Теория относительности, квантовая механика и начало атомного века
Теория относительности, квантовая механика и начало атомного века
В 20– 30-е годы нашего столетия часто говорили о более глубоком воздействии квантовых идей, о более радикальном характере выводов из принципа неопределенности и из квантовой механики в целом по сравнению с выводами из теории относительности. Наблюдая развитие релятивистских и квантовых идей во второй половине столетия, можно убедиться в неправильности самого противопоставления итогов развития двух важнейших направлений современной физической мысли. Их философские итоги -одни и те же, причем не в смысле совпадения, а в ином, более глубоком смысле. Уже отмечалось, что философское обобщение достижений неклассической науки совпадает по своему направлению с наиболее характерной тенденцией второй половины XX века – превращением релятивистских и квантовых идей в нечто единое, в единую теорию мегамира и микромира. Другими словами, объектом философского обобщения – и чем дальше, тем больше – становится неклассическая наука как нечто целое.
Поэтому для философии важен анализ теории относительности как концепции, характеризующей не только свой непосредственный объект – движение, сопоставимое по скорости со скоростью света, – но в определенной степени и развитие науки в целом. Попробуем проследить те идейно-методологические и экспериментальные резонансы теории относительности, которые преобразуют науку XX века.
Прежде всего отметим, что эта теория сообщила всей пауке XX века более высокий динамизм. Она явилась первой универсальной физической концепцией, которая с самого начала устами своего творца объявила о своем неокончательном характере. Она посягнула на такие фундаментальные принципы физики, которые не могли быть поколеблены без принципиального отказа от всяческих догматических абсолютов, в частности от представления об абсолютной законченности самой теории относительности.
Далее, теория относительности дала толчок пространственно-временному представлению, общему для всей неклассической науки. Такое представление в своем развитии связано с атомистической природой пространственно-временных соотношений и с распространением и модификацией их на иные области помимо макроскопического движения со скоростями, сопоставимыми со скоростью света.
Прежде чем перейти к такой модификации пространственно-временного представления, несколько слов о нем как о центральной идее теории относительности. В 1908 году в работах Г. Минковского теория относительности была изложена в форме псевдоевклидовых геометрических соотношений четырехмерного пространственно-временного мира. В такой форме специальная теория относительности получила дополнительные возможности развития, облегчавшие систематическое построение релятивистской механики и электродинамики и последующий переход к более общей теории, включающей и гравитационное поле.
Г. Минковский ввел понятия четырехмерной пространственно-временной «мировой точки», «мировой линии», «мира» и показал, что соотношения теории относительности могут быть представлены в виде геометрических соотношений, аналогичных евклидовым, если помимо пространственных координат (х, у, z) ввести четвертую координату – время, измеренное особыми единицами. При этом получается четырехмерная псевдоевклидова геометрия, отличающаяся от обычной евклидовой числом измерений и тем, что четвертая координата не является пространственной.
При всем значении этих понятий они не изменили физического смысла теории относительности. Физическая идея четырехмерной геометрии – представление о связи пространства и времени – содержалась, по существу, уже в первой статье А. Эйнштейна о теории относительности. Речь идет не о тривиальной констатации того, что реальный мир существует в пространстве и во времени. В теории относительности содержалось другое утверждение.
Если нет мирового эфира как универсального тела отсчета, значит, теряет смысл понятие абсолютной одновременности. Исчезнув из картины мира, эфир и отнесенное к эфиру движение унесли вместе с понятием абсолютной одновременности и представление о едином, охватывающем все пространство потоке времени, и представление об абсолютном пространстве.
