Горбачев В.В. Концепция современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

в изображении пола. Для каждого из них что важнее, то он и передает лучше,

«правильнее», пренебрегая другим. Б. В. Раушенбах отмечал: «Один передает безупречно

одно, другой — другое, и получаются разные картины, и

все они одинаково правильны и одинаково неправильны, и это справедливо» [116].

Заметим, что такие картины действуют на нас тоже по-разному, а ведь изображен на них

один и тот же объект.

Приведем еще одно соображение, связанное с этим всеобщим законом

дополнительности. Это «принцип равноправия», взаимоуважения участников любой

дискуссии как реализация в гуманитарном плане принципа дополнительности Бора, когда

каждый специалист не только уважает мнение другого, но и готов ограничить сферу

своего мнения так, чтобы оно вписывалось в допустимые рамки, устанавливаемые извне

другими специалистами. Применительно к научным исследованиям и прогнозированию

принцип дополнительности определяет методологию познания: чем больше простота и

шире область исследования или применения, тем меньше точность и конкретность

оценки.

Известный с XIV в. принцип бритвы Оккама (1285—1349): «Entia поп sunt

multiplicanda practer nescessitatem» — «Чем ближе мы находимся к некоторой истине,

тем проще оказываются основные законы, ее описывающие» — также хорошо

укладывается в рассматриваемые положения идей Бора о дополнительности понятий и

представлений в познании мира.

Интересную трактовку принципа Бора на «бытовом уровне» можно найти в эссе

«Низкие истины» известного кинорежиссера А. Кончаловского (который, возможно, и не

слышал вовсе ни о каком Боре): «Человек, свободный внешне, должен быть чрезвычайно

организован внутренне. Чем более человек организован, то есть внутренне не свободен,

тем более свободное общество он создает. Каждый знает пределы отведенной ему

свободы и не тяготится ее рамками. Самоограничение каждого — основа свободы всех.

Очень часто приходится слышать о свободе русского человека. Да, русские

действительно чрезвычайно свободны внутренне, и не удивительно, что компенсацией

этому является отсутствие свободы внешней. Свободное общество они пока создать не

в состоянии именно из-за неумения себя регламентировать. Каждый хочет быть

свободен сам — всем стать свободными при этом заведомо не реально».

Можно отметить и другие возможности эффективного применения принципа

дополнительности Бора в современном естествознании. Сюда относятся

взаимоотношения между целым и частями, структурой и функциями сложной системы;

хаосом и порядком при эволюции в процессе самоорганизации; стохастичностью и

детерминированностью; случайностью и необходимостью; между понятиями «ян» и

«инь» восточного мистицизма; между ощущениями и их осмыслениями в теории

австрийского

физика и философа Э. Маха (1838—1916); использование антропного принципа при

формулировке законов физического и информационного взаимодействий,

взаимоотношения между объектом исследования и самим исследователем, социальными

и биологическими формами движения, мужчиной и женщиной, проявлением и

сущностью явления. Так, Л. Н. Гумилев отмечал, что, когда выигрываешь в

общественной свободе, проигрываешь в контакте с природой, здесь также проявляются

взаимодополняющие сущности географической и физиологической среды человека.

Количество примеров использования принципа дополнительности можно увеличить

до бесконечности по мере изучения и понимания современного естествознания. Сюда

относятся: синтез — анализ, предмет — метод, вертикаль — горизонталь, сложность —

организованность, рациональное — интуитивное, правое полушарие мозга — левое,

познание и эстетическое восприятие (чем человек логически умнее, тем меньше он

удивляется, восхищается) и т.д. Например, один из признаков характеризует объект,

другой — его окружение. При этом, как говорил Н. Бор, «мы имеем дело с различными,

но одинаково существенными аспектами единого, четко определенного комплекса

сведений о системе». Н. Бор считал, что описать сложное явление с помощью одного

языка, да еще единым и исчерпывающим образом невозможно. Принцип

дополнительности Бора в корне отрицает возможность описания мира путем деления его

на части с полным описанием каждой его части. Никакое отдельное знание о предмете не

может быть самодостаточным, требуется дополнение в лице других наук (естественные

— гуманитарные науки). В гуманитарном знании и понимании такой подход только лишь

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

начинает проявляться. В преодолении этого — одна из задач современного

естествознания.

