Кузнецов Б.Г. Принципы классической физики Изд. стереотип.

Содержание

Из введения

В каждый исторический период свидетели появления научной концепции, даже если они понимают ее ограниченность и приближенный характер, не могут с полной определенностью сказать, в чем же состоит указанная ограниченность. Обычно они не могут также с исчерпывающей точностью определить, какие новые обобщения исторически подготовляются данной теорией. Поэтому современникам не дано выяснить историческое значение теории и исторические причины – возможности производственной и экспериментальной техники, особенности экономического, политического и культурного развития, определяющие в данный момент степень приближения научной картины мира к действительности. Историческая оценка по большей части бывает ретроспективной. Но это не значит, что она является прерогативой следующего поколения. В наше время современники одной теории быстро становятся свидетелями возникновения другой, более общей и более точной концепции. Многие ныне здравствующие физики после появления общей теории относительности смогли понять историческую ценность, значение и границы специальной теории и увидеть в ней зерна достигнутого наконец обобщения принципа ковариантности на более широкую группу преобразований. Это же поколение в середине двадцатых годов с появлением квантовой механики смогло увидеть ограниченность боровской теории атома и вместе с тем те элементы полуклассической модели, которые при своем обобщении должны были перевернуть представление о микромире.

Сейчас попытки обобщения квантовой механики и электродинамики позволяют представить себе возможные новые исторические оценки существующей теории. Разумеется, неоднозначность таких попыток сказывается в неуверенности исторических оценок.

С современных квантовых и релятивистских позиций (включая попытки обобщения релятивистской квантовой механики и электродинамики) классическая физика представляет собой исторически закономерную (и поныне необходимую в широкой области) апроксимацию, содержащую глубокие противоречия, заставлявшие в свое время науку подниматься на новую ступень. Образ классической физики, движущейся, ищущей, не находящей ответов, подготовляющей новую революцию в науке, питающей идею безостановочного и безграничного пересмотра научных истин, гораздо ближе к исторической действительности, чем идиллия окончательных непротиворечивых решений, к которой тянется метафизическая мысль. Такой "неклассический" образ классической физики и рисует история науки, рассматривая теории XIX в. с современных позиций.

Современные концепции позволяют увидеть историческую ограниченность классической физики. Но историческая ограниченность не имеет ничего общего с иллюзорностью, и историзм в науке не совпадает с концепцией "истории заблуждений". Он противостоит такой концепции. История науки рассматривает процесс бесконечного последовательного приближения картины мира к ее неисчерпаемому оригиналу, и только с этой точки зрения видна необратимость научного прогресса. Теория относительности, квантовая механика и релятивистская квантовая физика последовательно показали, что постоянство массы, непрерывность движения частицы и, наконец, ее себетождественность представляют собой закономерные апроксимации.

В связи с этим возникает множество собственно исторических вопросов: как основные постулаты классической картины мира вытекали из последовательного накопления экспериментальных данных; как связаны границы применимости этих постулатов с развитием производства; как повлияли классические апроксимации на развитие науки, философии, общественной мысли, культуры в целом. Мы пройдем мимо большинства этих вопросов, ограничившись лишь одним, в сущности предварительным: каковы основные принципы классической физики, если ее (рассматривать с современной точки зрения.

Основные теоретические обобщения в физике XX столетия – теория относительности, квантовая механика, релятивистская квантовая механика и квантовая электродинамика – последовательно видоизменяли все более общие и фундаментальные понятия классической физики.

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 апроксимации 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, так как 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 и в гравитационном поле движутся по кратчайшим (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.

Дальнейшие радикальные изменения принесла с собой боровская модель атома и выросшая из нее в результате открытий двадцатых годов квантовая механика. Здесь уже само движение частиц, соединяющих корпускулярные свойства с континуально-волновыми, не может рассматриваться как непрерывное. В картине мира, нарисованной квантовой механикой, траектория частиц перестала быть непрерывной. Здесь угроза нависла над основой основ классической физики – идеей себетождественности частицы.

В классической физике, заметив некую частицу, мы можем "узнать" ее в будущем – частицу можно идентифицировать. Основой такой идентификации служит непрерывная траектория частиц. Но в квантовой механике уже нельзя говорить о непрерывной траектории; во всяком случае нельзя одновременно точно определить положение частицы и ее импульс. Такая невозможность отражает объективные свойства микрочастиц. Все дело – в условном, корпускулярном представлении о некоторых сложных явлениях, гораздо более сложных, чем перемещение себетождественной частицы. Представим себе в некоторой точке пространства более или менее локализованный физический процесс. Этот процесс вызывает в данном пункте физические эффекты, которые можно с известной точностью рассматривать как проявления свойств частицы. Представим себе далее, что в некоторый близкий момент времени в другом, также близком пространственном пункте будет происходить аналогичный процесс, который также получает условное корпускулярное представление. Возможно ли при наличии двух таких процессов утверждать, что некоторая себетождественная частица перешла из одного пункта в другой? Квантовая механика находит такую возможность, но вместе с тем указывает на ее условность. Основой для отождествления частицы, находящейся в одном пункте, с частицей в другом пункте служит непрерывность движения; но как раз такая непрерывность может быть приписана квантовому объекту лишь в условном и приближенном смысле.

