Глава 2 - Учебное пособие для вузов

Глава 2

^ ШИЛОСОШИЯ НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА


1 Философия механистической картины мира

Научной философией Ньютона являлась экспери­ментальная философия. В ее основу были положены следующие правила философствования:

  1. Не должно приписывать природных причин сверх тех, которые истинны и достаточны для объясне­ния явлений.

  2. Следует, насколько возможно, приписывать одним и тем же следствиям одни и те же причины.

  3. Основой научных доказательств является экспери­мент, причем непосредственный, а не мысленный, как это предлагал Декарт.

Принципы построения «Начал», где изложена ме­ханистическая картина мира, Ньютон заимствовал у Евклида: сначала формулируются аксиомы, или законы, затем из них выводятся следствия, которые можно про­верить на опыте. Декарт развивал гипотетическую фи­зику, в основе которой лежали умозрительные предпо­ложения, не следующие непосредственно из опыта. Физика принципов Ньютона основана на введении аксиом, которые могут не иметь логического обоснова­ния, но истинность которых доказывается опытом.

Символом метафизики Ньютона является сформу­лированный им основной закон динамики:

~F = ma (8)


где F — сила, действующая на тело с массой та, а — уско­рение, которое она сообщает этому телу. В этой фор­муле введены три метафизические категории: во-пер­вых, масса как мера инертности тел, во-вторых, сила — фактор, который изменяет состояние покоя или равно­мерного и прямолинейного движения, и ускорение —-характеристика свойств пространства и времени.

Эти свойства, согласно Ньютону, парадоксальны: речь идет об абсолютно пустом пространстве и абсо­лютном времени. Оба метафизических понятия всегда вызывали большие споры. Сам Ньютон вкладывал в них теологический смысл. Бог, —писал он, — это «бес­телесное существо, живое, разумное, всемогущее, ко­торое в бесконечном пространстве, как бы в своем чувствилище, видит все вещи вблизи, прозревает их насквозь и понимает их благодаря непосредственной близости к ним». Ко времени Лапласа эти теологичес­кие рассуждения Ньютона были прочно позабыты.

Введенная Ньютоном в законе всемирного тяготе­ния сила гравитации также явилась метафизической категорией: речь шла о мгновенном взаимодействии тел, передаваемом на любые расстояния, причем без каких-либо посредников. Это был загадочный принцип дальнодействия. Декарт пытался снять проблему, за­полнив пространство эфирными вихрями. Ньютон опроверг эту гипотезу как необоснованную: «причину свойств силы тяготения я до сих пор не смог вывести из явлений. Гипотез же я не измышляю».

Позднее стало ясно, что для гравитации и других сил можно ввести понятие потенциала, определенного в каж­дой точке пространства. А это уже понятие поля, которое и можно рассматривать в качестве переносчика взаимо­действия. Ключевыми метафизическими категориями в механистической картине мироздания были понятия массы и инерции. Загадкой, не имевшей никакого объяс­нения, оставалось равенство гравитационной и инертной масс, которое с высокой точностью было доказано в кон­це XVIII в. в опытах Г. Кавендиша. Что касается инерции, то Ньютон мог дать о ее природе всего лишь тавтологи­ческий комментарий: «врожденная сила материи есть присущая ей способность сопротивления, по которой всякое отдельно взятое тело, поскольку оно предоставле­но самому себе, удерживает свое состояние покоя или равномерного и прямолинейного движения».

В этих достаточно неясных рассуждениях скрыва­лась еще одна метафизическая тонкость: по существу речь шла о состоянии покоя или равномерного и пря­молинейного движения относительно абсолютного пространства, причем в абсолютном времени. Суще­ствовал только один способ определить систему коор­динат, связанную с абсолютным пространством, — связать ее со сферой неподвижных звезд. Во времена Ньютона это могло казаться приемлемым, но для нас лишено смысла. Пространство и время в классической картине мира — абсолютно самодостаточные катего­рии, существующие безотносительно чего-либо и ни­как не зависящие от присутствия в них материи.

