Скачать 447.55 Kb.


страница2/2
Дата29.01.2019
Размер447.55 Kb.
ТипУрок

Скачать 447.55 Kb.

“Квантовая” история физики


1   2

Соответствие и дополнительность

как историко-научные принципы.

Развитие физики — это эволюция, «рост идей». Эволюция эта, разумеется, не так проста, как кажется историку-индуктивисту. Научное творчество питается двумя источниками: экспериментальным вопрошанием природы и независимой работой конструирующего и систематизирующего ума. Эксперимент наводит на мысль, но не порождает ее. Он и наводит на мысль только потому, что мысль его спроектировала. Самостоятельно теоретизирующая мысль формулирует новые вопросы и проектирует новые эксперименты, которые со своей стороны могут поставить под вопрос теоретическую идею. Но магистральная линия развития — последовательное развитие теоретической идеи, создание системы, охватывающей все более широкий круг явлений все более простыми основополагающими принципами. Образ истории науки, доминирующий не только в «Эволюции физики», но и во всей философии науки Эйнштейна, в особенности со времени разработки общей теории относительности,— это образ восхождения на вершину горного хребта, достижение точки зрения, с которой видны границы предшествующих теорий и весь “рельеф” пути. Историческая связь теорий выражается универсальным принципом соответствия. В результате возникает та концепция “вложенности” предшествующих систем в более общие, которая представлена, например, так называемой эрлангенской программой в физике25.



Правда, анализируя квантовую механику, авторы «Эволюции физики» замечают, что дело здесь сложнее. При описании, например, световых явлений мы вынуждены пользоваться двумя исключающими друг друга картинами реальности, рассматривать эти явления как бы стереоскопически, с двух принципиально различных точек зрения. Более того, Эйнштейну было ясно, что и структура общей теории относительности при таком повороте подобна структуре квантовой теории. Ведь геометрия реального пространства-времени определяется с помощью закона преобразования, связывающего разные, локально определенные псевдоклассические геометрии, представляющие пространственно-временные характеристики возможной экспериментальной ситуации (наблюдения, измерения). Такое отношение между экспериментом и теорией, соответственно между классической физикой и неклассической не нарушало еще, по мнению Эйнштейна, классического идеала теоретического знания в отличие, например, от принципиальной статистичности квантово-механических законов.

Для Гейзенберга, как и для Бора, осмысление квантовой теории требовало пересмотра именно этого классического идеала знания. Дополнительность двух классических систем при описании квантовой реальности возведена Бором в принцип, который и стал основанием нового взгляда на историю физики. «Ситуация, сложившаяся в квантовой механике,— говорит Гейзенберг,— в двух весьма характерных отношениях отличается от ситуации в теории относительности: во-первых, невозможностью прямо объективировать математически описанные обстоятельства, во-вторых, — и это отличие, пожалуй, даже более важно, — вытекающей отсюда необходимостью продолжать использование понятий классической физики»26. А это значит, что система понятий классической механики наряду с другими классическими системами сохраняют свою силу не просто в качестве предельного случая, а в качестве равноправных дополняющих друг друга способов объективного пред ставления квантовой реальности. Именно в этой связи и возникло понятие «замкнутой системы понятий».

Отношение включения по принципу соответствия сталкивается здесь с отношением сосуществования по принципу дополнительности. Классическая механика содержится в теории относительности и в квантовой механике как предельный случай, когда скорость света можно считать бесконечно большой или соответственно планковский квант действия — бесконечно малым. Но классическая механика и отчасти электродинамика необходимы также и «как априорное основание для описания экспериментов»2714, с. 75].

История классической физики раскрывается при этом не просто как путь к единой универсальной точке зрения, а как совокупность различных самостоятельных систем, развертывающих разные способы теоретической объективации реальности. Опыт квантовой механики позволил увидеть эту внутреннюю неоднородность классической физики. «На здание точных естественных наук едва ли можно смотреть как на связное единое целое,— говорит Гейзенберг в докладе 1934 г.— Простое следование предписанному маршруту от какой-либо данной точки не приводит нас во все другие части этого здания. Это объясняется тем, что здание состоит из отдельных специфических частей; и хотя каждая из них связана с другими посредством многих переходов и может окружать другие части или быть окруженной ими, тем не менее она представляет собой замкнутое в себе обособленное единство. Переход от одной уже законченной части к другой, только что открытой или вновь возникшей всякий раз требует новых умственных усилий, которые должны быть направлены уже не на простое естественное развитие имеющихся представлений»28 .

