Глава 4. Физические концепции описания природы
4.1. Понятие физической картины мира
Познавая окружающий мир, человек создает в своем сознании его определенную модель – картину мира. На каждом этапе своего развития человечество по-разному представляет себе мир, в котором оно живет. Поэтому в истории человечества существовали различные картины мира: мифологическая, религиозная, научная и др. Кроме того, как уже было отмечено, по мере своего развития каждая отдельная наука также может формировать собственную картину мира (физическую, химическую, биологическую и др.). Однако из всего многообразия картин мира, существующих в современной науке, самое широкое представление дает общая научная картина мира, описывающая и природу, и общество, и человека.
Научная картина мира формируется на основе достижений естественных, общественных и гуманитарных наук. Но фундаментом этой картины, бесспорно, является естествознание. Значение естествознания для формирования научной картины мира настолько велико, что нередко научную картину миру сводят к естественно-научной картине мира, содержание которой составляют картины мира отдельных естественных наук.
Естественно-научная картина мира представляет собой систематизированное и достоверное знание о природе, исторически сформировавшееся в ходе развития естествознания. В эту картину мира входят знания, полученные из всех естественных наук, их фундаментальных идей и теорий. В то же время история науки свидетельствует, что основную часть содержания естествознания составляют физические знания. Именно физика была и остается наиболее развитой и систематизированной естественной наукой. Вклад других естественных наук в формирование картины мира был меньшим. Поэтому, когда в европейской цивилизации Нового времени складывалась классическая научная картина мира, естественным было обращение к физике, ее концепциям и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень разработанности физики была настолько велика, что она смогла создать собственную физическую картину мира (в отличие от других естественных наук, которые лишь в XX в. поставили и решили эту задачу).
Физика – это наука, изучающая простейшие и вместе с тем наиболее общие закономерности природы, свойства и строение материи, законы ее движения. В любом явлении физика ищет то, что объединяет его со всеми другими явлениями природы. Поэтому понятия и законы физики фундаментальны, т. е. являются основополагающими для всего естествознания.
Само слово «физика» происходит от греческого phýsis – природа. Эта наука возникла еще в Античности и первоначально охватывала всю совокупность знаний о природных явлениях; тогда физика была тождественна всему естествознанию. Лишь к эпохе эллинизма по мере дифференциации знаний и методов исследования из общей науки о природе выделились отдельные естественные науки, в том числе и физика.
В своей основе физика – экспериментальная наука: ее законы базируются на фактах, установленных опытным путем. Такой она стала начиная с Нового времени. Но помимо экспериментальной физики различают и теоретическую физику, цель которой состоит в формулировании законов природы. Экспериментальная и теоретическая физика не могут существовать друг без друга.
В соответствии с многообразием исследуемых физических объектов, уровней организации и форм движения современная физика подразделяется на ряд дисциплин, так или иначе связанных друг с другом. По изучаемым физическим объектам физика делится на физику элементарных частиц, физику ядра, физику атомов, молекул, газов, жидкостей, твердого тела и плазмы. По критерию уровней организации материи – на физику микро-, макро- и мегамира. По характеру изучаемых процессов, явлений и форм движения (взаимодействия) различают механические, электромагнитные, квантовые и гравитационные явления, тепловые и термодинамические процессы и соответствующие им области физики – механику, электродинамику, квантовую физику, теорию гравитации, термодинамику и статистическую физику.
Кроме того, современная физика содержит небольшое количество фундаментальных теорий, охватывающих все разделы физического знания. Эти теории представляют собой совокупность наиболее важных знаний о характере физических процессов и явлений, приближенное, но наиболее полное отображение различных форм движения материи в природе.
Понятие «физическая картина мира» используется в естествознании давно, но лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только как итог развития физического знания, но и как особый самостоятельный вид знания. Самое общее теоретическое знание в физике, система понятий, принципов и гипотез служат основой для построения естественно-научных теорий. Физическая картина мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знания о природе, с другой – вводит в физику новые идеи и обусловленные ими понятия, принципы и гипотезы, которые коренным образом меняют основы физического теоретического знания. Иными словами, физическая картина мира рассматривается как физическая модель природы, включающая в себя фундаментальные физические идеи и теории, наиболее общие понятия, принципы и методы познания, соответствующие современному этапу развития физики.
