Введение
Объективность и субъективность окружающего мира; модели первого и второго уровня; мир Платона-Роршаха; модель круга; эксперимент на расстоянии; время; конвенциональность естественнонаучных теорий; роль концепций в естествознании.
Окружающий нас мир настолько привычен, настолько естественной кажется идея о том, что он не только существует, но и является таким, каким мы его видим (воспринимаем), что подвергнуть это сомнению кажется нелепым. Однако основания для этого есть. Будем для определенности говорить о зрении, хотя все нижеследующее относится и к другим органам чувств. Что такое "видеть"? На оптический детектор (глаз), которым оснащен человек, поступают сигналы. Они проходят через линзу (хрусталик) и попадают на чувствительные элементы (палочки и колбочки), которые реагируют так или иначе в зависимости от энергии (длины волны, цвета) сигнала, вырабатывая соответствующий электрический сигнал. Эти обработанные сигналы по кабелю (зрительному нерву) поступают в процессор (мозг), где по определенным правилам превращаются в целостную картину - картину окружающего мира. Что это за правила, сказать трудно, однако, не вызывает сомнения тот факт, что они сообщаются каждому отдельному "процессору" в период его обучения.
Аргументом в пользу применимости такой механистической модели человеческого восприятия является существование реального Маугли - человеческого ребенка, воспитанного животными. Вновь попав к людям в возрасте нескольких лет, такой ребенок оказывается неспособным вести человеческий образ жизни, не говоря уже об освоении речи. Его способ отбора и обработки сигналов из окружающего мира настолько радикально отличается от человеческого, что установить с ним контакт оказывается невозможно.
Таким образом, правила восприятия, а затем правила поведения, а затем способ общения передаются человеку в процессе его воспитания прямо с момента рождения. Все мы проходим через это и в результате воспринимаем мир примерно одинаково. Примерно - потому, что на примере людей искусства мы можем обнаружить различия в восприятии. Итак, существует некая "резидентная программа" восприятия, вводимая в сознание человека в процессе его обучения. При вводе какой-либо иной программы мы могли бы увидеть иной мир. Будем называть это первым уровнем отражения, фактически, неосознаваемым, бытовым. Попытка описать воспринимаемый мир требует введения имен, терминов, а затем и языка, подчиняющегося некоторым общим правилам (в буквальном смысле - правилам грамматики). Стремление с одной стороны обобщить, а с другой - максимально упростить (формализовать) эти правила приводит к введению математики в качестве языка описания внешнего мира. Всевозможные проявления этого мира пытаются формулировать в виде законов, выраженных с помощью формул. Это - второй уровень отражения, уже вполне осознаваемый, как говорят, научный. Для построения непротиворечивого описания необходимо иметь общий фундамент, и это - система аксиом или та или иная концепция, лежащая в основе такого описания.
Хотелось бы подчеркнуть важность осознания того, что в основе любого описания проявления внешнего мира лежит концепция. То, что несмотря на свою очевидность, она является условной, мы рассмотрим на следующих трех примерах.
        1. Мир Роршаха
В этом примере мы будем предполагать только, что мир существует, и мы можем его воспринять. Убедимся, что окружающий нас мир мог бы быть совсем иным.
В известном психологическом тесте Роршаха на лист бумаги наносится чернильная клякса, после чего лист сгибают пополам так, чтобы получилось симметричное, хотя и бесформенное изображение, и испытуемому предлагается сказать, что он видит на бумаге. В зависимости от ассоциаций испытуемого делается вывод о его психологических особенностях. Если предложить ему нанести несколько точек или линий в соответствии с тем, что он видит, а затем показать то, что получилось, другому человеку, то этот последний увидит то же, что и первый (хотя если предъявить ему исходное пятно, его ответ вполне может оказаться другим). Предложим и ему нанести на это пятно с точками и линиями, оставшимися от первого, также и свои точки и линии в соответствии с его восприятием, а затем следующему, и т.д. В конце концов возникнет подробная развернутая картина с массой деталей, не опознать которую будет невозможно. Если же второму испытуемому показать исходное пятно, и, убедившись, что он увидел не то, что первый, дать ему карандаш и вновь повторить всю процедуру с последующими испытуемыми, то в результате мы вновь увидим подробную развернутую картину, но уже совершенно другую.
Когда естествоиспытатель формирует свое представление о явлении, а затем проверяет его экспериментально, трактуя происходящее соответствующим образом, происходит нечто, подобное внесению дополнительных линий в пятно Роршаха. Используя для описания явления формализованную в соответствии с человеческой логикой структуру (в особенности математическую), наблюдатель способствует превращению "мнения" в "факт", доступный для восприятия другим человеком. При "нанесении все новых линий" (проведении все новых соответственно трактуемых экспериментов), все большее число людей видит то, что увидел первый, происходит материализация, а иногда и техническая реализация идеи. Такова философская сторона роли наблюдателя в физическом эксперименте. Обратим внимание на обстоятельство, существенно влияющее на материализацию идеи: чтобы сообщить свое видение мира другому человеку, другому сознанию, используется язык, обладающий свойством непротиворечивости.
Таким образом, из хаоса сигналов выбирается некоторая картина, которая затем объективируется путем надлежащего выбора экспериментов и демонстрации их другому наблюдателю с использованием непротиворечивого языка.
        2. Модель круга
Предположим теперь, что мир не только существует, но и обладает определенными свойствами, которые человек стремится познать.
Для наглядности рассмотрим процесс познания в рамках представления об инверсии - несложной математической операции следующего вида. Пусть дана окружность с радиусом, равным единице. Ее центр совпадает с началом координат. Окружность делит всю плоскость на три части: внешнюю по отношению к этой границе, внутреннюю по отношению к ней и саму границу (окружность). Инверсией называется сопоставление точек внешней области точкам внутренней области по такому правилу. Пусть точка А находится во внешней области. Соединим ее с началом координат отрезком длиной R. Отложим на нем от начала координат отрезок длиной 1/R и обозначим получившуюся точку А'. Она будет лежать внутри окружности, т.к. R > 1. Так можно осуществить отображение всех точек внешней области на точки внутренней области. При этом образы точек, расположенных недалеко от окружности снаружи, окажутся недалеко от нее внутри, точки, далекие от окружности снаружи, будут соответствовать точкам вблизи ее центра. Точка "ноль" будет соответствовать точке "бесконечность".