Релятивистская квантовая механика и квантовая электродинамика Дирака, а также экспериментальные открытия порождения, аннигиляции (вообще – трансмутации) элементарных частиц нанесли, наконец, удар основному постулату классической физики, постулату себетождественности физического объекта. 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. Подобные качественные трансмутации исключены для элементарных частиц – качественные изменения сводятся к изменениям конфигурации системы, т.е. к движениям себетождественных частиц.

Эта первая абстракция – самая общая основа классической физики. Себетождественная частица является предельным понятием, основой научного объяснения. Сама она не подлежит дальнейшему каузальному истолкованию. Различные периоды развития классической физики характеризуются тем, какие именно дискретные части материи выполняли роль элементарных частиц – предельных понятий каузального анализа. Молекулярная физика XIX в., игнорируя или рассматривая как малосущественную проблему размеров и структуры молекул, объясняла макроскопические явления движением молекул; именно макроскопические явления и были объектом каузального объяснения. Молекулярная физика была физикой макроскопических систем с очень большим числом степеней свободы.

Величина и структура молекулы были предметом каузального изучения в классической химии. Что же касается собственно физики, то она изменила свой основной объект изучения с возникновением физики атома. При этом роль предельных понятий стали играть электроны и атомные ядра. В моделях атома, фигурировавших в физике первой четверти XX столетия, электроны и ядра рассматривались как простые объекты. Конечно, никто не приписывал, по крайней мере ядру, нулевого размера; напротив, его величину, как и радиус электрона, вычисляли, но вычисленные размеры оставались феноменологическими элементами, вкрапленными в каузальную картину атома.

Явления, стоявшие несколько особняком в картине атома, получили объяснение в физике ядра. В последней предельными, феноменологическими понятиями стали элементарные частицы. Сейчас, с развитием общей теории элементарных частиц, положение меняется. Элементарные частицы, фигурировавшие в атомной и ядерной физике как предельные понятия (несмотря на не исчезавшие, но и не стоявшие в центре физики вопросы о "размерах", "структуре" и природе их массы, заряда и спина), становятся основным объектом физики, переходящей благодаря этому в новый период или, по крайней мере, приближающейся к нему.

В течение всех перечисленных периодов, когда физика рассматривала в качестве основного объекта изучения сначала макроскопические системы, затем атом и, наконец, ядро, предпосылкой физических теорий было представление о себетождественной частице, которая меняет координаты, оставаясь собой, не исчезая, не возникая и не превращаясь в другую частицу. Даже трансмутация частицы рассматривалась как превращение одной себетождественной частицы в другую себетождественную частицу.

Основой физической теории было противопоставление частицы пространству, в котором она движется. Координаты рассматривались как акцидентальные свойства некоторой отличающейся от пространства субстанции. Правда, представление о себетождественяой частице, отличающейся от окружающего ее пространства, стало несколько относительным в релятивистской и квантовой физике. Но хотя релятивистская физика и привела в своем развитии к представлению о движущейся частице как сингулярности непрерывной среды, она не покушалась прямо на ее себетождественность. 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 на неточность классической аналогии. Современная квантовая механика ограничивает классическое представление о себетождественной частице, но не выводит его из более общей неклассической теории.

Существуют попытки обобщения релятивистской квантовой теории и построения новой теории, в которой основные положения квантовой механики и теории относительности должны быть выведены непротиворечивым образом из представления о трансмутациях элементарных частиц в элементарных клетках пространства и времени. Однако нет еще даже элементов такой обобщенной теории. То, что появилось, это лишь заявки на теорию. Для историка физики они создают некоторую исходную позицию. Если движение себетождественной частицы может рассматриваться как некоторая апроксимация трансмутационного процесса (например, как регенерация определенной частицы, превращающейся в другую в одной точке и затем возникающей из другой частицы в соседней точке, то в историческом плане не только различные сменявшие друг друга классические теории, но и классическая физика в целом, ее основные и исходные постулаты представляются апроксимацией. Подчеркнем, основные и исходные. Речь идет уже не об абсолютном характере времени, инвариантности пространственных и временных интервалов, классическом правиле сложения скоростей, постоянстве массы, не о тех классических принципах, которые оказались аппроксимациями в теории относительности. Речь идет о более коренных основах классической картины мира. Эти основы сохранились при релятивистском обобщении классической физики и с оговорками и ограничениями фигурируют в квантовой механике. Мы будем понимать под классической физикой совокупность утверждений, основанных на признании себетождественной частицы, т.е. частицы, обладающей непрерывным существованием, непрерывной мировой линией. Однако в дальнейшем будут рассматриваться лишь те основные принципы классической физики, которые были высказаны до ее релятивистского обобщения, т.е. до начала XX в. Эти принципы в своем развитии не только подготовили физику нашего столетия в части исходных понятий, не только дали толчок созданию математического аппарата, необходимого современной физике. Они подготовили современную науку своим мощным преобразующим воздействием на всю цивилизацию, на развитие техники, культуры, философской и общественной мысли...

Об авторе