Развитие самой физики непосредственно связано с физической картиной мира, поскольку представляет собой процесс становления и смены различных ее типов. Постоянное развитие и замена одних картин мира другими, более адекватно отражающими структуру и свойства материи, есть процесс развития самой физической картины мира. Основой для выделения отдельных типов физической картины мира служит качественное изменение фундаментальных физических идей, являющихся базой для физической теории и наших представлений о структуре материи и формах ее существования. С изменением физической картины мира начинается новый этап в развитии физики – с иной системой исходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления, с иными гносеологическими предпосылками. Переход от одного этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в физике, состоящую в смене старой картины мира новой.
В основе объяснения явлений природы с точки зрения физики лежат фундаментальные физические понятия и принципы. К наиболее общим относятся материя, движение, физическое взаимодействие, пространство и время, причинно-следственная связь, место и роль человека в мире. Важнейшим является понятие материи. Поэтому революции в физике всегда связаны с изменением представлений о строении материи. В истории физики Нового времени это происходило дважды. В XIX веке был совершен переход от утвердившихся в XVII в. атомистических, корпускулярных представлений о материи к полевым (континуальным). В XX веке континуальные представления уступили место современным квантовым. Поэтому можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга физических картинах мира.
Хронологически первой в истории естествознания физической картиной мира была механическая картина, в рамках которой не могли найти объяснения электромагнитные явления, и поэтому она была дополнена электромагнитной (континуальной) картиной мира. Однако многочисленные необъяснимые физические явления, открытые в конце XIX в., показали ограниченность электромагнитной картины мира, что привело к возникновению квантово-полевой картины мира.
4.2. Механическая картина мира
Становление механической картины мира происходило под влиянием метафизических материалистических представлений о материи и формах ее существования. Основу этой картины составили идеи и законы механики, которые в XVII в. сформировали самый разработанный раздел физики. По сути дела, именно механика явилась первой фундаментальной физической теорией. Идеи, принципы и теории механики представляли собой совокупность наиболее существенных знаний о физических закономерностях, наиболее полно отражали физические процессы в природе.
В широком смысле механика изучает механическое движение материи, тел и происходящее при этом взаимодействие между ними. Под механическим движением понимают изменение с течением времени взаимного положения тел или частиц в пространстве. Примерами механического движения в природе являются движение небесных тел, колебания земной коры, воздушные и морские течения и т. п. Происходящие в процессе механического движения взаимодействия представляют собой такие действия тел друг на друга, результатом которых становится изменение скоростей перемещения этих тел в пространстве или их деформация.
Основу механической картины мира составила теория атомов, согласно которой материя имеет дискретную (прерывистую) структуру. Весь мир, включая человека, механическая картина рассматривала как совокупность огромного числа неделимых материальных частиц – атомов. Они перемещаются в пространстве и времени в соответствии с немногими законами механики. Материя есть вещество, состоящее из мельчайших, неделимых, абсолютно твердых движущихся корпускул (атомов); в этом суть корпускулярных представлений о материи.
Законы механики, которые регулируют движение атомов и любых материальных тел, считались фундаментальными законами мироздания. Поэтому ключевым понятием механической картины мира было понятие движения, которое понималось как механическое перемещение в пространстве. Тела обладают внутренним «врожденным» свойством двигаться равномерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связаны с действием на тело внешней силы (инерции). Единственной формой движения является механическое движение, т. е. изменение положения тела в пространстве с течением времени; любое движение можно представить как сумму пространственных перемещений. Движение объяснялось на основе трех законов Ньютона. Все состояния механического движения тел по отношению ко времени оказываются в принципе одинаковыми, поскольку время считается обратимым. Закономерности более высоких форм движения материи должны сводиться к законам простейшей ее формы – механическому движению.
Все многообразие взаимодействий в природе механическая картина мира сводила только к гравитационному, которое означало наличие сил притяжения между любыми телами; величина этих сил определялась законом всемирного тяготения. Поэтому, зная массу одного тела и силу гравитации, можно определить и массу другого тела. Гравитационные силы являются универсальными, т. е. они действуют всегда и между любыми телами, сообщают любым телам одинаковое ускорение.
Таким образом, механическая картина представляла мир наподобие гигантской заводной игрушки. Все тела взаимодействуют только механически через столкновение или мгновенное действие гравитационной силы. Поскольку каждое тело определяется параметрами положения и состояния, а действующие на них силы складываются, возможно точное прогнозирование событий на основании расчета характеристик движения и взаимодействия.
В соответствии с механической картиной мира Вселенная представляла собой хорошо отлаженный механизм, действующий по законам строгой необходимости, в котором все предметы и явления связаны между собой жесткими причинно-следственными отношениями. В таком мире нет случайностей, они полностью исключались. Случайным было только то, причины чего оставались неизвестными. Но поскольку мир рационален, а человек наделен разумом, то в конце концов он сможет получить полное и исчерпывающее знание о бытии. Такой жесткий детерминизм находил свое выражение в форме динамических законов.