Принцип дополнительности Бора универсален для человеческого познания и

проявляется, в частности, когда люди пытаются связать физиологические и психические

феномены. В соответствии с этим принципом, по-видимому, нельзя исследовать

(измерять!) сознание и функции мозга одновременно. Чем больше известно о

деятельности мозга субъекта, тем меньше информации можно добыть о его

психологическом состоянии. И наоборот, чем лучше мы знаем психологическое

состояние, тем меньше информации о процессах, протекающих в мозге человека. Этот

принцип проявляется также в том, что физическое воздействие на мозг (с целью изучения

его деятельности) разрушает психологическую картину внутреннего мира субъекта,

которую

можно наблюдать в полном объеме, если никакого инструментального воздействия не

существует.

Понятно теперь, что применением лишь одного способа познания мира мы не можем

построить его целостную картину. Имеющаяся современная концепция Универсума

носит в основном физический характер. Человек с его знанием и совестью никак пока не

рассматривается в физических моделях. Отметим, что уже делаются попытки построения

таких моделей для физики нравственности, физики бессмертия, физики души, алгебры

совести и т.д. Например, в алгебраической модели В. А. Лефевра строятся взаимосвязи

между такими человеческими сущностями, как совесть и музыка, с одной стороны, и

такими физическими сущностями, как элементарные частицы и их наблюдения, с другой.

Целостный подход к восприятию действительности с учетом естественно-научного и

гуманитарного методов его изучения и применение принципа дополнительности Бора в

качестве инструментария познания дают возможность решить задачу более полного

понимания реального мира, могут даже изменить идеологию, выяснить причины

потрясений в современном обществе, столь неустойчивом, когда человек часто теряет

ориентацию из-за отсутствия стабильных критериев и ценностей и обоснованного

научного объяснения всех происходящих в мире явлений.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Каков смысл понятия «современное естествознание» и какова цель его изучения?

2. В чем ценность натурфилософии и какие идеи древних мыслителей

подтверждаются в современном естествознании?

3. Какие три научные программы были развиты в древнегреческом естествознании? В

чем их различие?

4. Какими фундаментальными принципами пользуются для объяснения современной

картины мира?

5. Какие два подхода существуют в настоящее время для описания мира? Почему

возникает необходимость гармонизации этих подходов и холизма в современном

естествознании?

6. Что, по Вашему мнению, объединяет современную физику и восточный мистицизм?

7. Какова роль математики в современном естествознании?

8. В чем сущность принципа дополнительности Бора и как он трактуется в физике и

современном естествознании?

9. В чем разница между биологической эволюцией Дарвина и физической эволюцией

Больцмана?

10. Что понимается под научной картиной мира и как ее представляете именно Вы?

11. В чем недостатки физикализма и антропоцентризма?

ЛИТЕРАТУРА

3, 16, 18, 19, 23, 26, 42, 43, 44, 47-49, 56, 60, 61, 92, 99, 106, 108, 114, 115, 139,

140, 141, 150.

Глава 2. МЕХАНИКА ДИСКРЕТНЫХ ОБЪЕКТОВ

C давних времен, с них пор как су-ществует изучение природы, она имеет в качестве

идеала конечную важную задачу: объединить пестрое многообразие физических

явлений в единую систему, а если возможно, в одну-единственную формулу.

М. Планк

Часто физик пытается объяснить другим то, что он еще сам не вполне ясно понимает.

Я. Смородинский

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Изучение простых движений исторически стало первым приложением научного

метода к проблемам реального физического мира. В физике движение рассматривается в

самом общем виде как изменение состояния физической системы и для описания

состояния вводится набор измеряемых параметров. Параметры движения (траектория s,

скорость v, ускорение а, масса m, сила F; импульс р, энергия Е) в законах динамики

Ньютона достаточно четко описывают разнообразные изменения состояния объектов,

хорошо известные из общего курса физики. Примерами движений являются движущиеся

атомы, электрический ток как направленное движение электронов, движение планет

вокруг Солнца, перемещение любых объектов в пространстве и т.д. Рассмотрим хорошо,

казалось бы, известное понятие движения в целом как свойство материи.

