛИ. Гумилевым, который в ходе исследования генезиса различных этнических куль тур обратил внимание на значимость в этом процессе «пас сионарности», или страсти, — избытка энергии живого вещества, определяющей способность человека к сверхнап ряжению. Следует иметь в виду, что источник этой пассио-нарности находится за пределами Земли, в космосе. Оста ется неотброшенной одна гипотеза — вариабельное косми ческое облучение. Пока она не может быть строго доказана, но зато не встречает фактов, ей противоречащих. Развитие цивилизаций зависит от пассионарных толчков, генериру емых как многолетней вариацией солнечной активности, так и вспышками сверхновых звезд, зафиксированными в древности и средневековье.
Еще одной гипотезой о космическом происхождении человеческой цивилизации является версия Э. фон Дэнике на, получившая всемирную известность. На протяжении последних трех десятилетий его книги и фильмы привле кают к себе внимание читателей и зрителей всего мира. В них доказывается, что все земные цивилизации были со-
330
зданы инопланетянами — для этого используются фото графии и киноматериалы, которые сняты в Египте и на острове Пасхи, в Перу и Мексике, а также во многих дру гих странах. Аргументы Э. фон Дэникена кажутся неотра зимыми, когда речь идет о строительстве пирамид и других циклопических сооружений в Древнем Египте, Центральной и Южной Америке, исполинских статуй на острове Пасхи, громадных сооружений в Баальбеке и пр. Однако экспериментальная археология позволила обосно вать положение о том, что гигантские пирамиды и крепос ти, мегалиты и колоссальные скульптуры были созданы древними людьми благодаря их изобретениям. Тем не ме нее гипотеза Э. фон Дэникена свидетельствует о том, что происхождение и развитие цивилизаций невозможно одно значно объяснить на основе имеющихся материалов.
Своеобразную гипотезу о генезисе первых цивилизаций выдвинул отечественный историк Ю.В. Емельянов на осно вании анализа миграций животных по трансконтиненталь ным магистралям. Существенным здесь является утверж дение «о роли водоразделов, которые могли служить сухо путными тропами для древних животных, а затем и для преследовавших их охотников». Именно обильные места охоты являются очагами первых цивилизаций, таковыми выступали трансконтинентальные сухопутные тропы. Это предположение можно считать тем «недостающим зве ном» в цепи аргументов, при помощи которых стремятся добиться более полного и верного объяснения происхож дения первых цивилизаций. Рассмотренный спектр гипо тез о происхождении цивилизаций свидетельствует о слож ности данной проблемы, что объясняется еще и отсутстви ем разработанной теории цивилизации.
I Генезис и сущность сознания
Единство человека с биосферой является несомненным. В человеке тенденция совершенствования нервной системы (мозга) животных достигла своей вершины, он стал носи телем Разума (или интеллекта) — способности мозга об рабатывать информацию, создавать алгоритмы, мыслить абстрактно и рефлексировать, то есть видеть себя со сто-
331
роны. Подобно возникновению жизни появление Разума на нашей планете представляет собой естественный и за кономерный этап в ее космической эволюции. Появление человеческого Разума предопределяет коренной перелом в развитии материи, ибо она получила возможность позна вать саму себя. В этом плане человек представляет собой уникальное существо, использующее целый ряд адаптив ных и преобразовательных стратегий. В целом можно ут верждать, что Разум, память, общественная организация и духовный мир как воля — необходимые параметры в эво люции человека и соответственно в эволюции биосферы, в результате чего возникла и стала развиваться ноосфера. В связи с этим возникает вопрос: каким образом в био логической эволюции нашей планеты у предка человека со временного типа возникли качественно новая память, чи сто человеческий интеллект, или человеческое сознание как новая форма отражения мира? В общем виде ответ на этот вопрос уже дан в философской и специальной литературе: вовлечение предков человека в сферу труда привело к тому, что способ производства материальных благ стал специфи ческим способом существования человека, что в едином процессе преобразований изменилась биология предков че ловека, сформировалась полноценная речь, сознание, интел лект, духовный мир. Но ответ в общем виде уже давно не удовлетворяет потребности в выяснении генезиса сознания человека, так как развернувшиеся процессы в мире и на шей стране настоятельно требуют более конкретных выво дов. Отрадно, что исследования в различных областях на учного знания начинают приносить ценные результаты, которые при соответствующей интерпретации проливают свет на происхождение сознания человека.
Такие надбиологические феномены, как труд (понятно, что бессознательно-рефлекторная строительная деятель ность некоторых животных отнюдь не есть труд), соци альная связь и сознание, которое неотделимо от языка как изначально социального явления, невозможно вывести пря мо антропогенетическим путем из биологии. Как извест но, труд представляет собой целесообразную деятельность, это значит, что «в конце процесса труда получается резуль тат, который уже в начале этого процесса имелся в пред ставлении человека, то есть идеально» (К. Маркс). Други ми словами, сознание предшествует труду; аналогичная
332
картина и с обществом. Как целесообразная деятельность немыслима без сознания, так и сознание предполагает в качестве предпосылки социальную связь людей, основан ную на трудовой деятельности. Получается, что все три стороны собственно человеческой реальности — сознание, общество и труд — взаимно предполагают друг друга, по лучается своего рода замкнутый круг. Возникает вопрос об их исходном единстве — их общем корне, уходящем в биологию предка человека.
Оригинальное решение этого вопроса предлагает отече ственный философ Ю.М. Бородай, занимающийся исследо ванием проблемы происхождения и функционирования человеческого воображения. Он исходит из фундаменталь ного открытия И. Канта: человеческое сознание начина ется с произвольного (продуктивного) воображения, причем многочисленные исследования свидетельствуют о том, что как раз воображение служит «пусковой пружиной» подав ляющего большинства психических процессов человека, в том числе и мыслительных актов. Следовательно, выясне ние происхождения воображения означает фактически по лучение ответа на вопрос: как и почему возникает созна ние, психика человека. Исток воображения и следует ис кать в биологии, а именно: в биологической эволюции некоторых видов приматов. Их эволюция зашла в тупик непреодолимого противоречия между сексуальными побуж дениями и инстинктом самосохранения в сообществах эро тически возбужденных и уже вооруженных примитивны ми орудиями хищников, которые прекрасно владели навы ками убийства себе подобных.
Для большинства приматов-конкурентов любая попыт ка внешне проявить свои напряженные сексуальные по буждения была равносильна самоубийству. Она подавля лась путем идеального воспроизведения всего комплекса половых действий в фантазии, последняя же стимулирует холостой оборот физиологической системы, возможность которого обусловлена именно половым инстинктом. Здесь перед нами произвольное (хаотическое) воображение или так называемое акустическое мышление, когда происходит прорыв подчиненного автоматизму рефлекса жизнедеятель ности приматов. Произвольное воображение представляет собой реакцию не на внешний стимул, а «реакцию на отсут ствие», по определению французского психиатра П. Жане.
333
В данном случае осуществляется возрождение первичного биологического произвольного самодвижения на уровне нервной деятельности, управляющей моторикой. В конеч ном счете давление половой потребности у приматов по лучает биологическое эрзац-разрешение, тогда как страх смерти с необходимостью требует заменять поллюцией ре альный половой акт, что влечет усиленную работу вообра жения (акустического мышления).
Выдвинутое предположение находит свое подтвержде ние в современной теории антропогенеза, утверждающей, что именно жесточайшее самоподавление всех проявлений эротики и неразрывно связанной с ними агрессивности ле жит в основе возникновения собственно архаических форм человеческого сообщества — первых тотемных форм экзо гамии с присущими им моральными табу. В основе же системы нравственных запретов лежит совесть, которая, как уже было показано в свое время И. Кантом, прямо связана с воображением. Механизм совести, как известно, состоит в том, что происходит прорыв рефлекторного авто матизма реакции благодаря способности представления в идеальном плане возможных, в том числе и негативных последствий того или иного поступка, действия.
Такого рода «проигрывание» в сознании сценария воз можных отрицательных последствий, вытекающих из удов летворения некоторых своих животных вожделений, дик тует с необходимостью наложения на них нравственных запретов, системы табу. В своем исходном состоянии со знание является (речь идет о приматах, давших начало роду человеческому) просто произвольным воображением ситуаций, которых еще нет здесь и теперь. Эти идеальные образы (будущие ситуации) стимулируются не извне, а из нутри. Возникшее сознательное целеполагание прорывает автоматизм рефлекторной деятельности приматов и фор мирует новые способы поведения в сообществе — нрав ственные табу. Систематическое подавление мощных био логических побуждений влечет за собой еще более сильное развитие воображения как идеальной компенсации неудов летворенных физиологических желаний. Это развитие мира воображения осуществляется в основном путем сублима ции (вытеснения) эротической энергии в формы ритуалов и культов архаического общества, кристаллизуясь посте-
334
пенно в разнообразные абстрактные культурные ценности. Именно эти системы культурных ценностей выступают для человека средством преобразования своего естества и ок ружающего мира. Представленная концепция возникнове ния и развития произвольного воображения дала возмож ность Ю.М. Бородаю вполне удовлетворительно объяснить антропогенез, вскрыть биологические истоки труда, соци альной связи и сознания как взаимосвязанных надбиоло-гических феноменов.
Действительно, возникновение воображения, сознания и совести изнутри нервной системы наших антропоидных предков связано с нелинейной природой биологических систем (каковыми являются организмы, популяции и био сфера в целом), с их самоорганизацией и саморазвитием. Достаточно вспомнить, что практически все религии мира обращают внимание на совесть как на феномен, который произрастает изнутри духовного мира человека. В целом же следует отметить, что в антропогенезе произошло кар динальное изменение степени значимости различных функ ций центральной активности наслаждения (само собой понятно, что эротического наслаждения) и поведенческого выражения. Вполне естественно замечание крупнейшего западного философа XX века А. Уайтхеда о том, что глав ным фактором человеческой духовности служит концеп туальное постижение неосуществленных возможностей. В ходе антропогенеза вытеснение биологического потенци ала эротической энергии в сферу воображения приводит к новизне переживания невыраженных возможностей. Имен но здесь был заложен фундамент для приращения концеп туального опыта человечества, ибо концептуальное (вооб ражаемое, идеальное, мысленное) переживание того, что может быть, и того, что могло бы быть, ведет к постиже нию альтернативы, которое в своем высшем развитии ста новится постижением идеала. Это значит, что в акте пе реживания на мир чувственных вещей накладывается перс пектива: перед нами чувство значимости или интереса, неотъемлемое от самого существа животного опыта. Чув ство значимости имеет такие разновидности, как нравствен ное чувство, мистическое чувство религии, чувство утончен ной гармонии (чувство красоты), чувство необходимости взаимосвязи (чувство понимания) и чувство различения отдельных факторов мира, каковым является сознание.
335
Переход чувств такого широкого диапазона в выражение характеризует историю человечества, отличая ее тем са мым от животного поведения. Поэтому человека опреде ляют как историческое существо, нацеленное на будущее, как существо, делающее выбор среди существующих аль тернатив. Ведь сама трудовая деятельность предполагает наличие альтернатив, что требует принятия решений, осу ществление выбора. В итоге появляются новые альтерна тивы и новые решения, их наслоение и переплетение опре деляют альтернативную организацию общества. В практи ческой, трудовой, политической и другой деятельности все акты, по существу, являются основанными на альтернатив ных решениях. Таким образом, человек не просто живет отпущенный ему век, но в связи с другими людьми творит, формирует условия своего существования, творит свое со знание.
Сознание человека обладает такими фундаментальны ми параметрами, как целеполагание и воля, память и вни мание, разумная речь и абстрактное мышление. Они пред ставляют собой нервную деятельность, однако не рефлектор ную, а самопроизвольную, которая связана со становлением человека в процессе гоминизации (перехода от животного к человеку). Исследования показывают, что количество информации, содержащейся в генетическом материале, и количество информации, заключенной в мозгу, с ходом эво люции увеличивалось, что эти траектории пересеклись в точке, соответствующей времени в несколько сот миллионов лет и информационной емкости в несколько миллиардов лет. Где-то во влажных джунглях каменноугольного периода по явилось животное — примитивная рептилия, у которого впервые за все время существования земной биосферы име лось больше информации в мозгу, чем в генах. Эта рептилия не очень разумна, однако ее мозг представляет собой значи тельный поворотный момент в истории земной жизни. Два последующих скачка в эволюции мозга связаны с возникно вением млекопитающих и появлением человекоподобных приматов. В связи с этим К. Саган подчеркивает, что «основ ную часть истории жизни со времени каменноугольного пе риода можно назвать постепенным (и, конечно, неполным) торжеством мозга над генами».
В ходе последнего появился качественно новый прин цип морфофункциональной организации мозга челове-
336
ка, или «специфическая морфофункциональная система» (СЧМФС). Существенной функцией СЧМФС является то, что она дает возможность для восприятия, хранения, пере работки и извлечения в нужный момент социально значи мой информации. В этом смысле она является морфо-ло-гическим субстратом для разворачивания социального наследования, для формирования социокодов, соответству ющих потребностям той или иной общественной системы. Эволюция человека стала идти по иным каналам — ка налам социума, социального организма, который уже не поддается пониманию исключительно с точки зрения ес тествознания. Одним из таких каналов является систе ма нравственных табу, положившая начало общечелове ческим ценностям. Таким образом, СЧМФС сыграла свою роль в возникновении целостной человеческой реальнос ти (сознание, социум и труд), в превращении биологичес ких структур в социальную структуру. Человек по мере развития общества стал частью некой общей единой сис темы, с которой он находится в неразрывной связи — с ноосферой, окончательно сформировавшейся в XX веке. Тем не менее проблема происхождения сознания человека до сих пор не решена до конца, ибо в научных дисципли нах нет состыковки в понимании природы человека и не решен целый спектр вопросов, связанных с проблемой со знания человека.
В связи с бурным развитием информационных, компью терных, виртуальных, генных технологий сейчас необычай но усилился интерес к выяснению природы сознания в ее полноте. В современном поле исследований сознание опре деляется как «способность человека оперировать образами окружающего мира, которая ориентирует его поведение; субъектная, внутренняя жизнь индивида» (Ю.Г. Волков). Само сознание является наиболее таинственной «вещью» в мире на данный момент, потому что до сих пор нет от вета на следующие вопросы: Почему оно существует? Что оно делает? Как оно могло возникнуть на основе биохими ческих процессов мозга? Именно эти вопросы вызывают у ученых наибольший интерес, и поэтому на протяжении многих лет проблема сознания освещалась только в науч ных работах, изучающих мозг и разум. И несмотря на уси лия исследователей, проблема сознания остается «вещью в себе» в силу своей необычайной сложности. Существует
337
бесчисленное число точек зрения относительно природы сознания — от позиций тех, кто утверждает, что источник сознания человека находится вне его (им является высшее «Я»), до теорий, в соответствии с которыми сознание может быть объяснено стандартными методами нейрофизиологии и психологии.
В этом плане примечательна модель внутреннего кос моса (психики, сознания в широком смысле этого слова) человека, созданная зарубежным ученым Р. Ассаджоли, который использует представления высоты и глубины, чтобы четко сформулировать спектр возможностей для са мотрансформации индивида. Нелишне отметить, что его модель довольно эффективно используется социальными психологами для создания оптимальной морально-психо логической атмосферы в коллективе. В этой модели пред ставлены следующие регионы или слои.
3. Высшее бессознательное или суперсознание, которое является регионом, поставляющим человеку его высшие интуиции и вдохновения, — художественные, философские либо научные, этические «императивы» и побуждения к гуманному и героическому действию.
4. Поле сознания — непрерывный поток ощущений, чувств, желаний, импульсов, образов и мыслей, которые че ловек наблюдает, анализирует и оценивает.
338
5. Сознание Я или «Я» является точкой самосознания индивида, отличающегося от сознания. Различие между ними можно проиллюстрировать следующим образом: одно из них — белый освещенный экран, другое — различные изображения, спроецированные на него (ощущения, чувства, мысли и пр.).
Естествоиспытатели находятся на противоположной пози ции, согласно которой сознание человека является неотъемле мой частью его телесной экзистенции (ИЛ. Павлов). Еще в 1913 году И.П.Павлов высказал идею о том, что сознание представляет собой область оптимальной возбудимости, которая перемещается по коре больших полушарий моз га, причем перемещение «светлого пятна сознания» зави сит от характера выполняемой умственной деятельности. В 1998 году опубликована «прожекторная» теория одно го из дешифраторов кода ДНК Ф. Крика (ее название сход но со «светлым пятном»), где основой сознания рассмат ривается синхронизация активности нейронов зрительной и сенсомоторной коры с частотой 35-70 Гц, само же сооб щение о восприятии стимула невозможно без вовлечения лобных областей.
Метафору «светлого пятна сознания» современные ме тоды исследования превратили в экспериментально наблю даемое явление. В наши дни физиологи установили реша-
339
ющую роль речевых структур головного мозга в феномене сознания. «То, что в начале прошлого века было доступ но только мысленному взору гениального естествоиспыта теля, в наши дни исследователь, вооруженный методами компьютерного анализа электрической активности мозга, позитронно-эмиссионной томографии, функционального радиомагнитного резонанса и т. п., может видеть собствен ными глазами», — отмечает П.В.Симонов. Например, ког да испытуемый решает анаграмму, фокусы взаимодействия (совпадение частотных пиков в отведениях электроэнцефа лограммы) в альфа-диапазоне локализируются во фрон тальных и левой центрально-височной областях коры. При неудаче они регистрируются в правовисочной, левопарие-тальной и затылочных областях. Когда опознаются на фотографиях эмоции демонстрируемых лиц, фокусы взаи модействия обнаруживаются в височно-затылочных отде лах левого полушария. Если опознать эмоцию субъекту не удалось, они регистрируются в лобных отделах и правой теменной области коры.
В конце века среди разнообразных теорий сознания на первый план все отчетливее выдвигается теория «повтор ного входа» А.М. Иваничкого и Дж. Эдельмана — связь сознания с обращением к долговременной памяти. Синтез двух видов информации — наличной и извлекаемой из памяти — определяется возникновением ощущения (дли тельность 100-150 мс), которое опознается и категоризи-руется примерно через 200 мс. В пользу нейрофизиологи ческого подхода к сознанию человека свидетельствуют экс перименты по созданию кремниевой сетчатки. Амери канские исследователи сконструировали электронную мик росхему, имитирующую нейронную структуру глаза, что от крывает перспективы для цифрового, более эффективного способа вычислений. В связи с этим поставлен вопрос, ин тересующий многих исследователей: может ли сознание возникать в сложной синтетической системе?
Очевидно, что при детальном анализе двух этих взгля дов (один в отечественной литературе представлен Д.И. Дубровским, рассматривающим сознание как функцию нейронных структур мозга человека, другой — Э.В. Ильенковым, считающим, что сознание как идеальное существует во взаимодействии человека с миром культу ры) будут выявлены все ошибки и промахи, и что истина
340
лежит где-то посредине. В перспективе должна будет созда на целостная теория, состоящая из двух компонентов: фи зических законов, объясняющих поведение физических си стем от бесконечно малых до бесконечно больших, и пси хологических законов, показывающих, как некоторые из данных систем ассоциируют с опытом сознания. Понятно, что следует иметь в виду многообразные философские, со циологические, социально-психологические, коммуникатив ные и другие аспекты функционирования сознания.
Вопросы для самоконтроля
I Биоэтика и поведение человека
Рождается ли человек безморальным (с сознанием как чистый белый лист бумаги), и только воспитание привива ет ему некие принципы, выработанные когда-то рациона листами? Или же мы появляемся на свет с каким-то набо ром врожденных чувств и представлений о том, что хоро шо и что плохо, а воспитание их только развивает и на правляет?
Биоэтику (или сложные поведенческие программы, при сущие животному миру) следует рассматривать как есте ственное обоснование человеческой морали. Ведь много признаков, присущих человеку, генетически обусловлено. И только часть человеческих черт обусловлена воспитани ем, образованием и другими факторами внешней среды оби тания. Поэтому суть эволюции составляет процесс передачи генов от поколения к поколению. Все человеческие дей ствия — это его поведение. Хронометрия человеческого поведения показывает, в какой значительной степени био логично все наше поведение.
С помощью биоэтики можно ответить на вопрос о про исхождении таких важнейших проявлений человеческого разума, как мораль и этика.
341
В какой степени верна эта гипотеза?
Отвечая на этот вопрос, следует учитывать, что этоло ги (или специалисты по поведению животных) открыли у животных (и не только у высших) большой набор инстинк тивных запретов, необходимых и полезных в общении с сородичами.
Что мораль не чужда животным, люди могли знать многие тысячи лет, ведь рядом с ними была собака. Каж дый, воспитывая собаку, может убедиться, как легко мож но привить ей некоторые наши этические правила, которые ей исходно совершенно чужды, — понятливость и послуш ность. Но если бы собаке были присущи только эти каче ства, мы называли бы ее своим четвероногим рабом. А мы зовем ее другом. Ведь помимо придуманной нами для нее этики, мы чувствуем в хорошей собаке ее собственную мо раль, во многом совпадающую с нашей. Скажем, вы спо койно оставляете ребенка на попечение вашей собаки, страшного хищника, способного растерзать даже взросло го и сильного человека. А почему? Потому что вы доверя ете ей. Доверяете устойчивым принципам ее поведения. Ведь собака, как и человек с моральными устоями, не мо жет обидеть самку или детеныша, готова рисковать жиз нью за товарища, уважает смелость и прямоту и презира ет трусость и обман. Она очень тонко чувствует, когда ее хозяин чем-то расстроен, и способна на проявление чутко сти и сопереживания.
Так что же такое мораль животных (или основные принципы биоэтики)? По мнению выдающегося австрий ского этолога Конрада Лоренца, это — создание естествен ным способом врожденного запрета выполнять обычные программы поведения в некоторых случаях возникающие при общении с себе подобными. Значит, полезный необхо димый инстинкт остается неизменным (у хищника это за гонять добычу, убивать ее, рвать на части и пр.), но для осо бых случаев, где его проявление было бы вредно, вводится специально созданный механизм торможения. Любопытно, что культурно-историческое развитие человеческого обще ства происходит аналогичным образом, ведь важнейшие требования всех моральных заповедей и кодексов — это не предписания, а именно запреты. Как врожденные меха низмы и ритуалы, препятствующие асоциальному поведе нию животных, так и человеческие табу определяют пове-
342
дение, аналогичное истинно моральному лишь с функцио нальной точки зрения; во всем остальном оно так же да леко от морали, как животное от человека.
Все эти проведенные запреты возникают под жестким давлением отбора ради выполнения задачи сохранения вида.
К важнейшим из таких запретов относятся следую щие:
Человеческий ритуал выполняет в целом те же функ ции, что и ритуализированные инстинктивные действия животных. Следует особо отметить, что ритуал — это спе циальная форма взаимодействия, изобретенная людьми для удовлетворения потребности в признании среди «сво их». Потребность в признании — это первая потребность, с которой начинается взаимодействие людей; без ее насы щения невозможно удовлетворить другие потребности. Ведь если потребность в признании не реализуется, то на-
343
чинает развиваться агрессивное поведение по отношению к «нераспознающему» человеку, который становится «чу жим». Ритуал (и, в частности, ритуал знакомства или при нятия в число своих) и призван снять эту «агрессию» и удовлетворить эту необходимость в признании хотя бы на минимальном уровне.
3. У хорошо вооруженных природой животных есть запреты применять смертоносное оружие или убийствен ный прием в драке со своими. Волк может убить оленя и даже лося одним ударом клыков, разорвав горло или пах. Но в драке с другим волком он этого приема применить не может. Таким образом, возникает удивительный пара докс: наиболее кровожадные звери (и прежде всего волк) обладают самым надежным механизмом торможения, зап рещающим убийство или ранение сородичей, которые только есть на земле.
Этот механизм торможения, препятствующий асоци альному поведению животных, является врожденным, по этому животное, у которого поломали данный механизм, лишь в известном смысле можно назвать «аморальным» по отношению к своим сородичам. Любопытно, что когда человек пытался одолеть своего самого совершенного и опасного биологического противника — крысу, то самые успешные попытки были связаны с возможностью сломать этот механизм торможения агрессии против своих сороди чей. Дело в том, что крысы — в определенном смысле са мые «общественные» животные, сплоченные в сообщество «коллективистской психологией», и в своем поведении с членами собственного сообщества являются истинным об разцом всех социальных добродетелей. Крысы непобеди мы, потому что внутри большой стаи никогда не бывает серьезной борьбы, причем наиболее защищенными себя чувствуют детеныши и слабые животные. Кроме того, кры сы пользуются теми же методами, что и человек, — тра диционной передачей опыта и его распространением внут ри тесно сплоченного сообщества.
Известно, что крысы были самым страшным бедстви ем во времена парусного флота. Иногда голодные крысы целиком сгладывали пьяных членов экипажа вместе с са погами, оставляя только медные гвоздики и железные бля хи от ремней. Поэтому единственно эффективным спосо бом борьбы с крысиным сообществом была возможность
344
«взорвать» его изнутри. Способ получил название «крыси ный король». Матросы отлавливали несколько десятков крыс и сажали их в какое-нибудь темное замкнутое про странство, где крысы были обречены на голодную смерть. Но крысы, даже умирая от голода, не нападали на своих сотоварищей. В качестве пускового механизма пробужде ния внутрисемейной агрессии использовали чужую крысу, которую подбрасывали через определенное время. Почуяв запах чужака, крысы приходят в безумную ярость и уби вают его, а затем начинают кусать друг друга. Запах кро ви опьяняет их еще больше. Главное — сломать очень жесткий запрет на агрессию против сородичей. Наконец, обезумевшие крысы начинают убивать друг друга. Остается 20 живых крыс, десять, затем четыре, и, наконец, две уце левшие крысы вступают в последнюю смертельную схват ку. Победитель, который сумел сожрать всех своих сороди чей, и есть «крысиный король». Это уже крысиный «вы родок» — животное, у которого полностью сломлены все запреты и механизмы торможения. Эта крыса способна только убивать и убивать своих сородичей, но у нее свой запах, и «нормальные» крысы не могут ее тронуть. Поэтому обыч ные крысы чувствуют этого «кровавого убийцу» на рассто янии и предпочитают с палубы выпрыгнуть в море и утонуть, чем встретиться с «королем-убийцей» в трюме, который сразу становится очень тесным. Вскоре на судне остается только одна крыса, которая уже никому не опасна.
