Архипкин В.Г., Тимофеев В.П. Естественно-научная картина мира

Подождите немного. Документ загружается.

связь в мире явлений” (Вигнер, 1971). Поэтому говорят, что если

законы управляют явлениями, то принципы симметрии – это

законы физических законов. Таким образом, можно сказать, что

симметрия характеризует собой эпоху синтеза, когда разроз-

ненные знания сливаются в единую, целостную картину.

Выявление различных симметрий в природе, а иногда и посту-

лирование их, стало одним из методов теоретического исследо-

вания микро-, макро- и мегамира. Законы природы позволяют

предсказывать явления, а принципы симметрии – открывать

законы природы. Например, уравнения Максвелла в электродина-

мике получены на основании симметрии между электрическими и

магнитными явлениями. Д. Максвелл исходил из убеждения, что

взаимодействия электрического и магнитного полей должны быть

симметричными, и поэтому ввел в свои уравнения дополнитель-

ное слагаемое, учитывающее это обстоятельство. Уверенность в

симметрии законов природы привела его в выводу о существо-

вании электромагнитных волн. Также можно сказать, что идея

А. Эйнштейна, приведшая его к созданию теории относительно-

сти, опиралась на уверенность в глубокой симметрии природы,

которая должна одновременно охватывать механические, электро-

магнитные и все другие явления.

О. Мороз в книге “В поисках гармонии” писал, что физики го-

няются за симметрией подобно тому, как путники преследуют в

пустыне ускользающий мираж. Вот возникла на горизонте пре-

красная манящая картина, но как только вы попытаетесь к ней

приблизиться, она исчезает, оставляя чувство горечи.

2.3.5. Принципы оптимальности

Эти принципы также называют экстремальными или вари-

ационными. Считается, что лучшей является та теория, в ко-

торой используется как можно меньше исходных положений, а

объясняется и предсказывается как можно больше новых фактов.

Развитие естественных наук показало, что естественную науку,

имеющую дело с явлениями природы, не удается построить как

замкнутую систему, т.е. раз и навсегда перечислить все ее ис-

ходные положения. Теория должна оставаться открытой, для того

чтобы иметь возможность включать новые факты и распростра-

няться на новые области реальности. В то же время положения

теории неравноправны: среди них есть некоторое так называемое

”динамическое ядро”, задающее силы и тенденции движения, и на-

бор условий, в которых действуют эти силы. Такой набор условий

характеризует конкретную систему и может меняться или расши-

ряться. Как показывает история науки, ядро теории может быть

сведено к единственному принципу. Например, все факты клас-

сической механики можно свести к принципу наименьшего дей-

ствия. Суть этого подхода состоит в следующем. Для описания

состояния любой системы вводится так называемая функция Ла-

гранжа L(q, t), зависящая от координат и скоростей. Если извест-

но, что в моменты времени t

и t

система имеет определенные

координаты, то среди возможных движений между этими положе-

ниями реальным будет такое, вдоль которого действие, определя-

емое как S =

L(q

, q

, t), будет иметь минимум.

В геометрической оптике законы распространения, отражения и

преломления света сведены к принципу скорейшего пути Ферма:

свет распространяется по такому пути, что время его прохождения

минимально.

Такое направление развития характерно для систем самой раз-

личной природы: технических, биологических, социальных и др.

Всем экстремальным принципам присущи лаконизм и простота, и

в то же время они имеют общий, универсальный характер. На-

пример, зная принцип Ферма, можно рассчитать любую оптиче-

скую систему, не нуждаясь в каких-либо других законах геомет-

рической оптики. Содержанием всякого экстремального принци-

па является утверждение о минимуме или максимуме некоторой

физической величины. Например, расчет траектории рассматрива-

ется как отыскание истинного пути среди множества возможных.

Основная проблема состоит в том, чтобы найти оптимизируемую

величину, выяснить ее конструкцию.

Формальные понятия и представления, выросшие на почве

классической механики, вышли далеко за ее пределы. Понятие

”действие”, введенное Гамильтоном, сейчас распространяется на

социальные системы, экономические и т.п.

