Лекция 5. Век Просвещения

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 (18041892) 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
("физической
в
становлении
географии",
экологии
"геогнозии",
"Physique Generale", "эпирреалогии").
Ботанико-географические
способствовали
исследования
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,
Стация — ( лат. statio местопребывание) местообитание, используемое животным или данным видом
животных постоянно либо в ограниченный период; различают стации дневные и ночные, сезонные, стации
размножения, питания и др.
1
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 1999 г. 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, ГейЛюссака, 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 (16661736) 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 (17061790) 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 (18011874) 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».