4. Следующий запрет, опять-таки более абсолютный у сильно вооруженных животных (в основном хищников), не позволяет бить того, кто принял позу покорности. Как более слабому и проигравшему в схватке животному оста новить распаленного в драке победителя? Это — предло жить ему нарушить предыдущий запрет на применение смертельного приема. Проигравшие волк, лев или олень вдруг прыжком отскакивают от противника и встают бо ком к нему, подставляя для смертельного удара самые уяз вимые места. Но именно этот удар противник нанести не может. Например, волк подставляет победителю чрезвы чайно ранимую боковую сторону шеи, выгнутую навстречу укусу. Галка подставляет под клюв той, кого нужно уми ротворить, свой незащищенный затылок, как раз то место, которое стараются достать птицы при серьезном нападе нии с целью убийства. Но именно этот удар (или смертель-
345
ный прием) более сильный противник нанести не может. Любопытно, что когда побежденная собака принимает позу покорности, то победитель сразу остановиться не может и проделывает движения смертельной встряски «вхолостую», т. е. возле самой шеи поверженного противника, но без укуса и с закрытой пастью.
Необходимо знать, что у животных разных видов «прин ципы морали» закреплены по-разному и проявляются не одинаково. Иногда в одном вольере содержат вместе ин дюков и павлинов, чего делать не рекомендуется. Эти пти цы относятся к одному отряду куриных и даже к одному семейству фазаньих, но ведут себя различно. Так, если ин дюк и павлин вступают в драку из-за территории, и пав лин, как более легкая птица, принимает позу покорности, подставляя своему противнику темечко, то индюк, не заду мываясь, забивает павлина насмерть. Павлин же сделать уже ничего не может, так как из позы покорности в бое вую стойку выйти невозможно.
Почему же у человека нет врожденных ограничений на приемы драки? К. Лоренц пишет, что «можно лишь пожа леть о том, что человек как раз не имеет "натуры хищни ка"». Большая часть опасностей, которые ему угрожают, происходит оттого, что по натуре он сравнительно безобид ное всеядное существо, у него нет естественного оружия, принадлежащего его телу, которым он мог бы убить круп ное животное. Именно поэтому у него нет и тех механиз мов безопасности, возникших в процессе эволюции, которые удерживают всех «профессиональных» хищников от при менения оружия против сородичей.
Когда же изобретение искусственного оружия открыло новые возможности убийства, то прежнее равновесие между сравнительно слабыми запретами агрессии и такими же слабыми возможностями убийства оказалось в корне нару шено. Но хотя вроде бы никаких ограничений на приемы драки у человека нет, проигравший драку мальчишка вдруг закладывает руки за спину и, поставляя лицо, кричит: «На, бей, подлец». И хотя запрет в нас очень слаб, но действие его впечатляюще.
5. И напоследок еще один очень важный принцип по ведения, характерный для многих животных: победа с тем, кто прав. Животное, защищающее свою территорию, свою нору, свою самку, своих детенышей, почти всегда выигры-
346
вает в конфликте. Даже у более сильного и агрессивного соперника. И не только потому, что отчаянно обороняет ся и яростно нападает, но и потому, что противник зара нее психически ослаблен. Его агрессивность сдерживает запрет, тот самый, который на юридическом языке назы вают неприкосновенностью жилища, личной жизни и иму щества.
Какой вывод можно сделать из этих любопытных фак тов и закономерностей? Хотя аналогии между описанным выше «социальным и нравственным» поведением некото рых животных и человека известны давно и многим, но выводы делаются различные и даже диаметрально проти воположные. Так, логика рассуждения сторонников этоло-гической трактовки социальных явлений (К. Лоренц, Р. Ардри, Дж. Скотт и др.) сводится к следующему: по скольку общепризнано, что человек произошел от живот ного мира и наши животные предки прошли через дли тельную эволюцию, прежде чем стали тем, что мы называ ем Homo Sapiens, постольку, считают они, человек должен обладать и всеми теми свойствами, которые присущи жи вотным, включая и биологическую основу мотивации его агрессивного поведения. Сравнительно недавно возникшая социобиология доходит даже до утверждения, что в осно ве всех форм социального поведения человека лежат врож денные структуры, присущие ему так же, как и всем дру гим представителям животного мира. Так, наш образ жиз ни, который, как мы считаем, создали мы сами, на самом деле в значительной мере определяется нашими генами. Социобиология утверждает, что все живые существа посто янно конкурируют между собой, стремясь обеспечить себе наилучшие шансы на успешную передачу своих генов, т. е. носителей наследственных признаков.
Человек генетически запрограммирован на совершение насильственных действий, доказывает Р. Ардри, он бесси лен против инстинктов собственной природы, которые не отвратимо приводят его к социальным конфликтам и борьбе.
Исследователи же, стоящие на марксистских позициях (например, австрийский философ Вальтер Холличер), счи тают, что человек далеко ушел от животного мира. А зна чит, распространять закономерности последнего на чело веческое поведение, его мотивы и механизмы, с научной
347
точки зрения, абсолютно бесперспективно. Человек, как подчеркивал К. Маркс, «только в обществе может разви вать свою истинную природу, и о силе его природы надо судить не по силе отдельных индивидуумов, а по силе всего общества». Значит, человек как полностью отделившееся от животного мира общественное существо обладает харак терными, специфическими только для него чертами и при знаками.
Очевидно, что диалектический подход к изучению пове дения человека, исходя из двойственной его природы, дол жен включать изучение как преемственности, так и про явления нарушения преемственности.
Например, К. Лоренц установил, что в высшей степе ни сложные нормы поведения — влюбленность, дружба, иерархические устремления, ревность, скорбь — у серых гусей и у человека не только похожи, но и просто-таки совершенно одинаковы до забавных мелочей. Отсюда сле дует, что раз подобия социального поведения у серых гу сей и у человека не могут быть унаследованы от общих предков, то они не «гомологичны», а возникают исключи тельно за счет так называемого конвергентного приспособ ления. Древняя китайская мудрость гласит, что не все люди есть в зверях, но все звери есть в людях. Необходи мо понять, что социальное поведение людей диктуется от нюдь не только разумом и культурной традицией, но по-прежнему подчиняется еще и тем закономерностям, ко торые присущи любому филогенетически возникшему поведению, а эти закономерности мы можем хорошо узнать, только изучая поведение животных.
Исследование целостного феномена власти показывает, что государственная власть своими корнями уходит в био социальную эволюцию предков человека. Мы здесь исхо дим из тезиса, что «ничто не рождается из ничего». Наши соотечественники М. Бутовская и Л. Файнберг на основе изучения предпосылок возникновения человеческого обще ства пришли к следующему выводу о существовании у приматов социальной организации различной модификации: «Анализ социальных структур и социального поведения в сравнительном ряду приматов позволяет выявить несколь ко универсальных типов социальной организации, присут ствующих на всех основных уровнях филогенетического развития, а также наличие универсальных принципов вза-
348
имоотношений между особями в пределах сообщества (от ношения воспроизводства, отношения, направленные на под держание целостности группы, — дружелюбные альянсы, отношения иерархического порядка, направленные на упо рядочение связей между особями, отношения между особя ми, связанные с распределением ресурсов и среды обита ния)». Здесь видны те отношения (связанные с целостно стью организации, иерархией и распределением ресурсов, порядком), которые в человеческом обществе с его специ фикой станут параметрами государственной власти и при обретут свои качества. На наш взгляд, правомерно гово рить об аналогиях между биологическими и социальными свойствами, в частности, об определенном параллелиз ме между биологически обусловленным неравенством и иерархией в сообществах высших животных и государ ственной властью.
Уже в первой половине XX столетия зоопсихологами было выявлено наличие устойчивой и развитой иерархии в сообществах высших животных. Наиболее показатель ными в этом отношении были опыты Скиннера, исследо вавшего групповую организацию у серых крыс, а также работы Дж. Гудолл1 и Р. Шовена2. При этом к 60-м го дам представления о жесткой генетической обусловленно сти неравенства сменяются концепцией группы как систем ного целого, где основными детерминантами являются, с одной стороны, поведенческие реакции индивидуального эгоизма, с другой — протосоциальные альтруистические формы поведения. Более или менее удачное объяснение тому, как сочетаются в коллективных формах организации животного мира такие противоречивые начала, как аль труизм и эгоизм, содержится в работе Р. Докинз «Эгоис тический ген» (русск. пер. 1993 года), где была предложена интерпретационная модель живой особи как своеобразной машины, запрограммированной на выживание своих генов. Соответственно, там, где существует возможность сохране ния и передачи индивидуальных генов, преобладают эгоис тические формы поведения, в тех же обстоятельствах, где попытка каждой особи сохранить индивидуальные гены ставит под угрозу физическое существование всей группы, срабатывают альтруистические поведенческие реакции. Р. Эфроимсон упоминает описанный в специальной лите ратуре случай самопожертвования взрослых самцов шим-
349
панзе, напавших на тигра для того, чтобы дать возмож ность скрыться оставшимся членам группы3. Так или иначе были выявлены следующие основания групповой иерархии в отношении подчинения и господства в сообще ствах высших животных (речь идет прежде всего о чело векообразных обезьянах).
Базовым функциональным назначением как индиви да, так и группы является сохранение видового генотипа вообще и генотипа данной популяции в частности. И груп повые, и индивидуальные поведенческие реакции варьиру ются в пределах от ярко выраженного эгоизма до альтру изма (разумеется, термины «эгоизм» и «альтруизм» приме няются в данном случае весьма условно и не содержат всего набора смыслов, обусловленных развитием человече ской культуры).
На отмеченную пару полюсообразных типовых реакций накладываются коммуникативные ритуалы, в которых и обнаруживается собственно иерархия особей и прежде всего отношения господства и подчинения. Последние включа ют в себя как индивидуально-статусное, так и стратовое доминирование, источники и основания которого носят множественный характер. Наиболее показательные приме ры в этом плане составляют сообщества крыс и человеко образных обезьян. В них подгруппу (или страт) бесспор ных лидеров Альфа образуют взрослые особи — самцы, отличающиеся не только физической силой и свирепостью, но и быстротой поведенческих реакций, прежде всего реак цией «принятия решения». То есть те, кто способен быст ро действовать в минуту опасности, как правило, и стано вятся вожаками. Этот страт является условно наиболее устойчивым источником доминирования, его можно услов но обозначить как «полюс силы».
Вторую подгруппу, или страт, образуют особи Бета, ус тупающие первым в физической силе, быстроте принятия решений и бесстрашии. Кстати, такие, казалось бы, чисто человеческие качества, как смелость, страх и др., в немень шей степени присущи и животным особям. Этот факт хо рошо известен кинологам. Особи Бета отличаются разви тыми «мыслительными способностями», например, умением ориентироваться в нестандартной ситуации. Индикатором такого умения служит «экстраполяционный рефлекс», или
350
иначе «рефлекс предвидения», открытый отечественным зоопсихологом Крушинским.
Особи Бета становятся временными лидерами в крити ческих обстоятельствах, предлагая новые нестандартные формы поведения тогда, когда привычные рефлекторные реакции не позволяют группе справиться с возникающи ми трудностями. Страт Бета образует второй устойчивый источник доминирования в группе — своеобразный «полюс разума». Далее идет подгруппа молодых и менее опытных или взрослых, но не имеющих отличий самцов, которые составляют страты «подвластных», но «полноправных» (т. е. имеющих потомство) членов сообщества; их обычно обозначают как Гамма, Дельта и т. д. Замыкают иерархию «неполноправные» члены группы, своего рода «изгои» — Омега, те, для которых в обычных условиях не допускается спаривание, а следовательно, и сама возможность иметь по томство. Особей Омега обычно принуждают пробовать незна комую пищу, идти вперед, прокладывая маршрут в незнако мых или опасных условиях, когда гибель одной из них должна послужить сигналом тревоги для всего сообщества.
Таков в общих чертах первый тип организации господ ства и подчинения в сообществах высших животных; обычно он обозначается как «ранговая иерархия». Весьма любопытным при этом является то обстоятельство, что, несмотря на название «иерархия» для данного типа орга низации животных сообществ, принадлежность к тому или иному страту вовсе не является наследуемой или только врожденной. Чтобы занять соответствующее место в страте Альфа или Бета, необходимо завоевать высокий индивиду альный статус, и дети вожака в стае шимпанзе до дости жения зрелости отстаивают свое индивидуальное место в соответствующем страте наравне со всеми, при том что, по мнению некоторых ученых, между самими стратами Альфа и Бета существует устойчивая конкуренция за безуслов ное лидерство. В литературе известен трагикурьезный слу чай, когда в лабораторных условиях особи Бета, регуляр но получая значительную долю алкоголя, утрачивали чув ство страха, вступали в драки с Альфа и нередко ста новились вожаками. Правда, на короткое время, посколь ку начинали испытывать устойчивое влечение к алкоголю. Они быстро «спивались», опускаясь в конце концов до уровня Омега. (Сходство с людьми настолько поразитель-
351
ное, что порою даже неловко становится за человека разум ного.)
Следует учитывать и одно из универсальных правил биологии — для множества элементов системы характерны асимметрия взаимодействий и вытекающая из этого асим метрия взаимоотношений. В то же время исследования синхронизации поведения животных и человека показали, что на самых разных уровнях интеграции — от биохими ческих систем организма до сложных социальных взаимо действий — обнаруживается взаимная синхронизация по ведения. Следовательно, в основе социального поведения системы лежит принцип асимметричности взаимоотноше ний и влияния ее элементов. Однако целостность системы требует устойчивости и повторяемости отношений между составляющими ее элементами. Отсюда вытекает необхо димость регулятивных механизмов, использующих «нор мы» поведения и иерархию организации (она устраняет конкуренцию отдельных видов поведения, чтобы сохранить целостность и порядок системы).
Значит, главный вывод, который делает биоэтика, за ключается в том, что в нашем поведении, помимо дей ствий, порожденных разумом, есть действия, мотивиро ванные древними врожденными программами, доставши еся нам от животных предков.
Но, конечно же, поведение человека не ограничивается этими врожденными животными программами. Ведь чело век живет и действует, побуждаемый множеством потреб ностей.
А. Маслоу, один из ведущих психологов США в обла сти исследования мотивации, разработал «иерархию» по требностей человека.
Она состоит из следующих ступеней: ступень 1 — физио логические потребности — это низшие, управляемые органа ми тела потребности: дыхательная, пищевая, сексуальная, потребность в самозащите. Ступень 2 — потребность в на дежности — стремление к материальной надежности, здоро вью, обеспечению по старости и т. п. Ступень 3 — соци альные потребности. Удовлетворение этой потребности не объективно и трудно описуемо. Одного человека удовлетво ряют очень немногие контакты с другими людьми, в другом человеке эта потребность в общении выражается очень силь но. Ступень 4 — потребность в уважении, осознании соб-
352
ственного достоинства; здесь речь идет об уважении, прести же, социальном успехе. Вряд ли эти потребности удовлетво ряются отдельным лицом, для этого требуются группы. Сту пень 5 — потребность в развитии личности, в осуществлении самого себя, в самореализации, самоактуализации, в осмыс лении своего назначения в мире.
Маслоу выявил следующие принципы мотивации чело века:
Маслоу отмечает, что нехватка благ, блокада базовых и физиологических потребностей в еде, отдыхе, безопасности приводит к тому, что эти потребности могут стать для обычного человека ведущими («Человек может жить хле бом единым, когда не хватает хлеба»). Но если базовые, первичные потребности удовлетворены, то у человека могут проявляться высшие потребности, метамотивации (потреб-
12.3ак671 353
ности к развитию, к пониманию своей жизни, к поиску смысла своей жизни). Для многих людей присущи так называемые «неврозы существования», когда человек не понимает, зачем живет, и страдает от этого.
Если человек стремится понять смысл своей жизни, максимально полно реализовать себя, свои способности, он постепенно переходит на высшую ступень личностного са моразвития.
«Самоактуализирующейся личности» присущи следую щие особенности:
Если человек достиг уровня самоактуализации, то у него высшие потребности начинают доминировать над низмен ными. Это только в начале жизненного пути: если у чело века нет хлеба, то он будет жить только для того, чтобы этот хлеб раздобыть. Когда же человек осознал свое пред назначение в мире, то он может ограничиться минимумом воды и хлеба. Только человек, знающий, для чего он жи-
354
вет, может быть настойчивым и последовательным, терпе ливым и постоянным, уверенным в себе и справедливым.
Для самоактуализации необходимо добиваться постав ленных целей, понять свое место в жизни и следовать бо жественной предначертанности. Чтобы достичь поставлен ных целей, необходимо не поддаваться всему тому, что может помешать поставленной задаче; причем, если спорт смен показывает возможности тела, то самоактуализа ция — это высший показатель возможностей духа. Смысл жизни человека состоит в максимально полном развитии, развертывании всех заложенных от бога талантов, задат ков и способностей. Самоактуализация и есть полное ис пользование всех возможностей человека. Обычно человек стремится выразить себя в той области, в которой он об ладает наибольшими задатками и способностями. Но да леко не каждая область человеческой деятельности помо гает раскрытию творческих способностей. Тяжелый физи ческий монотонный, нетворческий труд, на который обре чена значительная часть человечества, не раскрывает, а на против, губит имеющиеся способности. Подлинное наслаж дение приносит только творческая работа. Наибольшую возможность для взлета мысли, для развертывания потен циально безграничных духовных возможностей человека представляют наука и искусство. Видимо, тем и объясня ется тот факт, что все большее количество людей стремится получить такую работу, где есть больше возможностей для творчества, соглашаясь при этом даже на более низкую зарплату. Стремление добиться уважения со стороны дру гих людей — один из движущих мотивов в процессе по иска смысла жизни, в особенности в тех областях, в кото рых имеется большая возможность для творчества.
Можно сказать, что каждый человек имеет внутреннюю потребность стать всем тем, кем он может и по своей сво бодной мотивации должен стать. Творческая работа чело века над самим собой — главный механизм удовлетворе ния данной потребности. Однако, в отличие от других су ществ, человек как потенциально безграничное, космическое создание природы, в принципе, не может реализовать себя в полной мере. Это приводит к неудовлетворенности жиз нью, которая выступает побудительной причиной творчес кой деятельности. Вроде бы все просто и ясно, и мало кто оспаривает утверждение, согласно которому назначение
12* 355
любого человека — всесторонне развивать свои способно сти и дарования. Это может стать целью любой жизни. Но правильно ли назвать эту цель высшей? Возникает вопрос: а для чего развивать свои способности, для какой высшей цели? Это и есть один из основных вопросов философии. Еще Иммануил Кант заметил, что философия должна от ветить всем на два вопроса: «Кто мы такие?» и «Куда мы идем?» Очевидно, что данный круг вечных или «роковых» вопросов стимулируется осознанием человеком конечности своего существования. Смерть низводит человека к этим вопросам, властно побуждает напрягать ум и волю в по исках ответа на них.
Очевидно, что проблема смысла и цели человеческого бытия, проблема жизни и смерти — это центральная про блема философии.
Естественно, когда каждый человек — это отдельное звено в бесконечной цепи всего человечества, то довольно легко определить смысл существования и этого отдельно го звена — ведь без него разорвется цепь. Но те же мате риалисты утверждают, что смертен не только отдельный че ловек, но и все человечество. Вообще ничего нет вечного под солнцем. Да и солнце рано или поздно потухнет, и не спасет человечество даже космический перелет в другую га лактику, потому что и другая галактика рано или поздно взорвется, а в конце концов и вся Вселенная сожмется об ратно в бесконечно малую величину. Известно, что в со ответствии с концепцией универсального эволюционизма 15-20 млн лет назад все вещество нашей Вселенной кон центрировалось в «сингулярности» — определенном фи зическом состоянии, не подчиняющемся обычным законам физики. Вся материя была сконцентрирована в необычай но малом объеме с гигантской плотностью и чудовищной температурой. Новейшие исследования показывают, что эта «сингулярность» была создана из ничего. И вот из этого «ничего» все и возникло, чтобы по истечении определенного времени в это «ничто» превратиться снова4.
Жизнь противоположна безжизненности, а смерть про тивоположна рождению, ибо смерть и рождение — полю сы и границы человеческой жизни, ее пределы. Смерть даже более необходима, чем рождение, так как тот или иной человек мог и не родиться, поскольку его рождение зависело от многих случайностей. Но раз он родился, то
356
уже ничто не может спасти его от смерти. «Против смер ти нет никаких средств», — писал Ф. Энгельс.
Все понимают, что человек в своем физическом теле не • может жить вечно, но отношение людей к этому факту раз лично. Одни считают, что ценность жизни очень мала из-за ее ограниченности. И как было бы хорошо, если бы че ловек мог жить вечно... Но человек нерасторжимыми уза ми связан со своим поколением, с окружающей его с детства социальной средой, а все это — с конкретным историческим временем. И человек не может выпрыгнуть за границы сво его времени и своего поколения. А если кому это и удает ся, то счастья не приносит. Одну 105-летнюю англичанку спросили: «А у Вас есть враги?» — «Нет, — с грустью ответила она, — ни одного не осталось. Они все умерли, как, впрочем, и все друзья». Но человек в принципе, никог да не может примириться с необходимостью своего ухода из этого мира. И, очевидно, лучший выход из ситуации, которую мы изменить не в силах, — это изменить свое к ней отношение. Ведь ограниченность жизни побуждает людей ценить и беречь время, жить интенсивно и насыщен но. Мысль о бесконечности жизни, о бесконечности буду щих наслаждений сделала бы людей равнодушными к се годняшней радости, к сегодняшнему удовольствию. Фило софы не без основания считают, что все великое и нужное всем создано людьми, которые хотели успеть совершить что-то значительное, которые стремились оставить свой след в истории, увековечить свое имя в памяти потомков. Римские философы-стоики даже сформулировали глав ный жизненный принцип, по которому должен жить каж дый человек: «Думай о смерти». Из этого принципа сле дует, что каждое свое действие, каждый поступок, каждое высказывание и даже слово человек должен совершать так, как будто это его последнее слово и последнее действие в жизни. Следование такой жизненной установке наполня ет содержанием и глубиной любое событие в жизни чело века. Человек, думающий о смерти, способен часами любо ваться цветком, морским прибоем, огнем очага. Вся восточ ная культура построена на созерцании земной красоты: японец может всю ночь просидеть и получить громадное удовольствие, наблюдая за падающим снегом или цветком сакуры. Большинство же людей следуют в своей обыден-
357
ной жизни прямо противоположной позиции — вообще стараются не думать о смерти.
Да, мысли о неизбежности смерти невыносимы, но не которые философы не без основания считают, что вечная жизнь была бы для человека проклятием, подлинной му кой. Необходимо отметить, что в ряде случаев наивное и потребительское отношение верующих к религиозному дог мату о загробном существовании препятствует людям тру диться над своим подлинным земным счастьем, думать об улучшении земной жизни, о совершенствовании отношений в обществе. Еще древнегреческий историк Плутарх подме тил эту особенность людей, верующих в бессмертие, — их недооценку земной жизни. «И придавая настоящей жиз ни в сравнении с вечностью мало значения или, вернее, не придавая ей никакого значения, они прозябают, не исполь зуя жизни; в своем малодушии они пренебрегают добро детелью и деятельностью и презирают самих себя как рож денных на один день, неустойчивых и ни на что достойное не способных». Ведь бессмертие делает человеческую жизнь бессмысленной, лишает ее ценностей и интересов. Смерт ность делает жизнь трагичной, но зато может наполнить ее глубоким смыслом. Каждый период в жизни человека вно сит свое содержание и свои способы решения важнейших проблем, стоящих перед человеком.
Если бы даже вопреки законам природы удалось до биться бессмертия человека, то это поставило бы челове чество перед сложнейшими проблемами, которые со време нем стали бы неразрешимыми и завели человечество в тупик. В качестве примера можно привести интересный рас сказ «Бессмертный», написанный известным аргентинским писателем Хорхе Луисом Борхесом. Суть этого рассказа в том, что его герой посетил однажды город Бессмертных, муд рецов, нашедших волшебную реку и получивших дар ни когда не умирать. Сам город оказывается заброшен и представляет собой громоздкий и бессмысленный лабиринт, где множество ходов упирается в тупики. А возле города обитает дикое и мрачное племя, которое кажется ему совер шенно тупым и неразвитым, практически не умеющим го ворить. Но волею судьбы он ближе знакомится с одним из дикарей и с изумлением узнает, что это... Гомер! Бессмерт ный Гомер, в памяти которого, отягощенной веками, оста лись только отдельные слова и фразы из собственных про-
358
изведений, почти лишенные теперь всякого смысла. Дика ри — это и были Бессмертные. Борхес пишет: «Наученная опытом веков, республика Бессмертных достигла совершен ства в терпимости и почти презрения ко всему. Они зна ли, что на их безграничном веку с каждым случится все. В силу своих прошлых или будущих добродетелей каждый способен на благостыню, но каждый способен совершить и любое предательство из-за своей мерзопакостности в про шлом или в будущем... А если взглянуть на вещи таким образом, то все наши дела справедливы, но в то же время они — совершенно никакие. Гомер сочинил «Одиссею», но в бескрайних просторах времени, где бесчисленны и безгра ничны комбинации обстоятельств, не может быть, чтобы еще хоть однажды не сочинили «Одиссею». Каждый чело век здесь никто, и каждый Бессмертный — сразу все люди на свете». И дальше: «Смерть (или память о смерти) на полняет людей возвышенными чувствами и делает жизнь ценной. Ощущая себя существами недолговечными, люди и ведут себя соответственно: каждое совершаемое деяние может оказаться последним; нет лица, чьи черты не сотрут ся, подобно лицам, являющимся во сне. Все у смертных имеет ценность — невозвратимую и роковую. У Бессмерт ных же, напротив, всякий поступок (и всякая мысль) — лишь отголосок других, которые уже случались в затеряв шемся далеке прошлого, или точное предвестие тех, что в будущем станут повторяться и повторяться до умопомра чения. Нет ничего, что бы не казалось отражением, блуж дающим меж никогда не устающих зеркал. Ничто не слу чается однажды, ничто не ценно своей невозвратностью. Печаль, грусть, освященная обычаями скорбь не властны над Бессмертными».
