Лекция 5. Золотой век Просвещения и путь к новой научной революции (XVIII – XIX вв.)
Золотой век просвещения – такое название получил период подлинного расцвета классического естествознания, наступившего после ньютонианской революции в физике. Множество открытий и смелых гипотез охватывали области физики, космогонии, биологии и химии, основанные на них изобретения оперативно внедрялись в повседневную жизнь.
Идея эволюции коснулась не только космогонии, но и других областей знаний. Особое место эпоха просвещения и XIX век заняли в истории биологической науки. Шведский натуралист Карл Линней (1707-1778) созданием бинарной номенклатуры и своей классификацией подвел итог многовековому эмпирическому накоплению биологических знаний. Он же, осознавая искусственность своей систематики, заявил, что возможна и некая система живых организмов по естественному методу, основанная на знании природы. Это подводило естествоиспытателей к идее эволюции. Ботаник Королевского ботанического сада в Париже Жан Батист Пьер Ламарк (1744-1829) впервые предложил развернутую концепцию эволюции органического мира. По его мнению, руководящим в эволюционном процессе был принцип градации (стремления к совершенству), основанный на зависимости развития или атрофии органов под влиянием упражнения и наследовании таких признаков. Иначе все себе представляли сторонники «теории катастроф» - основатель палеонтологии, француз Жорж Кювье (1769-1832), английский зоолог и палеонтолог Ричард Оуэн (1804-1892) и другие. По их мнению, живой мир неоднократно изменялся в исключительно в результате глобальных катастроф, стиравших большую часть всего живого с лика Земли. Каждый новый этап, согласно катастрофизму, был более совершенным благодаря внешней творящей божественной силе (она же, видимо, была и первопричиной катастроф). Третьим вариантом был униформизм, адепты которого (русский и английский естествоиспытатели Михаил Ломоносов (1711-1765) и Чарльз Лайель (1797-1875) и др.) считали мир плавно меняющимся, но ненаправленно, бессистемно, случайным образом. Нельзя сказать, что все три теории были неверны, но они охватывали лишь частности сложного процесса развития жизни на Земле.
К концу XVIII века, по мере все большего накопления естественнонаучных знаний, у биологов начал складываться особый подход к изучению явлений природы, учитывающий зависимость изменения организмов от окружающих условий – зачатки экологии. Но экологических идей как таковых еще нет. Есть только их предпосылка.
Александр Гумбольдт - великий немецкий ученый, заложивший основы биогеографии. Его заслуги перед экологией очень велики
Начало в становлении экологии ("физической географии", "геогнозии", "Physique Generale", "эпирреалогии").
Ботанико-географические исследования способствовали дальнейшему развитию экологического мышления.
Появились работы, в которых авторы понимают среду обитания, как совокупность действующих экологических факторов. В 1832 г. Огюстен Декандоль обосновал необходимость выделения новой отрасли наук "Эпирреалогии" со своим особым предметом изучения: "…Растения не выбирают условия среды, они их выдерживают или умирают. Каждый вид, живущий в определенной местности, при известных условиях представляет как бы физиологический опыт, демонстрирующий нам способ воздействия теплоты, света, влажности и столь разнообразных модификаций этих факторов…"
Иммануил Кант в своем курсе "Физическая география", прочитанном в Кенигсберге в 1756 г., высказывался за целостное описание природы. Физическая география, как полагал Кант, должна была как раз дать "идею целого в понятиях территории". Эти представления нашли свой отклик у немецких географов и геологов, в частности у Абраама Готлоба Вернера, которого теперь заслуженно считают основателем исторической геологии. От классической минералогии Вернер перешел к тому, что он называл "геогнозией" - комплексному изучению Земли, охватывающему живую и неживую природу.
Учеником же Вернера во Фрайбургской горной школе был Александр фон Гумбольдт (1769-1859), чей вклад в становление экологии трудно переоценить. Будучи необычайно широко образованным человеком и занимаясь практическими исследованиями в области ботаники (особенно географии растений), геологии, ландшафтоведении, климатологии и этнографии, Гумбольдт в то же время стремился к созданию целостной картины всей природы и даже считал, что этим должна заниматься специальная наука - "общая физика" ("la physique generale").