Поскольку в классической физике мы принимаем за аксиому дискретность объектов

природы, то при их движении мы должны определить систему отсчета (где считать,

вычислять перемещение объекта) и положение объекта в ней (как найти место объекта в

системе и определить его перемещение). Любое изменение состояния реального объекта

в природе — будь это простое перемещение или более сложное — называют событием.

Этот термин сближает естественно-научный язык с гуманитарным. Заметим, что понятие

«состояние» объекта является достаточно сложным: мы употребляем его для описания

разных характеристик (состояние атмосферы, состояние общества, состояние здоровья и

т.д.), а не просто описания физического состояния объекта. Обычно под событием

понимают только изменение положения объектов или их совокупностей в пространстве с

течением времени. Таким образом, все события

происходят в пространстве и времени. С позиции физики это означает введение некой

системы отсчета с функциональной зависимостью координат от времени:

x = x(t); у = y(t); z = z(t),

2.1. Трехмерность пространства

Выбор пространства трехмерным в известной мере кажется произвольным,

интуитивным и даже историчным, когда перешли от натурфилософского понимания

пространства к количественному описанию его на математическом языке параметров

объектов. Более того, можно было бы сказать, что такое трехмерное пространство

выбрано ради удобства: мы лучше именно так воспринимаем мир. Построенные на таком

трехмерном восприятии все последующие законы изменения мира в точных

естественных науках подтверждаются в грандиозных успехах техники, что нас убеждает,

может быть, в неосознанном выборе метрики пространства. Хотя известно, что и в

философии, и в математике имеются представления о многомерности пространства.

В то же время применение именно числа 3 может быть и не было случайным. Мы уже

упоминали о двух подходах к изучению Мира, о двух культурах: естественной и

гуманитарной, но можно без грубого вульгаризма отнести сюда и культуру религии. И

таким образом можно говорить о трех способах познания, присущих Homo sapiens:

аналитический — наука, художественный, чувственный, иногда иррациональный —-

искусство и ре-конструктивно-пророческий, по большей части всегда иррациональный —

религия. Как это ни парадоксально с материалистической точки зрения, но все три

способа познания, а значит и определяемые ими ветви знаний, имеют области взаимного

пересечения. Известный русский философ религии отец П. Флоренский (1882—1943),

физик по образованию, говорил о природе: «Через пространство и время все обозначено

числом три, и троичность есть наиболее общая характеристика бытия».

Искусство во многом основывается не только на принципе гармонии и красоты, но и

на их мистическом восприятии и передаче в произведениях искусства, т.е. на

религиозном мировоззрении, дающем творческий импульс, но, конечно, искусство для

достижения своих целей использует научные методы, например, научные принципы

гармонии и перспективы [116]. В свою

очередь, наука требует не только красоты теоретических построений, но и

рациональной веры в справедливость исходных положений аксиом. Примеры троицы:

троичность единого Бога (Бог-Отец, Бог-Сын, Бог — Святой Дух), 3 закона Ньютона, 3

закона сохранения, 3 начала термодинамики, 3 поколения фундаментальных

элементарных частиц, 3 геометрии пространства: Евклида — плоская, Римана —

сферическая, точнее эллиптическая, и Лобачевского — гиперболическая, а также

дарвиновская триада: изменчивость, наследственность, отбор и, наконец, 3 измерения

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

времени: прошлое, настоящее, будущее. В личности отец П. Флоренский также

усматривал «троицу»: «Каждое психическое ее движение трояко по качеству так, что

содержит отношение к уму, к воле и к чувству».

Остановимся несколько подробнее на современных физических обоснованиях

трехмерности нашего пространства, в котором мы живем. Почему же все-таки наше

физическое пространство трехмерно? Физики давно поняли, что здесь кроется какая-то

загадка, тайна. Австрийский физик и философ Э. Мах (1838—1916) в своей работе [90]

поставил вопрос: «Почему пространство трехмерно?».