Такой же, как и Борхес, точки зрения на проблему бес смертия придерживается и наш известный генетик — академик Н. Дубинин. По его мнению, в основе развития и общечеловеческого прогресса лежит процесс смены поко лений. Индивид, отдавший все для развития вида (челове чества), должен уйти. Мавр сделал свое дело — Мавр дол жен умереть. По мнению Дубинина, личное бессмертие че ловека явилось бы непреодолимой преградой на пути его духовного развития.
Живая природа устроена так, что жизнь питается жиз нью, т. е. жизнь поддерживается смертью. Так, если взгля-
359
нуть на проблему смерти с точки зрения биолога, то она неотделима от жизни. И дело не в том, что смерть следу ет за жизнью, а в том, что смерть обеспечивает саму жизнь. Наиболее ярким примером этого служат клетки нашей кожи, ее наружного слоя. Поверхностные клетки кожи являются мертвыми. Это полупрозрачные кристаллы, ко торые скреплены друг с другом тонким слоем жира. Эти клетки наполнены кератином. Они в определенное время мертвеют, а потом и вовсе сбрасываются кожей, а на их место приходят другие. Все это — плановый процесс, про цесс непрерывного умирания ради жизни. Эти мертвые клетки, словно гибкий панцирь, защищают находящиеся под ним нежные ткани. Такая защита необходима, по скольку истинно живые клетки не могут переносить непос редственного соприкосновения с воздухом. Кристалличе ские клетки панциря образуются из живых клеток ткани: они постепенно вытесняются на поверхность кожи, где должны выполнять свою миссию уже не в живом, а мерт вом состоянии. Но ведь в этом мертвом состоянии они выполняют жизненно важные для всего живого организ ма функции. Как же тогда понимать смерть? В функцио нальном плане она — часть жизни, не так ли? Кстати, эти клетки не просто умирают по причине какого-либо неудоб ства или недостатка. Они сами убивают себя именно для того, чтобы, перейдя в неживое состояние, обеспечивать вы полнение организмом своих жизненных функций. Еще до того как клетка выйдет на поверхность кожи, у нее начи нается подготовка к своей новой функции — образованию панциря. С этой целью сама клетка вырабатывает яд для себя же. Ядом служит фиброзный кератин. Так постепенно вся клетка наполняется роговым веществом.
Таким образом, трудно непроницаемым барьером отде лить жизнь от смерти. Если эти клетки мертвые, то «наше тело буквально укрыто смертью». Ведь мы ежедневно сбра сываем с себя полмиллиона мертвых клеток. Собственно, все, что можно видеть в нас — мертво. Жизнь спрятана под этой мертвой оболочкой. Как-то неловко от такого заключения. Поэтому не лучше ли отказаться от такого категорического определения смерти и считать, что мы живы целиком, а не частично?
На примере клеток кожи видно, что отмирание, смерть является неотъемлемой частью жизни. Но это касается не
360
только клеток кожи. Новые клетки в живом организме возникают непрерывно. Их образуется во взрослом орга низме ровно столько же, сколько отмирает. Так организм непрерывно обновляется. Это все идет планово, и смерть клеток не является чем-то нежелательным, какой-то тра гедией. Отнюдь нет. Даже наоборот — трагедией было бы, если бы они не отмирали. Значит, смерть обеспечивает нор мальное развитие жизни.
Когда мы говорим о смерти и бессмертии по отноше нию к человеческой личности, то речь идет главным обра зом о психике, или душе. Для материалистов «душа» — это синоним психики и обозначает совокупность психиче ских явлений, являющихся системным свойством мозга. В христианстве душа — это непостижимое, бесплотное «духовное начало», которое Бог вдохнул в сотворенное им из праха тело первого человека. При этом душа дана че ловеку, так сказать, во временное пользование. Когда фи зическое тело умирает, то душа отлетает в мир иной. Итак, душа — это что-то временное, имеющее начало и неизбеж ный конец, или это вечное начало, данное нам от Бога?
Что касается проблемы бессмертия, то философ А.К. Макеев, основываясь на некоторых данных современ ной науки, пришел к заключению, что «...идеал достижимо сти индивидуального бессмертия и даже признание наличия во Вселенной биосистем, уже обладающих бессмертием, на дежды человечества на встречу в космосе с братьями по ра зуму, уверенность во всесилии знания, побеждающего смерть и могущего на базе информационных программ биополевых систем возвратить к жизни всех, как говорится, ушедших в небытие, но в новой, более совершенной форме, на небелковой основе, — все это существенные элементы истинно научного мировоззрения... Эта проблема уже по ставлена на повестку дня развивающейся наукой. Идеалы подобного рода действительно заражают оптимизмом и мо гут служить важным стимулом вдохновения во всех сфе рах практической и теоретической деятельности человече ства, осознавшего реальность таких идеалов».
Если биоэтику трактовать не узко (медицински и био логически), а как широкую и философски глубокую дис циплину, то ее центральное ядро — отношение к жизни и смерти. Жизнь понимается как самоценность, как высшая ценность. Поэтому возникают проблемы, которые выходят
361
за рамки отношений врача и пациента, а именно, отношение к жизни, животным, к биогеоценозам, к биосфере и т. д.
Биоэтика возникла и стала интенсивно развиваться в начале 70-х годов в США и Западной Европе. Большую роль в становлении биоэтики сыграла медицина, а также развитие генетики, осознание не только биологами, но и обществом возможных негативных последствий генной инженерии. Новый уровень технико-практических воз можностей медицины и экспериментальной науки поставил перед учеными новые этические проблемы. Биоэтика воз никла как ответ на технологические вызовы в медицине. Новые технологии трансплантации органов, зарождения и поддержания жизни вступили в противоречие и просто в конфликт с традиционными культурными ценностями и с традиционными аксиологическими ориентациями. Например, для христианства сердце — это не только важнейший био логический, но и духовный орган человека.
Можно сказать, что биоэтика — это форма защиты прав человека, в том числе его права на жизнь, на здоровье, на ответственное и свободное самоопределение своей жизни.
Если мы будем рассматривать биоэтику не просто как анализ норм взаимоотношений врача и пациента, а в бо лее широком контексте и в силовом поле тех ментальных и ценностных форм, которые определяют отношение к жиз ни и смерти, к детству и старости, то в этом случае био этика окажется аксиологически нагруженной. Она не толь ко включит в себя этические нормы отношения к живот ным, но и экологическую этику, этику отношений человека с биогеоценозами и со всей биосферой. Не только человек, но и вся природа окажутся субъектами этических размыш лений и моральной регуляции.
Мы находимся в самом начале пути по развитию био этики, хотя в США уже издана пятитомная энциклопедия по данным проблемам.
Выдвигаются и отстаиваются следующие постулаты:
362
4. Разработка правил биомедицинских работ с учетом прав личности, включая юридические нормы.
Хочется остановиться на вопросах неразрывной связи биоэтики с медицинской этикой и правом. Общественный смысл биоэтики заключается в том, что она является кон кретным проявлением гуманизма в медицине. Этот кри терий является основным в научных исследованиях по биологии и медицине. И какие бы цели ни ставились ис следователями, гуманизм и безвредность для человека все гда должны стоять на первом месте — такой подход слу жит мерилом любой человеческой деятельности, в том числе и по ускорению научно-технического прогресса. В этой связи необходимо развивать экологическую этику и разрабатывать специальный экологический кодекс.
Что нового в биоэтике сравнительно с традиционной врачебной этикой? Современный врач сталкивается с конф ликтом духа и буквы клятвы Гиппократа, которая была незыблемой этической основой врачевания в течение двад цати четырех веков.
Возьмем наиболее известную этическую заповедь Гип пократа — прежде всего не навредить пациенту («в какой бы дом я ни вошел, я войду туда для пользы больного, воз держиваясь от причинения всякого вреда и несправедливо сти»). Когда современные хирурги-трансплантологи переса живают почку или долю легкого живого донора (даже имея на это добровольное согласие донора) обреченному больно му, проведенное этическое предписание по отношению к до нору с очевидностью нарушается. Современный прогресс клинической медицины потребовал уточнения самого прин ципа гуманизма. Соответствует ли гуманности искусствен ное оплодотворение или прекращение жизнеподдерживаю-щего лечения умирающего пациента? Подлинным началом духовных исканий в биоэтике является тревога и забота о будущем человеческого рода. Когда американский биолог B.P. Поттер предложил термин «биоэтика», назвав ее «мо стом в будущее», он был, несомненно, прав, так как биоэтика все более явно становится поиском реальных путей к со зданию глобальной этики человечества будущего.
В биоэтике уже стали привычными такие понятия, как «право на аборт», «право на смерть» и т. д. Но, может быть, это есть квазиправо — оно не может быть записано во Всеобщей декларации прав человека. В самом деле,
363
сторонники права на аборт делают акцент на следующих ар гументах: криминальные аборты есть еще большее зло, об щество должно уважать право женщины на свободное и ответственное материнство; в особенности на ранних сроках беременности понятие «эмбрион» не тождественно понятию «человек» и т. д. В то же время они не придают должного значения другим аргументам: отмена запрета на аборт про сто игнорирует моральный статус эмбриона, ценность жиз ни плода; аборт как моральный выбор самой женщины, вра ча-оператора, юристов, легализовавших такую социальную практику, не свободен от противоречий.
Сторонники разрешения проблем умирающего больного с помощью активной эвтаназии говорят, что в этом за ключается его «право на смерть». Есть потребность в допу стимости «убийства из милосердия» неизлечимо больного близкого человека. Следует признать, что такая ситуация является особенно психологически убедительной, ведь здесь требование милосердного отношения к страданию, «смерт ной муке» другого человека может обрести силу категори ческого императива. Но это еще не значит, что такой вы бор можно безоговорочно оправдать этически. Врач, осуще ствивший «убийство из милосердия», совершает отчаянный и рискованный шаг «по ту сторону добра и зла» и обрека ет себя на вечную (до конца своей сознательной жизни) работу самооправдания: достаточно ли весомыми были в тот момент его аргументы, когда он в привычных опреде лениях добра и зла единственно по своей воле поменял местами знаки «плюс» и «минус».
Проблемы биоэтики обладают одним ярко выражен ным качеством: в поисках их решения люди, вместо того чтобы приходить к какому-то общему решению, скорее рас ходятся во мнениях. Это происходит потому, что стороны делают акцент на разных аспектах одной проблемы и при ходят в результате к разным выводам. Например, в воп росе об абортах одна сторона делает акцент на правах ма тери, а другая — на правах внутриутробного ребенка. И каждая сторона по-своему права.
Биоэтика должна основываться на гуманизме, и лишь в таком виде она может быть приемлема.
364
4. Творчество
Творчество как процесс создания чего-то нового час то предполагает, что человек может испытывать недоста точность информации, знаний, умений для достижения цели и решения той или иной проблемы, а именно поэтому ему необходимо сделать рывок в неизведанное, создать новые знания, умения, новые объекты и произведения. Эмоции, вдохновение, воображение помогают сделать этот «ры вок в творчество». Огромную роль эмоций в творческом процессе признавал и В.И. Вернадский. Он писал: «Гово рят: одним разумом можно все постигнуть. Не верьте!.. Одна нить — разум, другая — чувство, и всегда они друг с другом соприкасаются в творчестве».
Американский психолог Л. Кюби утверждал, что неспо собность сознания быть творческим связана с тем, что оно логично и ограничено строго упорядоченными символами и понятиями, которые исключают возможность создания новых порядков и сочетаний, т. е. подавляют фантазию и воображение. Там же, где воображение свободно от оков логики за счет эмоций, имеет место творчество. Науч ное и техническое творчество проявляется в поиске и на хождении принципиально нового решения научной или технической проблемы, причем структура мыслительного процесса решения проблемы сложна, но неизменно успеху, «озарению», нахождению нового решения способствует эмо циональная увлеченность проблемой, вера в успех, эмоцио нальная положительная стимуляция.
Выделяют четыре стадии решения проблемы:
подготовка;
созревание решения;
вдохновение;
проверка найденного решения.
Структура мыслительного процесса решения проблемы:
3.1. Поиск решения на основе одного известного алго ритма (репродуктивное мышление).
365
на основе использования аналогий;
на основе использования эвристических приемов;
В случае неудачи:
3.5. Отчаяние, переключение на другую деятельность
(«период инкубационного отдыха» — «созревание идей»),
озарение, вдохновение, инсайт, мгновенное осознание реше
ния некоторой проблемы (интуитивное мышление).
Факторы, способствующие «озарению»:
а) высокая увлеченность проблемой;
б) вера в успех, в возможность решения проблемы;
в) высокая информированность в проблеме, накопленный
опыт;
г) высокая ассоциативная деятельность мозга (во сне, при
высокой температуре, лихорадке, при эмоционально по
ложительной стимуляции).
Реализация решения.
Проверка найденного решения.
Мыслительная деятельность реализуется как на уров не сознания, так и на уровне бессознательного, характери зуется сложными переходами и взаимодействиями этих уровней. В результате успешного (целенаправленного) дей ствия получается результат, соответствующий предвари тельно поставленной цели, и результат, который не был предусмотрен в сознательной цели; он является по отно шению к ней побочным (побочный продукт действия). Проблема осознанного и неосознанного конкретизировалась в проблему взаимоотношения прямого (осознаваемого) и
366
побочного (неосознаваемого) продуктов действия. Побоч ный продукт действия также отражается субъектом, это отражение может участвовать в последующей регуляции действий, но оно не представлено в вербализованной фор ме, в форме сознания. Побочный продукт «складывается под влиянием тех конкретных свойств вещей и явлений, которые включены в действие, но не существенны с точки зрения цели».
Исследуя решение творческих задач, наблюдаем следу ющую закономерность (Пономарев): вначале используют ся первичные, автоматизированные способы решения (что соответствует низшим уровням), причем первичные спосо бы действия реализуются до тех пор, пока становится ясно, что данным способом задачу не решить. На следующем этапе происходит осмысление неудач (средний уровень), осознается причина этих неудач, а именно то, что средства не соответствуют задаче, формируется критическое отноше ние к собственным средствам и способам действия. В ре зультате к условиям задачи применяется более широкий круг средств (3-й этап, средний уровень), происходит выра ботка программ «поисковой доминанты», потом на низ шем (неосознанном) уровне происходит интуитивное реше ние, «решение в принципе», и затем на последних этапах (высший уровень) происходит логическое обоснование, вер бализация и формализация решения. Механизм творче ского процесса (таков же механизм развития): сознатель ное => бессознательное => и вновь осознание.
Для усиления творческих мыслительных возможностей используют и «экзотические» приемы: введение человека в особое суггестивное состояние психики (активация бес сознательного), внушение в состоянии гипноза воплощения в другую личность, в известного ученого, например, Леонардо да Винчи, что резко повышает творчество у обычного чело века.
Для активации мышления можно применять специаль ные формы организации мыслительного процесса, напри мер, «мозговой штурм», или брейнсторминг — метод пред ложен А. Осборном (США), предназначен для продуциро вания идей и решений при работе в группе. Основные правила проведения «мозгового штурма»:
1. Группа состоит из 7-10 человек, желательно различ ной профессиональной направленности (для уменьшения
367
стереотипизации подходов), в группе имеется лишь не сколько человек, сведущих в рассматриваемой проблеме.
Эффективность «мозговых штурмов» высока. Так, в од ной из американских фирм на 300 заседаниях «мозго вого штурма» предложили 15 тысяч идей, из которых 1,5 тыс. идей были незамедлительно реализованы. «Моз говой штурм», которые ведет группа, постепенно накапли вающая опыт решения различных задач, положен в осно ву так называемой синектики, предложенной американским ученым У. Гордоном. При «синектическом штурме» пре дусмотрено обязательное выполнение четырех специальных приемов, основанных на аналогии: прямой (подумайте, как
368
решаются задачи, похожие на данную); личной, или эмпа тии (попробуйте войти в образ данного в задаче объекта и рассуждать с этой точки зрения); символической (дайте в двух словах образное определение сути задачи); фантасти ческой (представьте, как бы эту задачу решали сказочные волшебники).
Еще один способ активации поиска — метод фокаль ных объектов. Он состоит в том, что признаки нескольких случайно выбранных объектов переносят на рассматривае мый (фокальный, находящийся в фокусе внимания) объект, в результате чего получаются необычные сочетания, позво ляющие преодолевать психологическую инерцию и кос ность. Так, если случайным объектом взят «тигр», а фо кальным — «карандаш», то получаются сочетания типа «полосатый карандаш», «клыкастый карандаш» и т.д. Рассматривая эти сочетания и развивая их, иногда удает ся прийти к оригинальным идеям.
Метод морфологического анализа заключается в том, что в начале выделяют главные характеристики объек та — оси, а затем по каждой из них записывают всевоз можные варианты-элементы.
Так, рассматривая проблему запуска автомобильного двигателя в зимних условиях, можно взять в качестве осей источники энергии для подогрева, способы передачи энер гии от источника к двигателю, способы управления этой передачей и т. д. Элементами же для оси «источники энер гии» могут быть аккумулятор, химический генератор теп ла, бензогорелка, работающий двигатель другой машины, горячая вода, пар и т. д. Имея запись по всем осям и ком бинируя сочетания разных элементов, можно получить большое число всевозможных вариантов. В поле зрения при этом могут попасть и неожиданные сочетания, кото рые едва ли пришли бы в голову.
Способствует интенсификации поиска и метод конт рольных вопросов, который предусматривает применение для этой цели списка наводящих вопросов, например, «А если сделать наоборот? А если изменить форму объекта? А если взять другой материал? А если уменьшить или увеличить объект?» и т. д.
Все рассмотренные методы активизации творческих мыс лительных возможностей предусматривают целенаправлен ную стимуляцию ассоциативных образов (воображения).
369
Научное творчество и особенно творчество в искусстве опирается на воображение, которое, в свою очередь, нераз рывно связано с эмоциями и чувствами человека.
Воображение — психический процесс, заключающийся в создании новых образов (представлений) путем перера ботки материала восприятий и представлений, полученных в предшествующем опыте.
Воображение как своеобразная форма отражения дей ствительности осуществляет мыслительный отход за пре делы непосредственно воспринимаемого, способствует пред восхищению будущего, «оживляет» то, что было ранее.
Воображение может быть пассивным (сновидения, гре зы) и активным, которое, в свою очередь, разделяют на вос создающее (создание образа предмета по его описанию) и творческое (создание новых образов, требующих отбора материалов в соответствии с замыслом).
Мечта — вид творческого воображения, связанного с осознанием желаемого будущего.
Этапы творческого воображения
возникновение творческой идеи;
«вынашивание» замысла;
реализация замысла.
Синтез, реализуемый в процессах воображения, осуще ствляется в различных формах:
агглютинация — «склеивание» различных, в повсед
невной жизни несоединимых, качеств, частей;
гиперболизация — увеличение или уменьшение предме
та, а также изменение отдельных частей;
схематизация — отдельные представления сливаются,
различия сглаживаются, а черты сходства выступают
четко;
типизация — выделение существенного, повторяюще
гося в однородных образах;
заострение — подчеркивание каких-либо отдельных
признаков.
У людей «среднего ума» интеллект и творческие способ ности обычно тесно связаны друг с другом. У человека с нормальным интеллектом обычно имеются и нормальные творческие способности. Лишь начиная с определенного уровня, пути интеллекта и творчества расходятся. Этот
370
уровень лежит в области IQ (коэффициента интеллекта), равного 120. Коэффициент интеллекта можно измерить тестами.
В настоящее время для оценки интеллекта чаще всего используют тест Стенфорд—Бине и шкалы Векслера. При IQ выше 120 корреляция между творческой и интеллек туальной деятельностью исчезает, поскольку творческое мышление имеет свои отличительные черты и не тожде ственно интеллекту.
Творческое мышление:
1) пластично, т. е. творческие люди предлагают множе ство решений в тех случаях, когда обычный человек мо жет найти лишь одно или два;
371
Креативность как показатель творческих возможностей человека понимается многогранно: «креативность — это продуцирование чего-то нового (идеи, объекта, новой фор мы старых элементов и т. п.)», это «трансляция, перевод знаний и идей в новую форму», «пересечение двух идей од новременно», «креативность — это самовыражение лично сти, способность думать в неисследованных областях без влияния обычаев, свойственных для прошлой практики».
Известный психолог Гилфорд отмечает, что наиболее важными сторонами креативности являются факторы от крытия (способность развивать информацию сверх того, что дает стимуляция) и факторы дивергентного мышления (способность выходить в различные направления над про странством решаемой проблемы, отойти от системы при вычных методов решения). У всех ли есть креативность? Одни ученые считают, что креативность проявляется толь ко у особых людей в редкие моменты времени, другие по лагают, что креативные процессы поддаются тренировке и расширению, но большинство уверено, что креативный про цесс тренировать нельзя, так как он возникает только в результате сочетания проблем, индивидуальностей, навыков и специального окружения.
Творцом так же, как и интеллектуалом, не рождаются. Все зависит от того, какие возможности предоставит окру жение для реализации того потенциала, который в различ ной степени присущ каждому из нас. Как отмечает Фергю сон, «творческие способности не создаются, а высвобожда ются». Поэтому игровые и проблемные методы обучения способствуют «высвобождению» творческих возможностей учащихся, повышению интеллектуального уровня и профес сиональных умений.
Мысль о необходимости разработки эффективных мето дов решения творческих задач высказывалась давно, по крайней мере, со времени древнегреческого математика Паппа, в сочинениях которого впервые встречается слово
372
«эвристика». Однако лишь в середине XX века стало оче видным, что создание таких методов не только желатель но, но и необходимо. Появление методов активизации перебора вариантов — знаменательная веха в истории человечества. Впервые была доказана на практике воз можность — пусть в ограниченных пределах — управ лять творческим процессом. Осборн, Цвикки, Гордон по казали, что способность решать творческие задачи можно и нужно развивать посредством обучения. Был подорван миф об «озарении», не поддающемся управлению и воспро изведению.
Но все известные на Западе методы активизации мыш ления сохранили старую технологию решения творческих задач, связанную с перебором вариантов решения той или иной проблемы. Сегодня ж недопустимо тратить время, средства и силы на «пустые» варианты. Это сравнимо с шахматистом, который, не зная простейших правил и при емов, годами думает над ходом е2 — е4. А ведь метод проб и ошибок связан не только с огромными потерями време ни и сил при решении задач. Пожалуй, наибольший ущерб он наносит, не давая возможности своевременно увидеть новые задачи.
Поэтому важно подчеркнуть приоритет нашего соотече ственника Г.С. Альтшуллера, разработавшего наиболее эффективные и обоснованные методы качественно новой технологии решения изобретательских задач. Именно он является автором современной «теории решения изобрета тельских задач» (ТРИЗ).
В основе ТРИЗ — представление о закономерном раз витии технических систем. Материалом для выявления конкретных закономерностей является патентный фонд, содержащий описания миллионов изобретений. Ни в од ном другом виде человеческой деятельности нет такого огромного и систематизированного свода записей «зада ча — ответ».
Анализ патентных материалов позволил Альтшуллеру выявить ряд важнейших законов развития технических систем.
Особое внимание в этом методе сосредоточено на цент ральных этапах творческого процесса — анализе задачи и формировании новой идеи, поначалу кажущейся неверо ятной.
373
Г.С. Альтшуллер пишет, что «суть ТРИЗ в том, что она принципиально меняет технологию производства новых технических идей. Вместо перебора вариантов ТРИЗ пред лагает мыслительные действия, опирающиеся на знание законов развития технических систем. Мир творчества ста новится неограниченно управляемым и потому может быть неограниченно расширен»6.
Г.С. Альтшуллер также предложил новый алгоритм решения изобретательских задач (АРИЗ).
Основой АРИЗ является программа последовательных операций по анализу неопределенной (а зачастую и вооб ще неверно поставленной) изобретательской задачи и пре образование ее в четкую схему (модель) конфликта, не раз решимого обычными (ранее известными) способами. Ана лиз модели задачи приводит к выявлению физического противоречия. Параллельно идет исследование имеющих ся вещественно-полевых ресурсов. Используя эти (или до полнительно введенные) ресурсы, разрешают физическое противоречие и устраняют конфликт, из-за которого воз никла задача. Далее программа предусматривает развитие найденной идеи, извлечение из этой идеи максимальной пользы.
В программе — в самой ее структуре и правилах вы полнения отдельных операций — отражены объективные закономерности развития технических систем.
Поскольку программу реализует человек, АРИЗ предус матривает операции по управлению психологическими факторами. Эти операции позволяют гасить психологиче скую инерцию и стимулировать работу воображения. Зна чительное психологическое воздействие оказывает само существование и применение АРИЗ: программа придает уверенность, позволяет смелее выходить за пределы узкой специальности и, главное, все время ориентирует работу мысли в наиболее перспективном направлении. АРИЗ имеет и конкретные психологические операторы, форсиру ющие воображение.