Представим, что обсуждаемая модель соответствует человеку, внешнему миру и представлению человека об этом мире. При этом сама окружность - это человеческое тело и органы чувств, внешняя область - окружающий мир, внутренняя - это представления человека о мире. Любому объекту или событию во внешнем мире можно указать соответствующий образ в сознании человека. При этом происходит своеобразная инверсия.
О явлении или о предмете окружающего мира можно говорить как о познанном, если есть возможность указать его место в окружающем мире, его взаимосвязь с другими явлениями или предметами, его свойства и предсказать его дальнейшую судьбу. Познавая мир, мы сначала фиксируем образ явления и его свойств в своем сознании, а затем рассматриваем его взаимосвязь с другими уже имеющимися образами. Так получается некоторая модель рассматриваемой части окружающего мира. Построив модель и предсказав ее свойства, мы можем обратиться к реальному окружающему миру и опытным путем установить, пригодна ли наша модель для предсказания поведения систем во внешнем мире. Рассмотрим рис. 1,а.
Пусть А, В и С некоторые явления внешнего мира, а А', B' и C' - их образы в сознании, построенные по правилу инверсии. Пусть явления внешнего мира А, В и С связаны свойством АВ2 = АС2 + ВС2 . Нетрудно видеть, однако, что соответствующий треугольник-образ A'B'C' не является прямоугольным, поскольку при его построении было использовано правило инверсии. Поэтому наша модель не будет соответствовать своему прообразу, и, размышляя над ней, мы не узнаем важного закона внешнего мира. И наоборот (рис.1,б). Образы явлений могут привести к заключению, что A'B'2 = A'C'2 + B'C'2, однако, соответствующее предсказание относительно свойств А, В и С не будет выполнено. Ясно, что причина этих неурядиц - правило инверсии. Можно выделить три более конкретных обстоятельства:
1) само правило; можно ведь предложить и другое, например, 1/R2, что ничем не хуже. Отвлекаясь от модели круга, можно заметить, что изменение правила инверсии может означать, например, что от рассмотрения какого-то объекта с точки зрения его размеров надо перейти к его рассмотрению с точки зрения его цвета или запаха;
2) точка зрения; можно поискать такое положение центра окружности относительно явлений, что расхождение в свойствах АВС и A'B'C' будет минимальным. Это, между прочим, иллюстрирует деятельность гениальных, или наиболее прозорливых личностей - случайно или целенаправленно они оказываются в нужной точке наблюдения;
3) различие в "форме границы"; Это может быть эллипс, квадрат или вообще любая замкнутая кривая. Наблюдатели могут обладать разными наборами свойств и возможностей (например, у одного есть телескоп, а у других нет).
Все это означает, что договориться двум наблюдателям оказывается возможно только тогда, когда их "границы" схожи, когда их "точки зрения" близки и когда имеется соглашение о "правиле инверсии", т.е. о том, что и как наблюдать. Вновь в основе оказывается концепция.
        3. Эксперимент на расстоянии
Наконец, пусть мир есть и его свойства есть. Можем ли мы в принципе их выявить непосредственно?
Предположим, что экспериментатор Е, находящийся в городе А, намерен провести эксперимент в лаборатории, расположенной в городе В. Связь между городами только письменная, а время транспортировки письма равно 5 дням. В лаборатории города В находятся лаборанты, знающие, что и как делать. Согласно предварительной договоренности опыт назначен на день D, причем лаборанты могут получить указание Е об отмене или изменении опыта, а также должны сообщить Е о его результатах немедленно по выполнении. Опыт имеет жизненно важное значение для Е, и от его результатов зависят все его дальнейшие поступки. До даты (D - 5) еще далеко, и Е волен взвесить все еще раз, письмом отменить опыт, перенести его, изменить и т.п. Он ничего не меняет, наступает день (D - 5). В последующие дни никакие действия Е не могут повлиять на проведение опыта. Последний состоится, а может и сорваться по независящим от Е причинам. Наступает день D. Происходит (или не происходит) событие, которое существенно влияет на судьбу Е, но еще в течение 5 дней никакой его поступок не обусловлен результатом эксперимента, поскольку даже произошел ли он - неизвестно. Наконец, приходит день D + 5, приходит письмо из В, дальнейшие действия определились.
От настоящего момента времени до дня D - 5 существует будущее, в котором экспериментатор может как-то воздействовать на опыт. С другой стороны от даты D + 5 до настоящего момента существует прошлое, которое определяется тем, каким оказался результат опыта. Но имеется промежуток в 10 дней от D - 5 до D + 5, внутри которого причинно-следственные связи невозможны. То есть между действиями Е в период до D-5 и его действиями в период после D+5 (которые, вообще говоря, связаны причинно-следственной связью) существует промежуточное звено, проникнуть внутрь которого невозможно и о происходящем в котором можно только догадываться. Известны только начальные условия и конечный результат.
Описанная выше ситуация с лабораториями в "разных городах", вообще говоря, соответствует практически любому экспериментально изучаемому физическому явлению.