Заметим, что Э. Мах вовсе не считал пространство жестко трехмерным. Он писал:

«Поскольку атомы и молекулы по своей природе не могут быть даны нашим чувствам,

мы не имеем никакого права мыслить обязательно эти вещи в отношениях,

соответствующих евклидову трехмерному пространству. «Нечувствительные» вещи не

должны быть обязательно представлены в нашем чувственном пространстве трех

измерений. Таким образом я пришел к мысли об аналогах пространства различного числа

измерений». Согласно современным представлениям физическая модель трехмерного

пространства, строго говоря, относится к объектам, которые можно представить

материальной точкой.

Рассмотрим, что было бы, если бы пространство имело число измерений, отличное от

трех. Простые взаимодействия описываются законом Ш. Кулона (1736—1806) и законом

И. Ньютона (1643—1727). Согласно этим законам электрические и гравитационные

силы ослабляются ~1/r

. Наиболее наглядное объяснение этому такое: с увеличением

расстояния силовые линии поля распределяются по все большей поверхности сферы,

охватывающей заряд или массу, а площадь сферы увеличивается пропорционально

квадрату радиуса. Значит, плотность силовых линий, пронизывающих эту сферу,

уменьшается как 1/r

, что и опреде-

ляет закон изменения этих сил. Немецкий философ И. Кант (1724—1804) писал:

«Трехмерность происходит, по-видимому, оттого, что субстанции в существующем

мире действуют друг на друга таким образом, что сила действия обратно

пропорциональна квадрату расстояния».

Если пространство геометрически четырехмерно, то, как известно из математики,

площадь трехмерной сферы в таком пространстве пропорциональна уже кубу радиуса,

если оно пятимерно, — то 4-й степени радиуса, и т.д. Таким образом, мы получаем, что в

разных пространствах — разные физические законы. Но «наши»-то законы работают!

Свидетельство этому — многочисленные технические применения и устройства.

Поэтому можно сделать вывод, что наше пространство трехмерно. В механике

показывается, что в пространстве любого числа измерений центробежные силы

пропорциональны 1/r

(при движении точечного или любого тела по круговой орбите,

например вокруг другого центрального), не зависят от числа измерений пространства. Из

механики также известно, что для существования устойчивых круговых орбит

необходимо, чтобы центробежные силы уменьшались с расстоянием быстрее, чем силы

притяжения. Иначе малейшее возмущение приведет либо к падению заряда в центр

вращения, либо «улет» его в бесконечность. Нет устойчивости орбит — нет вообще

связанных состояний. Значит, для наличия таких состояний нужно, чтобы размерность

была не более трех. А связанность необходима для существования объектов. Что

изменится, если пространство будет двух- или даже одномерным? Теория показывает,

что в таком пространстве силы уменьшаются очень медленно, и при любых начальных

скоростях все тела упадут в центр вращения, т.е. не будет свободного движения

притягивающихся тел. Поэтому в таких пространствах нет связанных устойчивых систем,

нет ни атомов, ни галактик.

Может быть, природа пыталась, и неоднократно, создать Вселенные с разными

свойствами (и размерностями!)? Но только в трехмерном пространстве имеются и

связанные, и свободные состояния: связанные гравитирующие системы и свободное, но

устойчивое движение. Другими словами, только в этом случае возможно образование

сложных и разнообразных структур, способных к возникновению и распаду. Только здесь

имеется возможность возникновения жизни, изменчивости эволюции.

Следовательно, именно в этих пространствах (а может быть, и только в них!) могут

существовать разумные существа. Представление о них, как о себе, нашло свое

отражение в антропном принципе (см. § 6.6). Поэтому не удивительно для нас

утверждение, что мы живем именно в трехмерном пространстве. Как писал русский поэт

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

В. Брюсов (1873—1924):

Ввысь, вширь, вглубь. Лишь три координаты. Мимо них где путь? Засов открыт, С

Пифагором служат сфер сонаты. Атом дли счет, как Демокрит.

В пространствах с другим числом измерений и в мирах с другими законами жизнь в

нашем человеческом понимании не могла бы возникнуть.