Среди экстремальных принципов важное место занимает прин-

цип минимума диссипации энергии. В мировом процессе раз-

вития этот принцип играет особую роль. Его суть коротко можно

сформулировать так: если допустимо не одно состояние систе-

мы, а целая совокупность состояний, согласных с правилами

отбора, то реализуется то состояние, которому соответ-

ствует минимальное рассеивание (диссипация) энергии или,

что то же самое, минимальный рост энтропии. Так как убывание

энтропии возможно только за счет поглощения внешней энергии,

то реализуются те из возможных форм организации материи, ко-

торые способны в максимальной степени поглощать энергию.

Область применения этого принципа постоянно расширяется.

На протяжении всей истории человечества стремление овладеть

источниками энергии и вещества было одним из важнейших сти-

мулов развития и устремлений человеческих интересов. И поэтому

всегда было источником разнообразных конфликтов. По мере ис-

тощения природных ресурсов возникает тенденция к экономному

расходованию этих ресурсов, появлению безотходных технологий.

Если говорить об иерархии принципов отбора, то принцип ми-

нимума диссипации энергии как бы играет роль завершающе-

го принципа: когда другие принципы не выделяют единственно-

го устойчивого состояния, этот принцип служит дополнительным

принципом отбора. Поэтому его рассматривают в качестве уни-

версального принципа.

2.3.6. Принцип соответствия

Планк установил, что классическая теория хорошо работает в

случаях, когда постоянной Планка h можно пренебречь. Это ука-

зало на взаимосвязь квантовой теории с классической. В дальней-

шем Бор сформулировал принцип, получивший название прин-

ципа соответствия: для больших квантовых чисел частота из-

лучения, испускаемого атомом при переходе из одного состояния

в другое, асимптотически совпадает с одной из частот, ожидае-

мых по классической теории. Другими словами, в пределе при h,

стремящейся к нулю, результаты квантовой теории должны

переходить в предсказания классической теории. Этот принцип

сыграл важную роль в развитии и становлении квантовой физики.

Согласно данному принципу квантовая механика содержит в се-

бе классическую как предельный случай. Принцип соответствия

является в квантовой физике неотъемлемой частью теории.

Принцип соответствия служит методологическим принципом

и не ограничивается рамками физики. С этой точки зрения необ-

ходимо рассматривать весь процесс развития не только физики,

но и естествознания в целом. Действительно, теория относитель-

ности возникла как обобщение классической механики, поэтому

последняя выступает как частный случай релятивистской меха-

ники. Волновая оптика представляет обобщение геометрической

оптики, а последняя есть частный случай волновой оптики, и т.д.

Во всем этом проявляется общая закономерность развития фи-

зики, которую можно сформулировать так: теории, справедли-

вость которых экспериментально установлена для той или

иной области физических явлений, с возникновением новых бо-

лее общих теорий не устраняются как нечто ложное, но сохра-

няют свое значение для прежней области и становятся част-

ным случаем новых теорий. Принцип соответствия считается од-

ним из важнейшим достижением всего естествознания в ХХ в.

Благодаря ему история физической науки предстает перед нами

не как хаотическая смена различных теорий, не как череда их

крушений, а как закономерный и последовательный процесс раз-

вития познания, идущего ко все более широким обобщениям, как

познавательный прогресс, каждая ступень которого имеет объек-

тивную ценность.

Философское значение принципа соответствия в том, что он

показывает, как реализуется тезис диалектического материализма

в естествознании о том, что абсолютная истина складывается из

бесконечной последовательности относительных истин. Принцип

соответствия утверждает, что:

1) каждая физическая теория – относительная истина, содер-

жащая элемент абсолютной истины; она соответствует определен-

ному этапу в процессе познания;

2) смена физических теорий – это не череда катастроф, а есте-

ственный процесс развития физики, постепенное проникновение в

сущность вещей и явлений;

3) сколь бы ”безумными” и противоречивыми не казались новые

теории, они всегда образуют единое целое.

Итак, развитие физики – это не механическая замена ста-

рых теорий новыми, а процесс их последовательного обобще-

ния, когда новое отрицает старое, но не просто отрицает, а с

удержанием всего того положительного, что было накоплено в

старом. По-видимому, это применимо к любому развитию, о чем

желательно никогда не забывать.