Жизнь и разум в механической картине мира не обладали никакой качественной спецификой. Человек в этой картине мира рассматривался как природное тело в ряду других тел и поэтому оставался необъяснимым в своих «невещественных» качествах. Таким образом, присутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы человек однажды исчез с лица земли, мир продолжал бы существовать как ни в чем не бывало. По сути дела, классическое естествознание не стремилось постичь человека. Подразумевалось, что природный мир, в котором нет ничего «человеческого», можно описать объективно, и такое описание будет точной копией реальности. Рассмотрение человека как одного из винтиков хорошо отлаженной машины автоматически устраняло его из данной картины мира.
На основе механической картины мира в XVIII – начале XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная механика. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к абсолютизации механической картины мира, и она стала рассматриваться в качестве универсальной.
Развитие механической картины мира было обусловлено в основном развитием механики. Успех механики Ньютона в значительной мере способствовал абсолютизации ньютоновских представлений, что выразилось в попытках свести все многообразие явлений природы к механической форме движения материи. Такая точка зрения получила название «механистический материализм» (механицизм). Однако развитие физики показало несостоятельность такой методологии. Это стало ясно при тщетных попытках описать с помощью законов механики тепловые, электрические и магнитные явления (движение атомов и молекул). В результате в XIX в. в физике наступил кризис, который свидетельствовал, что физика нуждается в существенном изменении своих взглядов на мир.
Оценивая механическую картину мира как один из этапов развития физической картины мира, необходимо иметь в виду, что с развитием науки основные положения механической картины мира не были просто отброшены. Развитие науки лишь раскрыло относительный характер механической картины мира. Несостоятельной оказалась не сама механическая картина мира, а ее исходная философская идея – механицизм. В недрах механической картины мира стали складываться элементы новой – континуальной (электромагнитной) картины мира.
4.3. Континуальная картина мира
На протяжении всего XIX в. продолжались попытки объяснить электромагнитные явления в рамках механической картины мира. Но это оказалось невозможным: электромагнитные явления принципиально отличались от механических. Наибольший вклад в формирование электромагнитной картины мира внесли работы М. Фарадея и Д. Максвелла. После создания Д. Максвеллом теории электромагнитного поля стало возможным говорить о появлении электромагнитной картины мира.
Свою теорию Д. Максвелл разработал на основе открытого М. Фарадеем явления электромагнитной индукции. Стремясь разобраться в сущности электрических и магнитных явлений, М. Фарадей, проводя эксперименты с магнитной стрелкой, пришел к выводу, что на вращение магнитной стрелки действуют не электрические заряды, которые находятся в проводнике, а особое состояние окружающей среды, которое возникало в месте нахождения магнитной стрелки. Это означало, что во взаимодействии тока с магнитной стрелкой активную роль играет окружающая проводник среда. В связи с этим М. Фарадей ввел понятие поля как множества магнитных силовых линий, пронизывающих пространство и способных определять и направлять (индуцировать) электрический ток. Это открытие привело ученого к мысли о необходимости замены корпускулярных представлений о материи новыми – континуальными, непрерывными.
Теория электромагнитного поля Д. Максвелла сводится к тому, что изменяющееся магнитное поле создает не только в окружающих телах, но и в вакууме вихревое электрическое поле, которое в свою очередь вызывает появление магнитного поля. Так в физику была введена новая реальность – электромагнитное поле. В отличие от дискретного вещества поле как вид материи не обладает массой покоя и характеризуется непрерывностью (континуальностью).
Теория электромагнитного поля Д. Максвелла ознаменовала собой начало нового этапа в физике. В соответствии с этой теорией мир стал представляться единой электродинамической системой, построенной из электрически заряженных частиц, взаимодействующих посредством электромагнитного поля. Важными понятиями новой теории являются: заряд, который может быть как положительным, так и отрицательным; напряженность поля – сила, которая действовала бы на тело, несущее единичный заряд, если бы оно находилось в рассматриваемой точке.
Когда электрические заряды движутся относительно друг друга, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называется электромагнитной. Считается, что электрические силы (поле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле) – движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов описывается системой уравнений классической электродинамики (они известны как уравнения Максвелла). Это закон Кулона, который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения Ньютона (F = Q × q1 × q2/ R2). Магнитные силовые линии непрерывны и не имеют ни начала, ни конца; магнитных зарядов не существует; электрическое поле создается переменным магнитным полем; магнитное поле может создаваться как электрическим током, так и переменным электрическим полем. Уравнения Максвелла записываются в терминах теории поля. Это позволило единообразно описать стационарные и нестационарные электромагнитные явления, связать пространственные и временные изменения электрического и магнитного полей. Эти уравнения имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить решения для совокупности всех волн, которые могут распространяться в любом направлении в пространстве.