374
I Здоровье и работоспособность
Современное естествознание рассматривает человека как целостный природный и социокультурный феномен.
В этих целях необходимо выделить некоторую часть свода социоприродных изменений человека и проанализи ровать их как интегральное образование, неразделимую совокупность. В качестве такой совокупности может быть выделена триада измерений, включающая космопланетар-ное измерение (биосферно-ноосферное, погруженное в кос мическую среду мира), эволюционно-экологическое и, нако нец, измерение, выражающее состояние человеческого здоровья преимущественно на популяционном уровне. Данная триада в целом отражает фундаментальные не разрывные взаимосвязи человека и окружающего его космо-планетарного мира. Совокупность социоприродных измерений человека определяется, в частности, следующими закономер ностями организованности монолита живого вещества. Во-первых, это взаимодействие живого вещества с потоком солнечной радиации и перевод энергии последнего в связан ную энергию форм живого вещества, выступающих как трансформаторы космической энергии; во-вторых, действие двух биогеохимических законов (законов Вернадского — Бауэра), обусловливающих максимизацию живыми орга низмами биогеохимической энергии в биосфере; в-третьих, проявление принципа Реди (принципа запрета в отношении абиогенеза7), согласно которому все виды зем ных организмов происходят от других. Функции здоровья популяций, рассчитанные в соответствующих коэффициен тах (человеко-часах), параметры их взаимодействия и ли митирования применительно к данным экологическим свойствам среды могут служить показателями потенциа ла экологического здоровья человека, социально-трудово го потенциала общества.
Здоровье человека во многом связано с эволюционно-экологическими основами его психофизической деятель ности.
Исследования показали, что в современной популяции людей формируются и новые варианты гено- и фенотипов человека. Морфотипы, которые в прежнее время развива лись в соответствии с различными относительно постоян-
375
ными природно-экологическими и социальными условия ми, теряют свои преимущества. Ритмы жизни, урбанизация, миграция, современные биосферно-ноосферные экологические изменения в целом предъявляют к людям новые требова ния. Формируются генофенотипические свойства, которые наиболее адекватно отвечают современным психофизиоло гическим, социальным потребностям жизни.
Более ста лет назад выдающийся французский биолог и медик К. Бернар выдвинул идею единства здоровья и болезни и, по существу, обосновал учение о гомеостазе. К мысли о гомеостазе он пришел на основе опыта медици ны и собственных экспериментальных наблюдений. В лек циях о жизни животных и растений в 1878 году Бернар обобщил этот свод данных. Утверждая единство здоровья и болезни, великий естествоиспытатель писал: «Физиоло гия болезней, конечно, заключает в себе процессы, которые могут быть присущи им специально, но их законы абсо лютно тождественны с законами, управляющими функци ями жизни в здоровом состоянии».
Таким образом, учение о гомеостазе основано на убеж дении в единстве здоровья и болезни. Поддержание внут ренней среды как условие свободы жизни — таков сегод ня принятый большинством в качестве истины принцип общей патологии. Эта идея пронизывает современные обобщающие руководства по общей патологии человека: «Компенсаторно-приспособительные реакции, обеспечиваю щие гомеостаз, не являются какими-то особыми реакция ми организма, а представляют собой разнообразные комби нации его функций, развертывающиеся на той же, что и в норме, материальной основе, но протекающие, как прави ло, с большей, чем обычно, интенсивностью и нередко со провождающиеся появлением своеобразных тканевых из менений».
И.B. Давыдовский, по-видимому, был глубоко прав, по лагая, что здоровье и болезнь — это два качественно раз личных феномена, которые могут сосуществовать в инди видууме. В частности, ученый высказал правильное утверж дение: сам организм (его центральная нервная система) может быть организатором патологических процессов. Это утверждение он обосновывал результатами большого количества экспериментов. Но один момент высказанной И.В. Давыдовским мысли следует уточнить: организация
376
(самоорганизация) патологического процесса есть органи зация адаптивной программы в экстремальных, аварий ных условиях среды, а «патология» есть организованный вариант жизни (выживания) на основе видовой програм мы приспособления вида. Идеи такого рода присутствуют в работах Н.П. Бехтеревой, Г.Н. Кржижановского и дру гих ученых.
В чем же основное противоречие и единство феноменов здоровья и болезни? Во-первых, человеческий организм, как и все «отдельности» живого вещества, теленомичен (целе направлен). Каждый индивид социально-биологически те леномичен по двум программам бессмертия: в продолже нии рода и в социально-культурной активности. В обычной жизни в экстремальных условиях возможны «отказы», минимизация психофизиологических функций, что будет субъективно и объективно проявляться в диском форте, в таких состояниях, которые сам индивид может причислить к категории патологии и болезни.
Во-вторых, если индивид имеет внутреннюю психоэмо циональную установку на здоровье (в его обычном, житей ском общепринятом понимании) как высшую ценность и цель жизни, то, как правило, этот индивид избегает труд ностей, высокого риска, напряженного поиска борьбы. Вос приятие состояний здоровья и болезни у таких людей бу дет иным, нежели у тех, кто расценивает свою жизнь как путь достижения высших социальных целей, а само здо ровье в таком движении жизни — как средство. Людям с этой последней установкой свойственны пассионарность8, подвижничество, творческий порыв, неистовость поиска, стремление к достижению высших целей. Такое направлен ное психоэмоциональное напряжение, реакцию принято обозначать как реакцию Прометея, отделяя ее от столь неоправданно распространенной на любые болезненные состояния реакции стресса у человека. Реакция Прометея характеризуется изменением порогов сенсорных систем вследствие изменения психоэмоциональной установки так, что раздражители, ранее болезненные, патогенные, оказыва ются нейтральными, их действие затормаживается. Приме ры таких реакций многочисленны. Описаны явления, ког да реакция Прометея охватывала всю жизнь человека — такова была жизнь МЛ. Ломоносова, И. Канта, Б. Рима на, ВЛ. Вернадского.
377
Есть и интересные примеры внушенной (наяву или под гипнозом) физической или психоэмоциональной понижен ной чувствительности и, наоборот, внушенных (самовну шенных) патологических состояний. Это лишь отдельно взятые явления. В целом же изменение уровней чувстви тельности, реактивности организма постоянно имеет место у каждого человека на протяжении его жизни.
В экстремальных условиях (в случае перегрузки, трав мы, инфекции, интоксикации и др.) видовая аварийная программа реализуется в том, что существенно (иногда до возможного минимума) сокращается внешняя работа и все резервы направляются на развитие новых внутренних функционально-морфологических механизмов сохранения жизнеспособности, выживания, выздоровления. Организм перестраивает свою жизнедеятельность в максимально за крытом режиме. Вся эта перестройка на основе видовой аварийно-адаптивной программы для данного индивида, по существу, есть необходимое его вовлечение в процесс эволю-ционно-видового выживания (адаптации вида).
Естественно, что относительно обычной, здоровой жиз недеятельности такая перестройка оценивается как нечто внешнее, как болезнь. Ясно, что это — новое качество жизнедеятельности индивида на основе видовой адаптив ной программы, которое И.В. Давыдовский справедливо назвал адаптацией через болезнь. Здесь термин «болезнь» относится к индивиду, к его жизнедеятельности в обычных условиях среды, а понятие «адаптация» отражает более масштабную закономерность видового гомеостаза.
Вероятно, антропоэкологические взгляды древних на то, что здоровье и болезнь суть разные качества жизни, в сво ей основе справедливы. Как утверждал С.П. Боткин в зна менитой речи в Военно-медицинской академии (1886 г.), «человек мало-помалу приспособился к различным коле баниям внешних условий, передавая своему потомству по стоянно нарастающую способность приспособления, кото рая в значительной степени увеличивалась с помощью зна ния и искусства, приобретаемых путем наблюдения и ответа: «Реакция организма на вред недействующие на него влияния внешней среды и составляет сущность боль ной жизни».
В работах российских клиницистов, патологов были намечены пути решения проблем общей патологии, сфор-
378
мулированы основы видения проблем гомеостаза, феноме нов здоровой и нарушенной жизни, предприняты попытки обосновать понимание здоровья и болезни как диалекти ческого единства и противоположности.
При анализе специфики здоровья в указанном отноше нии следует четко разграничивать здоровье отдельного че ловека и здоровье популяции. Здоровье индивида есть ди намический процесс сохранения и развития его социально-природных, биологических, физиологических и психических функций, социально-трудовой, социокультурной и творче ской активности при максимальной продолжительности жизненного цикла. Здоровье популяции в отличие от это го представляет собой процесс долговременного социаль но-природного, социально-исторического и социо-культур ного развития жизнеспособности и трудоспособности че ловеческого коллектива в ряду поколений. Это развитие предполагает совершенствование психофизиологических, со циокультурных и творческих возможностей людей.
Здоровье популяции и индивида является необходимой предпосылкой интеллектуального здоровья человека, пол ноценной реализации его творческих возможностей. И наоборот, когда социально-исторические условия пре пятствуют полноценному развитию интеллектуального здоровья, в высокой степени вероятно такое отрицатель ное следствие, как снижение общего уровня здоровья по пуляции, выраженное в показателях заболеваемости и смертности, росте хронической патологии и т. д.
Необходимо говорить о триаде важнейших функций популяционного здоровья. В измеримых коэффициентах человеко-часов эти три функции определяются следующим образом. Функция 1 — конкретный живой труд, или со вокупность психофизических затрат в ходе производствен ной деятельности, которые совершаются работающими индивидами внутри данной популяции. Функция 2 — социально-биологическое воспроизводство последующих поколений, с которыми связано существование институ та семьи. Функция 3 — воспитание и обучение последу ющих поколений, усвоение ими совокупности умений, на выков и знаний, необходимых для успешной социально-производственной, творческой деятельности, для полно ценного воспроизводства следующих поколений людей.
379
Комплексные научно-практические меры должны быть направлены на сбалансированное, взаимосвязанное разви тие этих функций, обеспечивающее увеличение социально-трудового потенциала населения, сохранение и развитие здоровья людей. Фактически речь идет о разработке сис тем жизнеобеспечения, учитывающих специфику различ ных в природно-экологическом отношении территорий.
Больше всего на свете люди хотят иметь хорошее здо ровье. Здоровье — это проблема номер один. Отлично, но пробовали ли вы определить, что же все-таки означает здоровье?
В 1947 году Всемирная организация здравоохранения, основанная по инициативе ООН, предложила краткую формулировку термина «здоровье». Здоровье — это состо яние полного физического, умственного и социального благосостояния. Оказывается, каждый человек рождается на свет с определенным запасом жизненной энергии, кото рой и определяется его жизненная роль. Этот запас у лю дей разный.
Жизненная энергия, которую мы получили при рожде нии, подобна банковскому денежному вкладу, который мы можем расходовать по своему желанию, но который мы никогда не сможем пополнить. Только постоянный конт роль над ее расходами поможет нам разумно использовать это сокровище.
Когда организм переживает состояние стресса, все его жизненно важные системы подвергаются перенапряжению, будь то сердце, почки, желудок или другие органы. Они выходят из строя в зависимости от того, какой из них наи более уязвим у каждого конкретного человека.
Образ жизни значительного процента пациентов в воз расте до 60 лет, страдающих сердечными приступами, на зван учеными типом «А». Подобные личности склонны к соперничеству и постоянной спешке. Другими словами, их образ жизни такой, что они находятся в постоянном состо янии стресса.
«Многие полагают, что после того как они подверг лись действию чрезвычайных раздражителей, отдых мо жет им вернуть прежнее состояние и силы. Это неверно. Эксперименты на животных ясно показали, что каждое такое воздействие оставляет неизгладимый след, ибо израс ходованные адаптационные резервы не могут быть восста-
380
новлены»9. Попытка избежать всех форм стресса — не выход из положения. Исследования показали, что сокраще ние активности также ведет к сокращению жизни.
Расточать жизнь, «сжигая» ее с ранних лет, столь же безрассудно, как и «ржаветь» от бездеятельности. Во мно гих случаях успех в жизни зависит от умеренности и рав новесия.
Каждый из нас имеет два возраста, принимаемых во внимание. Первый — это наш хронологический возраст — здесь мы ничего изменить не можем. Мы рождаемся в оп ределенный день, и с этой поры календарь начинает терять листок за листком. Но есть также и физиологический воз раст, с которым мы можем кое-что сделать. Какой бы ни был ваш хронологический возраст, вы можете сделать нечто значительное со своим физиологическим возрастом толь ко при условии, что действительно хотите этого.
Если у вас есть определенная программа, нужно неукос нительно придерживаться ее. Спортсмены знают, что две недели вынужденного бездействия снижают их силы и воз можность хорошо выступить на соревнованиях на 25 %. Но чтобы восстановить прежнюю форму, потребуется уже не две недели, а шесть. Поэтому борьба за свое здоровье не должна вестись от случая к случаю. Она должна стать новым образом жизни.
Еще во времена Гиппократа, отца медицины, было из вестно, что человеческие эмоции связаны с заболеваниями. Но только в 1818 году Гейнрус применил новый термин, ко торым стали часто пользоваться при описании подобных феноменов, — психосоматические заболевания. Греческое «психе» означает душа, «сома» — тело. Итак, мы имеем дело с «душевно-телесными» заболеваниями. При всех за болеваниях имеется взаимосвязь между эмоциями и состо янием организма. Почти все больные, независимо от того, знали они об этом или нет, имели предшествующие забо леванию эмоциональные переживания.
Когда человек не справляется с критическими стрес совыми состояниями, то его мозг или организм обязатель но выходят из строя. И если развивается какое-то заболе вание, оно ударяет по самым уязвимым местам нашего организма. Где проявит себя болезнь, зависит от того, ка кие органы оказались «повышенно чувствительны» в ре-
381
зультате перенесенных детских заболеваний, наследствен ной предрасположенности или состояния нервной системы.
Эмоциональные стрессы влияют на организм двумя основными путями. Эмоции, связанные с проявлением враждебности, вызывают повышенную реакцию организма, а такие чувства, как страх или уныние — пониженную.
Доказано, что бактерии не начинают своей разруши тельной работы в организме человека, пока какой-то вне шний, будь то физический или химический, раздражитель не даст им такую возможность. Другими словами, люди, которые часто болеют, обычно бывают не в состоянии про тивостоять стрессу без каких-либо последствий. Если вы хотите избежать болезни, старайтесь держать себя в отлич ной физической форме. Это «сорвет все планы» микробов.
Неплохо также стараться избегать состояния, ведуще го к эмоциональному перенапряжению.
Доктор Аллан Мейджи замечает: «Если на человече ский организм внезапно воздействовать кратковременным или длительным шумом, он отвечает той же реакцией, что и при эмоциях гнева или страха». Очень важно избегать шума, насколько это возможно.
Думайте всегда о хорошем. Соломон, один из мудрей ших людей, когда-то живших на земле, говорил: «Веселое сердце благотворно, как врачевство, а унылый дух сушит кости».
Подобно тому как мрачные мысли могут вывести вас из строя, так светлые и добрые помогут сохранить наи лучшее здоровье. Два следующих ниже списка могут по мочь вам в этом, напомнив о том, чего необходимо избегать и к чему следует стремиться.
382
Твердо решитесь подняться над всеми трудностями жизни — и она будет долгой, здоровой и счастливой.
Сотрудничайте с природой в ее стремлении восстановить нарушенный баланс и гармонию в системах организма. На конец, изучайте все, что можно, о природных средствах ле чения. Свежий воздух, солнечный свет, умеренность, от дых, физические упражнения, вода и правильное пита ние — необходимые факторы здоровья и долголетия.
Деятельность — закон всего нашего существования, бездеятельность — причина болезней.
Среди физически пассивных людей инфаркт миокарда встречается в два раза чаще, чем среди людей физически активных.
Польза человеческому организму от физических упраж нений неоценима. Упражнения:
предупреждают преждевременные сердечные заболева
ния;
Мало кто реально представляет себе, какую роль играет вода в нашей жизни. На 50-65 % человеческий организм
383
состоит из воды. Мышцы содержат 75 % воды, и даже в костях ее больше 20 %. Каждая клетка нуждается в жид кости. Все химические и электрические процессы в организ ме совершаются в жидкой среде. В среднем человек дол жен выпивать как минимум в стаканов воды ежедневно. Распланируйте питье воды таким образом: два стакана сразу после подъема утром, два — в середине дня, между завтраком и обедом, и два стакана во второй половине дня.
Для нормального функционирования наш организм нуждается в определенном количестве поваренной соли. Чрезмерное употребление соли может привести к серьез ным проблемам, в частности, к повышению кровяного дав ления.
Всем известно пагубное влияние сахара на состояние зубов. Научные исследования показали, что избыточное потребление сахара значительно повышает уровень холе стерина в крови, а это может привести к заболеваниям сердца.
Так как мозгу для обмена веществ необходима глюкоза, всякое нарушение содержания сахара в кровяном русле приводит к нарушению работы клеток мозга.
Подсчитано, что одна белая клетка крови — лейко цит — может уничтожить около 14 вражеских бактерий.
Доведите потребление сахара до 24 чайных ложек в сутки — и лейкоцит «в рукопашном бою» сможет одо леть лишь одну бактерию. Те, кто употребляет много са хара, открыты для многочисленных инфекционных заболе ваний.
Доказано не только то, что вегетарианская диета сто ит наравне с мясной, но и то, что во многих отношениях она значительно лучше. С употреблением в пищу мяса свя заны определенные опасности. Животные жиры содержат холестерин, которого нет в жирах растительного происхож дения. А мы уже говорили, что холестерин тесно связан с возникновением сердечно-сосудистых заболеваний. В тка нях животных содержатся отработанные продукты, кото рые должны выводиться почками. Каждый, кто ест мясо, прибавляет, таким образом, эти шлаки к своим собствен ным, нагружая дополнительной работой почки. Из более чем 200 заразных болезней животных половина опасна и для человека, и более 80 из них легко передаются между позвоночными животными и человеком. Недавно было об-
384
наружено, что в небольшом куске поджаренного мяса ве сом около килограмма содержится столько же бензопирена, сколько в 600 выкуренных сигаретах. Бензопирен — кан церогенное вещество. У подопытных мышей он вызывает опухоли желудка и белокровие.
С избыточным потреблением мяса мы вводим в орга низм много пуриновых оснований, экстрактивных веществ, вызывающих кишечное гниение и отравляющих организм. Установлено, что обильная мясная пища подавляет дея тельность полезной микрофлоры, обитающей в нашем ки шечнике. На переваривание мяса уходит очень много энер гии, требуется слишком обильный прилив крови к желу дочно-кишечному тракту.
Мясная пища, как известно, изобилует токсическими продуктами обмена веществ, подлежащими выбросу из орга низма. Об этом знали еще в странах Древнего Востока. Там даже существовала своеобразная казнь: приговорен ных к смерти кормили только вареным мясом, и они уми рали от самоотравления на 28-30 день, т. е. гораздо рань ше, чем при полном голодании.
Потребление чрезмерного количества животных жиров ведет к увеличению содержания в крови наиболее крупных жировых шариков — хиломикрон, регуляция их содержа ния в крови нарушается, одновременно повышается свер тываемость крови. Все это вместе взятое способствует на рушению кровотока. Это особенно опасно для сердца боль ных атеросклерозом. Все больше и больше здравомыс лящие и обеспокоенные люди склоняются к вегетариан скому образу жизни, и они вознаграждаются лучшим здо ровьем.
Бывает, что человек чувствует себя хорошо, все органы и системы работают, казалось бы, нормально, но достаточ но легкого сквозняка — и он уже во власти недуга: на несколько дней слег в постель с высокой температурой. Выходит, что даже при нормальных качественных показа телях организм может быть чрезвычайно уязвимым, а зна чит, не абсолютно здоровым. И совершенно справедливо предлагает академик Н.М. Амосов ввести новый медицин ский термин «количество здоровья» для обозначения меры резервов организма. Есть скрытые резервы сердца, почек, печени. Выявляются они с помощью различных нагрузоч ных проб. Здоровье — это количество резервов в организ-
13.3ак.671 385
ме, это максимальная производительность органов при сохранении качественных пределов их функций.
Сегодня вместо 100 лет мы живем в среднем 70, т. е. наша жизнь укорачивается на 30 лет. Первой причиной этого, отнимающей у нас примерно 20 лет, можно считать повседневную нагрузку на мозг — болезни, переживания, неправильный образ жизни; все это как бы бьет по мозгу и вызывает его преждевременное изнашивание. Второй причиной, отнимающей у нас примерно 10 лет, является указанное И.И. Мечниковым самоотравление гнилостны ми веществами из толстого кишечника. Регулярно употреб ляя кисломолочные продукты, мы имеем все основания надеяться выиграть 10 лет здоровой жизни.
Одного ученого спросили: «Как удлинить жизнь?» Он ответил: «Прежде всего — не укорачивать ее».
Секрет долголетия кроется в пяти условиях жизни: закаленное тело, здоровые нервы и хороший характер, пра вильное питание, климат, ежедневный труд.
Правильный образ жизни И.И. Мечников называл ор-тобиозом («орто» — прямой, правильный; «био» — свя занный с жизнью).
Кратко рассмотрим восемь важнейших условий орто-биоза — какими они представляются с точки зрения совре менной науки. Прежде всего следует снова назвать труд, являющийся важнейшим условием физиологического бла гополучия. Органы-тунеядцы быстро чахнут.
Важнейшим условием ортобиоза является нормаль ный сон. Дирижером симфонии жизни, старящимся в пер вую очередь, является мозг. Средством же восстановления его сил, даваемым самой природой, служит в первую оче редь состояние сна. Понятно поэтому, что правильное ис пользование этого блага абсолютно необходимо.
Следующее условие — служба доброго настроения, по ложительные эмоции. Их обеспечивают доброжелательное отношение к другим людям, юмор, оптимизм. Надо фиксиро вать внимание на хорошем и уметь радоваться ему.
Положительные эмоции уменьшают болевые ощуще ния. Согласно теории, которую разработали американские ученые Р. Мелзак и П. Уолл, положительные эмоции как бы закрывают «болевой шлагбаум» в сером веществе спинного мозга, а отрицательные, наоборот, открывают его. Положительные эмоции — универсальный исцелитель от
386
многих недугов, иногда даже от такого тяжелого заболева ния, как рак. Например, американские ученые утверждают, что в Нью-Йорке зарегистрировано 20 больных раком, ко торые излечились от него, не прибегая к помощи ни спе циальных фармакологических веществ, ни радиоактивно го излучения: всего-навсего с помощью положительных эмоций (новая любовь, коренные изменения в жизни, общий оптимистический настрой).
Среди условий правильного образа жизни весьма суще ственным является рациональное питание. Рациональ ным оно должно быть по качеству, по количеству и по ре жиму. Знаменитый кардиолог Уайт правильно говорил: чтобы не болеть атеросклерозом и дольше прожить, надо не злоупотреблять двумя вещами: желудком и будильни ком, т. е. есть не досыта, а спать по потребности.
Избегать алкоголя и никотина — важное условие ор-тобиоза. Алкоголь — яд для всех клеток тела. Слабеют нервные процессы, особенно тормозной. Дрябнет сердечная мышца. Неблагоприятное действие оказывает алкоголизм родителей на потомство, повышая число детей с психохи мическими и физическими дефектами. От алкоголя тяже ло страдает печень — она перестает должным образом выполнять свою барьерную, защитную роль. Кишечные яды все свободнее проникают в кровь, и закономерный ко нец алкоголика — тяжелое отравление этими ядами, из вестное под наименованием «белой горячки». Табачный яд — целый букет вредностей. Никотин — нервно-сосуди стый яд. Он бьет современного человека в самое больное место — усиливает атеросклероз. От инфаркта миокарда курящие умирают в 11 раз, от рака легких в 13 раз чаще, чем некурящие. Живут они на 10 лет меньше.
Соблюдение режима, т. е. выполнение определенной деятельности организма в определенное время, приводит к образованию в мозгу условных рефлексов на время. В ре зультате привычное время еды настраивает организм на принятие и переваривание пищи, привычное время для рабо ты — на соответствующую форму деятельности. Мозгу не приходится каждый раз «раскачиваться», настраиваясь на новую деятельность — само время готовит его к данной работе. В силу этого, во-первых, мозг экономит ресурсы, во-вторых, работа протекает лучше. Понятно, что человек, со-
13* 387
блюдающий режим, имеет больше шансов на здоровье и долголетие.
Закаливание организма — важное условие ортобиоза. Под закаливанием понимают процесс приспособления организма к неблагоприятным внешним воздействиям, главным образом к ходовому фактору, причем приспособ ление это достигается путем использования естественных сил природы — солнечных лучей, воздуха, воды.
Наконец, физические упражнения, достаточный объем двигательной активности; это — важнейший элемент фи зической культуры и правильного образа жизни.
Валеология
Что такое работоспособность? Обычно отвечают — это способность к выполнению работы. О деятельности орга низма по восполнению произведенных затрат, как прави ло, забывают. Поэтому правильнее будет сказать, что, с физиологической точки зрения, работоспособность опреде ляет возможности организма при выполнении работы к поддержанию структуры и энергозапасов на заданном уровне. В соответствии с двумя основными типами ра бот — физической и умственной — различают физическую и умственную работоспособность.
Говоря о работоспособности, выделяют общую (потен циальную, максимально возможную работоспособность при мобилизации всех резервов организма) и фактическую ра ботоспособность, уровень которой всегда ниже. Фактиче ская работоспособность зависит от текущего уровня здо ровья, самочувствия человека, а также от типологиче ских свойств нервной системы, индивидуальных особенно стей функционирования психических процессов (памяти, мышления, внимания, восприятия), от оценки человеком значимости и целесообразности мобилизации определенных ресурсов организма для выполнения определенной деятель ности на заданном уровне надежности и в течение задан ного времени при условии нормального восстановления расходуемых ресурсов организма.