2.3.7. Редукционизм

Редукционизм (редукция) – стремление свести объяснение

сложного через более простое, непонятное (неизвестное) через

известное. В основе редукционизма лежит представление о том,

что, зная свойства отдельных элементов, составляющих систему и

особенности их взаимодействия, можно вывести все свойства этой

системы. Другими словами, свойства системы являются следстви-

ем свойств элементов системы и их взаимодействий. Таким обра-

зом, суть редукции как метода познания и объяснения явлений

и материальных образований более сложного уровня можно пред-

ставить как результат закономерного усложнения более простых

явлений и материальных образований. Такой взгляд особенно рас-

пространен в физике, поэтому его иногда называют физическим

редукционизмом.

Редукционизм – это своеобразный метод (образ) мышления,

который пронизывает все науки, хотя и в разной степени. Часто

он служит мощным средством исследования и позволяет изучать

явления самой разной природы. Как способ мышления, редукци-

онизм возник, по-видимому, в процессе эволюции, и прививается

человеку в процессе обучения как объяснение “на пальцах”. Под

редукционизмом также понимают и попытки заменить исследова-

ние реального объекта его упрощенной моделью или наглядной

интерпретацией. Такой подход породил метод анализа, позволяю-

щий связывать логическими переходами различные этажи моде-

лей, построенных физикой.

В рамках редукционизма решено множество важнейших про-

блем естествознания. Впервые он был реализован в небесной ме-

ханике, где взаимодействия особенно просты – это силы гравита-

ции и законы Ньютона. Особенно ярким предсказанием явилось

предсказание существования планеты Нептун. Идеи редукциониз-

ма оказались плодотворными не только в физике и механике, но

и в биологии и других областях естествознания. Считается, что

редукционизм был необходимым и неизбежным этапом развития

естествознания.

История физики, по сути дела, состоит из демонстрации метода

редукции, а именно синтезирования на основе множества явлений

одной или несколько теорий. С давних пор были известны теп-

ловые, звуковые и световые явления, механические движения и

гравитация, которые когда-то считались совершенно различными.

После того как И. Ньютон объяснил законы движения, оказалось,

что некоторые из перечисленных явлений, на первый взгляд не

связанных между собой, – просто разные стороны одного и того

же явления. Например, звуковые явления (звук) – это движение

атомов воздуха. Поэтому их перестали считать чем-то самосто-

ятельным, отдельным от движения. Теплота также объясняется

законами механического движения. В результате большие разде-

лы физики слились в одну более простую теорию. Но гравитацию

до сих пор не удается объяснить простыми законами движения, и

она до сих пор стоит обособленно от всех остальных теорий.

За синтезом явлений движения, тепла и звука были открыты

электрические и магнитные явления. В 1873 г. Д. Максвелл объ-

единил их со световыми и оптическими явлениями, создав единую

теорию, в которой свет рассматривался как электромагнитная вол-

на. В начале ХХ в. была создана электронная теория вещества,

которая объяснила, что такое вещество. Развитие этой теории при-

вело к пониманию того, что электроны движутся вокруг ядра.

Однако попытки объяснить это на основе законов механики ока-

зались неудачными. Разработка новой теории или новой системы

взглядов, способной заменить законы Ньютона, заняла определен-

ное время. При этом пришлось расстаться со здравым смыслом,

так как все, что происходит на атомном уровне, выглядит очень

странно. В 1926 г. была разработана, как тогда считалось, “бре-

довая” теория, которая объясняла поведение электронов в веще-

стве – квантовая механика. Слово “квантовая” относится к той

странной особенности природы, которая противоречит здравому

смыслу. Но, тем не менее, она позволила объяснить всю химию и

различные свойства вещества.

Несмотря на столь значительные достижения и успехи, в на-

стоящее время пришло понимание, что редукционизм как метод

мышления не является универсальным. Поэтому не следует ду-

мать, что любые сложные явления или системы можно изучать с

помощью расчленения на части и исследования их отдельных со-

ставляющих. Особенно ярко это стало видно в биологии при изу-

чении феномена жизни. Именно здесь физический редукционизм

как концепция наталкивается на трудности принципиального ха-

рактера при попытках интерпретации явлений жизни в понятиях

физики и химии. Хорошо известно, что биология имеет дело с

объектами иерархической организации. Иерархичность организа-

ции живой материи предполагает, что на каждом более высоком

уровне организации появляются свойства, которые отсутствуют на

предыдущих уровнях. Эти свойства рассматриваются отдельными

биологическими науками и описываются соответствующими тео-

ретическими представлениями.