Механика точки, статистика и волновая теория суть три необходимых и не сводимых друг к другу способа описания экспериментов и теоретического представления квантовой реальности. Соответственно классическая механика, статистическая физика и электродинамика вновь восстанавливаются в своих правах как самостоятельные и универсальные теоретические миры — разные способы теоретического представления реальности вообще.

Но что же значит это сосуществование равно истинных и все же исключающих друг друга теоретических миров-представлений, совокупность которых необходима для описания реальности? Как вообще возможна такая координация теоретических систем?

Гейзенберг напоминает в этой связи одно по видимости простое и тем не менее редко продумываемое до конца обстоятельство. «Если мы описываем группу связей,— говорит он,— с помощью замкнутой связной системы аксиом, определений и законов, что, в свою очередь, может быть представлено в виде математической схемы, то мы фактически изолируем и идеализируем эту группу связей —с целью их научного изучения. Но даже если достигнута полная ясность, то всегда остается еще неизвестным, насколько точно соответствует эта система понятий реальности»29 [14, с. 82]. «Изолируем и идеализируем»: экспериментально (искусственно) изолируем и теоретически идеализируем определенную группу связей (а не группу явлений), которую мы, собственно, и изучаем в качестве сущностных структур природы. В этом — главное.

Всякая теория строится на абстракции, на целенаправленном отборе из бесконечного богатства опыта определенного типа связей. Понятия теории непосредственно схематизируются в этих связях, образующих мир идеальных объектов, предметный мир теории. Ньютоновскую механику можно с этой точки зрения представить как единый большой эксперимент, начатый трудами Галилея,— эксперимент, практически преобразующий и теоретически рассматривающий природу под определенным углом зрения, при определенных условиях, а именно, так, как если бы ее можно было представить движением и взаимодействием точечных масс30. Электродинамика, строящаяся на экспериментах иного рода, изолирующая иного рода связи (полевые), задает свой угол зрения, свою возможность идеализации реальности, предельно развернутую в теории относительности.

Ясно, что возможность такого понимания истории физики — прямое следствие уяснения «логической ситуации» квантовой механики. Именно здесь оказалось крайне важным понять, что всякая теоретически объективная (классическая) картина, всякий мир объектов есть результат практической (технической) абстракции, идеализируемой в теории изоляции одних возможных связей реальности за счет других. Мы видим, как крепко связаны здесь анализ понятий, философское осмысление природы научного мышления и концептуализации истории науки. Об этой связи я, собственно, и толкую в данной статье.



Вся сложность в том, что существенное различие историко-научных концепций Эйнштейна и Гейзенберга — отнюдь не столкновение их личных взглядов. Противоборство этих “историй” коренится глубоко в природе самого теоретического мышления. Оно поэтому, как мы уже отмечали, присуще историко-научным размышлениям самого Гейзенберга. Координация замкнутых систем при описании реальности,— связанная с принципом дополнительности,— никак не исключает картины их последовательной субординации на основе принципа соответствия. Современная теоретическая физика развивается целиком под знаком «великого объединения» в смысле общей теории поля и эрлангенского понимания истории теоретических систем. Понятие замкнутых систем в концепции Гейзенберга не столько разрушает, сколько усложняет этот классический образ развития физики и делает его многомерным.

Ясно, что рациональная реконструкция истории физики Гейзенберга, как и «Эволюция физики» Эйнштейна и Инфельда, сами являются идеа-лизациями, предназначенными для того, чтобы кое-что понять в этой истории, а не просто ее описывать. Насколько они не исчерпывают возможности подобной реконструкции, показывает, например, история классической физики в представлении Луи де Бройля, которую я вкратце изложу, чтобы оттенить оригинальность концепции Гейзенберга еще с одной стороны.



Исходной точкой для де Бройля была та же квантовая механика, но его позиция дала ему особую точку зрения, столь же классически ориентированную, как и позиция Эйнштейна, но содержательно иную. В его реконструкции развитие физических понятий обнаруживает неожиданные стороны.

Отправную точку де Бройль находит в понятии кванта действия. Установив возможность с помощью этого понятия связать воедино корпускулярное и волновое представления движения, де Бройль кладет в основу исторической реконструкции само понятие действия. Эта путеводная нить позволяет ему усмотреть истоки подобного объединения в недрах аналитической механики. Вся история классической физики предстает в его глазах как «введение в квантовую физику»31. Развитие физики оказывается рядом последовательных приближений, ступеней, прямо ведущих к созданию волновой механики.

