Кузнецов Б.Г. АвторскаяПодпись__Развитие физических идей от Галилея до Эйнштейна в свете современной науки Изд. 2

Оглавление

Введение

Чем отчетливей вырисовывается смысл современных, еще не решенных проблем теоретической физики, тем яснее видна их связь с исторической ретроспекцией, тем чаще наука вспоминает о прошлых коллизиях в учении о пространстве, времени, движении и веществе. Очередные затруднения физической мысли могут быть преодолены лишь самой радикальной перестройкой основании физики, быть может, – более решительным отказом от механического мировоззрения, чем в теории относительности и в теории квант. На пороге новых обобщений наука, готовясь к скачку, как бы оглядывается назад, переосмысливает содержание и значение самых старых, привычных и, казалось бы, незыблемых понятий.

Эти понятия оказываются исторически ограниченными, их можно теперь рассматривать как закономерные последовательные приближения развивающейся научной картины мира к ее оригиналу; иначе говоря, их можно и нужно рассматривать в историческом аспекте. Современная физика ищет пути синтеза концепций относительности и непрерывности пространства и времени, с одной стороны, и атомистических концепций – с другой, иначе говоря, идей, существующих с самого возникновения научной картины мира. По-видимому, объектом исторической ретроспекции становится наиболее фундаментальный принцип классической науки – представление о тождественной себе частице, движущейся в непрерывном пространстве. Теория относительности посягнула на независимость пространства и времени, на неизменность массы и затем, в 1916 г., на различие между движением по инерции и ускорением в гравитационном поле. Специальная теория относительности низвела до ранга аппроксимации и соответственно сделала объектом исторического анализа одно из существенных допущений классической физики. В последней механические инерциальные системы отсчета равноправны, но всем механическим инерциальным системам противостоит одна привилегированная всеобщая система мирового эфира, относительно которой тело движется с "истинной" скоростью. В 1905 г. выяснилось, что скорость относительно эфира – бессодержательное понятие, что пространственные и временные отрезки изменяются в движущихся системах, что скорость света сохраняет одно и то же значение при переходе от одной инерциальной системы к другой, причем само течение времени имеет определенный смысл только для данной системы. Таким образом, нет смысла говорить о едином времени для различных систем, если только задача не допускает приближенного представления о бесконечной скорости света. Единое для Вселенной время (в качестве его линейных функций рассматривались координаты тел, движущихся по инерции) стало приближенным понятием, пригодным лишь для определенного круга задач.

При всей глубине переворота, произведенного специальной теорией относительности, сохранилась основа классической картины мира – представление об абсолютно себетождественных дискретных телах, движущихся одно относительно другого. В непрерывном пространстве движутся дискретные тела, их взаимные расстояния – функции непрерывного времени. Это традиционное разделение реальности на пространственно-временной континуум и движущиеся в нем дискретные тела сохранилось, когда из картины мироздания исчез непрерывно заполнявший пространство эфир и потеряло смысл понятие скорости тел относительно заполненного неподвижным эфиром пространства. Более коренные изменения внесла общая теория относительности. Она покончила с противопоставлением движения в гравитационном поле инерционному движению, сопоставив гравитационное поле искривлению пространства и времени. Если классическая механика считала, что тела движутся по прямым (т.е. по кратчайшим в эвклидовой геометрии) мировым линиям в отсутствие силовых полей, то общая теория относительности утверждает, что тела в гравитационном поле движутся по искривленным геодезическим линиям. Вообще говоря, гравитационное поле означает лишь отклонение от эвклидовых соотношений в четырехмерном пространственно-временном континууме, искривление этого континуума. Здесь поле как бы растворяется в пространстве – времени с определенными, зависящими от скопления масс геометрическими свойствами.

Однако и общая теория относительности не посягнула на представление о непрерывном движении тождественной себе частицы.

Законы, управляющие движением такой частицы, формулируются как дифференциальные законы, связывающие ее поведение в данной точке и в данный момент с ее поведением в каждый последующий момент. Если задан закон, определяющий доведение частицы или системы частиц в каждый последующий момент, и если этот закон действует непрерывно, мы можем гарантировать тождественность движущейся частицы самой себе.

Возникшая в середине 20-х годов нашего столетия квантовая механика несколько ограничила представление о тождественной себе частице, заданное состояние которой определяет в соответствии с некоторым дифференциальным законом ее состояние в каждый последующий момент. При движении элементарной частицы, однозначным образом с неограниченной точностью определена, вообще говоря, только вероятность пребывания частицы в каждой точке ее траектории. Скорость частицы в каждой точке также не может быть при любых условиях определена с неограниченной точностью.

Релятивистская квантовая механика, квантовая электродинамика и экспериментальные открытия порождения, аннигиляции и вообще трансмутации элементарных частиц нанесли, наконец, удар основному постулату классической физики. Классическая физика исторически и логически началась с того, что противопоставила аристотелевским качественным изменениям пространственные перемещения материальных частиц. Частица движется – это значит, что изменяется ее положение, но частица остается тождественной себе, она не превращается в другую частицу. Качественные трансмутации в классической физике исключены для элементарных частиц – качественные изменения сводятся к изменениям конфигурации системы, т.е. к движениям тождественных себе частиц.