Заметим, что количественное изменение фундаментальных физических констант (не

таких, которые сейчас установлены для основных взаимодействий в нашем мире) может

привести вообще к невозможности образования галактик, звезд и даже элементарных

частиц, к невозможности появления сложной структуры и самой жизни во Вселенной

[134].

Небольшие изменения этих фундаментальных постоянных ведут не просто к

количественным изменениям, а к кардинально качественным изменениям в природе

нашего мира. В этом смысле наша Вселенная оказалась весьма неустойчивой по

отношению к подобным изменениям в законах физики. Мы видим Вселенную такой, как

она есть, причем она не является ни наиболее типичной, ни наиболее вероятной по своим

свойствам частью нашего мира. Возможно, есть бесконечное множество других

вселенных и миров, совсем не похожих на нашу. Вспомним известный роман Лема и

фильм Тарковского «Солярис» с образом «мыслящего» живого Океана. Эти миры вправе

иметь и многомерное пространство, и другие физические законы, но без нас! Иных миров

может быть очень много, но жизнь, подобная нашей, возможна лишь в таких мирах, как

наш. В этом и состоит более общая (и более глубокая) формулировка антропного

принципа. Именно поэтому мы не можем связаться с другими внеземными

цивилизациями. Суть этого принципа образно выразили наш космолог Зельманов: «Мы

являемся свидетелями природных процессов определенного типа только потому, что

процессы иного типа протекают без свидетелей» и американский физик Уилер:

«Существующего во Вселенной порядка вещей могло

не быть без человека, но поскольку есть Человек, Вселенная именно такова».

Все сказанное не исключает попыток построить умозрительно многомерную

Вселенную, особенно в связи с теориями объединения существующих полей в единую

теорию поля и в связи со сценариями возникновения Вселенной. Так, французский физик

Т. Калуца (1885—1954) и немецкий математик О. Клейн (1849— 1925), пытаясь

объединить гравитацию Эйнштейна и электромагнетизм Максвелла (1831—1879) на

геометрической основе, ввели 5-мерное пространство (ввели еще одну пространственную

координату плюс время). Тогда теоретически искривление 5-мерного мира позволяет

одними и теми же уравнениями описать и электромагнитное, и гравитационное поле.

Свою пятимерную теорию также создал профессор Юлий Румер (Россия). Он показал,

что пятому измерению можно придать смысл действия.

Шестимерная Вселенная была построена выдающимся отечественным

авиаконструктором Людвигом Бартини (1897—1974). Она включает три

пространственных измерения и три временных.

Многомерные построения увлекают многих теоретиков. В рамках одной из

современных теорий, называемой супергравитацией, использованы одиннадцать

измерений. В настоящее время используются и 26-мерные модели. Они позволяют с

единой точки зрения описать все проявления вещества и переносчиков взаимодействий.

И тогда сбылась бы мечта Эйнштейна о великом объединении всех полей. Но реальны ли

эти многомерные пространства? Возникает законный вопрос: почему это добавочное

пространственное измерение никак не проявляется в нашем мире и почему мы не можем

передвигаться в дополнительном измерении? Более того, так же, как в известной теории

эфира, придумываются причины — почему мы их не обнаруживаем и «предпочитаем»

двигаться все-таки в трехмерном пространстве. Здесь выдвигается идея

компактификации пространства. Дополнительные пространственные измерения как бы

скручены, замкнуты (например, как одно из измерений листа, свернутого в цилиндр, или

бесконечно длинные нити с бесконечно малым размером их диаметра). Считается, что

эти дополнительные измерения компактифицируются, когда энергия и размеры

пространства уменьшаются до планковских величин. Но об этом позже.

2.2. Пространство и время

Привычные понятия времени и пространства на самом деле имеют сложную

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

сущность. В современном естествознании выясняется, что понятие времени в

термодинамических необратимых процессах, особенно для открытых реальных систем,

носит другое, неклассическое представление. Так, согласно И. Р. Пригожину [111, 112] в

такой термодинамике вводится понятие внутреннего, или второго, времени, в корне

отличающегося от астрономического времени. Внутреннее время возникает из-за

случайного поведения траекторий, встречающегося в неустойчивых динамических

системах. Это приводит к нелокальному описанию явлений и процессов как в

пространстве, так и во времени.