Абсолютно пустое пространство механистической картины мира обладает свойствами однородности и изот­ропности, откуда следуют законы симметрии: изменение координат или их поворот не влияют на законы механи­ки. В 1918 г. Э. Нетер показала, что отсюда следуют ме­ханические законы сохранения импульса mv и момента импульса mv2. Что касается закона сохранения кинети­ческой энергии mv2/2, то он является следствием равно­мерности хода часов абсолютного времени.

Попытку объяснить свойство инерции предпринял Э. Мах, связав его с влиянием далеких звезд. Но это было объяснение ad hoc: речь шла о мгновенном воз­действии на межзвездных расстояниях.

При всей своей загадочности инерция имела со­вершенно ясную количественную меру — массу. Со времен Ньютона ее принято рассматривать как основ­ную характеристику материи. Напомним, что, соглас­но Аристотелю, материя не поддается количественно­му описанию, т. к. представляет собой изменчивую и текучую субстанцию, а по Декарту материя — это про­тяженный континуум, заполняющий все пространство и доступный математическому описанию. Существова­ла и еще одна точка зрения на сущность материи, ко­торую отстаивал противник Декарта и сторонник ма­териалистического сенсуализма П. Гассенди: материя состоит из атомов, обладающих свойствами неделимо­сти, неизменности, тяжести и разделенных бестелес­ной пустотой. Близкую позицию занимал и Хр. Гюй­генс, который утверждал, что материя, состоящая из атомов, и пространство разделены, а действия на рас­стоянии быть не может.

физическая модель мироздания, построенная в рамках механистического мировоззрения, явилась пло­дом свободного творения человеческого разума. Это была превосходная материалистическая модель, позво­ляющая решать большое количество практических за­дач, включая освоение космического пространства, и в наше время.


| Философия квантовой теории

Квантовая механика предсказывает не события, а их вероятности. Эйнштейн заметил по этому поводу, что он не верит, будто Бог играет в кости. Смысл кван-товомеханических предсказаний многим представлял­ся смутным. Р. Фейнман заявил в своей Нобелевской лекции: «Мне кажется, я смело могу заявить, что кван­товой механики никто не понимает».

Рассмотрим основные варианты интерпретации смысла квантовомеханических расчетов. Наиболее рас­пространенным является подход, предложенный Ниль-сом Бором и Максом Борном и получивший название Копенгагенской интерпретации. Разъясняя смысл это­го подхода, Борн писал: «природа не может быть описа­на с помощью частиц или волн в отдельности, а только с помощью более сложной математической теории. Этой теорией является квантовая механика, которая заменя­ет собой обе эти модели и только с определенными ограничениями представляет ту или иную из них».

В мире квантовых явлений мы имеем дело с законо­мерностями, не поддающимися детерминистическому анализу. Существенно новой чертой исследования этих явлений оказывается фундаментальное различие меж­ду макроскопическим измерительным прибором и мик­роскопическими изучаемыми объектами. Работу прибо­ров приходится описывать на языке классической фи­зики, не вводя кванта действия. В силу этих причин, если в классике взаимодействием между прибором и объек­том можно пренебречь, то в квантовой физике оно со­ставляет неотъемлемую часть самого явления. Эта осо- G19 бенность приводит к тому, что повторение одного и того же опыта дает, вообще говоря, разные результаты, ко­торые, следовательно, могут выражаться в форме веро­ятностных (статистических) закономерностей.

Обобщая этот отказ от классического идеала де­терминизма, Бор сформулировал его в виде принципа дополнительности. Количественное выражение этот принцип находит, по его словам, в форме соотноше­ний неопределенности Гейзенберга (4), (5), которые фиксируют границы применимости к квантовым объек­там кинематических и динамических переменных, за­имствованных из классической физики. Развивая свои мысли о принципе дополнительности, Бор отметил, что он может быть применен также и при анализе процес­сов социокультурой динамики.