Таким образом, были выдвинуты новые физические и философские взгляды на материю, пространство, время и силы, во многом изменявшие прежнюю механическую картину мира. Нельзя сказать, что эти изменения были кардинальны, так как они произошли в рамках классической науки. Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать промежуточной, соединяющей в себе как новые идеи, так и старые механистические представления о мире.
Представления о материи изменились существенно. Корпускулярные идеи уступили место континуальным (полевым). Отныне совокупность неделимых атомов переставала быть конечным пределом делимости материи. В качестве такового принималось единое абсолютно непрерывное бесконечное поле с силовыми точечными центрами – электрическими зарядами и волновыми движениями в нем. Согласно электромагнитной картине мира, материя существует в двух видах – вещество и поле. Они строго разделены, их превращение друг в друга невозможно. Главным из них является поле, значит, основным свойством материи является непрерывность в противовес дискретности. Электромагнитное поле распространяется в виде поперечных электромагнитных волн со скоростью света, захватывая постоянно новые области пространства. Заполнение пространства электромагнитным полем нельзя описать на основе законов Ньютона, так как механика не понимает этого механизма. В электромагнетизме изменение одной сущности (магнитного поля) приводит к появлению другой (электрического поля). Обе эти сущности образуют в совокупности электромагнитное поле. В механике же одно материальное явление не зависит от изменения другого и вместе они не создают единой сущности.
Расширилось также понятие движения. Оно стало пониматься не только как простое механическое перемещение, но и как распространение колебаний в поле. Соответственно законы механики Ньютона уступили свое господствующее место законам электродинамики Д. Максвелла.
Электромагнитная картина мира произвела настоящий переворот в физике. Она базировалась на идеях непрерывности материи, материального электрического поля, неразрывности материи и движения, связи пространства и времени как между собой, так и с движущейся материей. Новое понимание сущности материи поставило ученых перед необходимостью пересмотра и переоценки этих основополагающих качеств материи.
Законы электродинамики, как и законы классической механики, однозначно предопределяли события, которые они описывали. Поэтому случайность все еще пытались исключить из физической картины мира. Но в середине XIX в. впервые появилась фундаментальная физическая теория нового типа, которая основывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория газов (статистическая механика). Случайность, вероятность наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в форме так называемых статистических законов. Правда, пока физики не оставляли надежды найти за вероятностными характеристиками четкие однозначные законы, подобные законам И. Ньютона, и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом, временной мерой. Однако прогресс был налицо: в электромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.
Не менялось в электромагнитной картине мира представление о месте и роли человека во Вселенной. Его появление считалось лишь «капризом» природы. Эти взгляды только упрочились после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о качественной специфике жизни и разума с большим трудом прокладывали себе путь в научном мировоззрении.
Электромагнитная картина мира объяснила большой круг физических явлений, непонятных с точки зрения прежней механической картины мира. Но и она показала свой ограниченный характер. Главная проблема состояла в том, что континуальное понимание материи не согласовывалось с опытными фактами, подтверждающими дискретность ее многих свойств – заряда, излучения, действия. Оставалась также нерешенной проблема соотношения между полем и зарядом, не удавалось объяснить устойчивость атомов и их спектры, излучение абсолютно черного тела. Все это свидетельствовало об относительном характере электромагнитной картины мира и необходимости ее замены новой физической картиной мира. Поэтому на смену ей пришла новая, квантово-полевая картина мира, объединившая в себе дискретность механической картины мира и непрерывность электромагнитной картины мира.
4.4. Квантово-полевая картина мира
Согласно электромагнитной картине мира, окружающий человека мир представляет собой сплошную среду – поле, которое может иметь в разных точках различную температуру, концентрировать разный энергетический потенциал, по-разному перемещаться и т. д. Сплошная среда может занимать значительные области пространства, ее свойства изменяются непрерывно, у нее нет резких границ. Этими свойствами поле отличается от физических тел, имеющих определенные и четкие границы. Разделение мира на тела и частицы поля, на поле и пространство является свидетельством существования двух крайних свойств мира – дискретности и непрерывности. Дискретность (прерывность) мира означает конечную делимость всего пространственно-временного строения на отдельные ограниченные предметы, свойства и формы движения, тогда как непрерывность (континуальность) выражает единство, целостность и неделимость объекта. В рамках классической физики дискретные и непрерывные свойства мира первоначально выступали как противоположные, отдельные и независимые (хотя в целом и дополняющие друг друга). В современной физике это единство противоположностей – дискретного и непрерывного – нашло свое обоснование в концепции корпускулярно-волнового дуализма.