Приведем определения пространства и времени из классической философии.

«Пространство есть форма существования материи, характеризующая ее

протяженность, структурность, сосуществование и взаимодействие элементов во всех

материальных системах».

«Время — атрибут, всеобщая форма бытия материи, выражающая длительность бытия

и последовательность смены состояний всех материальных систем и процессов в мире.

Время не существует само по себе, вне материальных изменений, точно так же

невозможно существование материальных систем и процессов, не обладающих

длительностью, не изменяющихся от прошлого к будущему. Пространство и время

неразрывно связаны между собой, их единство проявляется в движении и развитии

материи». Заметим, что такие определения мало что дают естествоиспытателю в

конкретных научных исследованиях.

В более строгом для естествоиспытателя смысле время выражает порядок смены

физических состояний и является объективной характеристикой любого физического

процесса или явления. И в этом смысле оно универсально. Под пространством

понимается порядок существования физических тел, что определяется геометрическими

представлениями.

Первая законченная теория пространства — геометрия Евклида. Она была создана

более 2000 лет назад и до сих пор считается образцом научной теории. Геометрия

Евклида (III в. до н. э.) оперирует идеальными математическими объектами, которые

существуют как бы вне времени, и в этом смысле пространство в этой геометрии —

идеальное математическое пространство.

Один из основателей классической механики И. Ньютон в своей знаменитой работе

«Математические начала натуральной философии» различал абсолютное и относительное

время: «Абсолютное, истинное математическое время само по себе и по своей

сущности, без всякого отношения к чему-либо внешнему, протекает равномерно и иначе

называется длительностью. Относительное, кажущееся или обыденное время есть или

точная, или изменчивая постигаемая чувствами внешняя, совершаемая при посредстве

какого-либо движения, мера продолжительности, употребляемая в обыденной жизни

вместо истинного математического времени, как то: час, день, месяц, год»

Аналогичные соображения Ньютон высказывал и для пространства. По его

определению, понятие абсолютного пространства может быть совершенно пустым и

существует независимо от наличия в нем физических тел, являясь как бы мировой

сценой, где разыгрываются физические процессы. Свойства такого пространства

определяются евклидовой геометрией и при этом «время и пространство составляют

как бы вместилища самих себя и всего существующего»

Взаимосвязь пространства и времени хорошо понятна человеку и на обычном

гуманитарном уровне. Оказалось, человек очень восприимчив к пространству и времени.

Он чувствует себя неуютно, беспокойно, в условиях пространственной ограниченности и

временной статичности. Он не хочет соглашаться с ограничением свободы перемещений

и отсутствием событий. Если же нехватку одного компенсировать увеличением другого,

то человеку легче. Например, если имеется малое пространство обитания (комната,

камера наконец), но есть возможность увеличить для него «скорость течения» времени

(большое число интересных событий), степень дискомфорта уменьшится. Или, например,

не меняя мир во времени, но раздвигая пространственные рамки (чтобы хотя бы

мысленно человек мог бы находиться в любой области пространства), его ощущения

будут более приятные, даже при условии статичности мира. Мы здесь компенсируем

отсутствие перемен большой пространственной протяженностью или, наоборот,

компенсируем пространственную ограниченность большим числом событий. Это яркий

при-

По современным представлениям, это неверно. Пространство по А. Эйнштейну

связано с его кривизной, а следовательно, с имеющимися там массами, а время по Н. А.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

Козыреву — с энергией. Поэтому говорить о пространстве без объектов и времени без

процессов представляется бессмысленным.

Исаак Ньютон

И.Ньютон (1643—1727)— английский физик и математик, чрезвычайно много сделавший для

становления физики как науки и особенно механики. Кроме разработки законов динамики и закона

всемирного тяготения, создал для их описания новый математический аппарат

дифференциального и интегрального исчисления (независимо и одновременно с немецким

математиком и философом Г. Лейбницем (1646—1716), предложил теорию движения небесных

тел, создав основы небесной механики; открыл дисперсию света и спектральный состав белого

света, хроматическую абберацию света, исследовал интерференцию и дифракцию света, построил

зеркальный телескоп рефлектор, развивал корпускулярную теорию света, высказав, тем не менее,

и гипотезу, сочетавшую корпускулярные и волновые свойства.

