Новая история стран Европы и Америки XVI–XIX века. Часть 1 - Коллектив авторов

Французский ученый Огюстен Френель (1788–1827) придал волной теории света более строгое математическое обоснование, а также выдвинул гипотезу о поперечности колебаний световых волн, т. е. колебаний в плоскости, перпендикулярной направлению их движения. Эта идея позволила объяснить преломление света, его прямолинейное распространение, полное внутреннее отражение и другие оптические явления. Но анализ механических свойств эфира стал при этом еще более проблематичным – поперечные колебания распространяются только в твердых средах, тогда как эфир современники Френеля считали максимально разреженной сферой, «наилегчайшей материей». Выход из этого противоречия был предложен Максвеллом, рассматривавшим световые волны как частное проявление электромагнетизма, а эфир – как полевое, континуальное явление. Экспериментально же волновая теория была полностью подтверждена при изучении движения света в разных средах. Арман Физо (1819–1896) в 1849 г. установил скорость света в наземных условиях, а Жан Бернар Фуко (1819–1868) в 1853 г. – скорость света в воде.

Новые открытия в области континуального строения пространства требовали обновления математической теории. Первый шаг в этом направлении предпринял немецкий ученый Карл Фридрих Гаусс (1777–1855). Он разработал модель математического анализа для пространственных расчетов, допускающих большую долю погрешности (в области астрономии, геодезии, картографии и т. п.). В своих исследованиях Гаусс использовал принципы дифференциальной геометрии, предназначенной по его же словам «для отображения поверхности с сохранением подобия в бесконечно малых частях». Этот подход не позволял преодолеть жесткую схему евклидовой геометрии, но открывал дорогу для развития теории вероятностного анализа.

О возможности реального построения неевклидовой геометрии первым заявил русский ученый Николай Иванович Лобачевский (1792–1856). Концептуальная работа Лобачевского «Начала геометрии» была издана в 1829 г., а спустя три года к схожим выводам пришел и венгерский математик Янош Больяй (1802–1860). Примечательно, что Лобачевский считал возможным использование принципов обеих геометрических систем в зависимости от опыта, т. е. результатов эмпирических наблюдений. Он доказывал, что свойства пространства определяются свойствами материи и ее движения. В такой трактовке неэвклидова геометрия становилась важным основанием для развития вероятностных теорий.

В полном виде основания неэвклидовой геометрии сформулировал в 1854 г. немецкий математик Бернхард Риман (1826–1866). Он уже осмеливался доказывать теоретическую возможность пространства с более чем тремя измерениями – невероятную фантазию с точки зрения классической математики и физики. В работах его коллеги Георга Кантора (1845–1918) была соответствующим образом обновлена и теория чисел. Кантор стал создателем принципиально новой области математики – теории множеств, которая включала широкий комплекс новых понятий и парадоксов, связанных с проблемами бесконечности. Большой общественный интерес вызвала попытка английского математика Чарльза Доджсона (1832–1898) описать мир неевклидовых пространств и обратимого времени в литературной форме. Под псевдонимом Льюиса Кэррола он издал сказки «Алиса в стране чудес» и «Алиса в Зазеркалье», предвосхитившие некоторые физико-математические идеи XX в.

Развитие химической науки в XIX в. сохраняло более традиционную логику и было связано с утверждением атомно-молекулярного учения. Основоположником химической атомистики стал школьный учитель из Манчестера Джон Дальтон (1766–1844). Изучая свойства газовых соединений, он выдвинул гипотезу о зависимости свойств вещества от атомной структуры его молекул. Дальтон сформулировал «закон кратных отношений», согласно которому весовые количества вступающих в химическую реакцию веществ находятся между собой в простых кратных отношениях. Это позволило Дальтону создать используемую до сих пор систему обозначений сложных химических веществ как соединений молекул простых химических элементов. Впоследствии шведский ученый Йёнс Якоб Берцелиус (1779–1848) предложил использовать для обозначений химических элементов одну или две начальные буквы их латинского названия.

Дальнейшие шаги по развитию атомно-молекулярной химической теории были связаны с формулировкой количественных законов. Решающую роль в установлении принципов определения атомных и молекулярных весов сыграли исследования Гей-Люссака (1778–1850) и Амедео Авогадро (1776–1856). Было доказано, что приняв за единицу вес атома определенного элемента, можно в этой системе исчислений определить относительный вес любого вещества. После официального признания этой теории на I Международном конгрессе химиков (1860) была создана международная комиссия, принявшая в качестве такой универсальной единицы 1/12 веса атома изотопа углерода («углеродная единица»).

