В силу геоцентрического взгляда, равно как и гелиоцентрического, Вселенная, у которой есть центр, также имеет и границы (одно обусловливает другое). С точки зрения релятивизма она безгранична (отсутствие центра неразрывно связано с невозможностью границ и наоборот). Важно отметить, что понятия "безграничность" и "бесконечность" часто воспринимаются как равнозначные, а утверждение о безграничности Вселенной отождествляется с тезисом о ее бесконечности. В естествознании вышеупомянутые понятия обозначают не одно и то же. По современным научным представлениям Вселенная безгранична, но не бесконечна. Это положение кажется, на первый взгляд, довольно странным и непонятным. Для того, чтобы разобраться в нем, рассмотрим простой пример.
Представим себе отрезок и зададимся вопросом: безграничен ли он? Конечно же, нет, т. к. у него есть границы – точки, между которыми он заключен. Так же отрезок и не бесконечен, потому что его длину можно измерить и выразить в какой-либо конечной числовой величине (10 мм, 5 см, 2 м, 1 км и т. п.). Теперь мысленно искривим этот отрезок и замкнем его, соединив концы. Что получилось? Отрезок превратился в окружность. Вновь зададимся вопросом: есть ли у этого кривого, замкнутого отрезка, или окружности границы? У окружности (обратите внимание – речь идет об окружности, а не о круге!) никаких границ нет (нельзя сказать где она начинается и где заканчивается), т. е. она безгранична. Однако ее длина является такой же, как длина отрезка, из которого она образована, т. е. конечной. Получается, что окружность безгранична, но не бесконечна.
Обратимся еще к одному примеру. Представим себе сферу (обратите внимание – не шар, а сферу, т. е. искривленную плоскость, являющуюся поверхностью шара) и мысленно разомкнем, "распрямим" ее, чтобы она превратилась в плоскую геометрическую фигуру. Будут ли у последней границы? Да, будут. Теперь вновь искривим ее, свернем и замкнем в сферу. Есть ли у сферы границы? Конечно же, нет: она, как и окружность, нигде не начинается и нигде не заканчивается, т. е. является безграничной. Однако площадь сферы можно посчитать и выразить некой конечной величиной, так же, как и площадь плоской геометрической фигуры, в которую можно превратить сферу путем ее развертки на плоскости. Таким образом, сфера не бесконечна. Тем не менее она безгранична.
Мы заметили, что искривление какого-либо геометрического объекта способно сделать его безграничным, но не бесконечным. Прямую линию можно условно назвать одномерным пространством, потому что она имеет только одно измерение, или, иначе говоря, задается только одной координатной осью – "х" или "у". Плоскость можно условно назвать двухмерным пространством, т. к. она имеет два измерения, задается двумя прямыми, или двумя координатными осями – "х" и "у". Привычное нам пространство, то, в котором мы находимся, является трехмерным, потому что оно задается тремя прямыми, или тремя координатными осями – "х", "у", "z". Вселенная представляет собой трехмерное пространство. Искривление одномерного пространства (прямой линии) делает его замкнутым (окружность) и безграничным (но не бесконечным). Искривление двухмерного пространства (плоскости) приводит к тому, что оно становится замкнутым (сфера) и не имеет границ (но остается конечным). Так же и искривление нашего трехмерного пространства, или Вселенной превращает его в замкнутое и безграничное (но не бесконечное). Здесь может возникнуть вопрос: что такое искривление трехмерного пространства? Как его себе представить? Мы можем представить искривление одномерного пространства (прямая линия превращается в окружность) или – двухмерного (плоская фигура становится сферой), но мы принципиально не можем представить себе искривление трехмерного пространства, потому что сами являемся трехмерными существами. Для пояснения приведем пример. Представим себе, что в некой плоскости живут двухмерные существа, которые передвигаются по ней во всех направлениях, но не могут покинуть ее, оторваться от нее (например, подняться над ней) в силу своей двухмерности. Теперь представим, что эта плоскость искривилась и замкнулась, превратившись в сферу. Двухмерные жители по-прежнему скользят по своей плоскости (теперь – сфере) во всех направлениях. Будут ли они замечать ее появившуюся кривизну? Не будут – для них она остается плоскостью. Если бы кто-то сказал им, что она искривлена, они не смогли бы себе это представить. Двигаясь по искривленной поверхности, они не воспринимают ее таковой. Кстати, это приводит к удивительным для них результатам. Отправляясь в своей плоскости строго вперед и двигаясь исключительно по прямой (как им кажется) линии, никуда не сворачивая, они, к своему величайшему изумлению, через какое-то время окажутся в той же точке, из которой начинали свой путь. Как двухмерные существа не в состоянии заметить, а также представить кривизну и замкнутость своей плоскости, так и мы – существа трехмерные – не можем заметить и представить кривизну своего трехмерного пространства и его замкнутость. Как то ни удивительно, но отправляясь по прямой линии в бескрайние глубины Вселенной, мы через некоторое время попадем туда же, откуда начинали свое путешествие. Этот необычный эффект обусловлен тем, что Вселенная представляет собой (с точки зрения современного естествознания) искривленное и замкнутое трехмерное пространство и является безграничной, но не бесконечной.