В 1949 году Эйнштейн писал: «Весьма распространенной ошибкой является мнение, будто специальная теория относительности как бы открыла, или же вновь ввела, четырехмерность физического многообразия (континуума). Конечно, это не так. Четырехмерное многообразие пространства и времени лежит в основе также и классической механики. Только в четырехмерном континууме классической физики „сечения“, соответствующие постоянному значению времени, обладают абсолютной (т. е. не зависящей от выбора системы отсчета) реальностью. Тем самым четырехмерный континуум естественно распадается на трехмерный и на одномерный (время), так что четырехмерное рассмотрение не навязывается как необходимое. Специальная же теория относительности, наоборот, создает формальную зависимость между тем, как должны входить в законы природы пространственные координаты, с одной стороны, и временная координата, с другой» [7].
Четырехмерный, вернее, (3+1)-мерный континуум теории относительности открывает дорогу представлению о мире во всей его сложности как о многомерном пространстве с дополнительным измерением, дающим возможность описывать его растущую размерность. Изменение числа измерений выводит пространственно-временное представление за пределы теории относительности. Мы можем говорить о единстве мегамира и микромира как о многомерном (n-мерном) пространстве, которое становится все более сложным, причем эта растущая сложность изображается (n+1)-м измерением, так что пространственно-временное представление включает (n+1)-мерный континуум.
Теория относительности изменила представление о мегамире, о Вселенной. Сейчас Вселенная рассматривается как нечто целое, обладающее массой, радиусом и, более того, судьбой, прошлым и будущим. Правда, релятивистская космология – это такая ветвь теории относительности, на которой пока больше почек и цветов, чем листьев и плодов. Но она оказывает очень большое воздействие на все отрасли науки, на стиль научного мышления в целом, на философские обобщения. Как это ни парадоксально звучит, теория относительности и релятивистская космология способствуют переходу от собственно геометрических схем к физическим представлениям, основанным на экспериментальной проверке, включающим то, что А. Эйнштейн называл внешним оправданием. Теория относительности сообщает геометрическим соотношениям физический смысл. Она приводит к возможности локального, экспериментального решения проблемы геометрии мира. Позитивное решение данной проблемы всегда было функцией развития науки: локальное воздействие на мир, компоновка объективных сил природы с помощью эксперимента и в производстве – основа и философских выводов. Экспериментальное решение вопросов о бесконечности или конечности пространства, об евклидовых и неевклидовых его характеристиках имеет непосредственное отношение к вопросам об априорности или неаприорности понятия пространства, о происхождении геометрических понятий, о роли эмпирии и теоретических обобщений в познании.
Мы уже приводили замечание В. Нернста о том, что теория относительности Эйнштейна не столько физическая, сколько философская теория. Действительно, можно говорить о большой роли гносеологических критериев в теории относительности. Физика XX столетия гораздо теснее, чем в предшествующий период, связана с гносеологическими проблемами, и это стало особенно заметно в середине столетия. В 1944 году Эйнштейн писал: «В настоящее время физик вынужден заниматься философскими проблемами в гораздо большей степени, чем это приходилось делать физикам предыдущих поколений. К этому физиков вынуждают трудности их собственной науки» [8]. Но и в начале столетия это занятие стало для физики более существенным, чем раньше.
Подобно теории относительности, квантовая механика тоже служит исходным пунктом философских выводов, если ее рассматривать в движении и в особенности если иметь в виду принципиальное значение того, что произошло в науке во второй половине XX века. Для выяснения воздействия квантовой механики на философию весьма существенна эволюция от специфически микроскопического аспекта квантовой механики в первой половине столетия к включению квантовых понятий и представлении в теорию макропроцессов и даже в теорию мегамира. Сейчас приходится учитывать квантовую структуру полей при рассмотрении эволюции космоса, ее необратимости, сущности времени и геометрической структуры мирового пространства. Собственно гносеологические вопросы, волновавшие умы после появления квантовой механики, сейчас сочетаются с онтологическими философскими проблемами.