В процессе выполнения работы человек проходит через различные фазы работоспособности. Фаза мобилизации характеризуется предстартовым состоянием. При фазе врабатываемости могут быть сбои, ошибки в работе, орга-
388
нйзм реагирует на данную величину нагрузки с большей силой, чем это необходимо; постепенно происходит приспо собление организма к наиболее экономному, оптимально му режиму выполнения данной конкретной работы.
Фаза оптимальной работоспособности (или фаза ком пенсации) характеризуется оптимальным, экономным ре жимом работы организма и хорошими, стабильными ре зультатами работы, максимальной производительностью и эффективностью труда. Во время этой фазы несчастные случаи крайне редки и происходят, в основном, по причи не объективных экстремальных факторов или неполадок оборудования. Затем, во время фазы неустойчивости ком пенсации (или субкомпенсации), происходит своеобразная перестройка организма: необходимый уровень работы под держивается за счет ослабления менее важных функций. Эффективность труда поддерживается уже за счет дополни тельных физиологических процессов, менее выгодных энер гетически и функционально. Например, в сердечно-сосуди стой системе обеспечение необходимого кровоснабжения органов осуществляется уже не за счет увеличения силы сердечных сокращений, а за счет возрастания их частоты. Перед окончанием работы, при наличии достаточно силь ного мотива к деятельности, может наблюдаться также фаза «конечного порыва».
389
При выходе за пределы фактической работоспособнос ти, во время работы в сложных и экстремальных услови ях, после фазы неустойчивой компенсации наступает фаза декомпенсации, сопровождаемая прогрессирующим сниже нием производительности труда, появлением ошибок, вы раженными вегетативными нарушениями — учащением дыхания, пульса, нарушением точности координации.
Первый этап — врабатывание — приходится, как пра вило, на первый час (реже на два часа) от начала работы. Второй этап — устойчивой работоспособности — длится последующие 2-3 часа, после чего работоспособность вновь снижается (этап некомпенсированного утомления). Эти три этапа повторяются дважды за трудовой день: до обеденно го перерыва и после него.
Таким образом, в течение суток кривая работоспособно сти выглядит волнообразной. Максимальные подъемы отме чаются в 10-13 и 17-20 часов. Минимум работоспособнос ти приходится на ночные часы. Но и в это время наблюда ются физиологические подъемы с 24 до 1 часа ночи и с 5 до 6 часов утра. Периоды подъема работоспособности в 5-6, 11-12, 16-17, 20-21, 24-1 час чередуются с периодами ее спа да в 2-3, 9-10, 14-15, 18-19, 22-23 часа. Это нужно учиты вать при организации режима труда и отдыха.
Любопытно, что в течение недели отмечаются те же три этапа. В понедельник человек проходит стадию врабаты-вания, во вторник, среду и четверг имеет устойчивую рабо тоспособность, а в пятницу и субботу у него развивается утомление.
390
Существует ли изменение работоспособности в течение продолжительных периодов времен: месяца, года или не скольких лет? Хорошо известно, что работоспособность женщин зависит от месячного цикла. Она снижается в дни физиологического стресса: на 13-14 день цикла (фаза ову ляции), перед месячными и во время них. У мужчин подоб ные изменения гормонального фона выражены слабее. Не которые исследователи связывают околомесячные коле бания тонуса с гравитационным влиянием Луны. Есть подтверждения, что действительно, в период полнолуния че ловек имеет более высокий обмен веществ и нервно-психи ческую напряженность и менее устойчив к стрессам, чем во время новолуния. Причем у женщин овуляция и падение тонуса приходятся чаще всего на полнолуние.
Сезонные колебания работоспособности заметили давно. В переходное время года, особенно весной, у многих людей появляются вялость, утомляемость, снижается интерес к работе. Это состояние называют весенним утомлением.
Упомянем и о модной теории определения трех биорит мов — физического, эмоционального и интеллектуально го — со дня рождения. Такие циклы действительно суще ствуют, причем они имеют связь с показателями обмена веществ. Но их трудно прогнозировать с момента рожде ния из-за многочисленных привходящих факторов, вызы вающих физические, эмоциональные, психические стрессы.
391
Например, при напряженных тренировках спортсменов или во время студенческой сессии амплитуда соответствующих биоритмов была все время на подъеме, а частота увеличи валась. Это свидетельствует о том, что психологические фак торы сильнее природных датчиков ритма.
В последние годы обнаружены ритмы функционирова ния нервной, мышечной и сердечно-сосудистой систем про должительностью 5-16 дней. Их выраженность зависит от тяжести труда. У людей тяжелого физического труда они равны 5-8 дням, у работников умственного труда — 8— 16 дням.
А как влияет на работоспособность возраст? Установ лено, что в 18-29 лет у человека наблюдается самая вы сокая интенсивность интеллектуальных и логических про цессов. К 30 годам она снижается на 4 %, к 40 — на 13, к 50 — на 20, а в возрасте 60 лет — на 25 %. По дан ным ученых Киевского института геронтологии, физичес кая работоспособность максимальна в возрасте от 20 до 30 лет, к 50-60 годам она снижается на 30 %, а в следую щие 10 лет составляет лишь около 60 % юношеской.
Длительное время ученые считали утомление отрица тельным явлением, неким промежуточным состоянием между здоровьем и болезнью. Немецкий физиолог М. Руб нер в начале XX веке высказал предположение, что чело веку отпущено на жизнь определенное число калорий. По скольку утомление является «расточителем» энергии, оно ведет к сокращению жизни. Некоторым приверженцам этих взглядов даже удалось выделить из крови «токсины усталости», сокращающие жизнь. Однако время не подтвер дило этой концепции.
Уже в наши дни академик АН Украины Г.В. Фольборт провел убедительные исследования, показавшие, что утом ление является естественным побудителем процессов вос становления работоспособности. Здесь действует закон биологической обратной связи. Если бы организм не утом лялся, то не происходили бы и восстановительные процес сы. Чем больше утомление (конечно, до определенного пре дела), тем сильнее стимуляция восстановления и тем выше уровень последующей работоспособности. Важно и то, что в период восстановления происходит «текущий ремонт» органов и тканей, усиливаются процессы регенерации, за живления ран. Все это говорит о том, что утомление не
392
разрушает организм, а поддерживает его. Подтверждением этого вывода являются исследования советского физиолога, профессора И.А. Аршавского, в ходе которых было установ лено, что физические нагрузки не сокращают, а наоборот, увеличивают продолжительность жизни.
Одно из наиболее емких определений состояния утом ления дали советские ученые В.П. Загрядский и А.С. Его ров: «Утомление — возникающее вследствие работы — временное ухудшение функционального состояния организ ма человека, выражающееся в снижении работоспособнос ти, в неспецифических изменениях физиологических фун кций и в ряде субъективных ощущений, объединяемых чув ством усталости».
Почему же такая полезнейшая вещь имеет отрицатель ную окраску: снижается интерес к работе, ухудшается настро ение, нередко возникают болезненные ощущения в теле?
Сторонники эмоциональной теории объясняют: это происходит, если работа быстро наскучила. Другие основой усталости считают конфликт между нежеланием работать и принуждением к труду. Наиболее доказанной сейчас счи тается деятельная теория.
Начиная с фазы субкомпенсации возникает специфиче ское состояние утомления. Различают физиологическое и психическое утомление. Первое из них выражает прежде всего воздействие на нервную систему продуктов разложе ния, освобождающихся в результате двигательно-мускуль-ной деятельности, а второе — состояние перегруженности самой центральной нервной системы. Обычно явления пси хического и физиологического утомления взаимно перепле таются, причем психическое утомление, т. е. ощущение усталости, как правило, предшествует утомлению физиоло гическому. Психическое утомление проявляется в следу ющих особенностях:
393
вещи, причем воспоминания становятся обрывочными, и человек не может применить свои профессиональные знания в работе в результате временного нарушения па мяти;
Как показывают исследования, явления утомления в утренней смене интенсивнее всего наблюдаются на четвер-том-пятом часу работы.
При продолжении работы фаза декомпенсации может довольно быстро перейти в фазу срыва (резкое падение производительности, вплоть до невозможности продолже ния работы, резко выраженная неадекватность реакций организма, нарушение деятельности внутренних органов, обмороки).
После прекращения работы наступает фаза восстанов ления физиологических и психологических ресурсов орга низма. Однако не всегда восстановительные процессы про ходят нормально и быстро. После сильно выраженного утомления вследствие воздействия экстремальных факто ров организм не успевает отдохнуть, восстановить силы за обычные 6-8 часов ночного сна. Порой требуются дни, не дели для восстановления ресурсов организма. В случае неполного восстановительного периода сохраняются оста точные явления утомления, которые могут накапливаться, приводить к хроническому переутомлению различной сте пени выраженности. В состоянии переутомления длитель ность фазы оптимальной работоспособности резко сокраща-
394
ется или может отсутствовать полностью, и вся работа проходит в фазе декомпенсации.
В состоянии хронического переутомления снижается умственная работоспособность: трудно сосредоточиться, временами наступает забывчивость, замедленность и порой неадекватность мышления. Все это повышает опасность несчастных случаев.
Психогигиенические мероприятия, направленные на снятие состояния переутомления, зависят от степени пе реутомления.
Для начинающегося переутомления (I степень) эти ме роприятия включают упорядочение отдыха, сна, занятия физкультурой, культурные развлечения. В случае легкого переутомления (II степень) полезен очередной отпуск и отдых. При выраженном переутомлении (III степень) не обходимо ускорение очередного отпуска и организованно го отдыха. Для тяжелого переутомления (IV степень) тре буется уже лечение.
Вероятность возникновения несчастного случая повы шается также, когда человек находится в состоянии моно-тонии вследствие отсутствия значимых информационных сигналов (сенсорный голод) либо вследствие однообразного
395
повторения похожих раздражителей. При монотонии воз никает ощущение однообразности, скуки, оцепенелости, за торможенности, «засыпания с открытыми глазами», отклю чения от окружающей обстановки. В результате человек не в состоянии своевременно заметить и адекватно отреа гировать на внезапно возникший раздражитель, что в ко нечном счете и приводит к ошибке в действиях, к несчаст ным случаям. Исследования показали, что к ситуациям мо нотонии более устойчивы люди со слабой нервной системой, они дольше сохраняют бдительность по сравнению с лицами, обладающими сильной нервной системой.
6. Современные исследования проблемы здоровья долголетия человека
Устремление к жизни, к благополучию, выражающее коренные, глубинные потребности всего биологического мира как основу его развития, а в сознании человека вос ходящее к сокровенным мечтам о счастье, радости и бла гополучии вечном, выступает как одна из движущих сил истории. Человек, его жизнь, причем не всякая, а жизнь, наполненная счастьем, радостью и благополучием является главной ценностью культуры. Это всегда было, есть и бу дет внутренним императивом всей человеческой деятельно сти, включая научно-техническую, производственно-хозяй ственную и др., которые при поверхностном рассмотрении, казалось бы, не связаны со здоровьем, счастьем и долголе тием, но в конечном счете, по внутренним убеждениям лю дей, направлены на решение именно этих проблем.
Здоровье выступает одной из наиболее значимых основ человеческого счастья, радости и благополучия, поэтому проблема здоровья — кардинальная для всего человече ства. Она всегда была и остается в центре внимания по знающей и созидающей человеческой деятельности.
Конец XX века — эпоха невиданного научно-техниче ского прогресса, радикального расширения знаний о при роде. Исторически сложилась, однако, глубокая диссиммет-рия: 95% общего объема современных знаний составляют знания о неживом веществе, тогда как на долю знаний о живом веществе, включая человека, приходится не более
396
5%. Такая диссимметрия проявляется и в сфере конструк тивной практической деятельности: мы видим наглядные успехи цивилизации в освоении недр Земли, в синтезе энер гоносителей, в проникновении в ближайший и далекий кос мос, в достижениях компьютерной техники, в успехах мате матики, химии, астрофизики. Все это как бы ослепляет че ловечество, вселяет уверенность во всемогущество разума, в его способность наконец-то проникнуть в суть живого ве щества, самого человека, а значит, удастся побороть те эко логические, генетические, чисто биологические процессы, ко торые порождают заболевания, мучения и смерть.
Между тем живое вещество остается почти недоступ ным бастионом. Несоизмеримо меньше, чем, например, вы работка энергии, выросла урожайность зерновых, продолжи тельность жизни за 2000 лет увеличилась не более чем в 2-3 раза, о большинстве причин, вызывающих эпидемии, заболеваемость и смертность, мы имеем сегодня самые по верхностные и часто ошибочные представления. Указан ная диссимметрия продолжает углубляться: природа, жи вое вещество, интеллектуально-духовная сфера человека меняют свои параметры быстрее, чем мы успеваем это за регистрировать, включить в сферу научного исследования.
Существует, таким образом, интеллектуальная «черная дыра»: цель удаляется от нас быстрее, чем мы в состоянии ее преследовать. Наука, ее прикладные отрасли оказались неготовыми к решению новых задач, и осознание этого фак та, может быть, самое серьезное достижение науки на гра ни веков.
Современные тенденции научно-технического прогресса, политические, экономические, социальные, экологические, военные и другие конфликты на планете существенно ме няют статус и функции традиционных институтов культу ры, образования, воспитания.
Если еще в сравнительно недавнем прошлом расходу емые человеком ресурсы природы обладали компенсатор ными, восстановительными механизмами, и можно было осваивать целину, проводить крупномасштабные мелиора тивные работы, не ограничивать себя в использовании воды на химических производствах, вырубать огромные массивы леса, то к началу XXI столетия ситуация коренным обра зом изменилась. На смену политическим, экономическим, идеологическим, военным диктатурам пришла диктатура
397
более жестокая и беспощадная — диктатура ограниченно сти ресурсов биосферы. Границы в изменившемся мире оп ределяют сегодня не политики, не пограничные патрули и не таможенная служба, а региональные экологические за кономерности.
Экологическая диктатура — важнейший геополити ческий факт конца XX и первой половины XXI века. Ми ровое сообщество, интуитивно осознавая этот факт, не ос тается безразличным к испытаниям ядерных зарядов, к за пускам ракетных систем, к современным городам как к факторам популяционного стресса, к зонам экологических бедствий, к природным, техногенным и социогенным ката строфам, к событиям, происходящим в так называемых «горячих» точках планеты. К сожалению, катастрофы та кого типа рассматриваются не как проявление общего гео космического стресса, «перегрева» планеты, а как изолиро ванные эпизоды, неприятные, но предотвратимые. Игнори руется факт перехода планеты и ее обширных территорий к перманентному состоянию катастрофы, для описания которых так же неприменима методология «устойчивого развития», как уравнения, описывающие ламинарный по ток жидкости, неприменимы для описания турбулентных режимов.
Режим экологической диктатуры вынуждает нас воз вращаться к полузабытому образу живой природы как хранилищу высших ценностей, объекту нашего уважения и любви — не эксплуатация и «освоение», а сосущество вание, развитие и забота когда-то были определяющими в наших отношениях с природой. Даже самые закоренелые прагматики не могут не понимать, что противоположное чревато глобальной экологической катастрофой в истори чески обозримой перспективе.
Изменяются и функции человека. Будучи погружен в природно-экологическую, производственно-трудовую и соци альную среду, он уже не может рассчитывать на помощь медицины: при всей вооруженности современным диагно стическим оборудованием, методами лечения, профилакти ки, арсеналом гигиенических нормативов в современных условиях она оказалась не в состоянии гарантировать здо ровье и благополучие нации. Сегодня наблюдается опасное снижение резервов репродуктивного здоровья населения России, ухудшение всех звеньев репродуктивного цикла —
398
оплодотворение, беременность, формирование полноценной семьи, физическое и психическое развитие ребенка, качество здоровья детей. Репродуктивное здоровье популяции оказы вается своего рода исполнительным механизмом экологи ческой диктатуры, дети оказываются больными уже с мо мента рождения, не менее 80% хронических заболеваний у детей развивается в раннем возрасте. «Взрослая» меди цина получает в свое распоряжение контингенты со сни женной жизнеспособностью.
По оценкам отечественных специалистов, неприкосно венный запас резерва репродуктивной прочности популя ции сократился на 25%, тогда как 30%-ные потери гаран тируют необратимое разрушение базовых механизмов эво люция человека.
Вышеприведенные обстоятельства определяют необхо димость формирования нового поля, «пласта» знаний, но вых социальных и педагогических технологий, исходящих из современных представлений о закономерностях живой природы и человеческого общества. Как реакция на обо стрение проблемы здоровья и ответ на запрос общества в мировой культуре и в нашей стране возникла экзистенци альная конструкция — валеология (от лат. valeo — быть здоровым). Этот удачный, емкий термин ввел в научный обиход в 1980 году ИЛ. Брехман, известный фармаколог-физиолог, автор ряда монографий, в которых он в творчес ком содружестве с новосибирскими учеными определил содержание валеологии. Вновь сформировавшаяся научная и образовательная дисциплина не является простой сум мой или синтезом уже существующих, а являет собой но вую область знаний
Валеология — наука о том, как стать и быть здоро вым. Не только изучать, описывать, мечтать, а быть. Знать о здоровье можно много, но быть здоровым — это другое. Это точно так же, как, например, можно очень много знать об управлении автомобилями разных марок, прочитав об этом множество книг и самому написать множество науч ных исследований. Но реально управляет машиной, водит ее — шофер, а читает или не читает он книги об этом, пи шет или не пишет — это второстепенный вопрос.
Валеология — наука о законах формирования, сохра нения и расширения жизненного потенциала каждого че ловека. Это система знаний, формирующая целостное, си-
399
стемное представление о человеке и его здоровье как орга ничной частицы Мироздания, и направленная на форми рование всесторонне развитой, активной, творческой лич ности.
Валеология рассматривает проблему человека и его здо ровья в свете новой парадигмы на всех уровнях человечес кого бытия:
мировоззренческом — философия;
социокультурном — теория культуры;
психическом — психология;
телесном — биология, физиология.
Она опирается на передовые современные достижения мировой и отечественной культуры в области философии, культурологии, социологии, науки, техники, педагогики и искусства.
Общественная потребность в такой дисциплине продик тована опытом не только России. Существующее до насто ящего времени убеждение, что проблема здоровья решает ся исключительно средствами здравоохранения, практиче ской медицины (включая условия труда и так называемый «образ жизни»), все более вытесняется пониманием чисто тактической, вспомогательной роли этих служб. Так что отдаленные, стратегические интересы сохранения этноса должны решаться на существенно более широкой инстру ментальной, методологической и философской основе.
Опыт США, европейских стран и России показывает, что в целом здоровье нации и каждой личности в отдель ности есть отнюдь не прерогатива и гарантия специализи рованного ведомства — государственного или частного здравоохранения или гигиенически-профилактического корпуса государства и его регионов. Утомление популяции, социо- и техногенные стрессы, экологическая токсичность среды обитания — все это становится настолько всеобъ емлющим, что никакая одна или две-три специальные службы не могут гарантировать сохранение здоровья у но вого поколения. Общество начинает осознавать, что прак тически любой крупный проект первой четверти XXI века, сколь бы он ни был обоснован в технологическом, энерге тическом, экономическом, геополитическом аспектах, может оказаться невыполнимым ввиду дефицита человеческих ре сурсов — не только и не столько количества людей, сколько и главным образом их качества — здоровья, психическо-
400
го и интеллектуального потенциала, способности к обучению, к социальной, биологической и профессиональной адаптации, их морально-нравственными параметрами.
Валеология как научно-практическая дисциплина имеет свой специфический предмет, не сводимый к предыдуще му знанию физиологии, биологии и медицины. Она рассмат ривает человека с учетом нового научно-философского зна ния, а именно, как космопланетарный феномен на всех уров нях его бытия, как освоенных рационально-научно, так и трансцендентальных, и с учетом научно-философского, не сводимого к телесно-социальному, пониманию здоровья.
Такое расширение поля предметной деятельности тре бует соответственного расширения методологических воз можностей новой дисциплины, что может быть обеспечено соединением в процессе духовного освоения действи тельности естественнонаучной и специфически философ ской методологии познания, включающей, наряду с раци онально-логическим познанием, интуитивно-образные способы освоения действительности, что было предвосхи щено Вл. Соловьевым: «... осуществление этого универ сального синтеза науки, философии и религии... должно быть высшей целью и последним результатом умственно го развития».
В результате применения новой методологии на новом поле предметной деятельности, естественно, будет получен комплекс специфически новых теорий, концепций, системных подходов к решению проблемы здоровья, а также ряд новых законов и закономерностей существования и развития пред мета, открытых именно валеологией как новой наукой о здоровье. Это, в свою очередь, потребует и даст основание для формирования соответствующего специфического понятий но-категориального аппарата, в основе которого — рас смотрение здоровья как философской категории, позитив ная направленность понятий, терминов и др.
И, наконец-то, без чего не может быть новой научно-практической дисциплины — это качественно новая прак тика как критерий истины, не сводимая к уже имеющим ся лечебным и диагностическим процедурам. Суть ее прежде всего должна состоять не в лечении как таковом, а в обучении человека быть здоровым, что включает по вышение уровня грамотности в вопросах физиологии, био логии и других наук о человеке, в том числе и в области
401
медицинского знания, в формировании современного миро воззрения, принципов здорового образа жизни и активной смысложизненной позиции на основе нового научно-фило софского знания, а также развитие новых возможностей человека, включая интуитивные способности реальной действительности и коррекции своего состояния. И толь ко после этого — процедуры, диеты и т. д., назначаемые и применяемые на основе единства рационально-логическо го и интуитивного осмысления каждой конкретной ситу ации, причем, что уже очевидно, в обязательном их соот ветствии с отечественными традициями.
Из приведенного очевидно, что специфической сущнос тью валеологической практики, не сводимой к известным медико-биологическим и физиологическим способам оздо ровления является то, что здесь в обязательном порядке любым терапевтическим процедурам, любым действиям предшествует образовательно-воспитательный блок — формирование адекватного мировоззрения и принципов здо рового образа жизни и, на основе этого, развитие новых возможностей человека, а выбор и назначение оздоровитель ных процедур совершается самим пациентом на основе единства рационального и внерационального (философско го) осмысления проблемы. Обучающий специалист здесь присутствует уже как помощник, и не более. Пациент с этого момента сам берет свою судьбу в свои руки, стано вится личностью свободной, способной вполне самостоя тельно решать все возникающие у него проблемы здоровья и благополучия и даже учить этому других.
Процесс восстановления здоровья конкретного челове ка, таким образом, как первичным дополняется образова тельным блоком, а деятельность по оздоровлению народа страны должна быть основана на массовом валеологиче-ском и экологическом всеобуче. Без глубокого знания те ории не стоит и помышлять об успешной практике оздо ровления. Не лечить, а учить быть человеком — лозунг валеологии.
Валеология являет собой социокультурный феномен, ибо она вскрыла причины нездоровья нации, показывает пути выхода из критической ситуации, сложившейся в нашей стране в настоящее время. Достаточно привести только один факт: по продолжительности жизни россий ские мужчины занимают 135-е место в мире, а женщи-
402
ны — 100-е. Это уровень аутсайдеров, вечно голодных африканских стран. В числе социальных причин такой вопиющей статистики можно назвать следующие:
Следует оговориться, что наиболее правильная позиция по отношению к медико-биологической отрасли знания должна быть более констатирующая, чем критическая. Она обретет свое место и предназначение в современной миро вой культуре и в здравообеспечении. И наконец, как не следует бездумно надеяться на медицину, так же не следует
403
и предъявлять к ней абсолютных претензий еще и пото му, что она, как отрасль создания собственного «товара» в виде лечебных услуг, ориентирована на спрос, и находит ся немного впереди массового спроса населения на услуги в своей области — в области здравохранения.
Как же быть? Где искать выход? А выход состоит в том, чтобы согласиться, что мир исчерпывающе необъясним только рационально-логически («так и только так»). Мир и человек в нем рациональны и внерациональны. И совре менное естествознание дает возможность выйти на новую ступень, грамотно и гармонично сочетая в единстве раци ональный и внерациональные методы познания и преобра жения мира и человека.
Один из наиболее глубоких современных ученых наше го Отечества академик Никита Моисеев несомненный ра ционалист. Он — математик и гидродинамик, эколог и климатолог, человек, преуспевший в точных науках, ученый естественник. Вместе с тем он раскованно мыслящий фи лософ. В размышлениях о необходимых чертах цивилиза ции будущего Моисеев подчеркивает, что мировоззрение ни когда не может быть сведено к чисто научным, рационали стическим миропредставлениям. Разум не всесилен. Ему доступно то, что «доступно». Абсолютизация возможнос тей разума крайне опасна, как и всякая переоценка своих достаточно скромных сил. Ученый обращает внимание на наличие не только рациональной, но и иррациональной гра ниц человеческой сущности. К этому его мнению, к позиции автора книги «Современный рационализм» нельзя не при слушаться. Особенно при рассмотрении позиции здоровья.