В биологии даже существует принцип качественной несводи-

мости или биологический антиредукционизм в противовес фи-

зическому редукционизму. Его суть состоит в утверждении, что

законы и принципы, управляющие живой материей, качествен-

но не сводимы к физическим и химическим взаимодействиям.

Конструктивный смысл этого принципа состоит в осознании

того факта, что физико-математические модели не могут быть

адекватными биологическому прообразу, если в этих моделях не

содержатся качественные элементы функциональной организации

живых систем. Он утверждает, что никакие теоретико-физические

или математические ухищрения не способны преодолеть барьер

качественной несводимости, и только эвристика, основанная на

глубоком знании биологии, может стать ключом к решению про-

блем, которые являются подлинно биофизическими. Принцип ка-

чественной несводимости означает существование предела, после

которого физические представления перестают быть самодостаточ-

ным средством познания. Дальше этого предела определяющим

фактором становятся некоторые биологические истины, без кото-

рых уже не обойтись.

2.3.8. Парадоксы как движущая сила науки

Истина часто проявляет

себя в форме парадокса.

Парадокс – это то, что противоречит общепринятому, казалось

бы, очевидному представлению. Парадоксы не только важны для

построения новых теорий или глобальных задач; умение отыскать

и сформулировать парадокс – важный познавательный прием и

в повседневной научной работе. Разрешение парадокса вызывает

дальнейшее движение науки вперед; убедительно обоснованные

парадоксы много раз приводили к научным революциям.

Сила тяготения и сила инерции одинаково зависят от массы,

предметы в свободно падающей камере находятся в состоянии

невесомости – сила тяжести компенсируется силой инерции. Все

это было известно много лет и ничего в этом не было странного.

Для Эйнштейна это было парадоксом, и отсюда родилась общая

теория относительности. По сути дела, все великие открытия бы-

ли разрешением тех или иных парадоксов.

2.3.9. Красота науки

Нет ничего практичней

хорошей теории.

Физический фольклор

Красота – понятие очень абстрактное, о нем до сих пор спорят

и философы, и эстетики, но нет сомнений, что именно она слу-

жит источником вдохновения ученых. Красота – совокупность

качеств, которые доставляют наслаждение взору, слуху; все кра-

сивое, прекрасное, что необходимым образом нравится всем (или

почти всем). Истинное всегда прекрасно, но и прекрасное часто

оказывается истинным. А. Пуанкаре писал: ”Полезные комбина-

ции – самые красивые. Специальное эстетическое чувство – ощу-

щение красоты – играет роль решета... Тот, кто не владеет им,

никогда не будет истинным творцом”. (Цит. по: [32].)

В свое время гелиоцентрическая система Коперника сменила

сложную геоцентрическую систему Птолемея, хотя последняя и

позволяла рассчитывать положения планет на небе. Согласно тео-

рии относительности во Вселенной не существует выделенной си-

стемы координат и с этой точки зрения обе системы равноправны,

первая принимает за систему отсчета Солнце, а вторая – Землю.

Но в конце концов все решила красота – красота системы Копер-

ника. Простота описания движения планет в гелиоцентрической

системе так облегчает работу интуиции, что превращается в ка-

чественно новое явление, дает дорогу развитию теории. Открытие

законов Кеплера, небесная механика Ньютона – все это следствия

открытой Коперником гармонии и красоты мира. Не зря А. Пу-

анкаре говорил, что универсальная гармония мира есть источник

всякой красоты.

Наука, в том числе и физика, ищет скрытую внутреннюю

красоту мироздания, но красота самой физической теории часто

настолько убедительна, что заставляет физиков ставить сложней-

шие эксперименты, чтобы подтвердить или опровергнуть сделан-

ные предположения. Когда ученый находит изящное построение,

оно почти всегда или решает задачу, или пригодится в будущем

для других задач. Таким образом, поиски красоты ведут нас к

познанию природы. Природа красива. Мы не знаем почему, но

этому нас учит опыт, который показывает, что красота влечет

за собой полезность. Эффективные теории всегда красивы. Но

красивы они не потому, что эффективны, а потому что наделены

внутренней симметрией и экономичны с точки зрения математики.