По поводу всего вышесказанного может возникнуть вопрос: каким образом в науке появился вывод об искривленности трехмерного пространства, если человек не в состоянии ни заметить, ни представить себе это. Такой вывод был сделан умозрительно. Там, где бессильны органы чувств и самое живое воображение, на помощь приходит умозрение: то, что нельзя увидеть глазами и наглядно представить, можно вывести умозрительным путем, т. е. усмотреть умом, помыслить. Например, почему мы запросто пользуемся понятием бесконечности, хотя ни увидеть ее, ни вообразить не можем? Потому что вполне способны уловить ее разумом, "увидеть" с помощью мысли.
Итак, одной из характерных черт современной научной картины мира является релятивизм. Другая такая черта – это математизация естествознания, которая, начавшись еще в 16–17 вв., продолжается до настоящего времени и играет в нынешней науке гораздо большую роль, чем в эпоху Галилея и Ньютона. Современная исследовательская мысль начала проникновение в такие области природы, где использование математического языка становится единственно возможным. Например, объекты микромира (атомы и элементарные частицы) вообще не поддаются точному описанию и объяснению с помощью естественного языка и поэтому представляют собой в сегодняшнем естествознании, по преимуществу, набор сложных математических записей, понятных и доступных только специалистам в этой отрасли науки.
Еще одна важная особенность третьей научной картины мира, отличающая ее от классического естествознания, заключается в антимеханицизме. Вспомним, ньютоновская наука характеризовалась прежде всего механицизмом, согласно которому все многообразие природных явлений, в конечном итоге, сводится к простым механическим взаимодействиям между физическими телами; и с помощью механики, следовательно, научное познание может охватить и исчерпать всю природу. С точки зрения современных естественнонаучных представлений Вселенная не является огромной механической совокупностью составляющих ее объектов, а представляет собой нечто неизмеримо более сложное, чем механизм, хотя бы даже грандиозный и совершенный. Многообразие природных явлений не сводится к механическим взаимодействиям, потому что последними объясняется далеко не весь окружающий мир (как казалось Ньютону), но только маленькая его часть. Более того, сами механические взаимодействия не являются в природе базисными, основными, исходными, а представляют собой следствия или проявления других, более глубоких, фундаментальных взаимодействий (сильных, слабых, электромагнитных, гравитационных), о которых речь впереди.
Следующая характерная черта современного естествознания – это глобальный эволюционизм. Вторая, или классическая научная картина мира утверждала, что Вселенная неизменна. Одной из главных идей третьей, или эйнштейновской научной картины мира является утверждение о том, что все ныне существующее есть результат длительной эволюции, грандиозного мирового развития – от физического вакуума и хаоса элементарных частиц до высокоразвитых форм жизни, включая человека разумного (Homo Sapiens). Раньше Вселенная была совсем не такой, как сейчас, считает современная наука. Вспомним, первую научную картину мира мы сравнивали с живописным полотном (все очень красиво, но сходство с реальностью минимальное), вторую – с черно-белой фотографией (сходство с действительностью достаточно большое, но неудобство причиняет статичность и безжизненность). Третью научную картину мира можно уподобить цветной киноленте, каждый кадр которой соответствует определенному этапу в эволюции Вселенной. Кроме того, если вторая научная картина мира считалась завершенной (и поэтому – классической), описавшей и объяснившей, в основном, всю природу, то современное естествознание вынуждено признать, что вслед за вечным изменением мира будут меняться и наши представления о нем. А это значит, что нынешняя научная картина мира в недалеком или отдаленном будущем уступит место иным научным представлениям. Единственно верную, абсолютно точную, полностью завершенную картину мира не удастся нарисовать никогда, говорит современная наука.