Второй подход к интерпретации квантовой меха­ники называют неоклассическим. Сторонники этого подхода (Д. Бом и др.) полагают, что классический принцип причинности можно сохранить, если ввести в теорию некие скрытые неизвестные пока парамет­ры. Однако этот подход непродуктивен, т. к. никому из его защитников не удалось раскрыть природу этих скрытых параметров.

Статистическую интерпретацию отстаивал Д.И. Бло-хинцев, который обратил внимание на тот факт, что объектом применения квантовой механики по существу являются не отдельные частицы, а квантовый ансамбль. А поэтому поведение микрочастиц определяется сово­купностью статистических закономерностей.

В 1957 г. X. Эверетт предложил наиболее парадок­сальную интерпретацию, которая получила название многомировой. Его идея вызвала крайне противоречивую реакцию в научном сообществе, многие ее решительно отвергли как абсурдную, но некоторые ее приняли, по­скольку не увидели конкурентоспособных альтернатив.

Известен квантово-механический парадокс, свя­занный с наблюдением интерференционной картины, возникающей при происхождении пучка электронов или светового луча (т. е. пучка фотонов) через пару узких щелей. Парадокс состоит в том, что интерферен­ционная картина возникает даже в том случае, когда на щель падает один электрон или один фотон. С точки зрения стандартной квантовой теории, это должно оз­начать, что фотон расщепляется на две части, одна из которых проходит сквозь одну щель, а другая через вторую, после чего обе части интерферируют на экра­не. Этого однако не может быть, потому, что фотон — это минимальная порция, квант электомагнитного из­лучения (см. формулу 3).

Чтобы снять этот парадокс, Эверетт предложил гипотезу, согласно которой, кроме реальной Вселенной, в которой мы живем, параллельно существует множе­ство ее двойников — «теневых» Вселенных. Эти двой­ники, в которых обитают и бесчисленные дублеры уважаемых читателей, никак не проявляют себя. За одним исключением: при прохождении «нашего» элек­трона сквозь «наши» щели он взаимодействует со сво­им «теневым» партнером, снимая тем самым парадокс, от которого у физиков болит голова. То же самое про­исходит при всех других квантовых событиях.

Природа реальности, гласит гипотеза Эверетта, состоит в том, что помимо нашего мира — параллельно с ним существует множество его двойников, причем число этих двойников увеличивается с каждой наносе­кундой. Д. Дойч, посвятивший обоснованию этих идей книгу «Природа реальности», предложил назвать этот непрерывно ветвящийся мир Мультиверсом (Multiverse от английского слова Universe, Вселенная). Смысл этой гипотезы он комментирует следующим образом: кто такие «мы ?», пока я пишу эти строки, множество «тене­вых» Дойчей делают то же самое и не одна копия этих Дойчей не занимает в Мультиверсе привилегированно­го положения. Между собой Дойчи — двойники никак не взаимодействуют, а потому нам никогда не узнать, разделяют ли они взгляды «нашего» Дойча на проблему реальности. Именно этот более чем странный мир опи­сывает, по его словам, квантовая механика.

«Это не бред сивой кобылы, — говорит по этому поводу патриарх отечественной физики академик В.Л. Гинзбург. — Но я лично в это не верю, хотя есть серьезные ученые, которые верят».

Значительно более простую и понятную интерпре­тацию парадоксов квантовой механики можно предло­жить, используя методологию торсионной физики. Если фотон — квант электромагнитного поля — представля­ет собой возмущенную под действием электрического заряда «нить» поляризованных фотонов, то при взаи­модействии этой «нити» с материальным объектом — парой щелей — происходит ее расщепление, что и объясняет возникающее в итоге явление интерферен­ции. Точно таким же образом можно объяснить и дру­гой парадоксальный эффект — квантовую телепорта-цию, которая была предсказана Эйнштейном в его совместной работе с Розеном и Подольским и недавно осуществлена де Мартини (Рим) и Цайлингером (Вена).