Рассмотрим, например, рассеяние электрона на ионном облаке. Вначале имеется электрон, обладающий определенным импульсом и движущийся в направлении облака. Можно предотвратить рассеяние (или изменить его условия), включив электрическое или магнитное поле, установив экран и т.п. Если это не сделано, наступает момент, когда электрон оказывается в непосредственной близости от облака, и предотвратить его прохождение сквозь облако невозможно. Наступает то самое время ожидания. Оно, безусловно, чрезвычайно мало, но оно конечно. При наличии регистрирующей аппаратуры мы наблюдаем результат: электрон прошел, не отклонившись; электрон отклонился на определенный угол (произошло рассеяние); электрон исчез (произошла рекомбинация электрона с ионом). Теперь мы можем предположить, какой характер имеет взаимодействие электрона с ионом, сделать оценку размера иона и т.п. Таким образом, в данном случае нас интересует как бы не сам эксперимент, т.е. факт пролета электрона через облако в присутствии или отсутствии некоторых неучитываемых воздействий, а именно эти воздействия, которые мы пытаемся изучить по результатам опыта. Интерпретация результатов неизбежно основывается на той или иной концепции.
Мы пытаемся узнать о том, что происходит в "10-дневном" промежутке. Проверить свои домыслы непосредственно мы не можем, поскольку событий, связанных прямой причинно-следственной связью с нашим прошлым или будущим, в 10-дневном промежутке нет. Поэтому мы ищем такую модель, такие представления, которые наиболее точно отразят связь "воздействия" и "результата".
Критериями правильности представлений о происходящих в этой недоступной области явлениях могут служить:
1) совпадение предсказанного результата с экспериментальным;
2) независимость результата от времени, места и некоторых других обстоятельств проведения опыта.
Есть еще одно обстоятельство, на которое следует обратить внимание при тщательном рассмотрении основ физических и других естественнонаучных теорий. Понятие времени и его измерения неотделимо от понятия пространства. Эти два понятия являются настолько привычными, что вопрос об их определении, как правило, и не поднимается. Однако ответить на него очень непросто. В конце концов все сводится к тому, что пространство - есть способ разбиения мира на части, а время - способ упорядочения этих частей. Уже это указывает на условность этих понятий, а, значит, и на наличие концепции, лежащей в основе их определения. Нетрудно видеть, что любой инструмент, который можно использовать для измерения времени, обладает пространственной характеристикой - размером: год - орбита Земли и ее радиус, сутки - поворот шара с радиусом Земли вокруг своей оси, часы, минуты, секунды - маятники всех видов, кристаллы, длины волн излучающих атомов. Если говорить о промежутке, разделяющем появление и исчезновение объекта, не имеющего собственной пространственной характеристики - точки, то следует иметь в виду, что воспринять этот факт мы можем только с помощью органов чувств, имеющих пространственные характеристики. Таким образом, время в собственном смысле неизмеримо, и восприятие его, хотя и более привычно, ничем не отличается от восприятия четвертого пространственного измерения, для которого у нас тоже нет органов чувств. Сама концепция времени есть лишь результат ВОЗНИКНОВЕНИЯ этого понятия в чьем-то конкретном сознании, сообщения об этом другим сознаниям, а затем ИСЧЕЗНОВЕНИЯ этого конкретного сознания.
Возникновение и исчезновение - характерные события, иллюстрирующие возможность существования невоспринимаемого чувственно измерения. Действительно, известный пример прохождения трехмерного тела через двумерную оболочку, населенную двумерными существами, воспринимающими это событие как "возникновение" некоторой границы (и ее "исчезновение", если двумерная поверхность обладает соответствующими свойствами), иллюстрирует сделанное утверждение.
Итак, само время - лишь некоторая концепция, понятие, вроде натурального ряда чисел, не существующая в нашей природе, или, по крайней мере, недоступная чувственному восприятию. Аргументом в пользу того, что время все же существует независимо от нашего сознания, могло бы быть возникновение или исчезновение чего-либо. Однако имеют место законы сохранения массы, заряда, энергии. И все наблюдаемые "возникновения" и "исчезновения" есть лишь результат пространственной перестройки, смены формы, т.е. носят виртуальный характер. Здесь уместно вспомнить, что Галилей, определяя равномерное прямолинейное движение, говорил о таком движении, при котором "путь, пройденный телом, изменяется как последовательность нечетных чисел натурального ряда". Только И.Ньютон, исследовавший вопрос о все более коротких - дифференциально малых - расстояниях, использовал понятие времени для строгого математического описания. Подход И.Ньютона к описанию мира оказался чрезвычайно удобным языком. В этом смысле теория относительности А.Эйнштейна есть лишь следующий шаг в развитии "удобного" языка для описания мира. В этой теории абсолютные пространство, время, масса отсутствуют, гравитационных сил взаимодействия тоже нет, все происходящие события определяются только так называемой кривизной пространства-времени. Несмотря на радикальные различия в основных концепциях, теория относительности предсказывает все явления, описываемые в теории Ньютона (а также некоторые другие). Это вновь указывает на роль концепции в описании мира.
Таким образом, человеческое сознание, обладающее весьма строгим и a'priori не присущим миру языком логики и математики, не столько отражает, сколько формирует сначала картину мира на основе той или иной концепции, а затем, раз уж мы умудряемся заставить эту картину "работать" на себя, и сам мир


Глава 1.
                           Философия науки
Проблема демаркации; логический позитивизм; фальсификационизм; теория парадигм; эпистемологический анархизм; наука и истина.
Чем отличается "наука" от "ненауки", "научная теория" от "идеологии", от "взглядов", от "художественного вымысла", от "религии", от "бреда"? Помимо чисто академического интереса, который проявляют к этому вопросу философы, иногда он переводится в чисто практическую плоскость, а это происходит всегда, когда от ответа на него зависят определенные общественные отношения. Знакомым со школы (далеким) историческим примером является судьба Джордано Бруно. Его предположение о существовании множества населенных миров, к которому и сейчас существует разное отношение, не без оснований показалось руководству такой мощной организации, как католическая церковь того времени, опасным для существующего порядка вещей, в котором эта организация занимала главенствующую роль. Домыслы Бруно были объявлены преступными, а сам он казнен. Более близким историческим примером является борьба с кибернетикой и генетикой в Советском Союзе. Эти науки были объявлены властями "ненаучными", а занимавшиеся ими люди - агентами империализма. Они были брошены в концентрационные лагеря. Посягательство на создание - пусть даже в очень отдаленной перспективе - искусственного интеллекта или объявление независимости - хотя бы неполной - наследуемых свойств от окружающей среды представляло угрозу существующему порядку вещей, и носители угрозы были нейтрализованы.