Вспомним, одной из характерных черт ньютоновского, или классического естествознания являлся механицизм, неизменными "спутниками" которого были детерминизм и идея стационарности мира. Глобальный эволюционизм также характеризуется наличием своих "спутников". Если, согласно идее глобального эволюционизма, Вселенная представляет собой грандиозную эволюцию, протяженностью в миллиарды лет – от хаоса элементарных частиц до сложных форм жизни и разумного человека, то это означает, что мировое развитие шло по восходящей линии – от более простого к более оформленному и структурированному; эволюция Вселенной представляет собой постепенное нарастание сложности материальных структур, их саморазвитие и самоорганизацию. Теория самоорганизации материальных объектов и систем называется синергетикой (греч. synergos – совместно действующий), которая и является одним из "спутников" глобального эволюционизма. Согласно синергетическим идеям, в развитии любой материальной системы (под материальной системой подразумевается любая – простая или сложная – структура – от атома до человеческого общества) есть так называемые точки бифуркации (лат. bifurcus – раздвоенный) – такие моменты или состояния, в которых система становится неустойчивой, и любой случайные факторы, называемые флуктуациями (лат. fuctuatio – колебание), могут "столкнуть" систему на какой-либо один из возможных, альтернативных путей дальнейшего развития. Таким образом, в точке бифуркации поведение системы становится непредсказуемым, а ее будущее – неопределенным. Вне точек бифуркации (или между ними) система является устойчивой, и случайные факторы не могут как-либо существенно повлиять на нее. В этих случаях поведение системы предсказуемо, а ее будущее является определенным. Например, раскачивающийся маятник представляет собой устойчивую систему: можно точно сказать, чем закончатся его колебания – они со временем затухнут и маятник будет неподвижен в отвесном, "серединном" своем состоянии. Однако если повернуть его на 180°, поднять вертикально вверх и отпустить, то принципиально неизвестно, в какую сторону он свалится (направо или налево); в таком положении он находится в точке бифуркации, и его падение в ту или другую сторону зависит от случайных факторов. Классическое естествознание сосредоточивало свое внимание на устойчивых материальных системах, подобных "нижнему" положению маятника, а современное естествознание проявляет большой интерес к неустойчивым системам, подобным "верхнему" положению маятника, чем, во многом, и объясняются такие его черты как глобальный эволюционизм и синергетическое видение мира.
Наконец, еще одним "спутником" глобального эволюционизма является индетерминизм – идея, согласно которой мир не является полностью предсказуемым, ясным и определенным; в нем немалую роль играет случайность, в его развитии (поскольку он также является материальной системой) есть точки бифуркации, есть альтернативность и неоднозначность путей, мир не является линейным, как в детерминизме.
Другой принципиальной особенностью нынешней науки является антропный принцип (греч. anthropos – человек). Классическое естествознание исходило из разделенности и противопоставленности объекта (окружающего мира) и субъекта (познающего человека). Считалось, что человек существует сам по себе, независимо от мира и познает его таким, какой он на самом деле, получая, следовательно, совершенно правильную, истинную картину вещей. Научное познание отражает природную реальность так же, как фотография точно воспроизводит запечатленные на ней объекты. Современная наука базируется на ином представлении: познающий человек смотрит на окружающий мир не извне – как сторонний наблюдатель, совершенно независимый от него, – а, наоборот, изнутри, будучи его неотъемлемой частью. В силу этого познаваемый мир не может быть чем-то исключительно внешним, самим по себе существующим, – объектом, который можно отразить, воспроизвести и описать таким, каким он является "на самом деле". В результате человек видит мир как бы "через самого себя", через призму особенностей собственной природы, т. е. получает не "объективную" картину мира", а "субъективную". Кавычки здесь употребляются не случайно: под субъективной картиной мира в данном случае подразумевается не то, что каждый из нас видит мир так, как ему хочется, и наука не может достичь ничего общепризнанного и общезначимого; а то, что антропная, или человеческая природа неизбежно накладывает на познание такое ограничение, в силу которого человек принципиально не может быть чисто объективным наблюдателем "самой по себе" существующей Вселенной, потому что сам он является одним из закономерных этапов ее длительной, грандиозной эволюции. Говоря иначе, в силу антропного принципа объект и субъект познания неотделимы друг от друга, что накладывает существенный отпечаток на рисуемую современной наукой картину мира и представляет собой одно из ее важных отличий от ньютоновского, или классического естествознания. Кроме того, антропный принцип также представляет собой идею, согласно которой все параметры, константы и свойства Вселенной с самого ее рождения были таковы, что в ней на каком-то этапе ее грандиозной эволюции должен был появиться разумный ее наблюдатель – человек; малейшее изменение хотя бы одного параметра "запустило" бы эволюцию Вселенной по другому пути, и человек в ней не появился бы.