Записав основное уравнение квантовой механики — волновое уравнение, — Шредингер не смог разъяснить непосредственный физический смысл волновой функ­ции. Ответ на этот вопрос дает торсионная физика. Из теории физического вакуума Г.И. Шипова следует, что волновая функция определяется через реальное торси­онное поле — поле кручения физического пространства. Источниками торсионного поля являются элементарные частицы, обладающие ненулевым спином, макроскопи­ческие тела — измерительные приборы, а также опера­торы, проводящие эксперимент с этой частицей. Одна­ко, торсионные поля приборов и операторов при прове­дении эксперимента никак не контролируются, а потому вносят в его результат элемент случайности. Результат опыта с квантовым объектом зависит, таким образом, от взаимодействия торсионных полей, созданных тремя различными источниками, два из которых подчиняются законам случая. По этой причине результаты опытов носят вероятностно-статистический характер. Торсион­ная интерпретация квантовой механики значительно более наглядна, чем копенгагенская или неоклассичес­кая, а тем более, чем «многомировая».


9 Философия теории относительности

Последние 40 лет своей жизни Эйнштейн потра­тил на то, чтобы понять мир материи как форму про­явления пустого искривленного пространства-време­ни. Один из ведущих специалистов по космологии Дж. Уилер сформулировал эту мечту Эйнштейна в виде


[лава 2. Филоеопм научной картины мира

рабочей гипотезы: «материя есть возмущенное состо­яние динамической геометрии».

Основная категория относительности — это мет­рика, т. е. число, которое сопоставляется с двумя точ­ками (событиями). Суть общей теории относительнос­ти и всей геометрической картины мира состоит в обобщении теории Евклида по двум направлениям — во-первых, по увеличению размерности, а во-вторых, по переходу к искривленным пространствам.

В 1916 г. на базе уравнений ОТО К. Шварцильд рассчитал метрику пространства —времени вокруг сферически симметричного материального объекта.

Этот расчет послужил основой последующего раз­вития теории черных дыр — одного из наиболее инте­ресных объектов современной космологии. Из-под гравитационного радиуса этих удивительных объектов не может выйти ничто — ни у света, ни у каких-либо других тел не хватит энергии, чтобы преодолеть силу притяжения черной дыры.

В 1921 г. Т. Калуца обобщил уравнения ОТО на случай пятимерной метрики.

Пятая координата оказалась замкнутой на планков-ском масштабе 10~43 см. Главным достижением тео­рии Калуцы оказалась геометризация электромагнит­ного поля: его пятимерные уравнения содержали урав­нения Максвелла.

В связи с увеличением размерности ОТО возникает вопрос, почему реальное пространство нашего мира подчиняется трехмерной геометрии Евклида. В 1919 г. эту проблему исследовал П. Эренфест. Все классичес­кие физические поля — гравитационное, кулоновское электрическое, магнитное, производимое магнитным зарядом, — убывают обратно пропорционально квадра­ту расстояния. В мирах более высокой размерности эти зависимости оказались бы совершенно иными и, как следствие, и атомы и планеты потеряли бы устойчивость.

Философский подход к проблемам топологии про­странства развивался М.А. Марковым. Исходный тезис его рассуждений — в сопоставлении двух линий ан­тичной философии на проблему делимости материи — линии Демокрита, который был сторонником идеи не­делимых атомов, и линии Эмпедокла, по мнению ко-

^ Раздел VII. Современна» научна» картина мира

торого число первоэлементов бесконечно велико. Мар­ков предложил третью концепцию, альтернативную по его мнению двум классическим.

Концепция Маркова основана на двух принципи­ально новых идеях. Первая из них состоит в том, что структурные части материи могут строиться из элемен­тов не меньшей, а большей массы: избыточная масса в соответствии с законом сохранения массы —энергии трансформируется в жесткое излучение. Заметим, что эту же идею использовал А.Е. Акимов в фитонной те­ории квантового вакуума.

Вторая идея — это так называемая «ядерная демок­ратия»: способность элементарных частиц превращать­ся друг в друга, спонтанно исчезать и вновь возникать из вакуума. Классическая атомная теория не знала ничего подобного.