В настоящее время, как, впрочем, и во все прошедшие времена, борьба с носителями радикальных идей не прекращается в рамках самой научной среды. И аргумент "ненаучности" зачастую является решающим. И это также связано с тем, что появление и общее признание новых научных идей может разрушить существующий порядок вещей, в котором имеются общепризнанные авторитеты. Дело осложняется тем, что невозможно заниматься наукой вне общества и общественных отношений, а это означает, что всегда существовали и будут существовать люди, для которых занятия наукой являются лишь средством упрочения своего материального положения и продвижения по общественной лестнице.
С другой стороны, определенный консерватизм, конечно, необходим. Он является тем фильтром, который необходимо преодолеть новой теории, новой концепции для доказательства своей жизнеспособности. Поспешное принятие любой новой теории стало бы другой крайностью, не позволяющей продвинуться хоть по какому-нибудь пути хоть сколько-нибудь. Кроме того, и новшества также привлекательны для тех, кто хотел бы сыграть на них, да и просто недостаточно образованных и при этом недостаточно самокритичных людей, искренне стремящихся облагодетельствовать человечество, хватает.
Поэтому проблема "научности" или, как ее называют, проблема демаркации (разграничения) играет важную роль. Что может претендовать на роль научной теории? На исследование чего стоит тратить время, силы, средства? Чему надо обучать следующее поколение ученых (а это тоже время, силы, средства)? Что и на основании каких критериев можно признать концепцией естествознания? Что думают по этому поводу сами ученые, мы обсудим далее. А вот что думают философы.
        Логический позитивизм
Определяя то, в чем невозможно усомниться, и что, следовательно, может являться предметом объективного (научного) исследования, Эрнст Мах в начале ХХ века отметил следующее: "Внешний мир никогда не дан человеку сам по себе, а всегда только через посредство субъективных форм чувственности и деятельности". Это означает, что только наши непосредственные ощущения, только то, что воздействует на органы чувств, и надлежит учитывать при изучении мира. Ответить можно только на вопрос "как?", а вопрос "почему?" оказывается то или иное воздействие (тело падает, Солнце светит, вещества реагируют между собой) не имеет права на существование, ответ на него всегда будет домыслом. Мы можем только регистрировать и описывать происходящее. "Цель ... исследования, - пишет далее Мах, - установить зависимость чувственных переживаний друг от друга, теория же является лишь средством для достижения этой цели, инструментом экономии мышления".
Л.Витгенштейн в "Логико-философском трактате" и Б.Рассел и А.Уайтхэд в "Математических принципах" в 20-х годах разработали формальную базу, на которой должна быть возведена любая теория, претендующая на звание научной. В основу ее была положена логика - дисциплина, содержащая аппарат для работы с такими понятиями как "истинно", "ложно", "и", "или". Все знание состоит из так называемых предложений. Все предложения состоят из элементарных (или атомарных) предложений, являющихся чувственными ощущениями. Любое атомарное предложение либо истинно, либо ложно. Все атомарные предложения не зависят друг от друга. Они связаны в предложения с помощью правил логики. Это и есть наука, все функции знания сводятся к описанию и единственный осмысленный вопрос - это "как?".
Критерием же демаркации является верифицируемость, т.е. возможность подтвердить истинность предложения непосредственным наблюдением. Если наблюдение (опыт) подтверждает предложение, то это предложение (в частности, теория) научно, и мы имеем позитивное знание. Это, между прочим, означает, что утверждение, сделанное Витгенштейном о том, что "структура предложения совпадает со структурой опыта", нетривиально и предполагает теоретическое исследование, основанное на логике. Однако ценно, позитивно будет только то, что будет непосредственно наблюдаться. Поэтому соответствующее философское течение называется логическим позитивизмом. Следует отметить, что позиция логического позитивизма неуязвима, поскольку результаты любого опыта мы воспринимаем чувственно, а связываем их между собой логически. Поэтому она кажется правильной и сохраняет привлекательность и в наше время, особенно среди западных ученых.
Единственным недостатком критерия демаркации, с которым могли бы считаться логические позитивисты (поскольку он основан на логике), является тот, что все законы науки отсекаются. Действительно, если утверждается, что все тела при нагревании расширяются, то для того, чтобы это утверждение приобрело статус научного, надо испробовать все тела. Методом науки в логическом позитивизме является индукция, т.е. отдельные наблюдаемые факты обобщаются в виде предложения. Дедуктивной же составляющей, т.е. предсказанию на основе теории, в научности отказывается. Логический позитивизм носит сугубо эмпирический характер.

Любопытно, что по сравнению с термодинамикой роль теории вероятности в квантовой теории стала более фундаментальной - фактически у математических понятий появился физический смысл. Если раньше теория вероятности использовалась в основном для статистического осреднения параметров систем, содержащих большое количество частиц, то теперь даже одна частица перемещалась в пространстве так или иначе лишь с определенной вероятностью, понятие траектории перестало иметь смысл.