Процесс кардинальных изменений в представлениях науки и философии о мире и человеке демонстрируют так же публикации нового научного журнала «Сознание и физическая реальность» (т. 1. 1996. № 1-2.) В одной из публикаций говорится о том, что «для того чтобы лучше разобраться в особенностях работы феноменов сознания... используется понятие информационно-энергетического про странства Вселенной. Оно относится к новому научному направлению «Биоэнергоинформатика», в концепции кото рого содержится представление о Вселенной как о живой системе, более того, как о цельном соразмерном организме. В мировоззрении биоэнергоинформатики как бы вновь воз вращается эзотерический платоно-пифагорский взгляд на
404
Живой Космос. Биоэнергоинформатика в то же время не противоречит астрофизическим концепциям конца XX века, таким как инфляционная теория эволюции Вселенной и антропный принцип в физике... Следствием такого подхо да в биоэнергоинформатике становится также признание человека не наблюдателем, а естественной частью космоса, воспринимающей его цельную жизнь не только рационально, но и чувственно — через Дух и Душу». И в свете этого нового мировоззрения кардинальным образом изменяют ся представления не только о человеке, его месте в Мироз дании и его эволюционном предназначении, но и о социу ме и всей планете. Вся планета может быть теперь пред ставлена как бы единым Разумным Целостным Орга низмом, в котором все ее составляющие — биосфера, чело вечество и т. д., сосуществуют в гармоничной взаимосвязи и взаимозависимости. Становится очевидным, что здоровье личности, семьи, государства, планеты — неразделимы. Разумеется, «как бы» без прямой редукции мира человека к органическим явлениям. «Жаворонком» новых тенден ций явилась, в частности, валеология, прежде всего как философская и научная система, как реальная практика укрепления здоровья человека с самого детства и на всем жизненном пути. Этому посвящено немалое количество исследований.
Переход от чисто редукционных, ньютоно-картезиан-ских (механистических) представлений о Мироздании и рафинированного рационально-логического познания к холистическим (целостным) представлениям и к единству рационально-логического и внерационального в позна нии — суть происходящих сдвигов в современном позна вательном процессе.
Человечество только тогда может надеяться на успехи в решении своих насущных проблем и выйдет на новый этап своего развития (не вечно же нам быть бедными и больными), когда философия как глубокое осмысление дей ствительности, предшествующее и сопровождающее каждую мысль и каждое действие человека, в том числе и решение проблемы здоровья, станет повсеместно распространенной.
Современные социокультурные процессы, потрясшие нашу страну и ввергшие ее в пучину противоречий, разру шений и войн, актуализировали «вечный» вопрос: кто мы — Восток или Запад? И для нас он непраздный —
405
смысложизненный, вопрос нашего дальнейшего существо вания на планете, не только нашего здоровья и счастья. И в русской культуре этот вопрос находил «свое» разреше ние — от языческой Руси до науки и философии русско го космизма. Мы — земляне. Мы все, живущие на Зем ле, — земляне, и поэтому нам надо жить в мире и радо стном взаимопонимании друг с другом. И только это мо жет быть основой здоровья и личного, и общества, и пла неты. И мы должны донести эту простую и светлую мысль до всех стран и народов. «Русская идея» — забота не о себе, но о Мире, главная и мощная линия отечественной культуры. Понятно, что если другие народы тоже все силы приложат к этому, мир только выиграет. Одной из особен ностей русской культуры всегда было человеколюбие. Для русской философии всегда был характерен поиск абсолют ного Добра (правды, справедливости). И это находит яркое отражение в русской классической литературе и филосо фии, которые несли миру глубоко выстраданную опытом поколений истину: нет и не может быть такой цели, ради которой была бы допустима жертва хотя бы в одну чело веческую жизнь, в одну каплю крови, в одну детскую сле зинку. Русская классическая философия — это философия предупреждения. Ее лейтмотив — нравственное вето на любой «прогресс», любой социальный проект, если они рас считаны на принуждение, насилие над личностью.
Важным условием здоровья каждого человека и обще ства в целом является их объективная необходимость в развитии планеты и всей Вселенной, познание и подчине ние себя ее объективным законам. Ни лекарствами, ни оздоровительными диетами, ни ножом хирурга или пассами экстрасенса не защититься от объективных законов разви тия Вселенной. Если исполняешь свои функции, в соответ ствии с ними решаешь свои эволюционные задачи, которые состоят в том, чтобы познавать и совершенствоваться, пре ображаться и преображать Мир, — если поспеваешь в силу своего свободного выбора в своем развитии за разви тием Вселенной, если помогаешь ей в ее стремлении к со вершенству, к преображению через стремление к совершен ству, к преображению через это стремление, то ты — «лоза плодоносящая», поэтому будешь окружен ее заботой, бу дешь жив и здоров.
406
Вопросы для самоконтроля
I Человек и биосфера
7.1. Концепция В.И. Вернадского о биосфере и феномен человека
Главной научной концепцией естествознания, позволя ющей ученым правильно понимать законы, управляющие развитием окружающей нас природы, стала естественно-историческая концепция. Только познав, как развивалось то или иное природное явление или объект, каков их ге незис, можно понять и научно объяснить современность и надежно построить научный прогноз будущего. Достаточ но назвать две наиболее фундаментальные концепции в ес тествознании:
дарвинизм, центральное звено которого — учение о
происхождении видов путем естественного отбора, ос
нованное на сравнительно-историческом анализе, пре
имущественно палеонтологическом;
учение Докучаева и Вернадского о почвах, ландшаф
тах и биосфере, основанное на естественно-историче
ском анализе происхождения и развития этих сложных
природных планетарных объектов.
В процессе создания концепции биосферы В.И. Вернад ский приходит к выводу огромного мировоззренческого значения, по существу, определяющему стратегию будуще го развития естествознания. Он говорит о том, что в совре менное научное мировоззрение должно войти представле ние о геохимических функциях живого вещества и чело вечества как основных геологических сил, определяющих как само существование биосферы, так и формы и вектор ее развития. Концепция биосферы стала точкой отсчета
407
нового этапа развития общего естествознания. Современ ное общее естествознание — это биосферное естествозна ние, в основе которого лежит представление о биосферных, то есть геохимических функциях живого вещества и чело вечества. Без этого представления в настоящее время не возможен «гармоничный ход научного и философского мышления». Вот главный урок Вернадского нашему поко лению.
В «Мыслях и набросках» он пишет: «Сознание чело вечества становится той «силой», тем фактором, который мы должны принимать во внимание, когда изучаем всякий природный процесс». Это общетеоретическое положение сформулировано в 1920 году. А сейчас оно перешло из об ласти теории в практику. Например, прежде чем новый технологический процесс получит «путевку в жизнь», он должен пройти экологическую экспертизу.
Одновременно с Вернадским концепцию биосферы раз вивали французские ученые. Так, само понятие «ноосфера» впервые прозвучало на лекциях 1927/28 учебного года из уст философа и математика, последователя Бергсона, Эду арда Леруа. При этом соавтором ноосферной концепции был объявлен его друг и единомышленник Пьер Тейяр де Шарден, палеонтолог и философ. Причем, что особенно для нас важно, оба француза строят свою мысль, опираясь на понятие биосферы и живого вещества в том духе, как они были развиты Вернадским в его знаменитых лекциях в Сорбонне в 1922-1923 годах.
Так, в книге Тейяра де Шардена «Феномен человека» дается своеобразный ответ на вечный вопрос о смысле и цели человеческого существования, который сводится к следующему: человек как «ось и вершина эволюции» ярко раскрывает то, что изначально, хотя бы в возможности, присуще всей материи, т. е. человек есть сложный, развер нувшийся «микрокосмос», содержащий в себе все потенции космоса. Это значит, что жизнь и человек, появившиеся на Земле в результате спонтанного зарождения из предбиоло-гических органических соединений (здесь Тейяр находит ся на принципах материализма), неразрывно связаны с кос мическими процессами, усложнениями материи. Земная жизнь представляет собой качественно новое проявление этой всеобщей тенденции. И хотя неживая материя кажет ся нам «мертвой», она лишь «дожизненна», в ней имеет-
408
ся потенция стать живой. Следовательно, жизнь по своей природе космична, так как нить ее таится в самой ткани универсума (Тейяр не случайно употребляет термин «уни версум»; для него под слоем элементарных частиц, состав ляющих первичную материю, находится тонкий слой пси хики). Человек — скачок в эволюции земной жизни, венец беспрестанного эволюционного движения и вместе с тем некое начало направленной эволюции, стремящейся к точ ке Омега — планетарному сознанию, духовному «яйцу мира». Вселенская эволюция идет не в пространственном, а в психическом направлении, она осуществляется не в космической экспансии человека, а в пределах нашей пла неты. Для нас существенно то, что здесь Тейяр де Шарден обращает внимание на такой парадоксальный факт, что че ловек до сих пор не нашел подобающего ему места в структуре мира, которую представляет современная наука. Более того, наука о Вселенной — космология — обходит ся без рассмотрения человека; имеющиеся науки о человеке находятся на обочине естествознания «С чисто позитиви стской точки зрения, человек — самый таинственный и сбивающий с толку исследователей объект науки. И сле дует признать, что в своих изображениях универсума на ука, действительно, еще не нашла ему места. Физике уда лось временно очертить мир атома. Биология сумела наве сти некоторый порядок в конструкциях жизни. Опираясь на физику и биологию, антропология, в свою очередь, кое-как объясняет структуру человеческого тела и некоторые механизмы его физиологии. Но полученный при объедине нии всех этих черт портрет явно не соответствует действи тельности»10. Поскольку в человеке концентрируется все, что мы познаем, постольку неминуемо придем к науке о че ловеке: постижение человека является ключом к раскры тию тайн природы.
Американский биолог и космолог К. Саган, анализируя проблему космологических основ возникновения жизни, постулирует существование общей космической закономер ности: во Вселенной в течение определенного времени (по рядка нескольких миллионов лет) появление жизни осу ществляется как непреложное явление космологической эволюции. Частный случай этой закономерности — воз никновение жизни на нашей планете, вращающейся вок руг одной из типичных, рядовых звезд Млечного Пути.
409
Следовательно, феномен земной жизни (а нам известна, к сожалению, только она) представляет собой проявление общей космологической эволюции, а земные биологи заня ты лишь отдельной темой в многообразии, по выражению К. Сагана, «музыки жизни». Условия же появления жиз ни на Земле определили ее развитие в качество целого, т. е. в виде биосферы, единого монолита живого вещества, организованность которого определяется преобладанием космической энергии и связанными с этим космоплане-тарными биогеохимическими функциями. Это значит, что эволюция биосферы зависит от совокупности чисто земных и космических явлений.
При рассмотрении проблемы человека существенным является то, что под влиянием человеческой мысли и че ловеческого труда биосфера переходит в новое состоя ние — ноосферу. В этом плане необходимо учитывать по ложение В.И. Вернадского о встроенности человека, его социально-исторического бытия в космопланетарную ор ганизованность жизни в целом. Именно в этом проявля ется уникальность феномена человека: единство функ ционирования в его жизнедеятельности законов приро ды и общества.
По В.И. Вернадскому, вещество биосферы разнородно по своему физико-химическому составу, а именно:
биогенное вещество — непрерывный биогенный поток
атомов из живого вещества в косвенное вещество био
сферы и обратно;
косное вещество (атмосфера, газы, горные породы
и пр.);
биокосное вещество, например, почвы, илы, поверхно
стные воды, сама биосфера, т. е. сложные закономерные
косно-живые структуры;
Для строения биосферы характерна и геометрическая неоднородность. Эта сфера жизни охватывает поверхност ные регионы нашей планеты: нижние слои стратосферы, тропосферы, верхнюю часть литосферы из осадочных пород и гидросферу. Такого рода разнородность строения биосфе-
410
ры, непрерывная на протяжении всей истории Земли, рез ко отличает ее от остальных оболочек планеты.
До открытия биосферы произошло открытие почвы. Учение В.И. Вернадского о биосфере всеми корнями, всей своей сутью связано с учением В.В. Докучаева о почве.
Почву следует воспринимать как самостоятельное есте ство — историческое тело природы, как единство приповер хностных природных процессов, связывающих в одно це лое горные породы, рыхлые отложения, циркулирующие в них воды, произрастающие на них растения и гумусирован-ные их остатки (плодородный перегной).
По мнению Вернадского, количество живого вещества в земной коре есть величина низменная. Тогда жизнь есть такая же вечная часть космоса, как энергия и материя.
Биосфера, по В.И. Вернадскому, — это «организован ная, определенная оболочка земной коры, сопряженная с жизнью». «Пределы биосферы обусловлены прежде всего полем существования жизни».
Биосфера — не просто одна из существующих оболо чек Земли, подобно литосфере, гидросфере или атмосфере. В.И. Вернадский предельно лаконично указывает на ос новное отличие — это организованная оболочка. И чтобы понять суть биосферы, нужно понять, как и кем она орга низована, в чем состоит организованность биосферы. Быть живым — значит быть организованным, отмечал В.И. Вер надский, и в этом состоит суть понятия биосферы как орга низованной оболочки Земли. На протяжении миллиарда лет существования биосферы организованность создается и сохраняется деятельностью живого вещества — совокуп ности всех живых организмов. Форма же деятельности живого, его биогеохимическая работа в биосфере (новое понятие, введенное В.И. Вернадским) заключается в осуще ствлении необратимых и незамкнутых круговоротов веще ства и потоков энергии между основными структурными компонентами биосферной целостности: горными порода ми, природными водами, газами, почвами, растительностью, животными, микроорганизмами. Этот непрекращающийся процесс круговоротного движения составляет один из кра еугольных камней учения о биосфере и носит название биогеохимической цикличности.
Вся живая оболочка нашей планеты, весь животный, растительный, бактериальный мир, и еще больше — вся
411
среда жизни: суша, реки, озера, океаны — все эти удиви тельные, уникальные создания природы — биосфера. Ни чего подобного нет в ближайшем обозримом Космосе. В последнее время вывод о существовании биосферы в «единственном экземпляре» в результате нашего зондиро вания ближайших окрестностей Земли стал неоспорим. Мысль об уникальности Земли, кроме глубоких и высоких эмоциональных переживаний человека о своем месте в мире, рождает и величайшую тревогу, становится нашей трудной повседневной заботой: нет ничего дороже ее сохранения.
И надо учесть, что создавалось это удивительное пла нетное образование страшно медленно. Вместе с выводом о «всюдности» жизни Вернадский сделал вывод и о «всег-дашности» жизни, то есть о ее вечности и непрерывности во времени. На это наталкивали его размышления обо всем минеральном богатстве планеты. Оно производно от жизни, поскольку огромное большинство горных пород и полез ных для нас ископаемых, таких как углеводородное сырье, каменные угли, даже железо, — органического происхож дения. Отсюда и возник один из его фундаментальных те зисов о геологической вечности жизни, ее непрерывной ак тивности.
Уже при его жизни тезис Вернадского о геологической вечности жизни стал подтверждаться практикой развития геологии и палеонтологии. Но особенно бурно стала раз виваться геология и палеонтология докембрия в последние десятилетия. Буквально на наших глазах величайшее на учное предвидение стало осуществляться. Практически мы стали фиксировать следы жизни с тех пор, когда появи лись первые водно-осадочные породы, а это произошло око ло четырех миллиардов лет назад. Три сопряженных про цесса и явления имеют одинаковый возраст: образование древнейших осадочных пород Земли; фиксация изотопов углерода биогенной природы в этих породах; нахождение в них же форм бактериевидных организмов. Все эти явле ния датируются одинаково: 3,6-3,8 миллиарда лет. При этом следует учесть еще и то, что самая примитивная, на наш взгляд, бактерия — в сущности, сложнейшая живая система, сложнейший организм. Для его формирования требуется непредсказуемый отрезок времени.
В результате раскрытия современными методами тезиса Вернадского о геологической вечности жизни мы подошли
412
к величайшей загадке науки наших дней. Кратко ее мож но сформулировать так: можем ли мы с уверенностью ут верждать, что же древнее — Земля как планета или жизнь?
Последние добытые наукой факты говорят о том, что в древнейших горных породах возрастом около 4 миллиар дов лет, то есть почти одновозрастных с самой планетой Земля, встречаются уже сообщества микроорганизмов раз личных видов и форм. Они и представляли древнюю био сферу Земли. Следовательно, возраст биосферы приближа ется к геологическому возрасту Земли как планеты Солнеч ной системы.
Для Вернадского геологическое время связано с жиз нью на Земле, с биосферой. Время существования плане ты — это всего лишь время существования на ней жизни. Жизнь геологически вечна. Возраст планеты неопределим, поскольку в любых структурах начало распада их — это конец формирования под влиянием жизнедеятельности. Выводы парадоксальные. Они противоречили всей тогдаш ней и сегодняшней научной традициям и находятся в сто роне от господствующей, как сейчас говорят, научной пара дигмы. Достаточно взять любой университетский учебник общего землеведения, чтобы увидеть, что они основаны на космологических положениях о последовательном образо вании Земли как космического тела, затем появлении на ней жизни с последующим образованием биосферы.
Не имеется и не получено поныне ни одного доказатель ства происхождения вещества живого из неживого. Меж ду этими двумя состояниями материи нет никаких проме жуточных ступеней, ведущих от инертного к одушевленно му состоянию. Их отсутствие в свое время доказывал Ламарк, который даже составлял таблицу противополож ностей живого и неживого.
Множатся, напротив, доказательства обратной производ-ности — структур земной коры от вещества отжившего. Не только горные породы и ископаемые, но и атмосфера планеты (а есть мнение, что и гидросфера) — целиком продукт биосферы, результат жизнедеятельности живот ных, растений, бактерий. Через так называемые биогеохи мические циклы круговорота химических элементов в зем ной коре, подстегиваемого живыми организмами, запуска ется в действие вся машина геологических событий в земной коре.
413
Рассмотренная под таким углом зрения живая приро да — как причина природы неживой, как могучий геоло гический агент, создавший систему биосферы, — заставля ет нас обратиться в поисках такого ее характера уже к неземным причинам самой жизни в буквальном смыс ле — к космическому ее статусу. Раз она возникла не в результате эволюции земной коры, а наоборот, эта эволю ция есть лишь воздействие самой жизни, значит, источник ее надо искать за пределами Земли. «Мы знаем — и зна ем научно, — что космос без материи и без энергии не может существовать. Но достаточно ли материи и энер гии — без проявления жизни — для построения Космо са, той Вселенной, которая доступна человеческому разу му, то есть научнопострояема?» — задавал Вернадский ри торический вопрос в своей публичной лекции «Начало и вечность жизни», прочитанной им в клубе писателей и ученых в Петрограде в 1919 году.
В самой проблеме возникновения жизни В.И. Вернад ский различил три возможных варианта: «Мы должны в этом возникновении живого из мертвого отличить два яв ления: с одной стороны, возникновение живого организма из таких мертвых тел природы — камней, скал, воды, га зов, земли, которые никогда живыми не были. Это будет абиогенез — зарождение вне животного или археогенез — изначальное зарождение. С другой стороны, мы должны различать зарождение из умершего или умирающего живо го организма, возникновение новых организмов при гние нии и разложении старых — гетерогенез — разнородное зарождение. Наконец, должны различать третье явле ние — биогенез — зарождение из живого подобно тому, как мы это видим кругом, когда человек и другие организмы родятся от других живых, к тому же себе подобных» (вы делено Вернадским. — Авт.).
До сих пор в школьном учебнике биологии излагает ся гипотеза академика А.И. Опарина о происхождении жизни на Земле путем небиологического возникновения органических веществ из неорганических молекул. Эта гипотеза нашла частичное подтверждение в 1953 году, ког да американский ученый Л.С. Миллер экспериментально доказал возможность небиологического синтеза органичес ких соединений из неорганического. Пропуская электричес кий разряд через смесь СО2 и Н2О, он получил набор из
414
нескольких аминокислот. Однако живая молекула состо ит из очень сложной спирали аминокислот, расположенных в строго определенной последовательности. Можно, конеч но, себе представить, как электрические разряды непрерыв но обрушивались на «первичный океан», и в результате од ного из них случайно возникла нужная комбинация ами нокислот. Но, по подсчетам известного американского ученого Дж. Хилдена, для этого необходимо перепробовать 10600 000 комбинаций, одна из которых окажется именно той, от которой произошла жизнь. Это невероятно большое чис ло: после единицы надо написать 600 000 нулей. На каж дую из таких комбинаций требуется определенное время. Если все будет происходить очень быстро (по миллиону комбинаций в каждую секунду времени), то на перебор всех возможных комбинаций уйдет не менее 100 миллиардов лет. Мы уже говорили о том, что Вселенная после Большо го взрыва существует всего 15-20 млрд. лет. Так что вре мени на перебор этих комбинаций «методом тыка» просто не было. Значит, следует предположить, что жизнь и ДНК возникли не случайно, а путем целенаправленного дей ствия, некоей неведомой и могучей силы или субстанции.
Один американский математик, высчитывая вероят ность случайного возникновения жизни, привел такой при мер. Представьте себе, что взорвали большую типогра фию, — все шрифты взлетели на километровую высоту. Так вот, вероятность случайного возникновения живого равна вероятности того, что при падении эти буквочки сло жатся в текст 46 томов Британской энциклопедии.
Биогенез В.И. Вернадский, вслед за древними авторами, считал величайшей тайной природы, ее загадкой и в то же время основным свойством живого. («Живое из живого» Вернадский называл «принципом Реди». Имя итальян ского ученого XVII века Франческо Реди принадлежит к числу постоянно встречающихся в биолого-географических трудах Вернадского). К представлениям об абиогенезе (ар-хеогенезе) и гетерогенезе Вернадский относился определен но отрицательно, справедливо подчеркивая, что накопив шийся в естествознании огромный фактический материал с несомненностью доказывает происхождениях всех совре менных живых организмов путем биогенеза.
Дальнейший ход его рассуждений таков: «Признавая биогенез, согласно научному наблюдению, за единственную
415
форму зарождения живого, неизбежно приходится допус тить, что начала жизни в том космосе, какой мы наблю даем, не было, поскольку не было начала этого космоса. Жизнь вечна постольку, поскольку вечен космос, и пере давалась всегда биогенезом. То, что верно для десятков и сотен миллионов лет, протекших от архейской эры до на ших дней, верно и для всего бесчисленного хода времени космических периодов истории Земли, верно и для всей Вселенной».
Итак, в безначальном Космосе столь же безначальны ми (вечными) являются четыре его компонента: материя, энергия, эфир и жизнь. Но вечный Космос наполнен брен ным — естественными телами.
Каким же способом жизнь объявилась на Земле?
Вернадский резюмирует свои рассуждения следующим образом: «Для нас гипотеза Случая является столь же сто ящей в стороне от области научных исканий, как и гипо теза специального божественного акта творения...
...Остаются три возможности: 1) жизнь создалась на Земле при космических стадиях ее истории в условиях, не повторявшихся в позднейшие геологические эпохи; 2) жизнь была на Земле и в космические эпохи ее было го, она извечна; 3) жизнь, извечная во Вселенной, явилась новой на Земле, ее зародыши приносились в нее извне по стоянно, но укрепились на Земле лишь тогда, когда на Зем ле оказались благоприятные для этого возможности».
В.И. Вернадский принял для себя третий вариант — космический перенос латентных форм жизни, ибо «жизнь есть явление космическое, а не специально земное»; он писал о космическом живом веществе. В.И. Вернадский считал, что живое вещество в принципе не могло возник нуть из той материи, которая была им охарактеризована как материя «косная». Согласно развиваемой Вернадским концепции, жизнь во Вселенной вечна, так же как и сама Вселенная. Важным моментом в этой теории оказывает ся привнесение на Землю живого вещества из глубин кос моса. Но этот источник был привнесен не в молекулярном плане (не как совокупность живых молекул), а в форме постоянно действующих во Вселенной биологических по лей. Функционирование этих полей таково, что живые молекулы формируются везде, где имеются для этого необходимые условия. В последнее время появились дока-
416
зательства реального существования этого всепроникающе го биологического поля.
Авторитетный научный журнал «Нейчур» опубликовал сообщение, которое буквально потрясло научный мир. Уче ные брали антитела и в виде раствора прибавляли их к живым клеткам крови. Конечно, эти клетки дегранулиро-вали (деструктуировались) и погибали. Затем начинали растворять эти антитела водой и вновь добавляли к клет кам крови. Клетки вновь распадались. Но по логике дол жен быть найден предел, после чего антитела перестают действовать, т. е. их концентрация становится очень сла бой. Но не тут-то было! Исследователи довели растворе ние до невероятной концентрации — 10120 (для сравне ния: во всей Вселенной количество элементарных частиц не более 1070), но даже в такой концентрации сыворотки действовали. В растворе заведомо не существовало ни одной молекулы активного вещества, но дегрануляция продолжалась. Как же переносилась информация, если даже не было следов материального носителя этой инфор мации? Значит, в результате опыта было установлено, что биологическая информация может передаваться не только при помощи молекул, а принципиально иным путем. Этот неучтенный агент является переносчиком биологическо го поля.
Широко известны слова В.И. Вернадского: «Твари Земли являются созданием сложного космического про цесса и закономерной частью стройного геокосмического механизма, в котором, как мы знаем, нет случайности». В.И. Вернадский писал о существовании «определенного направления в эволюционном процессе, неизменно на всем его протяжении, в течение всего геологического времени. Взятая в целом палеонтологическая летопись имеет харак тер не хаотического изменения, идущего то в ту, то в дру гую сторону, а явления, определенно развивающегося все время в одну и ту же сторону, в направлении усиления со знания, мысли и создания форм, все больше усиливающих влияние жизни на окружающую среду».
С самого начала своего возникновения земная биосфе ра представляла собой область земной коры, в которой энергия космических излучений трансформировалась в та кие виды земной энергии, как электрическая, химическая, механическая, тепловая и т. д. В.И. Вернадский пишет
14. Зак 671 417
так: «Благодаря этому история биосферы резко отлична от истории других частей планеты, и ее значение в планетном механизме совершенно исключительное. Она в такой же, если не в большей, степени есть создание Солнца, как и выявление процессов Земли»11.