Для современного состояния квантовой механики очень важно возникновение ее релятивистской модификации, т. е. появление релятивистской квантовой теории поля и квантовой электродинамики, открытие позитрона и превращений фотонов в электронно-позитронные пары и этих пар в фотоны, иначе говоря, серия открытий, сделанных в 30-е годы. Одновременно было создано современное учение об атомном ядре на основе открытия нейтрона – нейтронно-протонная модель ядра. В 40-е годы произошло включение в картину микромира мезонов, что открыло дорогу новому этапу в развитии теории микромира. Однако наиболее важные для философского обобщения выводов квантовой механики события произошли во второй половине 40-х и в начале 50-х годов: применение очень мощных ускорителей; сочетание наблюдений над частицами, получавшими в этих ускорителях высокие энергии, с наблюдениями над известными уже в первой четверти века космическими лучами; невероятно быстрый поток вновь открытых элементарных частиц и столь же быстрый рост сомнений и противоречий, связанных с самим понятием элементарности. В те же годы в картину мира вошло новое представление о вакууме и о взаимодействии вакуума с частицами.
Изменились отправные пункты философского обобщения физики микромира, появились требующие нового философского осмысления понятия трансмутации частиц, более глубокой, таящейся в областях меньших, чем атомное ядро, формы причинности, виртуальных частиц и т. д. Но, быть может, еще важнее было то, что физика микромира вышла в мегамир. Первоначально, в особенности в 20-е годы, философское обобщение выводов квантовой механики ставило акцент на специфике микромира, на существовании таких форм причинности, которые свойственны именно микромиру. Констатация подобной специфичности сохраняется, но акцент теперь переходит на связь между тем, что можно назвать субъядерной причинностью, господствующей внутри областей порядка радиуса атомного ядра, и надгалактической причинностью, определяющей эволюцию Метагалактики. При всей значительности научных теорий, разработанных во второй половине столетия, они кажутся менее глубокими и радикальными поворотами фарватера науки, чем теория относительности и квантовая механика. Более того, в XIX веке наука за три четверти столетия изменилась радикальней, чем в XX веке. Достаточно сравнить идеи дофарадеевой и послемаксвелловой физики. Между ними существует гораздо большая дистанция, чем между статьей Эйнштейна о теории относительности, появившейся в 1905 году, и современными статьями.
И тем не менее впечатление замедления и обмеления научного прогресса – иллюзия. Меняется лишь показатель прогресса. В XVII-XIX веках таким показателем был отказ от старых концепций: от концепций статической гармонии концентрических сфер, окружающих центр мироздания – Землю, специфических флюидов и т. п. Сейчас этот показатель выражается в конкретизации, обобщении и дифференциации прежних теорий, в более глубоком, точном, обоснованном определении их применимости. С дальнейшим развитием науки растут логические связи новых теорий со старыми и доказательства – логические и экспериментальные – истинности каждой новой теории, т. е. сохраняется, несмотря на последующую модификацию, конкретизацию, ограничение, их позитивное содержание. Это значит, что все меньшее число прежних концепций может быть полностью отброшено, все в большем числе эти концепции входят в сумму относительных истин, бесконечно приближающуюся к абсолютной истине. Вернемся к уже мелькнувшему примеру – отказу от невесомых флюидов в XIX веке и сравним его с переходом от специальной теории относительности к общей. Здесь ясно видно, что при все меньшей роли простого отказа от старых теорий радикальность и глубина перемен в науке не уменьшаются, а растут.
Есть еще одна причина растущей достоверности сменяющих в наше время одна другую научных теорий. Они характеризуются все более непосредственным производственно-техническим применением, т. е. отвечают тому критерию практики, который является наиболее непререкаемым доказательством существования и познаваемости объекта науки.
В 40-50е годы нашего века началось широкое, ведущее к реконструкции производственной техники применение атомной и ядерной физики. Для развития философии существенны не только научные достижения как таковые, но и те широкие научно-технические сдвиги, которые соединяют физику атомного ядра с производством. Причем не только уже реализованные сдвиги, но и прогнозы воздействия атомной и ядерной физики на производство, охватывающие конец XX века и начало следующего столетия.