В основе современной квантово-полевой картины мира лежит новая физическая теория – квантовая механика, в которой соединились две крайние позиции во взгляде на природу материи: атомизм, утверждающий прерывность (дискретность) материи, и полевая физика, утверждающая непрерывность (континуальность) материи.
Квантовой механикой называют теорию, устанавливающую способ описания и законы движения микрочастиц (элементарных частиц, атомов, молекул, атомных ядер) и их систем, а также связь величин, характеризующих частицы и системы, с физическими величинами, непосредственно измеряемыми на опыте. Законы квантовой механики составляют фундамент изучения строения вещества, так как позволяют выяснить строение атомов, установить природу химической связи, объяснить периодическую систему элементов, изучать свойства элементарных частиц.
Поскольку свойства макроскопических тел определяются движением и взаимодействием частиц, из которых они состоят, законы квантовой механики лежат в основе понимания большинства макроскопических явлений. Например, квантовая механика позволила определить строение и понять многие свойства твердых тел, последовательно объяснить явления ферромагнетизма, сверхтекучести, сверхпроводимости, понять природу астрофизических объектов – «белых карликов», нейтронных звезд, выяснить механизм протекания термоядерных реакций на Солнце и звездах.
Разработка квантовой механики относится к началу ХХ в., когда были обнаружены физические явления, свидетельствующие о неприменимости механики И. Ньютона и классической электродинамики к процессам взаимодействия света с веществом и к процессам, происходящим в атоме. Установление связи между этими группами явлений и попытки объяснить их на основе теории и привели к открытию законов квантовой механики.
Впервые представления о кванте высказал в 1900 г. М. Планк, изучая тепловое излучение тел. Своими исследования он продемонстрировал, что излучение энергии происходит дискретно, определенными порциями – квантами, энергия которых зависит от частоты световой волны. Эксперименты Планка привели к признанию двойственного характера света, который обладает одновременно корпускулярными и волновыми свойствами, т. е. представляет собой диалектическое единство двух противоположностей. Оно выражается в том, что чем короче длина волны излучения, тем ярче проявляются квантовые свойства; чем больше длина волны, тем ярче проявляются волновые свойства света.
В 1924 году французский физик Л. де Бройль выдвинул гипотезу, согласно которой корпускулярно-волновой дуализм имеет универсальный характер, т. е. все частицы вещества обладают волновыми свойствами. Позднее эта идея де Бройля была подтверждена экспериментально, и принцип корпускулярно-волнового дуализма был распространен на все процессы движения и взаимодействия в микромире.
В соответствии с квантово-полевой картиной мира любой микро-объект, обладая волновыми и корпускулярными свойствами, не имеет определенной траектории и не может иметь определенных координат и скорости (импульса). Это можно сделать только через определение волновой функции в данный момент, а потом через обнаружение его волновой функции в любой другой момент. Квадрат модуля дает вероятность нахождения частицы в данной точке пространства. Кроме того, относительность пространства-времени в данной картине мире приводит к неопределенности координат и скорости в данный момент, к отсутствию траектории микрообъекта. И если в классической физике вероятностным законам подчинялось поведение большого числа частиц, то в квантовой механике поведение каждой микрочастицы подчиняется не динамическим, а статистическим законам.
Таким образом, материя двулика: она обладает и корпускулярными, и волновыми свойствами, которые проявляются в зависимости от условий. Отсюда общая картина реальности в квантово-полевой картине мира становится «двоякой»: с одной стороны, в нее входят характеристики исследуемого объекта, с другой – условия наблюдения, от которых зависит определенность этих характеристик. Это означает, что картина реальности в современной физике является не только картиной объекта, но и картиной процесса его познания.
Спецификой квантово-полевых представлений о закономерности и причинности является то, что они всегда выступают в вероятностной форме, в виде так называемых статистических законов, которые соответствуют более глубокому уровню познания природных закономерностей. Таким образом, в основе нашего мира лежит случайность, вероятность.
Также новая картина мира впервые включила в себя наблюдателя, от присутствия которого зависели получаемые результаты исследований. Более того, был сформулирован так называемый антропный принцип, который утверждает, что наш мир таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. Отныне появление человека считается закономерным результатом эволюции Вселенной.