Автоматическое регулирование биосферы, обусловленное единством порядка и хаоса, объясняет и происхождение жизни, ибо существование хаоса и регулярного, циклического движения играет роль в образовании биологических струк тур. Ведь хаотическое поведение является типичным свой ством многих систем (природных и технических), оно за фиксировано в периодически повторяющихся стимуляци ях клеток сердца, в химических реакциях, при возник новении турбулентности в жидкостях и газах, в электри ческих цепях и других нелинейных динамических систе мах, оно проявляется в диссипативных структурах, как их назвал И. Пригожин. Диссипативные структуры обладают следующими признаками, без которых невозможна самоор ганизация системы: они открытые, необратимые и нелиней ные. В процессе возникновения земной жизни основную роль сыграли самоорганизующиеся системы — результат их специфического отбора на пути длительной эволюции и есть жизнь. Природа «изобрела» не только принцип про граммного регулирования по разомкнутому циклу, но и принцип автоматического управления в замкнутом цикле с обратной связью в живых системах. Таким образом, ки бернетический подход также выявляет космопланетарный характер земной биосферы.
Космические излучения, генерируемые ядром Галактики, нейтронными звездами, ближайшими звездными системами, Солнцем и планетами, пронизывают биосферу, проникают во всю ее и все в ней. В этом потоке разнообразных излу чений основное место принадлежит солнечному излучению, которое обусловливает существенные черты функциониро вания механизма биосферы, космопланетарного по своему существу. В.И. Вернадский пишет об этом следующее: «Солнцем в корне переработан и изменен лик Земли, про низана и охвачена биосфера. В значительной мере биосфера является проявлением его излучений; она составляет пла нетный механизм, превращающий их в новые разнообраз ные формы земной свободной энергии, которая в корне ме няет историю и судьбу нашей планеты». И если ультрафи-
418
олетовые и инфракрасные лучи Солнца косвенно влияют на химические процессы биосферы, то химическая энергия в ее действенной формы получается из энергии солнечных лучей при помощи живого вещества — совокупности жи вых организмов, выступающих в качестве преобразователей энергии. Это значит, что земная жизнь отнюдь не является чем-то случайным, она входит в космопланетарный ме ханизм биосферы.
Данные, которыми располагает современная наука, сви детельствуют, что живое вещество только в том случае прогрессивно развивается, если оно своей жизнедеятельно стью увеличивает упорядоченность среды своего обитания.
Для разумной формы живого вещества эти законы име ют особое, решающее значение. Земная разумная форма жизни — человечество — выполняет их, обеспечивая два вектора своего бессмертия: биологическое продолжение рода (общее свойство земного живого вещества) и духовно-куль турное, в конечном счете космическое бессмертие (творче ский вклад в создание ноосферы). Именно творческая актив ность как чисто человеческое свойство разумной жизни для каждого человеческого существа является основой и гаран тией его индивидуального, личностного развития и продол жительной активной жизни. В целом это выражается в прогрессе человеческих популяций, всего человечества, в развитии его психофизиологического, биологического, гло бального здоровья.
Понять сущность жизни, живого планетарного вещества, его разумной формы — человечества, человека, рассматри вая лишь изолированное пространство Земли, видимо, не удастся. Земная жизнь неотрывна от космических процес сов, включена во всеединство мирового целого (универсу ма). Пути прогресса человечества, так же как сопровож дающие его жизнь противоречия, напряженность, катаст рофы, могут быть постигнуты и подвергнуты регули рованию только на основе широкого понимания антропо-космического характера социально-природной эволюции че ловека, его перспектив. Выдвигая гипотез о космических масштабах распространения живого вещества во Вселен ной, мы исходим из того, что принципы бесконечности, не исчерпаемости материи справедливы в отношении вклю ченности жизни и даже разумной ее формы как возможных
14* 419
равноправных компонентов эволюции Вселенной во все единство универсума.
Научные взгляды В.И. Вернадского отразили сложней шие взаимосвязи неживой и живой природы, косного и живого вещества.
Целостный охват явлений природы, материального Кос моса (научно понимаемое всеединство) он сочетал с есте ственно-историческим подходом, со стремлением просле живать процессы мироздания в их развитии. Ученый на стойчиво анализировал такие фундаментальные аспекты диалектики природы, как взаимосвязь макро- и микрокос моса, пульсация материальных и энергетических потоков в косном и живом веществе (геохимические, биогеохими ческие и космохимические процессы), биологическое един ство и эволюция планеты Земля, появление и становление человека как разумной формы жизни и нового геологичес кого агента в эволюции Земли. Прослеживая развитие био сферы и заполняющего ее монолита живого вещества, усиливающееся, обретающее геологическую мощь воздей ствие человека на биосферу, В.И. Вернадский завершает свои исследования новым обобщением. Он формулирует учение о ноосфере («ноос», или «нус», означает разум) как особом периоде в развитии планеты и окружающего кос мического пространства. Ноосфера включает в себя соци альные и природные явления, взятые в их целостности, в их единстве и противоречиях. Становление ноосферы оп ределяется социально-природной деятельностью человека, его трудом и знаниями, т. е. тем, что относится к космо-планетарному измерению человека.
Сейчас достаточно очевидна кардинальная противоречи вость становления ноосферы и человека как ее создателя. На космопланетарный процесс ноосферогенеза ложится пе чать возможного социально-природного апокалипсиса.
Второй тезис Вернадского связан с геологической ролью человека и человечества. Его глубочайшее убеждение состо яло в том, что планета вступает в новую стадию своего развития, на котором определяющую роль будет играть человек разумный как сила невиданного масштаба. Обна ружилось, что связь человека с природой настолько всеобъ емлюща и глубока, что любое действие, как и бездействие тоже, отражается на состоянии этой среды. Гигантская геологическая деятельность человечества наглядна, она
420
стала видна невооруженным взглядом. Мы не знаем сей час такого быстротекущего природного геологического про цесса, с которым можно было бы сравнить мощь человече ства, особенно теперь, когда оно вооружено огромным ар сеналом всяческих воздействий на природу, в том числе и фантастических по мощности разрушительных сил.
В формулах Вернадского о человеке как геологической силе особенно важен акцент на геологическом понимании роли разума. Вернадский рассматривал биосферу как одну из геосфер, как геологическую оболочку, а не так, как это упрощенно понимают некоторые, даже видные ученые — лишь как живую пленку планеты, т. е. «свободное» от гео логического прошлого и физической среды собрание живых организмов. Важно понимать и представлять нерасторжи мую сопряженность живого вещества, как выражался Вер надский, со всеми вещественными структурами Земли.
Человек в своих антропологических, социальных, исто рических гранях есть существо далеко еще не совершенное, в определенном смысле «кризисное». Тем не менее суще ствует идеал и цель высшего, духовного Человека, тот идеал, который и движет им в его росте, в превозможении соб ственной природы. Также и его создание — ноосфера — есть еще достаточно дисгармоничная, находящаяся в состо янии становления реальность, но вместе с тем и высший идеал этого становления. Ведь человек — единственное из живых существ, которое не только живет, и живет тем, что есть, но постоянно соотносит свою жизнь с тем, что долж но быть, и стремится к этому. (Человек вообще был создан природой — и эволюцией — как какое-то замечательное и постоянно «недовольное» существо. Тем самым она слов но гарантировала ему — и себе — стимул к дальнейше му развитию.)
Дальнейшее развитие человечества состоит, «наряду с разрешением социальных проблем, в изменении формы питания и источников энергии, доступных человеку». Вер надский имеет в виду овладение новыми источниками энергии, в том числе энергией Солнца, а также «непосред ственным синтезом пищи, без посредничества организован ных существ». Он представляет этот колоссальный эволю ционный поворот человечества в самом общем виде через достигнутое умение поддерживать и воссоздавать свой орга-
421
низм, как это делает растение, из самых элементарных при родных неорганических веществ.
Сейчас Человек, как и все прочие природные твари, в отличие от растений и некоторых бактерий, — существо гетеротрофное и может, как пишет Вернадский, «строить и поддерживать существование и неприкосновенность свое го тела только усвоением других организмов или продуктов их жизни».
Автотрофными (т. е. самопитающимися) были названы растения.
Автотрофные растения — фундамент великого косми ческого процесса образования и развития области жизни; они находятся как бы посредине между двумя потоками: потоком энергетических процессов неживой материи, неиз бежно приводящих к затуханию (второй закон термодина мики), и потоком эволюции живого вещества, идущего с увеличением энергии, организации, сложности (негэнтро-пия, антизнтропия, как бы третий закон термодинамики живого).
Русский биолог С.Н. Виноградский в 1888 году доказал «существование живых автотрофных существ, лишенных хлорофилла. Это существа невидимые, бактерии, изобилу ющие в почвах, в верхних слоях земной коры, проникаю щие в глубокие толщи всемирного океана».
К.Э. Циолковский писал о будущем человеке, «живот ном космоса», прямо ассимилирующем в своем «питании» солнечные лучи и элементарные вещества среды и могущем быть бессмертным. Прочное нравственное совершенствова ние человека оказывается возможным только вместе с физическим его совершенствованием, освобождением от тех природных качеств, которые заставляют человека пожирать, вытеснять, убивать и самому умирать.
Вернадский высочайшим образом оценивал будущую реализацию идеала автотрофности для всего человечества: «Последствия такого явления в механизме биосферы были бы огромны. Это означало бы, что единое целое жизнь — вновь разделилась бы, появилось бы третье, независимое ее ответвление... Человеческий разум этим путем не только создал бы новое большое социальное достижение, но ввел бы в механизм биосферы новое большое геологическое до стижение...
422
В конце концов, будущее человека всегда большей ча стью создается им самим. Создание нового автотрофного существа дает ему отселе отсутствующие возможности ис пользования его вековых духовных стремлений».
7.2. Космические циклы
Вернадский высказывал предположение, что революци онные изменения в морфологии живых существ соотноси мы с так называемыми критическими периодами геологи ческой истории планеты, движущие пружины которых вы ходят за пределы только земных явлений. Речь, возможно, идет о каком-то пока не понятом и не исследованном кос мическом воздействии. Интенсивность не только геологи ческих процессов, но и эволюционно-органических «связана с активностью биосферы, с космичностью ее вещества. При чины лежат вне планеты». Становление предков современ ного человека находится в прямой связи с ритмическими изменениями климата нашей планеты, которые являются результатом интегрального отражения взаимодействия всех геосфер нашей планеты друг с другом и с космосом. Космические воздействия слагаются из гравитационных и корпускулярных. Первые связаны с изменением орбит Зем ли и Солнца под воздействием других планет и галактик, им присущ средне- и долгопериодический характер (все известные климатические циклы, начиная с цикла продол жительностью 35—45 тыс. лет и кончая циклом 200 тыс. лет, так или иначе связаны с орбитальными циклами). Вторые пока еще не исследованы, вероятно, они являются причиной короткопериодических климатических ритмов с длительностью в единицы, десятки, сотни и первые тыся чи лет.
Обусловленные гравитацией колебания скорости вра щения Земли, ее углового момента вызывают изменения атмосферно-океанической циркуляции, тогда как колеба ния потока корпускулярных частиц ответственны за изме нения стратосферных течений. Немаловажную роль в обо их случаях играет магнитное поле Земли. Однако до сих пор механизм этой глубокой связи магнитного поля с кли матом, а через него и со всей биосферой, не выяснен. Уста новлено, что орбитальные климатические ритмы (400 тыс.; 1,2; 2,5; 3,7 млн лет) являются рабочими хро-
423
нометрами биосферы, среди них — 400-тысячелетний ритм служит основной причиной крупнопериодических из менений климата и эволюции органического мира. Этот ритм выявлен геологами из последовательности леднико вых событий и только потом обнаружен астрономами. Внутри данный ритм членится на 6—8 фаз, причем станов ление и развитие живого вещества биосферы, в том числе и предков человека, полностью подчиняются этому клима тическому ритму с его фазами.
С циклическими (периодическими) процессами мы встречаемся на различных уровнях развития материи, на чиная космическими и кончая социальными процессами. Данные науки свидетельствуют о том, что ритм и перио дичность управляют Вселенной, живыми организмами, со циальными явлениями. Ритм как бы «запрограммирован» сущностью движения, без которого бесконечный мир про сто не может существовать, он выступает в качестве основ ного закона природы и общества. Ритмы крайне разнооб разны, их нельзя сводить друг к другу, ибо на каждом уров не иерархической Вселенной мы встречаемся с качественно различными ритмическими процессами и структурами.
Наличие циклических процессов в явлениях жизни позволяет выдвинуть предположение о существовании циклических закономерностей в топологии энантиоморф-ного биологического пространства — времени. Простран ство это имеет энантиоморфную (право-левую) природу и принципиально отличается от пространства неживого ве щества. Получается так, что если неживое вещество состо ит из равного количества правых и левых молекул, то в живых органических системах используется только одна из этих форм. В дальнейшем было установлено, что живые организмы содержат левые аминокислоты и правые саха ра. Таким образом, все белки живых организмов состоят из левых аминокислот.
Отсюда Пастер сделал вывод, что продуцирование оп тически активных соединений в одной-единственной фор ме (правой или левой) является исключительной привиле гией жизни.
Давались разные объяснения этому загадочному феноме ну. Пастер полагал, что асимметрия (хиральность) жизни обусловлена космической асимметрией или неким космичес-
424
ким фактором. Этой идеи придерживался В.И. Вернадский, указывая на право-левый характер галактических спиралей и на право-левую природу космического вакуума. Диссим-метрию живого существа Вернадский понимает как «осо бое, строго определенное состояние пространства».
Данная идея не получила достаточного осмысления в современной науке. Вернадский предложил нетрадицион ный и оригинальный подход к объяснению происхожде ния и сущности жизни. Пространство-время он рассмат ривает не в аспекте его проявления в природе, а как фак тор, определяющий специфические черты биологической организации материи. Так, асимметрия живого вещества является следствием особой топологии пространственно-временного субстрата, в котором «не могут одинаково образоваться... правые и левые молекулы химических со единений». Хиральность — атрибутивное свойство биоло гического пространства-времени, которое пока еще не из вестным нам образом воздействует на вещество.
Вернадский обосновал положение, что все характерис тики жизни и времени совпадают: и жизнь, и время не обратимы; они никогда не текут вспять; они всегда направ лены одинаковым образом — из прошлого в будущее, т. е. асимметричны. Время биологически содержательно, оно строится причинно-обусловленными событиями: сменой поколений. Рассмотренное таким образом время ничуть не похоже на физическое или космическое бесструктурное аморфное время, не имеющее никакого содержания, а только мерные единицы, причем способ их получения не имеет принципиального значения.
Биологическое время, как называет его Вернадский, имеет совершенно четкие мерные единицы, которые нельзя заменить никакими другими. Если все время существова ния жизни представить как единый монолит, то его «се кундами» будут сами организмы. Какие именно из них выбрать за эталонные единицы для всего живого — вопрос науки. Сам Вернадский считал мерными единицами деля щиеся бактерии. Их изучение должно дать нам представ ление о внутреннем строении пространства и времени.
На основании исторического материала крупный рус ский ученый В.М. Бехтерев сделал вывод, «что везде и всюду появление коллективной деятельности, как и прояв-
425
ление индивидуальной жизни, подчиняется закону ритма, имеющего, таким образом, всеобщее значение». Человек как биосоциальное существо фокусирует в себе многооб разие ритмов, порожденное биологической и социокуль турной эволюцией.
Вся человеческая деятельность — от организма до ис тории — пронизана самыми разнообразными ритмами. Так, специальный анализ выявил строгие закономерности в ритмических процессах центральной нервной системы животных и человека. Эти закономерности отражают чув ствительность нервных процессов к скорости и ускорени ям внешних ритмических воздействий. На основе этого выдвигается предположение о возможности возникновения более высоких, а именно, психологических форм отражения на основе филогенетически древних собственных ритмичес ких образований мозга.
У каждого живого существа и у каждой социальной системы есть свой внутренний ритм. Но все они настраи ваются на те колебания, которые оказывают на них вли яние, и вынуждены приспосабливаться к ним тем больше, чем колебания сильнее. Могут быть и конкурирующие ритмы, но побеждают более мощные. И среди них вне кон куренции стоит Солнце как колебательный источник энер гии, влияющий на все живое на Земле. Если оно оказыва ет влияние и на общественные явления, то их изучение ста новится крайне важным для настройки на солнечные и другие космические колебания, особенно если те носят пе риодический характер. Космическое влияние следует рас сматривать в синтезе с внутренней цикличностью биологи ческой и социальной жизни.
В то же время Солнце, как внешний и мощный источ ник энергии, настраивает все земные процессы, в том чис ле и в обществе. Циклы Солнца — это часы, регистриру ющие смену его активности. И если бы удалось устано вить, что смена солнечной активности связана со сменой социальных форм общественной жизни, то можно было бы говорить о настройке социальных циклов на солнечные или хотя бы о влиянии солнечной цикличности на соци альные перемены. И если бы связь удалось установить, то человечество получило бы в свои руки мощный ускоритель полезных эффектов и гаситель негативных. Например,
426
было бы известно, когда лучше начинать крупные рефор мы в обществе — в год негативного или пассивного Сол нца. Проведение перемен и их прогнозирование осветилось бы разумом более высокого порядка. Конечно, необходи мо исследовать и использовать весь комплекс космических ритмов для настраивания социальных процессов. Поэтому конечная цель изучения всех ритмических процессов — это сознательное управление ими в пределах человеческих возможностей.
Основателем гелиобиологии является известный русский ученый АЛ. Чижевский. Его основная научная линия — исследование влияния солнечной активности на все живое.
Главная идея А.Л. Чижевского — это связь истори ческих событий с солнечной активностью. Вот одна из его центральных мыслей, высказанная в книге «Физические факторы исторического процесса»: «Более или менее дли тельные исторические события, продолжающиеся в тече ние нескольких лет и получающие решительное проявле ние в эпоху максимума солнцедеятельности, а также со путствующая этим событиям эволюция идеологий, массо вых настроений и пр., протекают по всеобщему историче скому циклу, претерпевая следующие ясно обнаруживаемые этапы:
I период минимальной возбудимости;
II период нарастания возбудимости;
III период максимальной возбудимости;
IV период падения возбудимости.
Эти четыре этапа (назовем их периодами) стремятся быть вполне одновременными с соответствующими им эпо хами солнцедеятельности: минимумом пятен, нарастани ем максимума, максимумом и убыванием максимума с переходом в минимум».
Такова, если говорить предельно кратко, идея функци ональной связи общественной возбудимости (войн, револю ций, массовых движений) с солнечной активностью. Связь эта, если она есть, может быть только статистической, т. е. не соблюдаться во всех случаях. И это понятно, потому что на любое социальное явление влияет множество факторов. Из них мы обычно отдаем приоритет экономическим и политическим противоречиям — социальным двигателям исторического прогресса. Тем не менее, если эта связь хотя
427
бы в небольшом числе случаев имеет место, она должна исследоваться и учитываться. Необходимость этого важна еще и потому, что она, возможно, ведет к доказательству великой гипотезы об универсальности явления циклично сти всех земных и космических процессов. «И кто зна ет, — пишет А.Л. Чижевский, — быть может, мы, «дети Солнца», представляем собой лишь слабый отзвук тех виб раций стихийных сил космоса, которые проходят окрест Земли, слегка коснулись ее, настроив в унисон дотоле дре мавшие в ней возможности...» Там же он пишет: «Среди великого разнообразия массовых явлений в разные времена перед нами всей ясней и ясней обнаруживается стихийный ритм в их жизни, одновременность в биении их пульса, одновременные смены мощных подъемов и глубоких паде ний. И представим себе, что мы изучили этот ритм, овла дели им так, что можем управлять, можем прогнозировать подъемы и спады. Представим и поймем, как возрос бы эффект наших действий и скольких потерь можно было избежать, что дает такая методика для выявления новых закономерностей в мировой истории».
Изучив историю 80 стран и народов за 2 500 лет, А.Л. Чижевский показал, что с приближением к годам мак симума солнцедеятельности количество исторических собы тий с участием масс увеличивается и достигает своей наи большей величины в эти годы. Наоборот, в минимумы актив ности солнца наблюдается минимум массовых действий.
Всегда считалось, что из прошлого можно извлекать уроки для будущего, ибо в основе эволюции общества ле жит вполне определенная ритмичность (ее анализ дан в известной 12-томной работе А. Тойнби «Исследования по истории»). Эта ритмичность оказывала помощь в предви дении тенденций развития общественной системы или ее подсистем. Например, исследование исторических колеба ний в развитии экономики привело к открытию в ней за конов циклов, которые используются в процессе планиро вания будущего. Однако мы живем в эпоху, не имеющую исторического прецедента, в эпоху невиданных раньше из менений и открытий. Поэтому весьма опасно экстраполи ровать тенденции прошлого на будущее, ибо механизмы саморегуляции общественной системы оказались неэффек тивными.
428
7.3. Цикличность эволюции. Человек как космическое существо
Прежняя механистическая наука рисовала мрачную картину Вселенной, где властвует всемогущая тенденция к возрастанию случайности и энтропии, где все движется к неизбежной тепловой смерти и распаду (диктат второго закона термодинамики). Ее опровержению послужили исследования нобелевского лауреата Ильи Пригожина (1984 г.) по так называемым диссипативным структурам в определенных химических процессах и открытый им но вый принцип, лежащий в их основе, — порядок через флуктуацию. Дальнейшие исследования показали, что это му принципу подчинены не только химические процессы: он представляет собой базисный механизм развертывания эволюционных процессов во всех областях — от атомов до галактик, от отдельных клеток до человеческих существ и вплоть до обществ и культур.
На основании этих наблюдений появилась возможность сформулировать единую точку зрения на эволюцию, объе диняющим принципом которой является не стабильное состояние, а динамические состояния неуравновешенных систем. Открытые системы на всех уровнях являются носителями всеобщей эволюции, которая гарантирует, что жизнь будет продолжать свое движение во все более но вые динамические режимы сложности. Всякий раз, когда какие-либо системы в любой области начинают задыхаться от энтропийных отходов, они мутируют в направлении но вых режимов. Одна и та же энергия и те же принципы обеспечивают эволюцию на всех уровнях, будь то материя, информация или ментальные психические процессы. Мик рокосм и макрокосм являются аспектами единой эволю ции. Эволюция человека является значимой составной частью вселенской эволюции.
По теории британского биолога Р. Шелдрейка, изло женной в его книге «Новая наука жизни» (1981 г.), фор ма, развитие и поведение организмов определяются «мор фогенетическими полями», которые в настоящее время еще не могут быть измерены физикой, но эти поля создаются формой связи через пространство и время и обладают ку мулятивными свойствами. Если у достаточного числа пред ставителей вида развились какие-то организменные свой-
429
ства или особые формы поведения, это автоматически пе редается другим особям, даже если между ними нет обыч ных форм контакта. Какой бы неправдоподобной и абсур дной ни казалась эта теория механически ориентирован ному уму, она проверяема, и уже сейчас, на своем раннем этапе, она подтверждается экспериментами на крысах и обезьянах. Шелдрейк вполне осознает, что его теория имеет далеко идущие приложения в психологии, и сам говорит о ее связи с юнговской концепцией коллективного бессоз нательного. К. Юнг еще в 30-40-е годы XX века пришел к выводу, что в психике человека помимо сознания и ин дивидуального бессознательного компонента, между кото рыми происходит непрерывный обмен энергией, существу ет еще коллективное, расовое бессознательное, общее для всего человечества и являющееся проявлением созида тельной космической силы.
Коллективное бессознательное, в отличие от индивиду ального (личностного бессознательного), идентично у всех людей и потому образует всеобщее основание душевной жизни каждого человека, наиболее глубинный уровень пси хики. «Коллективное бессознательное — предпосылка каждой индивидуальной психики, подобно тому как море есть предпосылка каждой отдельной волны». Между от дельным человеком и другими людьми все время протека ют процессы «психического проникновения». Юнг счи тал коллективное бессознательное творческим принци пом, связывающим человека со всем человечеством, с природой, с космосом и Вселенной.
Коллективное бессознательное как духовное наследие всего, что было пережито человечеством, как общая душа, не имеющая временных пределов, представляет собой сово купность архетипов. Архетипы — «психические первооб разы, скрытые в глубине фундаменты, корни сознательной души, опущенные в мир в целом», — это системы устано вок, являющихся одновременно и образами, и эмоциями; они передаются по наследству вместе со структурой мозга, «это та хтоническая часть души, через которую душа свя зана с природой, миром, космосом».
Архетипы, с одной стороны обусловливают предраспо ложенность к поведению определенного типа, основные коллективные идеи, образы человечества в ту или иную
430
эпоху, а с другой стороны, влияют на физический мир, космос, являются неким связующим звеном между мате рией и психикой.
Таким образом, Юнг положил начало трансперсональ ной психологии, которая рассматривает человека как космическое и духовное существо, неразрывно связанное со всем человечеством и Вселенной, обладающее возмож ностью доступа к общемировому информационному полю.
Идеи трансперсональной психологии получили дальней шее развитие в исследованиях Ассаджиоли, С. Гроффа, Ч. Тойча, К. Уилбера.
Концепция и практический опыт психотерапевтической работы доктора Ч. Тойча подтверждают, что жизнь и про блемы людей во многом предопределяются обстоятельства ми судьбы их предков (родителей, бабушек, дедушек, пра бабушек, прадедушек и т. п.), «генетическим кодом». Мо лекулы ДНК несут не только генетический код насле дуемых биологических и физиологических особенностей организма, предрасположенный к определенным болезням, но также и генетический код, определяющий паттерны по ведения, предрасположенность к определенным проблемам, событиям, жизненным трудностям. Выявив и осознав не благоприятный «семейный генетический код», человек мо жет избежать участи «жертвы кода», силой своей мысли и целенаправленной системой продуманных практических действий «перестроить свой генетический код» (хотя это сложно), эволюционировать, совершенствовать себя, свою жизнь, судьбу.