Этот классический постулат был лишь поколеблен физикой первой половины XX в. Некоторые направления привели в своем развитии к представлению о движущейся частице как о сингулярности непрерывной среды, но они не покушались прямо на тождественность частицы самой себе. Квантовая механика, несмотря на принципиальный отказ от отождествления квантового объекта с классической частицей, обладающей одинаково точными значениями составляющей импульса и сопряженной с ней координаты, пользовалась корпускулярным представлением, указывая при этом на неточность классической аналогии. Современная квантовая механика ограничивает классическое представление о тождественной себе частице, но не выводит его из более общей неклассической теории.

Такая более общая неклассическая; теория еще далеко не создана, но ее смутные и неопределенные контуры уже позволяют по-иному оценить физические концепции прошлого. Мы рассмотрим в этой книге наиболее крупные направления физической мысли XVII–XX вв. в свете некоторых современных тенденций, не выкристаллизовавшихся, не дошедших до ранга однозначной теории, но уже настоятельно требующих нового угла зрения на прошлое. Речь идет о новом, более широком понимании понятия "механическая картина мира", о новых оценках картезианской физики, ньютоновского динамизма, о новой трактовке принципов однородности пространства и времени, сохранения, необратимости, близкодействия и, наконец, об историко-научной характеристике теории относительности и теории квант с позиций более общей квантово-релятивистской концепции.

Быть может, такой угол зрения вызовет некоторое недоумение. Если речь идет о тенденциях, еще не получивших сколько-нибудь законченной формы, то можно ли принимать их в расчет при переоценке исторических ценностей? Если включать эти тенденции в понятие "современная наука", то в последней нелегко будет найти устойчивые позиции, с которых можно более или менее однозначным образом оценивать эволюцию научной мысли. Никогда еще в физике не было такого общего предчувствия близких коренных сдвигов, никогда еще не было столь Широкого применения методов "в кредит", в расчете на то, что будущая теория даст необходимое обоснование этих методов. Имеет ли смысл пользоваться подобным

"кредитом" для исторического анализа, исходить из наметившихся, но далеко не установившихся физических концепций при оценке научных идей прошлого?

Трудно дать априорный ответ на этот вопрос. Здесь, среди вводных замечаний, можно только отметить возможность некоторой общей переоценки прошлого, связанной с переходным и неустойчивым характером современных, позиций науки и с несомненным радикальным характером назревшего перехода. Несколько лет назад Нильс Бор, оценивая одну из попыток обобщения современной теории поля – единую спинорную теорию Гейзенберга, сказал о ней: "Эта теория несомненно безумна, но достаточно ли она безумна, чтобы быть правильной?.." Эта очень тонкая и глубокая характеристика современной ситуации, когда трудно сказать что-либо бесспорное о дальнейших путях науки, но абсолютно бесспорным представляется их коренное, более коренное, чем у физических теорий первой половины столетия, отличие от классических путей, их "безумие" при оценке с классических позиций.

Это "безумие" отличается от парадоксов физики первой половины нашего столетия. Эйнштейн приписал физический смысл четырехмерному "пространству" и парадоксам неэвклидовой геометрии. Бор и Гейзенберг придали физический смысл другому парадоксу, уже не геометрическому, а скорее логическому: о частице в данный момент нельзя в общем случае сказать, находится она в данной точке или не находится. Такой парадокс противоречит принципу исключенного третьего классической логики. Новые парадоксы физики, ее новое "безумие", относятся к исходным соотношениям логики и математики. Эти соотношения приобретают физический смысл, когда наука находит связь между существованием нетождественных физических объектов и непрерывным движением тождественной себе частицы.

При сопоставлении науки в прошлом с современными тенденциями на первый план выступают "неклассические" стороны классической науки: ее противоречия, поиски, нерешенные, адресованные будущему проблемы. Это относится уже к Галилею. Его мировоззрение, как и вся наука XVII в., выглядит живым, далеко не застывшим, с множеством полутеней, переходов, поисков и нерешенных проблем. Но эта живая, неустоявшаяся стихия ищущей мысли характерна и для XVIII в., при всей его рационалистической упорядоченности и несмотря на застывшую картину неподвижной или неизменно повторяющейся природы. Она характерна и для Ньютона, который казался – и в известной мере был – апостолом раз навсегда данной догмы, и для всей эволюции классической физики. При достаточно ярком освещении указанной стороны классической физики ее история не может оставаться перечислением позитивных ответов – она включает то, что Эйнштейн называл "драмой идей" и что он искал в истории науки: исчезающие, вновь и вновь встающие перед наукой "проклятые вопросы", решение которых никогда не бывает окончательным и вместе с тем все более приближает науку к объективной истине.

Об авторе