С самого начала он замечает принципиальную независимость кинематических и динамических определений в ньютоновской механике. Развитие аналитической механики, в особенности в трудах У. Гамильтона и К. Якоби, направлено на устранение этой независимости путем выдвижения на первый план понятий энергии и действия (величины, выражающейся произведением канонически сопряженных величин: энергии на время, импульса на путь). С этой точки зрения, открытие кванта действия только подтвердило необходимость связи кинематических и динамических определений, а значит, и верность именно такого пути построения механики.



Анализируя эквиэнергетические семейства траекторий движения материальных точек в постоянном силовом поле, Якоби описывает движение механической системы так, что его уравнения оказываются в ближайшем соответствии с уравнениями геометрической оптики, описывающими лучевое распространение волн32. В результате обнаруживается любопытная аналогия между механическим принципом наименьшего действия Мопертюи и принципом наименьшего времени Ферма. «...Теория Якоби, — пишет де Бройль, — очень прозрачно намекает на идею о сходстве траектории частиц с лучом некой волны, отождествляя интеграл действия частицы с волновым интегралом Ферма, так что принцип наименьшего действия совпадает с принципом минимального времени»33.

В развитии оптики также можно усмотреть соответствующую эквивалентность двух физически различных моделей — корпускулярно-лучевой теории Декарта-Ньютона и волновой теории, берущей начало в работах X. Гюйгенса и после работ О. Френеля в начале XIX в. получившей доминирующее значение.

В итоге новая «волновая механика» может быть понята как точка слияния этих разнородных течений теоретической мысли, как тот синтез, который впервые позволил понять природу их глубокого родства34. Основные “классические” ступени, ведущие к новой механике, грубо говоря, таковы:

1) связь кинематических и динамических определений в принципе наименьшего действия;



2) связь геометро-оптического представления механики (Якоби) с волновой оптикой путем сближения принципа наименьшего действия с принципом наименьшего времени;

3) переход от механики точки к механике системы как новой “единицы”, представленной точкой в конфигурационном пространстве (что связывает аналитическую механику со статистической физикой в формулировке Дж. Гиббса).

Словом, все уже было готово, и стоило только Планку перейти от частного случая квантования энергии излучения к общему принципу квантованности действия, как обнаружилось, что «...весь аппарат аналитической механики как бы уже был готов воспринять новый принцип квантования»35.



Заметим, что подобно Эйнштейну и де Бройль как бы спотыкается о принцип дополнительности Бора. Значение и смысл его де Бройль хорошо понимает. «Совсем не очевидно, — пишет он, — что мы можем описать физические явления с помощью одной одинаковой картины или одного единственного представления нашего ума»36. Между тем теоретик вынужден работать именно с такого рода идеализациями. «Таковы понятия строго локализованной частицы и строго монохроматической волны. Однако вполне возможно, что эту идеализацию... нельзя никогда строго применить к реальным процессам. Чтобы описать всю совокупность реального мира, возможно, необходимы последовательно две (или больше) идеализации для одного единственного понятия... Мы не можем избежать привлечения двух идеальных образцов»37.

Что для де Бройля и Эйнштейна становится камнем преткновения, то Гейзенберг делает краеугольным камнем своей историко-научной концепции, — принцип дополнительности. А развернутая на его основе историко-научная концепция в свою очередь серьезно углубляет смысл этого принципа.

В самом деле. Идет ли здесь речь только о различии историко-науч-ных методологий, только о различии исходных научных установок, в свете которых ученые рассматривают историю науки? На мой взгляд, намечающееся здесь различие глубже. Дело идет о философских основах самой науки. Эйнштейн и де Бройль остаются в рамках классической традиции, сама возможность которой фундаментально обоснована картезианской двусубстанциальностью. Если же теоретическое представление реальности мыслится объектно, а истинность и полнота теории отождествляются с объективностью и детерминизмом, история научного познания неизбежно будет представлена как путь — сколь угодно сложный и превратный — к единой картине мира, мыслимой с единой точки зрения.

Копенгагенская интерпретация квантовой механики как бы нащупывает пределы этой картезианской предпосылки. Что теоретический объект есть идеализация, признают и “классики”, и Бор с Гейзенбергом. Но для “классиков” это — совершенствующееся в процессе познания представление самого познаваемого предмета, а для Гейзенберга идеализация представляет собой практическую абстракцию, экспериментальное “усечение” предмета, его одностороннюю объект-проекцию. Для Бора и Гейзенберга, как и для “классиков”, без объектного представления нет объективной теории, но для копенгагенцев нет истинной теории реальности, если существует только одно ее объектное представление.