2. Вещество и поле
Механистический взгляд на природу, которым характеризовалось классическое естествознание, оказался необычайно плодотворным. Вслед за ньютоновской механикой были созданы гидродинамика, термодинамика, теория упругости и множество других дисциплин, где наука достигла больших успехов. Однако оставались две области, в которых механистической теорией мало что можно было описать и объяснить. Этими областями были свет и электричество.
Пытаясь объяснить свет с помощью своей механики Ньютон говорил, что он представляет собой поток маленьких частиц или, как часто говорят в науке, корпускул (лат. corpusculum – маленькая частица), которые несутся от источника света, взаимодействуют между собой по механическим законам и вызывают ощущение света, попадая в человеческий глаз. Однако такое объяснение не было вполне удовлетворительным: ведь мы знаем, что два луча света свободно проходят друг через друга, а если бы это были два потока частиц, как считал Ньютон, то они сталкивались бы, и как-то изменяли направление своего движения, отклонялись бы или ломались. Мы же не наблюдаем никаких возмущений при прохождении одного луча через другой, значит свет – это не поток корпускул, а что-то другое. Что?
На этот вопрос попытался ответить нидерландский ученый 17 в. Христиан Гюйгенс. Вполне возможно, говорит он, что свет – это не движение частиц. Представьте себе волны на поверхности воды. Нам кажется, что они движутся, но на самом деле никакого движения не происходит. Просто на неподвижной поверхности воды одна ее часть поднимается, а другая опускается, что и создает эффект волны и видимость ее движения. На самом же деле происходит не движение воды, а колебание (вверх-вниз) ее поверхности. Возможно, что тоже самое происходит и со светом, предположил Гюйгенс. Все пространство заполнено невидимым светоносным веществом – эфиром, который сам никуда не движется, но может колебаться, как и водная поверхность. Колебания этого эфира и вызывают свет, который, таким образом, представляет собой не движение частиц, а волны эфира. Ньютоновское представление о свете получило название корпускулярного, а теория Гюйгенса стала называться волновой.
Но и против волновой теории имелись возражения. Как известно, волны обтекают препятствия, а луч света, распространяясь по прямой линии, обтекать препятствия не может. Если на пути луча поместить непрозрачное тело с резкой границей, то его тень будет иметь резкую границу. Однако при более тонком наблюдении с использованием увеличительных линз обнаружилось, что на границах резких теней можно разглядеть участки освещенности, которые выглядят, как перемежающиеся светлые и темные полоски. Это явление было названо дифракцией света (лат. difractus – разломанный, или рассеянный, разбросанный). Оно показало, что свет все же огибает препятствия, как и водяные волны, хотя мы этого не можем наблюдать невооруженным глазом. Открытие дифракции подтвердило идею Гюйгенса о том, что свет имеет не корпускулярную, а волновую природу. Однако авторитет Ньютона был настолько велик, что его корпускулярная теория все же стала господствующей даже несмотря на ее малые возможности что-либо объяснить относительно света. В науке, как и в любом другом виде духовной деятельности, все новое не сразу заменяет собой старое каким бы хорошим это новое ни было. Более того, если одни идеи высказал авторитетный (то есть – всем известный и всеми уважаемый) человек, а другие, которые намного лучше первых, высказал какой-нибудь неизвестный деятель, как правило, все доверяют более первому, чем второму.
Волновая теория света была выдвинута вновь в 19 веке английским ученым Томасом Юнгом. Он дал объяснение явлению, при котором свет, добавленный к свету, не обязательно дает более сильный свет, но может давать более слабый и даже темноту. Это явление было названо интерференцией света (лат. inter – между и ferens – переносящий). Оно заключается в том, что при наложении друг на друга двух волн таким образом, что гребень одной из них совмещается со впадиной другой, они уничтожают друг друга. Вот почему при добавлении света к свету может возникать темнота. Интерференция подтвердила волновую теорию света.
Другой областью природы, где механистическое объяснение оказалось неэффективным, было электричество или – область электромагнитных явлений.