Прогресс данной науки по его мнению мог быть достигнут путем "объединения знания о всех явлениях и существах, которые предлагает поверхность Земли", поскольку "в этой грандиозной последовательности причин и эффектов ничто не может быть рассмотрено в изоляции". Именно Гумбольдту принадлежит заслуга в переходе от изучения отдельных растений к познанию растительного покрова, как некоторой целостности. Заложив основы «географии растений», Гумбольдт не только констатировал различия в распределении разных растений, но и пытался их объяснить, связывая с особенностями климата. В книге «Идеи географии растений» (1807) он ввел ряд научных понятий, которые используются экологами и сегодня (экобиоморфа растений, ассоциация видов, формация растительности и др.).
Становление эволюционной экологии. Профессор Московского университета Карл Францов Рулье (1814-1858) четко сформулировал мысль о том, что развитие органического мира обусловлено воздействием изменяющейся внешней среды: "…Ни одно органическое существо не живет само по себе; каждое вызывается к жизни и живет только постольку, поскольку находится во взаимодействии с относительно внешним для него миром. Это закон общения или двойственности жизненных начал, показывающий, что каждое существо получает возможность к жизни частию от себя, а частию из внешности…". Считается, что К.Ф. Рулье в своих трудах (160 работ) заложил основы экологии животных, поставил проблемы адаптации, миграции, изменчивости, ввел понятие "стация"1. Он ближе всех подошел к эволюционной теории Дарвина, но прожил всего 44 года... Его идеи развил ученик Николай Алексеевич Северцов (1827-1885), опубликовавший в 1855 г. работу «Периодические явления в жизни зверей, птиц и гадов Воронежской губернии». Значимость этой магистерской диссертации Н.А. Северцова для науки можно оценить тем, что через 100 лет в 1950 г. эта работа была переиздана, и она не утратила своего значения и сегодня. Важнейшей вехой в развитии экологических представлений о природе явился выход знаменитой книги Чарльза Дарвина (1809-1882) о происхождении видов путем естественного отбора, жесткой конкуренции.
Это великое открытие в биологии явилось мощным толчком для развития экологических идей.
Английский натуралист Чарльз Роберт Дарвин (1809-1882), опираясь на результаты наблюдений, накопленных им к 26 годам во время кругосветного путешествия на военном парусном корвете «Бигль» (капитан Р. Фицрой), создал свою теорию естественного отбора. Основная идея книги Дарвина «Происхождение видов», изданной в 1859 г., состоит в применении концепций борьбы за существование и естественного отбора, а так же понятий определенной и неопределенной изменчивости для объяснения возникшего в результате биологической эволюции многообразия живых существ, обитающих на Земле. При этом Дарвин указал, что взял эту концепцию социологической доктрины Мальтуса о борьбе за существование и выживание сильнейшего в человеческом социуме и применил по отношению к животному и растительному миру. Теория Дарвина и ныне одна из известнейших концепций биологической эволюции. Выдающийся немецкий биолог Эрнст Геккель (1834-1919) назвал Дарвина «Ньютоном органического мира». "Я докажу! " – девиз Э. Геккеля в науке. В 8 лет прочитал Робинзона Крузо, долго грезил дикарями, приключениями. Пробивной, мечтавший и добившийся мировой славы, он добился открытия филогенетического факультета в Йенском университете, много лет успешно изучал радиолярии, прекрасно рисовал, но мог делать выводы, не подкрепленные фактами и потому ошибочные. Им было придумано много разных терминов для классификации отделов наук; много лет он искал одноклеточный организм, давший начало всему живому; искал общий закон, который бы объяснил все явления. Вскоре после выхода в свет учения Ч. Дарвина – в 1866 г. он предложил термин для новой науки – «экология», который впоследствии получил всеобщее признание. Именно 1866 г. следует считать годом рождения экологии. В конце XIX она представляла собой науку об адаптации организмов к климатическим условиям, но лишь через 100 лет превратилась в целое мировоззрение – общую экологию