Используя эти идеи, Марков предложил предста­вить элементарные частицы в виде почти замкнутых автономных вселенных, которые он назвал фридмона-ми. Из-за большого гравитационного дефекта масс полная масса замкнутой вселенной равна нулю. А ес­ли она замкнута не полностью, то ее масса может быть сколь угодно малой, например, равной массе элемен­тарной частицы. С точки зрения внешнего наблюдате­ля эта малая масса будет заключена внутри сферы таких же микроскопических размеров, как и элемен­тарная частица.

«Фридмон с его удивительными свойствами, — пишет академик Марков, — не является порождением поэтической фантазии — без всяких дополнительных гипотез система уравнений Эйнштейна —Максвелла содержит фридмонные решения... Вселенная в целом может оказаться микроскопической частицей. Микро­скопическая частица может содержать в себе целую Вселенную».

Глава 3

^ ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ СОВРЕМЕННОЙ НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА


| Универсальная теория Вселенной

По мнению С. Хокинга, в настоящее время на вопрос о том, может ли существовать единая теория всего реально существующего, следует дать три аль­тернативных ответа:

  1. Полная теория существует и когда-нибудь будет построена.

  2. Окончательной теории Вселенной нет, а есть бес­конечный набор все более совершенных теорий.

  3. Такой теории не существует, имеется граница, за которой нельзя предсказать что-либо определенное. За этими рассуждениями Хокинга скрывается

неявный постулат, который состоит в том, что сам объект теоретизирования — Вселенная — в своих наи­более фундаментальных свойствах остается неизмен­ным. Между тем, если вспомнить основные принципы нелинейной науки и рассматривать Вселенную как большую самоорганизующуюся систему, то можно прийти к выводу, что у нас нет достаточных оснований считать этот постулат истиной в последней инстанции.

Несмотря на эти сомнения, многие теоретики убеж­дены, что такая теория будет в конце концов создана. «Физика представляет собой единое целое, — пишет по этому поводу Р. Пенроуз, — и правильная кванто­вая теория гравитации, когда она, наконец, будет пост­роена, должна стать основой нашего досконального понимания законов природы».

Полностью солидарен с ним и С. Хокинг, который утверждает, что «если мы действительно откроем пол­ную теорию..., тогда все мы, философы, ученые и про­сто обычные люди, сможем принять участие в дискус­сии о том, почему так произошло, что существуем мы и существует Вселенная. И если будет найден ответ на такой вопрос, это будет полным триумфом человечес­кого разума, ибо тогда нам станет понятным замысел Бога».

Теоретики продолжали упорно работать над этой проблемой. А. Салам и С. Вайнберг создали единую теорию слабых и электромагнитных взаимодействий. На очереди теория Великого объединения, которая будет описывать также и сильные взаимодействия, а о теории суперструн думают как о прообразе еще более общей теории — супергравитации. На этом пути, по­мимо больших теоретических трудностей, физиков идет еще одна тяжелая проблема — экспериментальная невесомость: предсказания теорий становится все труднее проверить на опыте.

Скорее всего, однако, до триумфа, о котором меч­тают теоретики, еще далеко. К тому же есть много фундаментальных вопросов, на которые эта теория, даже если она будет создана, не может дать убедитель­ных ответов.


Вселенная состоит из вещества — главным обра­зом из протонов, электронов и нейтронов, — и антиве­щества, т. е. антипротонов и позитронов, имеющих противоположные электрические заряды. Ни теория относительности, ни квантовая механика не дают от­вета, почему при происхождении Вселенной из вакуу­ма возникла такая асимметрия.

Внести ясность в этот парадокс можно с помощью модели «фитонного моря». Согласно существующим космологическим моделям, когда закончилась самая ранняя инфляционная стадия расширения Вселенной, ее температура была очень высока— 1016 эВ. При




9 ПроОлема антивещества такой температуре в плазме должны были начаться процессы генерации частиц и античастиц, причем практически в равных количествах. Однако вследствие эффекта аннигиляции они должны были сразу же превращаться в фитонные ансамбли, что сопровожда­лось испусканием жесткого излучения.