4.5. Динамические и статистические законы
Современные физические представления базируются на анализе всего предыдущего теоретического и экспериментального опыта физических исследований, единстве физических знаний, дифференциации и интеграции естественных наук и т. п., что позволяет подразделять законы физики на динамические и статистические. Соотношение этих законов дает возможность исследовать природу причинности и причинных отношений в физике.
Наука исходит из признания того, что все существующее в мире возникает и уничтожается закономерно, в результате действия определенных причин, что все природные, социальные и психические явления обладают причинно-следственными связями, беспричинных явлений не бывает. Такая позиция называется детерминизмом в противоположность индетерминизму, отрицающему объективную причинную обусловленность явлений природы, общества и человеческой психики.
В современной физике идея детерминизма выражается в признании существования объективных физических закономерностей. Открытие этих закономерностей – существенных, повторяющихся связей между предметами и явлениями – задача науки, так же как и формулирование их в виде законов науки. Но никакое научное знание, никакая научная теория не могут отразить окружающий мир, его отдельные фрагменты полностью, без упрощений и огрублений действительности. То же касается и законов науки. Они могут лишь в большей или меньшей степени приближаться к адекватному отображению объективных закономерностей, но искажения в ходе этого процесса неизбежны. Поэтому для науки очень важно, какую форму имеют ее законы, насколько они соответствуют природным закономерностям.
В этом отношении динамическая теория, представляющая собой совокупность динамических законов, отражает физические процессы без учета случайных взаимодействий. Динамический закон – это физический закон, отображающий объективную закономерность в форме однозначной связи физических величин, выражаемых количественно. Примерами динамических теорий являются классическая (ньютоновская) механика, релятивистская механика и классическая теория излучения.
Долгое время считалось, что никаких других законов, кроме динамических, не существует. Это было связано с установкой классической науки на механистичность и метафизичность, со стремлением построить любые научные теории по образцу механики И. Ньютона. Если какие-то объективные процессы и закономерности не вписывались в предусмотренные динамическими законами рамки, считалось, что мы просто не знаем их причин, но с течением времени это знание будет получено.
Такая позиция, связанная с отрицанием случайностей любого рода, с абсолютизацией динамических закономерностей и законов, называется механическим детерминизмом. Разработку этого требования обычно связывают с именем П. Лапласа. Он заявлял, что если бы нашелся достаточно обширный ум, которому были бы известны все силы, действующие на все тела Вселенной (от самых больших тел до мельчайших атомов), а также их местоположение, если бы он смог проанализировать эти данные в единой формуле движения, то не осталось бы ничего, что было бы недостоверным. Такому уму открылись бы как прошлое, так и будущее Вселенной.
В середине XIX в. в физике были сформулированы законы, предсказания которых являются не определенными, а только вероятными. Они получили название статистических законов. Так, в 1859 г. была доказана несостоятельность позиции механического детерминизма: Д. Максвелл при построении статистической механики использовал законы нового типа и ввел в физику понятие вероятности. Это понятие было выработано ранее математикой при анализе случайных явлений.
При броске игральной кости, как мы знаем, может выпасть любое число очков от 1 до 6. Предсказать, какое число очков выпадет при очередном броске, нельзя. Мы можем подсчитать лишь вероятность выпадения числа очков. В данном случае она будет равна 1/6. Эта вероятность имеет объективный характер, так как выражает объективные отношения реальности. Действительно, если мы бросим кость, какая-то сторона с определенным числом очков выпадет обязательно. Это такая же строгая причинно-следственная связь, как и та, что отражается динамическими законами, но она имеет другую форму, поскольку показывает вероятность, а не однозначность события.
Проблема в том, что для обнаружения такого рода закономерностей обычно требуется не единичное событие, а цикл таких событий; в таком случае мы можем получить статистические средние значения. Если бросить кость 300 раз, то среднее число выпадения любого значения будет равно 300 × 1/6= 50 раз. При этом безразлично, бросать одну и ту же кость 300 раз или одновременно бросить 300 одинаковых костей.
Несомненно, что поведение газовых молекул в сосуде гораздо сложнее брошенной кости. Но и здесь можно обнаружить определенные количественные закономерности, позволяющие вычислить статистические средние значения. Д. Максвеллу удалось решить эту задачу и показать, что случайное поведение отдельных молекул подчинено определенному статистическому (вероятностному) закону. Статистический закон – закон, управляющий поведением большой совокупности объектов и их элементов, позволяющий давать вероятностные выводы об их поведении. Примерами статистических законов являются квантовая механика, квантовая электродинамика и релятивистская квантовая механика.