Рассматривая мысль человека как мощную силу, как энергетическую волну, а разум — как электромагнетичес кий бесконечный континуум, окружающий весь наш мир, включая всех людей, животных и все объекты неживой природы, следует признать, что в этом поле движущихся волн каждое существо имеет свою частоту, и волны, излу чаемые мозгом, направляются каждым человеком подхо дящему принимающему сознанию, с тем, чтобы возбудить соответствующий отклик. Причем излучения мозга не имеют ограничений во времени и пространстве. Таким образом, происходит психическое взаимодействие (взаимо влияние, обмен информацией и проблемами) между людь ми на неосознаваемом уровне. Каждый человек отража-
431
ет подсознание другого человека, возможна передача ин формации и состояний из бессознательной сферы одного че ловека в бессознательную сферу психики другого (особенно если они находятся в близких отношениях: супруги, ро дители и дети, друг, близкий коллега) и даже животных (животные отражают психическое состояние своих вла дельцев).
Ч. Тойч показал, что человек свои проблемы, свой стресс может проявлять тремя способами:
внутричеловеческий, когда человек проявляет, выражает
свой собственный стресс через недомогание, болезни, пе
реедание, злость, алкоголизм, смерть или другие формы,
являющиеся генетически предсказуемыми;
межчеловеческий, когда проблема, стресс вытесняется
у человека-репрессора на бессознательный уровень и
неосознанно проецируется, передается другому чело
веку (экспрессору) на бессознательном уровне. Таким
образом, экспрессор (это может быть супруг, ребенок,
друг) будет ощущать подсознательно этот стресс и вы
ражать его внешне в разных формах (злость, болезни,
пьянство, наркомания), т. е. быть невольной «жертвой»
«заразного чужого стресса». При этом репрессор —
первоисточник стресса — кажется спокойным, здоро
вым, благополучным;
генетический, когда потомкам посредством генетичес
кого кода передаются те проблемы, которые не преодо
лены человеком; и дети, внуки, правнуки являются не
вольными «жертвами» проблем и «грехов» своих пред
ков. Чем серьезнее недостаток или проблема, тем быст
рее он переходит к потомкам, причем неустраненный
стресс предка будет развиваться по своей интенсивно
сти, т. е. он передается из поколения в поколение и
усиливается современными ситуациями. Этот бессозна
тельный процесс передачи будет продолжаться до тех
пор, пока не произойдет случайная модификация, или до
тех пор, когда один или несколько потомков решат эту
проблему и сделают внутреннюю сознательную попытку
все понять и преодолеть навязчивый паттерн проблем
и поведения. Таким образом, смысл жизни многих
людей — преодолеть проблему предков, очистить
ДНК и не создавать новых тягостных проблем, за ко-
432
торые будут расплачиваться потомки. Соединение ге нетических, бессознательных и сознательных факторов образует основное внутреннее направление (ОВН), в
соответствии с которым человек движется по жизни, зачастую независимо от своих сознательных реакций. Излучение ОВН притягивает взаимодополняющих людей. Так, «жертва» не может быть без «преследова теля», образ которого могут принимать люди, болезни, несчастный случай или смерть. Только когда мы изме ним наше сознание, мы можем преобразовать нежела тельный паттерн поведения, нежелательный семейный код проблем «для блага нас и наших потомков». Опи санная выше концепция Ч. Тойча психогенетики и виктимологии раскрывает один из аспектов тесной вза имосвязи человека с предками и потоками, «психиче ской неосознаваемой связи» людей друг с другом. Трансперсональная психология подчеркивает, что чело век взаимосвязан не только с предками, потомками, дру гими людьми и всем человечеством, но и со всем миром, биосферой, космосом, Вселенной. Эти положения созвуч ны идеям Вернадского о биосфере и ноосфере.
Как уже говорилось, В.И. Вернадский считал, что Зем ля и остальной космос являются единой системой, в кото рой живое вещество связывает в единое целое те процес сы, которые протекают на Земле, с процессами в Космосе. Вернадский поднимается на гениальную высоту в осозна нии геологической роли человеческого разума, приведшего к преобразованию биосферы в сферу вселенского разума — ноосферу.
Конкретным проявлением ноосферы в нашем повсе дневном мире являются многочисленные парапсихологи-ческие явления, связанные с так называемым информаци онным полем. Термин этот появился недавно и заменил старое понятие Всемирного разума. Во все времена услуга ми этого разума пользовались люди с самым развитым интеллектуальным мышлением.
Информационное поле содержит информацию обо всем во Вселенной и способно зарождать жизнь и направлять ее развитие. Это поле пронизывает всю Вселенную от края до края и содержит в себе информацию о прошлом, настоя щем и будущем. Ведь не располагая такой информацией,
433
нельзя оказывать направленное воздействие на развитие в будущем. Более того, можно предположить, что это не только информационное поле и огромный банк информации обо всем во все времена, но и абсолютный Разум. Ведь непре рывно должна идти переработка огромного количества ин формации и выработка оптимальных решений.
Ученые предполагают, что информация о каждом пред мете, об объектах живых и неживых имеется во всех точ ках Вселенной одновременно. Она не передается с одного пункта в другой каким-либо способом, с какой-либо огра ниченной скоростью, она просто существует везде и всегда. И задача только в получении, считывании этой информа ции. Это и есть информационное поле Вселенной. Акаде мик М.А. Марков так охарактеризовал информационное поле: «...Информационное поле Земли слоисто и структур но напоминает «матрешку», причем каждый слой связан иерархически с более высокими слоями, вплоть до Абсолю та, и является, кроме банка информации, еще и регулято ром начала в судьбах людей и человечества». В.Н. Пуш кин пишет: «Необходимо еще раз вспомнить о единстве информационных процессов в жизни и психике». Голо графическая природа Вселенной, в том числе и биополя человека и его мозга, означает, что информация обо всем содержится одновременно везде и в полном объеме. Вывод из этого звучит достаточно необычно: в каждом из нас содержится информация абсолютно обо всем, что происхо дит и происходило во Вселенной — в полном объеме. Это звучит необычно, потому что эту информацию мы хотя и содержим, но ею не располагаем, не осознаем ее, но можем ее использовать. Значит, голографическое строение Вселен ной (в том числе и нас самих) неизбежно приводит к тому, что информационное поле Вселенной находится в каждом из нас. Если говорить на языке ранее применяемых терми нов, то Бог находится в каждом из нас.
Современные психологи, представители трансперсональ ной психологии в ходе многолетних практических экспе риментов создали модель человеческой души, в которой признается значимость духовного и космического измере ний и возможностей для эволюции человека. Огромную известность из многих представителей трансперсональной психологии получил Станислав Грофф своими исследова-
484
ниями по изучению измененных состояний сознания. Сна чала с помощью психоделических препаратов (главным образом ЛСД), потом с помощью психотерапии, с исполь зованием специального дыхания и музыки (ребефинг, го-лотропное погружение) он вводит своих пациентов в осо бое состояние. Начинаются удивительные переживания, которые невозможно объяснить в рамках старой материа листической системы взглядов. Человек переживает заново не только свое собственное рождение, но и все стадии внут риутробного развития. По мнению С. Гроффа, трансперсо нальные явления обнаруживают связь человека с космо сом — взаимоотношение, в настоящее время непостижимое. Глубокое исследование индивидуального бессознательного становится эмпирическим путешествием по всей Вселен ной, в ходе которого сознание человека выступает за обыч ные пределы и преодолевает ограничения временя и про странства. Трансперсональные переживания интерпретиру ются испытавшими их как возвращение в исторические времена и исследование своего биологического и духовно го прошлого, когда человек проживает воспоминания жизни предков, свои воплощения. Трансперсональные явления включают не только преодоление временных барьеров. К ним относится опыт слияния с другим человеком в со стоянии двуединства (то есть чувство слияния с другим организмом в одно состояние без потери собственной са моидентичности) или опыт полного отождествления с ним; подстройка к сознанию целой группы лиц или расширение сознания до такой степени, что кажется, будто им охвачено все человечеств. Сходным образом индивид может выйти за границы чисто человеческого опыта и подключиться к тому, что выглядит как сознание животных, растений или даже неодушевленных объектов и процессов. Важной ка тегорией трансперсонального опыта с трансценденцией вре мени и пространства будут разнообразные явления экстра сенсорного восприятия — например, опыт существования вне тела, телепатия, предсказание будущего, ясновидение, перемещение во времени и пространстве, опыт встреч с ду шами умерших или со сверхчеловеческими духовными сущ ностями (архетипические формы, божества, демоны и т. п.). В трансперсональных переживаниях люди часто получают доступ к детальной эзотерической информации о соответ-
435
ствующих аспектах материального мира, которая далеко превосходит их общую образовательную подготовку и спе цифические знания в данной области. Так, сообщения лю дей, испытавших трансперсональные переживания и пере живших эпизоды эмбрионального существования, момент оплодотворения и фрагменты создания клетки, ткани и органа, содержали медицински точные сведения об анато мических и физиологических аспектах происходивших про цессов. Подобным образом наследственный опыт, элементы коллективного и расового бессознательного (в юнговском смысле) и воспоминания прошлых воплощений часто со держат примечательные детали исторических событий, ко стюмов, архитектуры, оружия, искусства или религиозной практики древних культур (о чем человек знать никак не мог). Трансперсональный опыт иногда включает события из микрокосма и макрокосма, из областей, недостижимых непосредственно человеческими органами чувств, или из пе риодов, исторически предшествовавших появлению Солнеч ной системы, Земли, живых организмов. Эти переживания ясно указывают, что каким-то, необъяснимым пока, обра зом каждый из нас имеет информацию обо всей Вселен ной, обо всем существующем, каждый имеет потенциаль ный эмпирический доступ ко всем ее частям и в некото ром смысле является одновременно всей космической сетью и бесконечно малой ее частью, отдельной и незначи тельной биологической сущностью.
При трансперсональных переживаниях люди часто «ви дят» яркие и сложные эпизоды других культур и истори ческих периодов, проживают отдельные моменты своих предыдущих жизней. Люди, переживающие трансперсо нальные проявления сознания, начинают догадываться, что сознание не является продуктом центральной нервной си стемы и что оно как таковое присуще не только людям, а является первостепенной характеристикой существования, которую невозможно свести к чему-то еще или откуда-то еще извлечь. Человеческая психика, по существу, соразмер на всей Вселенной и всему существующему.
Хотя это и кажется абсурдным и невозможным с точ ки зрения классической логики, но человеку свойственна странная двойственность: в некоторых случаях людей можно с успехом описать как отдельные материальные объекты, как биологические машины, т. е. приравнять
436
человека к его телу и функциям организма. Но в других случаях человек может функционировать как безгранич ное поле сознания, которое преодолевает ограничения пространства, времени и линейной причинности. Для того чтобы описать человека всесторонним способом, мы долж ны признать парадоксальный факт, что человек одновремен но и материальный объект, и обширное поле сознания. Люди могут осознавать себя самих с помощью двух различ ных модусов опыта. Первый из этих модусов можно на звать хилотропическим сознанием: он подразумевает зна ние о себе как о вещественном физическом существе с чет кими границами и ограниченным сенсорным диапазоном, которое живет в трехмерном пространстве и линейном вре мени в мире материальных объектов. Переживания этого модуса систематически поддерживают следующие базовые предположения: материя вещественна; два объекта не могут одновременно занимать одно и то же пространство; про шлые события безвозвратно утеряны; будущие события эмпирически недоступны; невозможно одновременно нахо диться в двух и более местах. Другой эмпирический модус можно назвать холотропическим сознанием: он подразуме вает поле сознания без определенных границ, которое имеет неограниченный опытный доступ к различным аспектам реальности без посредства органов чувств. Переживания в холотропическом модусе систематически поддерживаются противоположными (чем у хилотропического модуса) пред положениями: вещественность и непрерывность материи является иллюзией; время и пространство в высшей степе ни произвольно: одно и то же пространство одновременно может быть занято многими объектами; прошлое и буду щее можно эмпирически перенести в настоящий момент; можно иметь опыт пребывания в нескольких местах сра зу. Жизненный опыт, ограниченный хилотропическим мо дусом, в конечном счете, лишен завершенности и чреват потерей смысла, хотя может обходиться без больших эмо циональных невзгод. А выборочный и исключительный фокус на холотропическом модусе несовместим (в то время, пока такое переживание длится) с адекватным функциони рованием в материальном мире. До сих пор традиционная психиатрия рассматривает всякое чистое переживание хо-лотропического модуса как проявление патологии. Но этот
437
подход устарел и неверен, ибо в природе человека отраже ны фундаментальная двойственность и динамическое на пряжение между опытом отдельного существования в ка честве материального объекта и опытом безграничного су ществования как недифференцированного поля сознания, т. е. и хилотропический, и холотропический модусы есте ственны для человека, а психопатологические проблемы возникают в столкновении и негармоничном смешении двух модусов, когда ни один из них не переживается в чи стом виде, не интегрируется с другим в переживании выс шего порядка.
Результаты новейшей релятивистской космологии дают человеческому духу пока только теоретическую возмож ность выхода за пределы земного существования, а стало быть, придают его конечной земной жизни качественно но вый смысл. И хотя тело человека смертно, его дух (инфор мационный сгусток) вечен. И даже в случае гибели нашей Вселенной информационный сгусток человека будет и даль ше существовать в некой форме, когда же Вселенная появит ся вновь, этот информационный сгусток сможет воплотить ся в новой форме и продолжить свое дальнейшее существо вание, т. е. его бессмертие связано с бессмертием Вселенной.
Наиболее подходящей моделью для объяснения психо физических феноменов (получение информации из недо ступного прошлого и пророчество будущего) считается го-лографическая модель, одним из вариантов которой явля ется модель «преобразования», сформулированная и раз работанная западным нейропсихологом К. Прибрамом и американским физиком Д. Бомом. В этом варианте под черкивается, что информация во Вселенной организована не посредством параметров пространства и времени, а как частотно-амплитудная структура. С этой структурой чело веческое сознание производит «преобразования Фурье», чтобы упорядочить информацию и представить ее в при вычной форме. Особенность такого рода модели состоит в том, что сознание способно при помощи «преобразования Фурье» проникать в любую часть пространства и време ни и извлекать соответствующую информацию с последу ющей ее интерпретацией.
В соответствии с моделью «преобразований» биологи ческие системы, живое вещество планеты и окружающее
438
пространство могут быть представлены как единая физи чески организованная система, подобная единой гигантской околоземной «голограмме». В этой голографической систе ме биологические организации, включая человека, его пси хические функции, не являются изолированными, так или иначе они включаются в предполагаемую единую про странственно-временную физическую организацию «памя ти». В этом информационном пространстве возможны новые пути коммуникаций в живом веществе, между его «частями». Особое место здесь принадлежит человеку с его нервно-психической и социальной деятельностью, с его памятью, связанной с памятью биосферы как целого.
Большой интерес представляет концепция коммуника ции человека с другими индивидами и явлениями окру жающего его мира при помощи биосферы. Человек как биосистема имеет память, которая связана электромагнит ным каналом с биосферой, обладающей тоже памятью. Ведь биосфера имеет дифференцированное строение — ее различные элементы выполняют различные функции чув ствительных биосферных рецепторов, которые обладают опережающим отражением будущих возмущений экологи ческого порядка. При помощи своих «сенсоров» биосфера постоянно «прослушивает», «просматривает» земные глу бины и космос, чтобы уловить малейшие сигналы возмож ных нарушений ее стабильности. Биосфера как единый природный организм обладает своего рода «сенсорно-моз говой» деятельностью и соответствующей «памятью» или «биосферно-экологическим языком». Биосфера имеет па мять, ее многообразные компоненты (отдельности, говоря языком В.И. Вернадского) — различные виды растений, животных, вид человека — накапливают информацию и в совокупности фиксируют мозаичную картину окружающего мира. Живые системы обладают биосенсорами, необычно чувствительными электромагнетическими аппаратами, ко торые позволяют поддерживать контакт с биосферой. Био сенсоры представляют собой естественные процессоры пе реработки информации: они воспринимают еле уловимые стимулы и преобразуют их в электромагнитные импульсы или оптические сигналы. Наиболее важной чертой всех биосенсоров является их необыкновенно высокая чувстви тельность, они обнаруживают одну частицу из миллиона
439
или даже миллиарда других частиц, что позволяет им по лучать информацию из окружающей среды. Электромаг нитные волны и химические вещества переносят эту инфор мацию о мире в закодированном виде в рамках самой био сферы. Закодированные образы окружающего мира цир кулируют в пространстве между землей и ионосферой и мо гут воспроизводиться в измененных состояниях сознания человека — трансперсональные переживания, гипнотичес кий транс, экстаз, сновидения, галлюцинации. Они также дают возможность человеку в определенных условиях «считывать» эту информацию, что и объясняет психофи зиологические феномены ясновидения, реинкарнационные воспоминания и т. д.
Трансперсональные переживания часто имеют глубо кую смысловую связь с паттернами событий во внешнем мире, которую не объяснить в терминах линейной причин ности. К. Юнг в связи с этим предположил существование акаузального связующего принципа синхронности, которое обозначает осмысленные совпадения событий, разделен ных во времени и пространстве, когда «определенное пси хическое состояние имеет место одновременно с одним или несколькими внешними событиями, которые возникают как значимые параллели текущему субъективному состо янию». Современные исследования сознания показывают, что человеческая психика по своему существу соразмер на всей Вселенной и всему существующему. Вселенная выступает единой и неделимой сетью событий и взаимосвя зей, ее части представляют разные аспекты и паттерны од ного интегрального процесса невообразимой сложности. Выдающийся физик Д. Бом описывает природу реально сти вообще и сознания в частности как неразрывное и ко герентное целое, вовлеченное в бесконечный процесс изме нения — холодвижение. И жизнь, и неодушевленная ма терия имеют общее основание в холодвижении, которое является их первичным и универсальным источником. Материю и сознание нельзя объяснить друг через друга или свести друг к другу, они представляют неразрывное един ство. Не исключено, что при определенных обстоятельствах индивид может восстановить свою тождественность с кос мической сетью и сознательно пережить любой аспект ее существования.
440
Для телепатии, психодиагностики, видения на расстоя нии или астральной проекции вопрос уже не в том, возмож ны ли такие явления, а в том, как описать барьер, не по зволяющий им происходить в любое время. Возможность существования сознания вне мозга человека уже серьезно рассматривается в контексте современной физики. Некото рые физики считают, что следует включить сознание в бу дущую теорию материи и размышление о физической Все ленной как наиважнейший фактор и связующий принцип космической сети. Подчеркнем еще раз: чтобы описать человека всесторонним образом, мы должны признать, что человек есть единство материального тела (биомашины) и бесконечного поля сознания, т. е. речь идет о корпускуляр-но-волновой природе человека.
О необходимости создания планетарной этики говорят К.О. Апель, С. Стоянов, Б. Матилал и другие мыслители Востока и Запада. Суть ее состоит в следующем. Прежде всего в некотором смысле мы уже живем в планетарной цивилизации, так как наиболее важные аспекты культуры (наука, техника и экономика) достаточно унифицированы, и все локальные культуры стали членами одной команды одного корабля. Чтобы этот корабль не погиб в результате клубка глобальных проблем, нужно всем осознать «коллек тивную ответственность», значимость создания «универ сальной», «планетарной» этики. Последняя должна, с од ной стороны, признавать и защищать многоликость обра зов жизни (культурный плюрализм), с другой — отстаи вать интересы человечества в целом.
Закончить изложение концепций современного есте ствознания нам бы хотелось словами известного филосо фа-гуманиста Ю.Г. Волкова: «В современных условиях физические, химические, биологические, социальные науки изучают отдельные стороны, процессы Вселенной, создавая частичное знание о мире. Синтетические, стыковые науки: физическая химия, геохимия, биофизика, биогеохимия (В.И. Вернадский) — изучают целостно лишь отдельные процессы Вселенной. Космология рассматривает только фи зический и физико-химический аспект мироздания. В действительности Вселенная не расчленена на отдельные природные и социальные процессы, во Вселенной они вы ступают в органическом единстве, как единое целое. Эво-
441
люция Вселенной в прошлом и настоящем имеет направ ленность на самопознание, потому что человек и его обще ство являются неотъемлемой рефлективной частью ми роздания. Чтобы рассмотреть Вселенную как единое орга ническое целое, необходима особая целостная форма идео логии, которая будет представлять собой синтез философ ского, научного, художественного, морального, правового, политического, экономического, экологического знания, да ющая целостное знание о мире, о месте и роли человека в нем. Целостное знание о мире будет являться основой фор мирования действительно целостной личности как главной цели гуманистического общества, основанного на подлин но человеческих ценностях»12.
Вопросы для самоконтроля
10. Что такое «биосфера» согласно концепции
В.И. Вернадского?
442
Примечания
1 Гудолл Дж. Шимпанзе в природе: поведение. М., 1992.
2 Шовен Р. Поведение животных. М., 1972.
3 Эфроимсон Р. Родословная альтруизма // Новый
мир. 1972. № 11.
4 Это одна из гипотез происхождения Вселенной, не
имеющая научного доказательства.
5 Сам термин в переводе с латинского означает «об
ман, тщетное ожидание». Фрустрация переживается как на
пряжение, тревога, отчаяние, гнев, которые охватывают че
ловека, когда на пути к достижению цели он встречается
с неожиданными помехами, которые мешают удовлетворе
нию потребности.
6 Альтшуллер Г.С. Найти идею. Новосибирск, 1986.
С. 186.
7 Абиогенез (возникновение живого из неживого) —
теория происхождения жизни путем постепенного услож
нения веществ неорганической природы и возникновения
биополимеров, которым присущи основные свойства живо
го, прежде всего способность к обмену веществ как непре
менному условию их существования.
8 Пассионарность как характеристика поведения (по
Л.Н. Гумилеву) — эффект избытка биохимической энер
гии живого вещества, порождающий жертвенность ради
иллюзорной цели.
9 Селье Г. Стресс и жизнь / Цит. по: Холей Д. Тай
на здоровья. М., 1992. С. 21.
10 Шарден П.Т де. Феномен человека. М., 1987. С. 135.
11 Вернадский В.И. Биосфера. М., 1967. С. 227.
12 Волков Ю.Г. Гуманистическое будущее России. М.,
1995. С. 102.
443
I ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение 3
Раздел I. Научный метод 7
Понятия метода и методологии. Классификация методов
научного познания 7
1. Общенаучные методы эмпирического познания 10
2. Общенаучные методы теоретического познания 22
2.1. Абстрагирование и идеализация.
Мысленный эксперимент...................................................... 2 2
3. Общенаучные методы, применяемые
на эмпирическом и теоретическом
уровнях познания 34
Раздел II. История естествознания 42
1. Естествознание эпохи античности 42
1.1. Натурфилософия и ее место в истории
естествознания. Возникновение
античной науки........................................................................... 42
1.2. Миропонимание и научные достижения
натурфилософии античности. Атомистика.
Геоцентрическая космология. Развитие
математики и механики 44
и Нового времени 52
Учение о множественности миров 53
3.3. Вторая научная револючия.
Создание классической механики
и экспериментального естествознания.
Механическая картина мира 55
3.4. Химия в механистическом мире 61
444
Диалектизация естествознания 65
3.7. Очищение естествознания
от натурфилософских представлений 72
3.8. Исследования в области
электромагнитного поля и начало крушения
механистической картины мира 77
4. Естествознание XX века 80
4.1. Четвертая научная революция.
Проникновение в глубь материи.
Теория относительности и квантовая механика.
Окончательное крушение механистической
картины мира 80
4.2. Научно-техническая революция,
ее естественнонаучная составляющая
и исторические этапы 86
4.3. Панорама современного естествознания 91
Раздел III. Элементы современной физики 120
1. Пространство и время 120
1.1. Развитие представлений о пространстве
и времени в доньютоновский период 120
1. 2. Пространство и время
в классической механике Ньютона 126
1.3. Дальнедействие и близкодействие.
Развитие понятия «поля» 131
2. Принципы относительности 135
А. Эйнштейна 142
2.4. Элементы общей теории относительности 152
3. Закон сохранения энергии
в макроскопических процессах 157
и превращения энергии в механике 161
друг в друга 176
4. Принцип возрастания энтропии 179
445
5. Элементы квантовой физики 200
5.1. Развитие взглядов на природу света.
Формула Планка 200
Волновые свойства вещества 203
Мир античастиц. Квантовая теория поля 219
6. На пути построения единой теории поля 222
Классификация элементарных частиц 228
6.5. На пути к единой теории поля.
Идея спонтанного нарушения симметрии
вакуума 234
«Тонкая подстройка» Вселенной 241
Раздел IV. Основные понятия и представления химии 246
изменения веществ 251
4. Химический анализ.
Понятие о химическом элементе 252
446
9. Атомно-молекулярное учение 258
10. Химическая технология.
Химическая промышленность 263
Раздел V.. Возникновение и эволюция жизни 266
1. Теории возникновения жизни 266
2. Теория эволюции 279
в результате естественного отбора 281
2.3. Современное представление об эволюции 283
3. Подтверждение теории эволюции 284
Раздел VI. Человек 307
1. Происхождение человека и цивилизации 307
Современные исследования проблемы здоровья
долголетия человека 396
7.1. Концепция ВЛ. Вернадского о биосфере
и феномен человека — — 407
447
Серия «Учебники и учебные пособия»
КОНЦЕПЦИИ
СОВРЕМЕННОГО
ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
Ответственный
за выпуск: Баранникова Е.
Редактор: Федоров И.
Корректор: Полякова Л.
Художник: Лойкова И.
Верстка: Машир Т.
Лицензия ЛР № 065194 от 2 июня 1997 г.
Сдано в набор 22.11.2002 г. Подписано в печать 23.01.2003 г. Формат 84x108 1/32. Бумага типографская. Гарнитура Школьная. Тираж 5 000. Заказ № 671.
Издательство «Феникс»
344007, г. Ростов-на-Дону,
пер. Соборный, 17
Отпечатано с готовых диапозитивов в ЗАО «Книга».
344019, г. Ростов-на-Дону, ул. Советская, 57. Качество печати соответствует предоставленным диапозитивам.