Чтобы не ходить далеко, можно пояснить это философское различие с помощью категорий ближайшего последователя и реформатора картезианской философии — Б. Спинозы.

Что теоретическое познание реальности основывается на искусственной изоляции и универсализирующей идеализации определенного типа связей, т. е. на выборе определенной возможности и абстракции от всех прочих,— это обстоятельство следует, полагают копенгагенцы, учесть в определении самой реальности. Реальность раскрывается объектно в объективной теории, но само это объектное раскрытие предполагает не репродуктивную, а продуктивную точку зрения (экспериментальное вторжение в реальность). Вот почему можно сказать, пользуясь, наконец, спинозовскими категориями, что в теоретической системе мы воспроизводим не саму субстанцию, а ее атрибутивное представление38.

Объективная теоретическая картина мира есть субстанция, представленная как своего рода мир (она поэтому универсальна и замкнута). Но сама эта развертка есть лишь один из возможных, вообще говоря, бесконечных атрибутов, т. е. такого рода теоретических представлений, субстанции. Мы вводим в горизонт теоретического мышления саму субстанцию (реальность), когда мыслим ее через возможности таких атрибутивных представлений.

Вот почему в контексте возможных объективации субстанция приобретает характер потенциальности (всевозможности). Гейзенберг в этой связи припоминает аристотелевское понятие материи как потенции. Волновое уравнение, описывающее квантово-механическую систему, описывает, собственно, волну вероятности, т.е. не последовательность событий, а, так сказать, лишь стремление к определенному протеканию событий. «Она означала, — пишет Гейзенберг, — количественное выражение старого понятия “потенция” аристотелевской философии. Она ввела странный вид физической реальности, который находится приблизительно посредине между возможностью и действительностью»39. Мы могли бы вспомнить и ближе стоящее понятие «возможности-бытия» Н. Кузанского...



Исторический горизонт неожиданно расширяется. История науки входит в мир истории философии.

А это уже другая история.



1988.

1 Heisenberg W. Der Teil und das Ganze. Gesprache im Umkreis der Atomphysik. Mflnchen, 1976. S. 10-12. (См. рус. пер. В.В. Бибихина в изд.:. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. М. 1989. С. 138-139; 146-147). Heisenberg W. Schritte iiber Grenzen. Gesammelte Reden und Aufsatze. München. 1973. S. 102. (См. рус. пер. А. В. Ахутина и В. В. Бибихина: Гейзенберг В. Шаги за горизонт. М. С. 171-173).

2 Характерно, что, например, солидная работа Клиффорда Хукера о природе квантово-механической реальности, опубликованная в1972 г., посвящена скрупулезному разбору знаменитого спора А. Эйнштейна и Н. Бора, развернувшегося в 30-е годы (Hooker C. The Nature of Quantum Mechanical Reality: Einstein versus Bohr // Paradigmes and Paradoxes. The Philosophical challenge of the quantum domain. Pittsburg, 1972).

3 Отметим, что М. Планк, М. фон Лауэ, М. Борн и В. Гейзенберг специально подчеркивали роль классической гимназии в формировании их мышления. В августе 1949 г., выступая в Мюнхене на праздновании 100-летнего юбилея своей Максимилиановской гимназии (которую в 1874 г. окончил и М. Планк), Гейзенберг говорил о важном значении гуманитарного образования для развития теоретического мышления в области естествознания. Оспаривая однобоко практицистское направление современного образования, он заметил, что только «навык принципиального мышления», приобретенный им в гимназии, прежде всего благодаря знакомству с древнегреческой философией, позволил ему уяснить суть тех необычных проблем, с которыми столкнулась современная теоретическая физика. (Heisenberg W. Schritte iiber Grenzen. S. 95-108. Рус. пер. С. 34-45).

4 «Вопросы, которые две с половиной тысячи лет назад были впервые поставлены на этой земле, — говорил Гейзенберг в 1964 г. в Афинах, — с тех пор почти непрерывно занимали человеческую мысль и в ходе истории вновь и вновь становились предметом обсуждения по мере того как новые открытия являли в новом свете эти древние пути мысли» (Heisenberg W. Schritte iiber Grenzen. S. 223. Рус. пер. С. 107).. Взгляды Гейзенберга на роль гуманитарного образования подробно разобраны мною в статье «В. Гейзенберг и философия», см. Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. Послесловие. С. 361-394).