Красота в физике – представление, включающее в себя профес-

сиональную интуицию, и суть ее наилучшим образом выражается

на языке математики. Для тех, кто владеет этим языком, красота

теории столь же очевидна, как и красота природы. Ведь недаром

понятие красоты встречается в научной лексике, когда говорят о

красивых уравнениях или красивом техническом решении.

Красота в науке возникает при сочетании трех условий: пра-

вильности решения, его неожиданности и экономичности за счет

открытия общего принципа, позволяющего преодолеть исходную

сложность изучаемого объекта или явления. В. Гейзенберг писал,

что ”проблеск прекрасного в точном естествознании позволяет

распознать великую взаимосвязь еще до ее детального понимания,

до того, как она может быть рационально доказана.” (Гейзенберг,

1987.) Вопросы красоты творений в науке играют немалую роль.

Даже считается, что только красивая теория может быть ис-

тинной. Другими словами, красота начинает выступать в качестве

одного из критериев правильности решения задачи или завершен-

ности технической идеи. История науки и техники подтвержда-

ет, что красиво все, что совершенно. Однако строгих критериев

красоты не существует, она, в первую очередь, связана с интуи-

цией. Даже при решении логических задач важную роль играет

внелогическая компонента – критерий красоты. Тем не менее при-

менительно к теоретической физике можно определить несколько

признаков, описывающих структуру понятия красоты теории.

1. Простота. Математический аппарат может быть сколь угод-

но сложным, но теория считается простой, если в ней заложено

очень малое количество исходных положений, аксиом и постула-

тов, взятых из опыта, а из них вытекает большое число разно-

образных выводов, следствий и эффектов. Все фундаментальные

уравнения имеют чрезвычайно простую математическую форму,

что позволяет говорить о них как о красивых уравнениях. История

науки показывает, что из двух конкурирующих научных теорий,

как правило, побеждает более простая. Выше мы уже говорили,

что видимое движение планет может быть объяснено как в геоцен-

трической системе Птолемея, так и в гелиоцентрической системе

Коперника. Но если в первом случае приходилось использовать

достаточно сложные математические расчеты, то другая свелась

к простым уравнениям Кеплера. Д.Максвелл ввел в рассмотрение

понятие электромагнитного поля и получил простые уравнения,

которые лежат в основе всей классической электродинамики. Ино-

гда говорят, что простота – печать истины. В некоторых случаях,

когда дальнейший путь не ясен, именно математическая красота и

изящество ведут ученых к истине. Физик интуитивно чувствует,

что природа предпочитает красивые решения некрасивым.

2. Адекватность математического аппарата. Математиче-

ский аппарат должен соответствовать данной физической теории,

подходить для ее формулировки (векторный анализ в электродина-

мике, тензорный анализ в теории тяготения и т.д.). А. Эйнштейн

говорил, что если бы не было тензорного анализа, он может быть

не создал общую теорию относительности.

3.Четкость и ясность обозначений и терминологии. Напри-

мер, в физике высоких энергий существуют такие понятия, как

странность, цвет, очарование и другие, которые имеют не только

качественный смысл, но и количественное выражение: странность

частицы равна 0 или ±1. Конечно, все эти термины не имеют

буквального смысла, они абстрактны, но все же в какой-то мере

отдаленно с ними связаны. Можно просто эти свойства пронуме-

ровать, но это было бы скучным, а физический мир – мир эмо-

циональный. Термин ”странность” возник тогда, когда были обна-

ружены частицы со свойствами, которые не укладывались в су-

ществующие представления и потому казались странными. Выбор

удобных компактных обозначений часто помогает работе, способ-

ствует обобщению, связан с возникновением и становлением аб-

страктных понятий. История науки показывает, что введение эф-

фективных и простых обозначений влечет за собой далеко идущие

последствия. В научной работе обозначения нередко заменяют на-

глядные представления о физическом объекте. Так, когда физик

думает об электромагнитном поле, в его представлении возникают

обозначения векторов напряженности поля. Во многих вопросах

физики и математики обозначения часто непосредственно связа-

ны и с сутью дела, и с глубиной обобщения, и с абстрактностью

используемых понятий.