Анализируя протекание этих процессов, А.Д. Са­харов предположил, что скорости рождения частиц и античастиц должны немного различаться, а процессы разбаланса их концентрации должны протекать быст­рее, чем их взаимная аннигиляция.

Достаточно, таким образом, предположить, что в силу неких нелинейных эффектов процесс генерации материи шел с небольшим переносом в пользу веще­ства, и тогда в итоге часть вещества осталась «невос­требованной» и составила материальную основу всех ныне существующих объектов во Вселенной, а другая, причем подавляющая часть, вместе со всем антивеще­ством оказалась «связанной» в форме фитонов.

Что касается жестких гамма-квантов, испущенных при формировании фитонного «моря», то они сохра­нились к настоящему времени в форме реликтового из­лучения с температурой 3 °К, открытого А. Пензиасом и Р. Вильсоном. Количество этих реликтовых фотонов в миллиард раз превосходит суммарную численность протонов, из которых состоят все материальные объек­ты во Вселенной. Этот факт — прямое подтверждение того, что в момент своего рождения концентрации ча­стиц и античастиц различались весьма мало, разница между ними составляла порядка Ю-9 в пользу веще­ства. Именно из этих «избыточных» протонов и элек­тронов и развились позднее галактики, звезды и пла­неты, включая те, на которых затем зародилась жизнь.


■ Будущее Вселенной

Стандартная фридмановская модель предсказыва­ет два варианта конца современной Вселенной — либо «тепловая смерть» в результате непрерывного расши­рения, либо последующее сжатие (Big Crush — Боль­шой Хлопок). Согласно теории, первому сценарию соответствует средняя плотность материи меньше, чем 10_29r/CM3i второму— больше этой величины. По данным астрофизики, современные оценки плотности как раз дают 10~29г/см3, поэтому выбор между обо­ими эволюционными сценариями, оба из которых «хуже», остается как будто неопределенным.

Однако наблюдения над аномалиями в движении звезд и галактик привели астрономов к выводу, что, кроме видимого вещества, во Вселенной должна су­ществовать недоступная прямым наблюдениям тем­ная материя, содержание которой намного превосхо­дит количество вещества. Вопрос о природе этой ма­терии неясен. Возможно, это холодный межзвездный газ, белые карлики, нейтрино или другие странные ча­стицы.

Отличный от стандартных прогнозов взгляд на будущее Вселенной можно получить, используя идеи нелинейной науки. Факт рождения Вселенной из ваку­ума означает, что ее нельзя рассматривать как замкну­тую систему и, следовательно, ее эволюция подчиня­ется закономерностям теории самоорганизующихся си­стем. И следовательно теория Всего, о которой мечтают физики, должна включать динамическую неустойчи­вость. А это означает, по мнению И.Р. Пригожина, что по мере того, как Вселенная эволюционирует, обстоя­тельства создают новые закономерности.

Одно из таких нестандартных обстоятельств — возможность рождения дочерних вселенных. Исход­ный постулат этой гипотезы состоит в том, что суще­ствует пространственно-временная пена — квантовые флуктации на уровне планковских масштабов. Суще­ствование этой пены можно проверить эксперимен­тально, наблюдая реакцию на нее мощных гамма-кван­тов с энергией порядка 1016ГэВ, излучаемых ядрами галактик или квазарами. Если зоны такой пены суще­ствуют, то становится возможным спонтанное рожде­ние обособленных пространственно-временных обла­стей, гравитационно отделенных от Вселенной-матери. Наблюдать их можно по мощным вспышкам излуче­ния, идущего «ниоткуда».

Возможен индукционный механизм возникновения таких областей вследствие столкновения двух частиц сверхвысокой энергии (файербол).


3204197904242613.html
3204287780600368.html
3204613190147991.html
3204756785545445.html
3204868704225466.html