5 Лейбниц Г. Соч. в четырех томах. Т. 1. М. 1982. С. 276-277.

6 Описание других историко-научных взглядов Гейзенберга читатель может найти, например, в статье А. Н. Вяльцева: Вяльцев А. Н. Историко-научные взгляды В. Гейзенберга // Ученые о науке и ее развитии. М. 1971.

7 Гейзенберг В. О квантово-механическом истолковании кинематических и механических соотношений // УФН. 1977. Т. 122. Вып. 4. С. 575.

8 Гейзенберг В. Развитие понятий в физике XX века //Вопросы философии. 1975. №1. С. 83.

9 Дирак П. Основы квантовой механики. М.-Л. 1932. С. 14.

10 Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. Развитие идей от первоначальных понятий до теории относительности и квантов. Цит. по изд.: Эйнштейн А. Собр. научных трудов в четырех томах. Т. IV. М. 1957. С. 530.

11 Heisenberg W. Tradition in der Wissenschaft. Reden und Aufsätze. München. 1977. S. 117. Ср. Heisenberg W. Der Teil und das Ganze. S. 80 (Рус. пер. С. 191. Ср. Гейзенберг В. Шаги за горизонт. С. 83).

12 Heisenberg W. Tradition in der Wissenschaft. S. 118.

13 С течением времени оба пути сильно разошлись. В 1952 г., в Копенгагене состоялась философская конференция, на которой Бор изложил проблемы интерпретации квантовой механики группе философов, главным образом представителям Венской школы. Его ужаснул тот факт, что доклад не вызвал ни споров, ни серьезных вопросов. Проблема понимания вовсе не занимала этих философов. (Heisenberg W. Der Teil und das Ganze. S. 241. Рус. пер. С. 318).

14 Heisenberg W. Der Teil und das Ganze. S. 55. (Рус. пер. С. 173).

15 Heisenberg W. Tradition in der Wissenschaft. S. 25.

16 Гейзенберг В. Развитие понятий в физике XX века. С. 79.

17 Борн М, Йордан П. О квантовой механике // УФН. 1977. Т. 122. № 4. С. 587. Ср. Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. М. 1985. С. 199.

18 Гейзенберг В. Философские проблемы атомной теории. М. 1953. С. 16.

19 Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. С. 56-57.

20 Heisenberg W. Tradition in der Wissenschaft. Reden und Aufsatze. S. 128.

21 Heisenberg W. Schritte iiber Grenzen. S. 88. (Рус. пер. С. 179).

22 Там же. S. 285. (Рус. пер. С. 198).

23 Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики. Цит. изд. С. 479.

24 Там же. С. 507.

25 См. Визгин Вл. П. Эрлангенская программа в физике. М. 1975.

26 Heisenberg W. Schritte iiber Grenzen. S. 90. (Рус. пер. С. 180-181).

27 Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. С. 57.

28 Гейзенберг В. Философские проблемы атомной физики. С. 18.

29 Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. С. 62.

30 Гейзенберг В. Философские проблемы атомной физики. С. 27-28.

31 Де Бройль Л. Революция в физике. (новая физика и кванты). М. 1963. С. 14.

32 Точное изложение проблемы см. в кн.: Де Бройль Л. Соотношения неопределенностей Гейзенберга и вероятностная интерпретация волновой механики. М. 1986.

33 Де Бройль Л. Революция в физике. С. 138.

34 Там же. С. 31.

35 Там же. С. 93.

36 Там же. С. 186.

37 Там же. С. 186-187.

38 Эту параллель намечает М. Джеммер. См. Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики. С. 343.

39 Гейзенберг В. Физика и философия. Часть и целое. С. 16. Более верным это сопоставление будет для элементарной частицы: «Все элементарные частицы “сделаны” из одной и той же субстанции, из одного и того же материала, который мы теперь можем назвать энергией или универсальной материей; они — только различные формы, в которых может проявляться материя. Если сравнить эту ситуацию с понятием материи и формы у Аристотеля, то можно сказать, что материю Аристотеля, которая в основном была “потенцией”, то есть возможностью, следует сравнивать с нашим понятием энергии; кога элементарная частица рождается, энергия выявляет себя благодаря форме как материальная реальность». Там же. С. 98.


1   2

Коьрта
Контакты

    Главная страница


“Квантовая” история физики

Скачать 447.55 Kb.