Тем временем у химиков резко возрос интерес к процессу горения. Почему одни предметы горят, а другие нет? Что представляет собой этот процесс? Объяснения пыталась дать теория флогистона-теплорода (греческого флогистос – горючий). Ее основоположником был немецкий врач и химик Георг Шталь (1659-1734). Согласно его теории все горючие вещества богаты особым веществом – флогистоном. Чем больше флогистона в теле, тем лучше оно горит. То, что остается после горения, флогистона не содержит и потому гореть не может. Металлы, по мнению Шталя, тоже содержат флогистон, а теряя его превращаются в известь, ржавчину и окалину. Если к этим остаткам опять добавить флогистон, можно опять получить металлы. Такое понимание плавления позволило объяснить процесс превращения руд в металл: руда, в которой мало флогистона, нагревается на древесном угле, богатом флогистоном. Флогистон переходит из угля в руду, в итоге уголь превращается в бедную флогистоном золу, а руда – в металл, богатый флогистоном. Теория флогистона быстро стала популярной и была повсеместно принята, так как дала четкие ответы на многочисленные вопросы. Но один вопрос эта теория решить не могла: большинство горючих веществ при горении в значительной степени исчезало, зола и сажа были легче, чем исходное вещество.
Антуан-Лоран Лавуазье (1743-1794) в опытах по нагреванию различных веществ в закрытых сосудах установил, что независимо от характера химических процессов и их продуктов, общий вес всех участвующих в реакции веществ не меняется: масса не создается и не уничтожается, а лишь переходит от одного вещества к другому (закон сохранения массы). Встала задача: почему при соединении воздуха с металлом образуется окалина, а при соединении с деревом – газы, и почему при этих взаимодействиях участвовал не весь воздух, а лишь пятая его часть? При ее решении Лавуазье пришел к выводу, что воздух не простое вещество, а смесь двух газов, 1/5 которой составляет газ, который и соединяется с горящими и ржавеющими предметами, переходит из руды в уголь и необходим для жизни. Лавуазье назвал этот газ кислородом (порождающим кислоты), так как ошибочно думал, что это компонент всех кислот. Второй газ не поддерживает горения, и был назван азотом – безжизненным. Важную роль в этих исследованиях сыграли опыты английского физика Генри Кавендиша (1731-1810), доказавшего, что образующиеся при горении газы конденсируются в воду, а значит вода не простое вещество, а соединение двух газов. Лавуазье назвал один газ водородом (он при горении соединяется с кислородом, образуя воду). Теории Лавуазье привели к рационализации химии и покончили с таинственными гипотетическими элементами. Сам же Лавуазье, как роялист, сложил голову на парижской гильотине в дни правления Робеспьера.
Джон Дальтон (1766-1844) – английский физик и химик – исходя из корпускулярного строения материи и понятия химического элемента по Лавуазье, сделал вывод, что все атомы каждого химического элемента одинаковы и обладают определенным весом. Следовательно, каждый элемент обладает своим относительным атомным весом. В качестве условной единицы атомного веса он принял атомный вес водорода и сопоставил с ним другие элементы, составив первую таблицу атомных весов
Йенс Якоб Берцелиус (1779-1848)– шведский химик, открывший закон постоянства состава молекулы вещества, ввел деление веществ на два вида. Вещества неживой природы (неорганические) могли выдерживать жесткую обработку, а вещества живой или некогда живой материи (органические) такой обработки не выдерживали. Во многих проявлениях эти две группы веществ вели себя принципиально различным образом: так, органические вещества при нагревании или другом воздействии легко превращаются в неорганические.