Статистические законы в отличие от динамических отражают однозначную связь не физических величин, а статистических распределений этих величин. Но это такой же однозначный результат, как и в динамических теориях. Ведь статистические теории, как и динамические, выражают необходимые связи в природе, а они не могут быть выражены иначе, чем через однозначную связь состояний. Различается только способ фиксации этих состояний.
На уровне статистических законов и закономерностей мы также сталкиваемся с причинностью. Но это иная, более глубокая форма детерминизма; в отличие от жесткого классического детерминизма он может быть назван вероятностным (современным) детерминизмом. «Вероятностные» законы меньше огрубляют действительность, способны учитывать и отражать те случайности, которые происходят в мире.
К началу XX в. стало очевидно, что нельзя отрицать роль статистических законов в описании физических явлений. Появлялось все больше статистических теорий, а все теоретические расчеты, проведенные в рамках этих теорий, полностью подтверждались экспериментальными данными. Результатом стало выдвижение теории равноправия динамических и статистических законов. Те и другие законы рассматривались как равноправные, но относящиеся к различным явлениям. Считалось, что каждый тип закона имеет свою сферу применения и они дополняют друг друга, что индивидуальные объекты, простейшие формы движения должны описываться с помощью динамических законов, а большая совокупность этих же объектов, высшие, более сложные формы движения – статистическими законами. Соотношение теорий термодинамики и статистической механики, электродинамика Д. Максвелла и электронная теория Х. Лоренца, казалось, подтверждали это.
Ситуация в науке кардинально изменилась после возникновения и развития квантовой теории. Она привела к пересмотру всех представлений о роли динамических и статистических законов в отображении закономерностей природы. Был обнаружен статистический характер поведения отдельных элементарных частиц, никаких динамических законов в квантовой механике открыть не удалось. Таким образом, сегодня большинство ученых рассматривают статистические законы как наиболее глубокую и общую форму описания всех физических закономерностей.
Создание квантовой механики дает полное основание утверждать, что динамические законы представляют собой первый, низший этап в познании окружающего нас мира. Статистические законы более полно отражают объективные связи в природе, являются более высокой ступенью познания. На протяжении всей истории развития науки мы видим, как первоначально возникшие динамические теории, охватывающие определенный круг явлений, сменяются по мере развития науки статистическими теориями, описывающими тот же круг вопросов, но с новой, более глубокой точки зрения. Только они способны отразить случайность, вероятность, играющую огромную роль в окружающем нас мире. Только они соответствуют современному (вероятностному) детерминизму.
4.6. Принципы современной физики
Важной частью современной физической картины мира являются принципы современной физики – наиболее общие законы, влияние которых распространяется на все физические процессы, все формы движения материи.
Принцип симметрии. Обычно под симметрией (от греч. symmetria – соразмерность) понимают однородность, пропорциональность, гармонию каких-либо материальных объектов. В современном естествознании симметрия – понятие, отображающее существующий в объективной действительности порядок, определенное равновесное состояние явлений, относительную устойчивость, пропорциональность и соразмерность между составными частями целого. Симметрии бывают геометрическими (выражают свойства пространства и времени) и динамическими (выражают свойства физических взаимодействий).
Наглядных примеров симметрий довольно много. Многим творениям человеческих рук в силу разных причин придается симметричная форма. Симметричны мячи, большинство зданий и сооружений, произведений искусства. Также симметричны многие человеческие действия. Симметрию можно обнаружить в живописи, музыке, поэзии, танце. В изобилии симметрии встречаются в природе – снежинка, дождевая капля, различные кристаллы и т. д.
Приведенные примеры симметрии связаны с представлениями о структуре предметов, которая не меняется при совершении некоторых преобразований. Долгое время это были единственные симметрии, известные в науке. Но постепенно пришло осознание того, что симметрии могут быть не только наглядными, геометрическими. Есть целый ряд симметрий, связанных с описанием каких-либо изменений сложных естественных процессов. Эти симметрии не фиксируются в наблюдениях, они становятся заметны лишь в уравнениях, описывающих природные процессы. Поэтому физики, исследуя математическое описание той или иной физической системы, время от времени открывают новые, часто неожиданные симметрии. Эти симметрии достаточно тонко «запрятаны» в математическом аппарате и совсем не видны тому, кто наблюдает саму физическую систему.
С точки зрения физики симметричным является объект, который в результате определенных преобразований остается неизменным, инвариантным. Инвариантность – это неизменность какой-либо величины при изменении физических условий, способность не изменяться при определенных преобразованиях.