С созданием атомно-молекулярной теории строения химических веществ возникла возможность систематизации всех известных химических элементов по их весовым свойствам. Первую такую попытку сделал Иоганн Деберейнер (1780–1849), предложивший модель триад – тройных рядов химических элементов с наиболее близкими характеристиками. Однако формальная схожесть свойств не исчерпывала природу химических связей веществ. В начале 60-х гг. петербургскому ученому Александру Михайловичу Бутлерову (1828–1886) удалось доказать, что даже сложные органические соединения представляют собой результат взаимного влияния веществ на атомно-молекулярном уровне. В частности, Бутлеров объяснил на этой основе явление изомерии – соединений, одинаковых по составу и весовым характеристикам, но разных по структуре и характеру молекулярных связей.

Объединить все имеющиеся представления о химической природе веществ в единую периодическую систему элементов удалось Дмитрию Ивановичу Менделееву (1834–1907). В 1871 г. он опубликовал свое изобретение под названием «Естественная система элементов и применение ее к указанию свойств неоткрытых элементов». Эта модель действительно позволила предсказывать существование в природе еще неизвестных химических элементов и даже с высокой точностью определять их свойства.

Открытия Бутлерова и Менделеева подводили к мысли о том, что атомная структура является чрезвычайно сложной и, вероятно, не первичной в строении веществ. Однако, в целом, химическая наука XIX в. осталась в пределах механистических представлений о свойствах материи. Закономерности соединения химических элементов объяснялись, исходя из идеи тяготения между атомами, т. е. законов ньютоновской физики. Попытки соединить постулаты атомно-молекулярной химии с электромагнитной теорией создавали основу для принципиально нового направления исследований – физико-химического анализа сложных равновесных систем, чье динамическое поведение может быть описано с помощью дифференциальных уравнений (т. е. на континуальной, «сплошной» основе). Но приверженность большинства ученых принципу редукции, стремление к выстраиванию жесткой иерархии уровней пространственной организации материи ограничивали эту возможность. Принципиально важным становилось привнесение в естественно-научную теорию идей развития, эволюции, историзма.

Картина развивающегося мира, имеющего свою историю, была представлена уже в философско-космологической концепции Канта. В 1796 г. французский математик и астроном Пьер Симон Лаплас (1749–1827) высказал гипотезу о формировании Солнечной системы из вращающейся газовой туманности. Лапласу удалось значительно обогатить теоретические постулаты классической астрономии и уточнить расчеты движения планет и их спутников. Однако в целом космологическая теория Лапласа была основана на механистических принципах и даже получила характерное название «небесной механики». Космическая эволюция рассматривалась в ее рамках лишь как исключительно медленное, количественное развитие, не нарушающее стационарность и структурную организацию Вселенной, проистекающее в рамках неизменного трехмерного пространства и абсолютного времени, под влиянием сил притяжения и отталкивания.

Более активно теория эволюционизма развивалась в геологии и биологии. Толчком к широкой научной дискуссии послужило создание теории катастроф. Французский палеонтолог Жорж Кювье (1769–1832) обнаружил при проведении строительных работ в Париже останки неизвестных животных и растений. В трактате «Рассуждения о переворотах на поверхности Земли» (1812) он выдвинул гипотезу о том, что каждый период в истории планеты завершается крупными геологическими катастрофами, в ходе которых погибает все живое. Каким образом жизнь возрождается Кювье не объяснял, но доказывал, что различные формы жизни не являются преемственными. Он полагал, что геологические факторы разных эпох принципиально отличаются по своим характеристикам, а периодические катастрофы являются феноменом столь мощным и непредсказуемым, что не могут быть предметом научного анализа. С этой точки зрения, геология может изучать лишь стационарную картину мира, возникшую после той или иной катастрофы, а биология – прогрессирующее развитие животных и растительных форм на каждом из таких отрезков исторического времени. При всей своей спорности и недостаточной аргументированности, теория катастроф внесла важный вклад в развитие европейской естественной науки. В ее рамках едва ли не впервые была сделана попытка осмыслить историческое развитие как смену «больших скачков», т. е. преодолеть идею преемственного, линейного развития.