Следующей важной концепцией, приобретшей конкретные черты в связи с появлением квантовой теории, была концепция атома. В начале века эту неделимую частицу представляли себе в виде капли положительно заряженной жидкости, в которой плавали отрицательно заряженные электроны. В целом атом был электрически нейтрален и весьма устойчив. Такая модель в общем неплохо описывала наблюдаемые свойства, за исключением спектров излучения или поглощения. Если газ атомов подвергнуть воздействию, например, пропустить электрический разряд через этот газ, то атомы испускают электромагнитное излучение. Такое излучение (световое) можно видеть в газоразрядных трубках. Оказалось, что испускаемый свет имеет не сплошной спектр, как, скажем, Солнце или лампа накаливания, а линейчатый, то есть в нем присутствуют лишь линии определенных длин волн (частот, цветов). Если взять водород, в атоме которого имеется только один электрон, то с помощью капельной модели можно предсказать появление линии излучения, но только одной. Электрон мог бы колебаться в окружающей положительной жидкости и в соответствии с теорией Максвелла испускать электромагнитную волну. Но лишь одной частоты. Бальмер же в эксперименте обнаружил целую серию линий различных частот. Мало того, и в инфракрасной, и в ультрафиолетовой областях также обнаружились серии линий излучения. Известный опыт Резерфорда, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (только малая часть их отражалась в обратную сторону), решительно противоречил капельной модели атома. Резерфорд предположил, что атом представляет собой динамическую систему наподобие солнечной: вместо Солнца в центре находится массивное положительно заряженное ядро (это от него отскакивают налетающие положительные частицы), а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Таким образом, большая часть атома оказывается пустой - через нее-то и летят пролетающие частицы. Но классическая электродинамика не допускает устойчивого существования подобной системы. Движущийся ускоренно заряд, а вращающийся по орбите электрон именно таким и является, испускает энергию и должен очень быстро упасть на ядро, что соответствует "исчезновению" атома, похожего на солнечную систему. Но атом устойчив. Нильс Бор сформулировал новый постулат. Он провозгласил, что законы микромира и здесь отличаются от законов макромира, и электрон в атоме может двигаться по орбите и не излучать. Но не по всякой орбите, а только по такой, длина которой соответствует целому числу длин волн Де-Бройля, соответствующих движущемуся электрону. Ясно, что разным скоростям движения будут соответствовать разные радиусы орбит. Если же электрон каким-то образом (скажем, под воздействием внешнего поля) перескакивает с орбиты на орбиту, то его энергия (точнее, энергия атома в целом) меняется, а разность этих энергий излучается (или поглощается) в виде кванта с частотой, определяемой согласно Планку. Расчет привел к блестящему согласию с экспериментальными результатами Бальмера. Таким образом, был установлен еще один закон микромира, противоречащий здравому смыслу, но позволяющий точно предсказать поведение микросистем.
Открытое в конце прошлого века Беккерелем, а затем исследованное Пьером и Мари Кюри, Резерфордом, Чедвиком, Ферми явление радиоактивности, указало на сложный состав "атома", и микромир обогатился новыми обитателями - протонами, нейтронами, нейтрино и другими элементарными частицами. Все они подчинялись неочевидным законам квантовой механики.
Наиболее важной отличительной чертой новой физики явилась именно ее концептуальная основа, основа на концепции, принципиально неустранимый разрыв между входными условиями и наблюдаемыми результатами, требующий построения аксиоматической теории. Именно об этом шла речь во Введении, когда обсуждался "эксперимент на расстоянии". Одновременно возник важный вопрос, который ранее не обсуждался во всей полноте: что такое измерение? Что именно и как мы измеряем, когда измеряем что-то?
Одновременно с исследованием микромира велся поиск эфира, в котором могли бы распространяться электромагнитные волны. В конце прошлого века техника эксперимента достигла такого уровня, что стало возможным обнаружить разницу в 30 км/сек на фоне 300000 км/сек. Это означало, что если Земля летит сквозь неподвижный эфир, в котором распространяются световые сигналы, то, излучая их вдоль направления движения Земли и поперек этого направления (с учетом сложения скоростей света и Земли по Галилею), мы можем обнаружить разницу во временах прохождения одинаковых путей. (Точно так же время движения катера туда и обратно вдоль течения реки больше времени движения того же катера туда и обратно на такое же расстояние поперек течения реки). Наличие разницы свидетельствовало бы о том, что эфир есть (Земля - берег, эфир - текущая река, свет - катер). В 1887 году Майкельсон и Морли поставили соответствующий опыт, но разницы времен обнаружено не было. Впоследствие подобные попытки с использованием все более совершенной аппаратуры повторялись, но с тем же результатом. Эфира нет? По крайней мере, он, по-видимому, не является носителем электромагнитных возмущений. В противном же случае остается лишь предположить, и это сделали Лоренц и Фицджеральд, что все тела, движущиеся сквозь эфир, сокращают свои размеры вдоль направления движения. В этом случае эфир становится принципиально ненаблюдаемым, и никакой абсолютной системы отсчета не оказывается .
Сложившаяся ситуация позволяет (требует?) ужесточить принцип относительности Галилея и заявить, что никаким физическим экспериментом невозможно установить, которая из инерциальных систем отсчета движется, хотя пока что мы убедились в этом только для оптических экспериментов. Но, как и в случае с моделью атома Резерфорда, это приводит к логическому противоречию: из опыта Майкельсона-Морли следует, что выделенной системы отсчета нет, и, оставаясь в рамках классической физики и пользуясь обычной формулой Галилея для сложения скоростей, мы должны были бы честно сложить скорости света и Земли. Но тогда опыт Майкельсона-Морли должен был бы дать другой результат. Значит, как и в случае микромира, необходим новый постулат.
Его сформулировал А.Эйнштейн: скорость света, т.е. скорость перемещения возмущения электромагнитного поля, измеренная из любой инерциальной системы отсчета, имеет одно и то же значение независимо от относительного движения систем. Принять (и воспринять) его сложнее, чем постулат Бора, поскольку восприятие движения волн (хоть и не световых) входит в повседневный опыт человека, в отличие от восприятия поведения микрочастиц. Отчасти справиться с недоумением по поводу этого странного утверждения о независимости скорости света от системы ее отсчета можно, подумав о следующей аналогии: скорость звука не меняется в зависимости от того, измерим ли мы ее с разбега или стоя неподвижно. Частота звука - да, меняется, и все слышали, как меняется тон гудка локомотива, когда он проезжает мимо. Но скорость звука, испускаемого гудящим локомотивом, измерим ли мы ее, находясь в едущем вагоне или стоя на платформе, остается той же. Этот пример не эквивалентен ситуации со светом (уже потому, что звук распространяется в среде, которой для света не нашлось), но схож с ней.