Симметрия в физике – это свойство физических величин, детально описывающих поведение системы, оставаться неизменными (инвариантными) при определенных преобразованиях этих величин.
Симметрии в физике тесно связаны с законами сохранения физических величин – утверждениями, согласно которым численные значения некоторых физических величин не изменяются со временем в любых процессах или в определенных классах процессов.
Так, закон сохранения энергии вытекает из однородности времени. Время симметрично относительно начала отсчета, все моменты времени равноправны.
Закон сохранения импульса вытекает из однородности пространства. Все его точки равноправны, поэтому перенос системы никак не повлияет на ее свойства.
Закон сохранения момента импульса вытекает из изотропности пространства. Свойства пространства одинаковы по всем направлениям, поэтому поворот системы не влияет на ее свойства.
Также есть целый ряд симметрий, действующих в микромире. Они описывают разные аспекты взаимопревращений элементарных частиц и лежат в основе таких законов сохранения, как закон сохранения электрического заряда, барионного и лептонного зарядов и ряда других законов, открытых в последнее время. Таким образом, XX в. подтвердил огромную роль принципа симметрии в физике.
Принцип дополнительности и соотношения неопределенностей является основополагающим в современной физике. Он был сформулирован в 1927 г. Н. Бором для объяснения феномена корпускулярно-волнового дуализма.
В ходе своих исследований Н. Бор обратил внимание на то, что все предметы и явления, которые мы видим вокруг себя (и, конечно, измерительные приборы для регистрации элементарных частиц), состоят из огромного множества микрочастиц. Иными словами, они являются макроскопическими системами и ничем иным. Сам человек также существо макроскопическое. Поэтому наши органы чувств не воспринимают микропроцессов. Понятия, которыми мы пользуемся для описания предметов и явлений окружающего мира, – макроскопические понятия. С их помощью можно легко описать любые физические процессы, проходящие в макромире. Но применить эти понятия для описания микрообъектов полностью нельзя, так как они не адекватны процессам микромира.
В то же время других понятий у нас нет и быть не может. Чтобы компенсировать неадекватность нашего восприятия и представления об объектах микромира, нам приходится применять два дополняющих друг друга набора понятий, хотя с точки зрения классической науки они взаимно исключают друг друга. Эти понятия – частицы и волны. Только в совокупности они дают исчерпывающую информацию о квантовых явлениях.
Принцип суперпозиции (наложения) – допущение, согласно которому результирующий эффект представляет собой сумму эффектов, вызываемых каждым воздействующим явлением в отдельности. Одним из простых примеров принципа суперпозиции является правило параллелограмма, в соответствии с которым складываются две силы, воздействующие на тело. Этот принцип выполняется при условии, что воздействующие явления не влияют друг на друга. Поэтому в ньютоновской физике данный принцип не универсален и во многих случаях справедлив лишь приближенно.
В микромире, наоборот, принцип суперпозиции – фундаментальный принцип. Наряду с принципом неопределенности он составляет основу математического аппарата квантовой механики. Но, к сожалению, в квантовой теории этот принцип лишен той наглядности, которая характерна для механики И. Ньютона. Его интерпретируют так: пока не проведено измерение, бессмысленно спрашивать, в каком состоянии находится физическая система. Иными словами, до измерения система находится в суперпозиции двух возможных состояний, т. е. ее состояние неопределенно. Акт измерения переводит физическую систему скачком в одно из этих состояний.
Принцип соответствия был сформулирован Н. Бором в 1923 г. Физики столкнулись с ситуацией, когда рядом со старыми, давно оправдавшими себя теориями (например, механикой И. Ньютона) появились новые теории (теория относительности А. Эйнштейна), описывающие ту же область действительности. Принцип соответствия утверждает преемственность физических теорий: никакая новая теория не может быть справедливой, если она не содержит в качестве предельного случая старую теорию, относящуюся к тем же явлениям, поскольку старая теория уже оправдала себя в своей области.
Поэтому теории, справедливость которых была экспериментально установлена для определенной группы явлений, с построением новой теории не отбрасываются, а сохраняют свое значение для прежней области явлений как предельное выражение законов новых теорий. Выводы новых теорий в области, где справедлива старая теория, переходят в выводы старых теорий.
Каждая физическая теория – ступень познания – является относительной истиной. Смена физических теорий – процесс приближения к абсолютной истине, процесс, который не будет никогда полностью завершен из-за бесконечной сложности и разнообразия окружающего нас мира. Таким образом, принцип соответствия отражает объективную ценность физических теорий.
Таблица 4.1. Зарубежные неметрические единицы
Продолжение
Окончание