Научно-технические сдвиги сейчас, более чем когда-либо ранее, связаны с философской мыслью, с теоретическими обобщениями. Дело в том, что фундаментальная наука воздействует ныне на производство непосредственно и становится в некотором смысле прикладной, не переставая быть фундаментальной. Так, трудно провести границу между атомной энергетикой и атомной физикой: эволюция реакторов является непосредственным результатом эволюции представлений о ядерных процессах. По-видимому, в будущем, когда непосредственной основой практического применения достижений физической науки станет теория элементарных частиц, связь фундаментальных идей с практическим их применением, связь вопроса о том, как повысить эффективность машин и приборов, с вопросами: «Что такое пространство?», «Что такое время?», «Что такое поле?» и т. п. – станет еще более тесной. Но и сейчас она достаточно явная.
В наше время научные прогнозы приобрели комплексный характер. Таков был уже план ГОЭЛРО, во многом связанный с реализацией того, что обещали классические электродинамика, механика и электронная теория. Классическая электродинамика обеспечивает возможность производить электрическую энергию в одном месте, повышать напряжение, передавать энергию на большое расстояние и здесь превращать ее в механическую работу в электродвигателях. Классическая механика создала методы эффективного и быстрого расчета, позволяющие создавать разветвленную систему разнообразных машин, использующих преимущества электрического привода. Естественным завершением происшедших на этой основе технических и экономических сдвигов являлось прежде всего объединение энергетики, создание единой сети высоковольтных передач, соединяющих энергетические центры с центрами потребления. Завершение строительства такой единой сети, как предполагалось, совпадет с полным переходом к электрическому приводу и соответственно с высокой механизацией производства. С другой стороны, классическая электронная теория позволяла расширить применение электричества в технологии, развивать электроемкие отрасли производства, широко использовать новые материалы. Указанные сдвиги образуют новое производство, новое по исходным материалам, по характеру труда, по темпам роста производительности труда. Реализация такой программы была рассчитана на 20 лет, и действительно, за это время основные возможности, раскрытые классической наукой и учтенные в плане ГОЭЛРО, оказались реализованными.
Сейчас аналогичная ситуация сложилась в отношении современной науки. Речь идет о том, что обещает производству и культуре тот комплекс представлений о пространстве, времени, движении, энергии и веществе, который появился в прямой или косвенной связи с теорией относительности и квантовой механикой.
Исходный процесс производственного применения достижений современной науки – новая энергетика. Применение достижений классической науки было связано с использованием тех источников энергии, которые в конечном счете обязаны своим возникновением и воспроизводством солнечной радиации. Лучи Солнца поднимают вверх молекулы воды – отсюда энергия речных потоков; они же создают температурные перепады в атмосфере, различные уровни давления – отсюда энергия ветра; они же заставляют хлорофилл поглощать свет и накоплять энергию топлива. Современная наука приводит к применению и расходованию тех запасов энергии, которые накоплены при возникновении и распаде атомов, при возникновении и гибели звездных миров. Открытие атомной энергии привело к тому, что астрофизика становится прикладной наукой. Уже недалеко время, когда станет возможным воспроизведение в лабораториях тех процессов, которые поддерживают и компенсируют излучение звезд. Многие живущие сейчас люди, по всей вероятности, станут свидетелями превращения подобных термоядерных процессов в основу энергетики.
Такова энергетическая сторона того, что называют атомным веком. Его завершением будут: превращение атомных станций в преобладающий источник электроснабжения, реконструкция технологии на основе квантовой электроники, автоматизация на основе электронно-вычислительных машин, освобождение производства от угрозы истощения энергетических ресурсов. Конечно, электронная автоматика и новая структура энергетических ресурсов не являются непосредственными и исключительными результатами атомной энергетики, и поэтому указанные составляющие научно-технической революции можно было бы назвать резонансами атомной энергетики.