Теперь для того, чтобы последовательно описывать наблюдаемые явления, приходится посягнуть на такие фундаментальные характеристики, как пространственные размеры и течение времени: следствием двух новых постулатов (уточненного принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения системы отсчета) является то, что размеры объектов и времена процессов зависят от того, по отношению к какой системе отсчета - движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта или явления - мы их измеряем. Это было осознано А.Эйнштейном в 1905 году и легло в основу так называемой специальной теории относительности.
Обсудим понятие одновременности и соотношение "раньше-позже" в рамках постулата о независимости скорости света от движения системы ее отсчета. Рассмотрим поезд, двигающийся с постоянной скоростью мимо платформы. Посредине поезда стоит проводник, в голове и хвосте поезда на одинаковом расстоянии от середины находятся два фонаря. На платформе стоит проверяющий. Пусть в тот момент, когда едущий проводник находится точно против неподвижного проверяющего, оба они видят, что фонари одновременно вспыхнули. Скорость света хоть и велика, но конечна. Вопрос: что скажут проводник и проверяющий, заранее предупрежденные о независимости скорости света, о последовательности вспышек фонарей? Проводник, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что свету предстояло пройти одинаковые расстояния от неподвижных в его системе отсчета фонарей до него, скажет, что фонари поезда вспыхнули одновременно. Проверяющий, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что фонари движутся относительно него, а скорость света конечна, скажет, что, раз свет дошел до него одновременно, а испущен-то он был несколько раньше, когда задний фонарь был от проверяющего дальше, свету от заднего фонаря предстояло пройти большее расстояние. И, чтобы сигналы добрались до проверяющего одновременно, задний фонарь поезда вспыхнул раньше. Пусть теперь над поездом вдоль рельсов, опережая поезд, летит самолет, и летчик оказывается над проверяющим в тот момент, когда мимо того проезжает проводник. Летчик тоже видит одновременные вспышки, но, рассуждая таким же образом, как проверяющий, он скажет, что передний фонарь поезда вспыхнул раньше. Трое наблюдателей, находясь в одной точке в один и тот же момент времени увидели одно и то же, но дали различное заключение о происшедшем. В наблюдение, а, значит, и в измерение неизбежно входит трактовка, интерпретация, выполняемая с учетом каких-то дополнительных обстоятельств (в данном случае конечности скорости света и постулата о независимости его скорости). Опять-таки стоит вспомнить Введение, а также аргументацию Фейерабенда о языке наблюдений, упомянутую в главе 1.
Есть, однако, еще один важный момент. Все эти новые труднопредставимые обстоятельства необходимо согласовать с принципом причинности. Следствие никак не может быть раньше причины. Поэтому, если вспышки самих фонарей связаны причинно-следственной связью (как выстрел и попадание пули в мишень), то приведенные рассуждения о "раньше-позже" необходимо соответствующим образом уточнить, чтобы не прийти к абсурду. Оказывается, что принцип причинности не будет нарушен, если скорость целенаправленной передачи информации от причины к следствию (скорость "полета пули") не превосходит скорости света. Тогда в любых системах отсчета причина будет предшествовать следствию. Таким образом, оказывается, что в окружающем нас постижимом мире существует предельная скорость - скорость света, и никакой материальный носитель информации не может перемещаться быстрее.
Проводя дотошные рассуждения подобного рода, можно убедиться в том, что понятие одновременности будет играть важную роль и при измерении длин отрезков в различных системах отсчета. Как измерить длину отрезка в движущейся системе? Ведь линейку надо приложить к обоим его концам одновременно! В нашем примере получится, что длина вагона, которую измерит едущий в нем проводник, будет отличаться от длины этого же вагона, которую измерит с платформы проверяющий, и от длины этого вагона, которую измерит летчик самолета, причем два последних результата будут зависеть от скоростей систем отсчета относительно вагона. То есть никакой абсолютной длины предмет не имеет. Именно потому, что необходимо договориться о том, как мы будем экспериментально проверять высказанные по этому поводу мнения. Между прочим, получится, что при измерении длины предмета (вагона), движущегося мимо нас, мы получим меньшую величину, чем при измерении того же предмета, когда мы неподвижны относительно него (находимся в вагоне). Это напоминает Лоренцево сокращение, но не является им, поскольку у Лоренца речь шла о физическом изменении длин движущихся предметов, здесь же мы говорим лишь о нашей способности договориться при экспериментальной проверке.
Нечто подобное происходит и при измерении промежутков времени в той или иной системе. Таким образом, такие фундаментальные в классической физике понятия, как пространство и время, выступают как предметы договоренности, как только мы собираемся экспериментально определять их количественные меры.
Дальнейшее развитие этих идей привело А.Эйнштейна к созданию общей теории относительности, также называемой теорией гравитации или геометродинамикой, согласно которой гравитационное "притяжение" тел является лишь наблюдаемым эффектом, в основе которого лежит геометрия нашего пространства, точнее единого пространства-времени. Находящиеся в нем массы искривляют его подобно тому, как прогибается двумерная упругая мембрана, если положить на нее тяжелый шарик: вталкивая в получившийся "раструб воронки" еще один шарик, мы увидим, как он скатится к первому или будет кружить вокруг него ("под действием сил гравитационного притяжения", - полагал Ньютон). Нечто подобное, согласно общей теории относительности, происходит и в случае трехмерного пространства. Предсказания этой странной теории подтвердились при измерении скорости поворота большой полуоси эллиптической орбиты Меркурия при его движении вокруг Солнца. Кроме того, из этой теории следует, что лучи света должны были бы отклоняться при прохождении мимо массивного тела вроде звезды. При соответствующих измерениях во время Солнечного затмения это было зарегистрировано. В настоящее время релятивистские эффекты непосредственно учитываются при конструировании спутниковых систем GPS (Global Positioning System), обеспечивающих навигацию на поверхности Земного шара с высокой точностью. Существование (гипотетических) загадочных черных дыр, обсуждавшихся в главе 2, также следует из этой теории.