Современники были поражены его ученостью, что отразил в своем высказывании французский

математик Г. Лопиталь (1661—1704): «Неужели Исаак Ньютон ел, пил и спал, как простые

смертные?!»

Будучи великим естествоиспытателем (его можно считать и одним из основателей

современного естествознания), Ньютон уделял много времени и герменевтическим, и

теологическим изысканиям, созданию «совершенной во всех своих частях» натуральной

философии и определению «активных начал Природы», ибо (как ни парадоксально может быть это

нашему стереотипному представлению о нем) одни лишь механические действия «не в состоянии

породить все многообразие вещей».

Англичане, уважающие традиции своих великих соотечественников, привлекали его и к другим

областям деятельности — он был главным управляющим Монетного двора и членом парламента,

где, правда, за долгое время пребывания произнес только одну речь: «Здесь дует, прошу закрыть

окно!»

мер интуитивного применения гуманитарием принципа дополнительности Бора.

Приведем другой пример, более общий и для представителей естественных наук, и для

гуманитариев. В условиях техногенной

цивилизации большая скорость изменения технических возможностей человека

определяет уровень этой цивилизации. Достижения НТР, создание глобальной

информационной сети, интернета, возможность быстрых перемещений человека в

пространстве сокращают большие расстояния, делают мир как бы меньше и тем самым

увеличивают скорость «бега» времени, скорость эволюции цивилизации. Сжимая

пространство, ускоряем время. Торопя время, уменьшаем мир. Как сказал еще

Аристотель: «Медленное делит путь, а быстрое — время».

Такое положение входит в противоречие с биологическим временем человека. И

человек не успевает адаптироваться к быстро меняющемуся созданному им миру.

Скорость развития этого мира больше скорости осмысления. Тем самым нарушается

соответствие культуры и технического прогресса, самой природы человека и

«ускоряющегося» общества. Отсюда и стрессы, и кризис культуры, экологические и

техногенные катастрофы, экспансия техногенной цивилизации на мир и т.д. Одним из

выходов из этого кризиса является расширение пространства, выход человека в Космос

как интуитивное его стремление изменить ситуацию на Земле. Бесконечные пространства

Вселенной уменьшают темп жизни на Земле, и могут исчезнуть кризисные ситуации,

стрессы, излишняя активность человека. Бесконечность вызывает неторопливые

рассуждения и мудрые поступки. Это хорошо перекликается с мистицизмом Востока,

восточными цивилизациями [11], где предполагается, что человек не должен влиять на

природу, он «пылинка» этого мира, и понимание его нужно не для преобразования, а

лишь для лучшего приспособления к нему. Идея огромного мира порождает идеи

традиций глубоких медитационных размышлений и проникновения в суть вещей. В.

Овчинников в своей книге «Ветка сакуры» подчеркивает, что красота для японцев —

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

только миг. Или известные нам слова: «Есть только миг между прошлым и будущим,

именно он называется жизнь!»

В количественных физических измерениях, как уже говорилось, вводят понятия

координаты и системы отсчета. Мы не будем подробно останавливаться на этих

технических для такого курса деталях. Заметим лишь, что существует много систем

отсчета, основанных на представлении трехмерности пространства, — прямоугольная

(декартова), косоугольная, полярная система, сферическая и т.д. И, соответственно,

можно ввести так называемые обобщенные координаты и рациональную систему

Рис. 2.1. Изображение мировой линии в пространственно-временной системе

отсчета

обобщенных координат. Рассмотрим еще два понятия: «степень свободы» и «мировая

линия».

Под степенями свободы подразумевается некоторое число независимых координат,

которые полностью определяют положение материальной точки как простейшей

физической модели в любой системе. Кривая линия, плоскость, пространство и их

координаты — степени свободы соответственно равны 1, 2, 3. Для материальной точки в

окружающем нас на уровне макромира пространстве число степеней свободы 3. Может

быть, поэтому мы и говорим, что это пространство трехмерно. Заметим, что число

степеней свободы для руки человека значительно больше, оно равно 20, и отсюда

сложность создания искусственной руки (робота).