Из таких резонансов особое значение имеет квантовая электроника. Термин «резонанс» является для нее вполне законным, если иметь в виду не столько атомные реакторы, сколько общий подъем теоретических и экспериментальных исследований в современной физике. Атомная энергетика была и результатом такого подъема, и новым импульсом для его нарастания и связанного с этим преобразования научного мышления и эксперимента. Но есть и другая, собственно научная связь. Применение выводов науки – это целесообразная, основанная на обнаруженных Причинных связях компоновка объективных процессов и тел. Атомная энергетика – это целесообразное регулирование процессов деления тяжелых ядер или (в случае термоядерных процессов) синтеза легких ядер. В квантовой электронике индуцированное излучение в оптическом диапазоне (лазеры) и в радиодиапазоне (мазеры) представляет собой целесообразное регулирование континуальных процессов – излучений. Здесь имеется существенное отличие от регулирования макроскопических континуальных процессов в гидродинамике, в электрических сетях, в радиосигналах. В перечисленных случаях регулирование происходит при игнорировании их атомистической природы, так же как и регулирование движения дискретных тел (в том числе в классических электронных процессах) возможно при игнорировании их континуальной природы. А в квантовой электронике, особенно при анализе индуцированного излучения в оптическом диапазоне, континуальная картина становится невозможной без дискретной и наоборот. Здесь мы встречаемся с существенно неклассическими процессами.
Казалось бы, подобная чисто физическая, чисто теоретическая и весьма общая характеристика квантовой электроники не имеет прямого отношения к путям ее совершенствования и применения. Но это только на первый взгляд. В действительности же связь тут прямая, причем очень характерная для современного научного, технического и экономического прогресса. Научно-техническая революция во второй половине XX века состоит в том, что зоны сознательного, целесообразного вмешательства человека в процессы природы возникают там, где приходится учитывать релятивистские и квантовые аспекты бытия. Отсюда, повторяя уже известную нам формулу Лапласа, – необходимость для разума углубляться в себя самого при каждом продвижении вперед, необходимость развития и преобразования самых общих представлений для решения чисто технических задач. Но отсюда же и беспрецедентная скорость и, более того, столь частое, иногда непрерывное ускорение технического и экономического прогресса. В квантовой электронике становится особенно явной связь между неклассическим характером идеальных физических схем и их эволюцией, с одной стороны, и темпом дальнейшего прогресса и применения лазеров – с другой.
Такую же связь неклассического и фундаментального характера теории с дифференцированностью и широтой ее технического воплощения можно увидеть в кибернетике – этом важнейшем резонансе развития атомной физики, важнейшей компоненте атомного века. Поколения электронно-вычислительных машин различаются не только конструктивно, но и по теоретическим основам создаваемых конструкций; это – принципиально различные машины. И именно подобная эволюция позволяет переходить к универсальному применению электронно-вычислительных машин для автоматизации все более сложных процессов.
Атомная и ядерная физика создают условия для беспрецедентного расширения экспериментальных открытий, причем не только для количественного их расширения, но и для появления принципиально новых экспериментальных, наблюдательных средств. Достаточно напомнить о роли кибернетики для внеземной астрономии. Исследования в области атомной и ядерной физики неизбежно приводят и к проблемам, которые могут быть разрешены только в теории элементарных частиц.
Таким образом, атомный век включает подготовку нового периода. Чем обобщеннее и шире задачи, поставленные им перед специальными науками, чем они ближе к философии, тем явственней приближение этого нового периода. Он будет так же относиться к теории элементарных частиц, как атомный век – к атомной и квантовой физике, как XIX век – к классической термодинамике и классической электродинамике. Он будет связан с разработкой квантово-релятивистской теории элементарных частиц и мегамира, т. е. физики как единого учения о бытии, где бытие фигурирует и в своей пространственно-временной целостности, и в своей гетерогенности.