В заключение этой главы скажем несколько слов о концепции, возникшей в последней четверти нашего века и ставшей своеобразным связующим звеном между мирами живой и неживой природы. Оказалось, что если от рассмотрения замкнутых систем многих тел перейти к рассмотрению открытых, то есть таких, которые тем или иным способом обмениваются энергией с окружающей средой, то возможно усиление флуктуаций, в результате которого в хаотической системе возникает упорядоченность, структура. Пожалуй, наиболее наглядным примером является образование перистых облаков. Облака - это мельчайшие частички жидкой воды или твердого льда, находящиеся в сложной системе воздушных потоков, и обычное кучевое облако, несмотря на опознаваемую форму (паттерн), структуры все же не имеет. Однако в определенных условиях она возникает, и появляются перистые облака с правильным чередованием равноотстоящих перьев. Это так называемый кооперативный эффект. Нечто подобное происходит и в такой непохожей системе, как лазер, где в результате кооперативного эффекта происходит согласованное излучение электромагнитных волн. С этой точки зрения процессы лазерной генерации были исследованы Г.Хакеном. И в случае фазовых переходов, сопровождающихся сменой симметрии, также играют роль кооперативные эффекты, и в химических реакциях особого рода. Такое совместное взаимодействие частиц с образованием структур получило название синергетики.
Большой вклад в исследование коллективных явлений в открытых системах был сделан И.Пригожиным, разработавшим так называемую нелинейную динамику и доказавшим, что неравновесие в термодинамической системе может быть причиной возникновения порядка. Таким образом, налицо образование структур в неживой материи, то есть свойство, которое считалось присущим лишь живому веществу. Самоорганизация проявляется в форме гигантской коллективной флуктуации, поведение которой не может быть описано в рамках традиционной статистической физики. В состоянии такого перехода элементы системы ведут себя коррелировано, хотя до этого они пребывали в хаотическом движении.
Наконец, Тома разработал теорию катастроф - скачкообразных изменений, возникающих в виде внезапного ответа системы на плавное изменение внешних условий, - накопление мелких незначительных воздействий в конце концов вызывает лавинообразный срыв. Примером такого сорта явлений является накопление песка, высыпающегося тонкой струйкой на поверхность: сначала он просто рассыпается по ней, затем вырастает конус и в какой-то момент, когда количество песка в верхней части конуса превысит критическое значение, происходит обвал, а затем вновь наступает равновесие и накопление новой массы сверху. Эта теория дает универсальный метод исследования всех скачкообразных переходов, разрывов, внезапных качественных изменений.


Глава 6
                                Ноосфера
Геосфера и биосфера; биогенный характер природы; цефализация; ноосфера.
Материал этой главы было бы вполне уместно рассмотреть в любой из трех предшествующих глав. Основой его служит геологический и геохимический анализ земной поверхности с учетом взаимного влияния живой и неживой природы друг на друга. Происшедшая эволюция привела к возникновению такого биологического вида, как человек, ставшего мощным природопреобразующим фактором и начинающего теоретически (второй уровень отражения) осознавать свою роль в окружающем космосе. Выделение концепции ноосферы в отдельную главу кажется оправданным, благодаря тому, что в процессе своего развития эта концепция превращается из чисто естественнонаучной в мировоззренческую, философскую и поэтому смыкается с вопросами, затронутыми во Введении.
Планета Земля, земной шар, представляет собой геологическое образование, продукт астрофизических, физических и химических процессов, протекавших на протяжении нескольких миллиардов лет. Во второй и третьей главах вкратце упоминалось о том, как происходит формирование и развитие планет и, в частности, Земли. Минералогическая эволюция на нашей планете (см. главы 3-4) изучена достаточно глубоко, что позволяет установить закономерности распределения вещества ее недр на различных уровнях. Имеет смысл, однако, отдельно рассмотреть сначала часть нашей планеты, связанную с процессами жизнедеятельности разнообразных существ. Впервые это было сделано в конце ХIХ века В.В.Докучаевым, создавшим науку о почве. Почва - самостоятельное естественно-историческое тело природы, объединение приповерхностных процессов, связывающих в одно целое горные породы, рыхлые отложения, циркулирующие в них воды, произрастающие на них растения и гумусированные их остатки (плодородный перегной), населенные микроорганизмами. Взгляды Докучаева были восприняты и развиты В.И.Вернадским, создавшим в начале ХХ века учение о биосфере, раскрывающее огромную роль микроорганизмов, растений и животных в перемещении химических элементов в земной коре. Понятие биосфера шире, чем понятие почва, поскольку помимо последней включает в себя и тропосферу с прилегающей нижней стратосферой, и океаны, моря и другие водоемы, и верхние слои литосферы земного шара, и населяющие все эти области живые существа от простейших бактерий до человека - в общем все, что так или иначе связано с жизнью и продуктами жизнедеятельности. По мере развития экспериментальных средств определения возраста горных пород (радиоуглеродный метод) следы жизни обнаруживались на Земле все раньше и раньше. Сообщества микроорганизмов встречаются в породах, имеющих возраст порядка 4 млрд. лет. Это дало Вернадскому возможность прийти к выводу, что возраст существования жизни на Земле сравним с геологическим возрастом нашей планеты. Вопрос, таким образом, состоит в том, не предшествует ли жизнь как явление самому возникновению нашей планеты. Вернадский утверждает, что время существования планеты совпадает со временем существования на ней жизни. Несмотря на многолетние целенаправленные усилия, до сих пор не удалось получить живое из неживого, в то время как число примеров происхождения неживого из живого возрастает. Не только атмосфера Земли, сложившаяся в результате процессов фотосинтеза у растений, но и горные породы, и ископаемые (а возможно, и гидросфера) - есть продукт биосферы, результат жизнедеятельности растений, бактерий и животных. Таким образом, можно говорить о биогенном характере окружающей нас природы. Вернадский полагал жизнь космическим явлением, ее зародыши привносились на Землю извне постоянно, но укрепились и получили мощное развитие на Земле лишь тогда, когда на ней сложились благоприятные условия. Вместе с тем, вся геологическая история Земли протекала при участии и под воздействием биогенных факторов.