До середины XIX в. химия развивалась хаотически: химики открывали новые химические элементы, описывали их свойства, и так накопили огромный эмпирический материал, нуждавшийся в систематизации. Логическим финалом этого процесса стал I Международный химический конгресс (1860, Карлсруэ, Германия), на котором окончательно сформулировали и приняли основополагающие принципы, теории и законы химии. С этого момента начался современный период развития химии, в начале которого были разработаны теории валентности, ароматических соединений, стереохимии, электролитической диссоциации Сванте Аррениуса и др. Главным же стало открытие периодического закона.
Дмитрий Иванович Менделеев (1834-1907) – великий русский химик, считал, что любое точное знание – система, в основе которой лежит единый фактор. В качестве главной характеристики химических элементов он выбрал атомный вес. Основываясь на изменении валентности элементов в соответствии с их атомным весом, Менделеев разделил их на периоды. В то время были известны 62 элемента, потому в таблице оказались пустые клетки для еще неоткрытых элементов. Впоследствии их свойства оказались именно такими, как предсказал Менделеев. В начале 1999г. появилось сообщение, что в Дубне синтезирован уже 114 й элемент, живущий около 30 секунд.
Сплошные среды – жидкости и газы – стали предметом изучения для новой науки – термодинамики. Между их параметрами (давлением, объемом, температурой, составом) были установлены количественные соотношения в законах Бойля – Мариотта, Гей-Люссака, Шарля и Менделеева – Клапейрона. Теплоту отождествили наконец с энергией, а представления о газах как о системах множеств маленьких молекул смогли связать механику и термодинамику в рамках молекулярно-кинетической теории. Этот шаг укрепил представление о единстве мира. В XIX веке благодаря Джеймсу Клерку Максвеллу (1831-1879) и Людвигу Больцману (1844-1906) необратимость ряда явлений термодинамики – детерминированного мира молекул при учете огромного количества молекул в любом объеме нашла объяснение с точки зрения теории вероятности (молекулы, разлетевшись из части сосуда по всему сосуду, никогда вновь не соберутся в его части, хотя из законов механики это вовсе не следует; тепло, перейдя от нагретого тела к холодному, никогда не вернется назад, и термодинамическое равновесие самопроизвольно не нарушится). Это, между прочим, означало и то, что упорядоченность в замкнутой термодинамической системе никогда не возрастает. Нарастает мировая энтропия. Выравнивание температуры и разрушение существующих структур – такова судьба косной материи, в отличие от самоструктурирующейся живой. Устройства с тепловыми двигателями явили собой практическое воплощение научных идей молекулярной физики и термодинамики.
Так к XIX вв. постепенно стала утверждаться идея единства и взаимопревращения различных физических процессов, о взаимопревращаемости сил природы. Пивовар и изобретатель из Манчестера – Джеймс Прескотт Джоуль (1818-1889), немецкие естествоиспытатели Юлиус Роберт Майер (1814-1878) и Герман Людвиг Фердинанд Гельмгольц (1821-1894) смогли сформулировать закон сохранения и превращения энергии: энергия не возникает из ничего и не уничтожается, а лишь переходит из одного вида в другой. Это – поныне не только важнейший, фундаментальный принцип физической науки, но и одна из основ материалистического мировоззрения, касающаяся естествознания в целом.
Трудами врача Томаса Юнга (1773-1829) и физика Огюстена Жака Френеля (1788-1827) окончательно утвердились пробивавшие себе дорогу с ньютонианской поры представления о волновой природе света, который проявлял такие, хорошо известные любителям кругов на воде волновые свойства, как интерференция (наложение волн) и дифракция (огибание препятствий).
В первой половине XIX века, появляются самые разнообразные, изобретения, основанные на новейших открытиях в области естествознания – фотография (метод дагерротипов, изобретенный парижанином Луи Жаком Дагером), пароход, паровоз (изобретенная еще в XVIII веке паровая машина перекочевала с мануфактур и возникающих заводов и фабрик на транспорт). Целый ряд изобретений был связан и с электромагнитными явлениями.