Между тем, биологическая эволюция, как мы ее себе представляем, имеет выраженное направление, обусловленное усложнением возникающих живых структур. Наиболее ярко это проявляется в изменениях нервной системы, приведших к возникновению такого сложного устройства, как головной мозг. Еще в конце прошлого века Дж.Дана говорил о цефализации в процессе эволюции. Как уже говорилось, мозг человека является наиболее сложной из всех известных систем. Человек и человечество выделяются из всей остальной биосферы и приобретают характер самостоятельного феномена. Создание новых культурных видов растений и животных, преобразование окружающей среды в своих целях имело и имеет огромное, фактически геологическое значение для биосферы. Таким образом, для характеристики современной геологической стадии развития биосферы можно говорить о ноосфере, то есть сфере разума. Масса биологического вида Homo Sapiens в целом ничтожно мала не только по сравнению с массой всей биосферы, но и по сравнению с массой всех остальных живых существ. Однако роль этого вида как природопреобразующего фактора огромна. П.Тейяр де Шарден определил ноосферу как одну из стадий эволюции мира, а движущей силой эволюции он считал целеустремленное сознание. Вернадский же полагал сознание лишь закономерным результатом развития биосферы. Вне зависимости от того, считать ли воздействие сознания на природу целеустремленным или полагать его возникшим в результате закономерностей эволюции, однажды возникнув, оно оказывает неустранимое и все возрастающее воздействие на биосферу вследствие трудовой деятельности человека. Уже на наших глазах это воздействие становится решающим. Недаром вопросы экологии и охраны окружающей среды сегодня являются важнейшими, не говоря уже о том, что достижения разума (?) привели к возможности практически мгновенного уничтожения жизни на планете. Основной тезис Вернадского состоял в том, что на определенном этапе развития биосферы она трансформируется в ноосферу, и человеческая цивилизация должна принять на себя ответственность за дальнейший ход эволюции космического типа: интеллект, а не естественная стихия должны управлять дальнейшей судьбой мира, в котором живет человек.
Вытекающие отсюда важнейшие вопросы этики и организации трудовой деятельности человечества не являются предметом данного курса. Говорить о "плановом развитии" человеческого хозяйства в космических масштабах, по-видимому, преждевременно. Важно, однако, подчеркнуть ту роль теоретического познания, которая неизбежно проявит себя в процессе дальнейшей человеческой истории. В зависимости от того, какие естественнонаучные концепции будут полагаться в основу наших знаний о природе, а, значит, и в основу дальнейшей как познавательной, так и практической деятельности человека, направление дальнейшего развития человеческой цивилизации будет тем или иным. Сознание, осознавшее собственное могущество, могущественно вдвойне.


Литература
1. Анфилов Г. Бегство от удивлений. М.:Дет.лит., 1974
2. Вернадский В.И. Собр.соч., М.,1995.
3. Грин Н., Стаут У., Тэйлор Д. Биология. М.:Мир, 1990.
4. Докинз Р. Эгоистичный ген. М.:Мир, 1993.
5. Ичас М. О природе живого: механизмы и смысл. М.:Мир, 1994.
6. Лима-де-Фариа А. Эволюция без отбора. М.:Мир, 1995.
7. Кауфман У. Планеты и луны. М.:Мир, 1982.
8. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М.:Мир, 1988.
9. Кун Т. Структура научных революций. М.:Прогресс, 1977.
10. Купер Л. Физика для всех. М.:Мир, 1974.
11. Никифоров А.Л. Философия науки: история и методология. М., 1998
12. Пайерлс Р.Е. Законы природы. М.,1962.
13. Поппер К. Логика научного открытия. М.,1994.
14. Пригожин И. От существующего к возникающему: время и сложность в физических науках. М.:Наука, 1985.
15. Рузавин Г.И. Концепции современного естествознания. М.:Культура и спорт, 1997
16. Сипаров С.В. Телеология эволюции. Silentium N3, СПб, 1996.
17. Сипаров С.В. Физический мир как функция сознания наблюдателя. Размышления о хаосе. СПб, 1997.
18. S.V.Siparov. Inversion in the cognition process and the reorganization of human personality. Proc.Conf."The Concept of Nature in Science and Theology". Munich, 1994.
19. S.V.Siparov. Conventional character of physical theories. Proc.Conf. "Physical Interpretations of Relativity Theory". London, 1996.
20. ТарлингД., Тарлинг М. Движущиеся материки. М.:Мир, 1973.
21. Тэйлор Э., Уилер Дж. Физика пространства-времени. М.:Мир, 1971.
22. Уотсон Дж. Двойная спираль. М., 1969.
23. Фейнман Р. Лекции по физике. М.:Мир, 1967.
24. Фейнман Р. Характер физических законов. М.:Мир, 1968.
25. Хакен Г. Синергетика. М.:Мир, 1985.
26. Чернин А.Д. Звезды и физика. М.:Наука, 1994.
27. Шкловский И.С. Вселенная, жизнь, разум. М.:Наука, 1987.
28. Шкловский И.С. Звезды: их рождение, жизнь, смерть. М., 1984.
29. Шредингер Э. Что такое жизнь: с точки зрения физика. М.:Атомиздат, 1972.
30. Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. М.:Наука, 1965.