Учение об электричестве и магнетизме в первой половине XVIII века получило развитие и даже вошло в придворную моду (правда, в виде забав). Англичанин Стивен Грей (1666-1736) открыл электропроводимость, француз Шарль Франсуа Дюфе (1698-1739) – отрицательное и положительное электричество и взаимодействие равно- и разнозаряженных предметов. Вслед за этим был создан первый в истории конденсатор – лейденская банка (впрочем, может быть, первые опыты с электрическим конденсатором проводились еще в античное время – это как будто подтверждает находка аналогично устроенного сосуда с взаимовложенными металлическими цилиндрами). Ролью электричества в живом организме заинтересовались врачи (опыты по гальванизации). Американский философ, политик и естествоиспытатель Бенджамин Франклин (1706-1790) установил природу молнии. Тогда же при изучении молнии в Санкт-Петербурге погиб русский физик Георг Вильгельм Рихман (1711-1753), проводивший лабораторные наблюдения совместно с другом и коллегой Михаилом Ломоносовым. Наконец французский исследователь Шарль Огюстен Кулон (1736-1806) сумел измерить величины сил электрического заряда и установил основной закон электростатики – электрические силы обратно пропорциональны квадрату расстояния, аналогично гравитации. Электрические явления оперативно нашли практическое применение – после открытия датчанином Хансом Кристианом Эрстедом (1777-1851) взаимодействия электротока с магнитной стрелкой изобрели электромагнитный телеграф. Интересно развитие этого изобретения во времени: 1819 – открытие Эрстеда, 1832 – первый русский телеграф П. Шиллинга в Петербурге, 1844 – первая телеграфная линия в США. Русский академик Борис Семенович Якоби (1801-1874) создал совершенно новую область применения электричества – гальванопластики. Говоря о развитии электростатики и электродинамики нельзя не упомянуть и опыты итальянского врача и физика Алессандро Вольта (1745-1827), создавшего первый источник постоянного тока – вольтов столб, и, наконец, французского математика и физика Андрэ Мари Ампера (1775-1836), который смог перевести результаты опытов с электричеством на сухой язык математики.
После того, как великий английский физик и химик Майкл Фарадей (1791-1867) обнаружил воздействие магнитного поля на световую волну, стало очевидным тождество электромагнитных и световых волн. Тепловое излучение нагретых тел оказалось подобным свету электромагнитным излучением, но только с большой длиной волны – человеческий глаз не мог ее воспринять как свет.
Новый тип явлений – электромагнитные – потребовал создания новой концепции. Она и была создана Максвеллом на основе опытов Ампера и Фарадея. Язык теории Максвелла был, как и в механике Ньютона, математикой бесконечно малых величин – дифференциальными уравнениями. Соотношения между характеристиками полей позволяли предсказать эффекты, которые удалось затем пронаблюдать на опыте. Наконец, электрические машины и, впоследствии, радио стали прекрасной иллюстрацией успеха теории. Но радиоволны (как и любые другие волны) требовали среды, в которой они могли бы распространяться. Эта гипотетическая среда – мировой эфир (вспомним Аристотеля), пронизывающий все пространство – могла бы служить абсолютной системой отсчета, укрепив единство мира. Не удавалось лишь обнаружить эту среду с необычайно экзотическими свойствами. Почему экзотическими? Задумаемся: выходит так, что планета Земля пролетает по орбите сквозь эфир 30 км в секунду не испытывая никакого торможения, а маленькая пуля, вылетев из винтовки со скоростью сотни метров в секунду, пролетит в воздухе лишь 3-4 км. Получается, что эфир очень разреженный. Но скорость радиоволн и света в эфире – 300000 км/сек, что должно соответствовать неимоверным плотности и упругости этой среды.
Несмотря на проблемы с эфиром и некоторые другие вопросы, единство свойств электромагнитных, световых, тепловых волн позволило, наконец, создать, как казалось, окончательно единую картину мира в стиле классической физики. К этой совершенной, все объясняющей и все расставляющей картине стремились много веков десятки поколений ученых. И вот – финиш, апофеоз натурфилософии! Оставалось только уточнять небольшие детали, «нанести кистью последние, завершающие мазки на холст».
|
|