В физике известно понятие траектории как линии, которую описывает точка при своем

движении в пространстве. Если же взять единую пространственно-временную систему

отсчета, то вместо траектории берется мировая линия (рис. 2.1). Здесь для двумерного

представления: I — переменное движение точки во времени и пространстве, II —

состояние покоя. Отметим некоторые свойства мировой линии.

• 1. Мировая линия всегда принимается непрерывной. Это утверждение отражает тот

экспериментальный факт, что тело, перемещаясь из одной точки в другую или сохраняя

состояние покоя, всегда находится в каком-то состоянии и не исчезает неизвестно куда и

не появляется вновь. Если тело переходит из начальной точки мировой линии в

конечную, то оно проходит и все промежуточные точки.

• 2. Мировая линия не может иметь резких изломов, где теряет смысл понятие

производной. Это связано с тем, что тело не может сразу приобрести скорость от нуля до

какого-то заданного значения скачком, другими словами, невозможно бесконечно

большое ускорение.

• 3. Мировая линия не может самопересекаться. Это свойство обусловлено тем, что

события развиваются лишь от прошлого к будущему, как показывает нам повседневный

опыт и гуманитарный подход к описанию явлений. Известен древний афоризм:

«В одну реку нельзя войти дважды». На современном уровне это подтверждено

наличием направленного хода времени.

Понятие времени является одним из центральных в современном естествознании.

Рассмотрим для простоты одномерный случай классической механики. Вспомним

известное уравнение движения материальной точки, перемещающейся под действием

постоянной силы. Для одномерного случая движения вдоль оси X имеем

где F— сила, приложенная к точке, т — масса точки, x — ее координата, —

скорость точки, — ее ускорение

. Это

уравнение выражает второй закон Ньютона.

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

При начальных условиях (t = 0) x = 0 и = ν

решение уравнения движения известно:

Для полной ясности необходимо выбрать начало координат и направление изменения

X. Обычно выбирают положительное направление оси X слева направо, что, естественно,

произвольно и относительно.

В уравнение движения дифференциал времени dt входит в квадрате. Значит, величина

x/dt

не будет изменяться при замене dt на —dt. В этом случае основное уравнение

движения, как говорят в физике, инвариантно, т.е. не изменяется относительно смены

знака времени. Точно так же, если в определенных значениях x и ν в решении уравнения

движения поменять знак t, то эти значения x и ν будут описывать как движение в одном

направлении, так и в противоположном. Если t изменяется от 0 до —t, то dt < 0 и тогда ν

надо считать отрицательной величиной. Значит, можно сказать, что движение с

отрицательным временем полностью эквивалентно движению с положительным

временем. Таким образом, классическая механика не устанавливает знака времени, и,

следовательно, движение обратимо. Поэтому формально в равной степени возможны

события, происходящие

В дифференциальном исчислении dt или dx есть просто изменение этих величин Δt

или Δx

как от прошлого к будущему, так и от будущего к прошлому. Например, если мы

будем осуществлять в обратном направлении «прокрутку» кинопленки, на которой снято

перемещение точки в таком движении, то не сможем отличить прямого хода времени от

обратного.

2.3. Особенности механики Ньютона

В классической механике время выступает как параметр движения. И движение от

прошлого к будущему легко спутать. Таким образом, главные особенности классической

механики Ньютона — это детерминизм (определенность): если известны начальные

условия и уравнения, то мы можем предсказать движение, — обратимость времени.

Однако если снять на пленку фильм о развитии растения из семени, а затем «прокрутить»

его в обратном направлении, то каждый из нас легко отличит способ показа, который

отвечает реальному ходу развития, от способа, который в природе не существует. Значит,

физическое описание процессов в классической механике неполно и отражает лишь

какие-то одни стороны реальной природы, не затрагивая других ее глубинных свойств,

учет которых должен автоматически приводить к тому, что ситуации, когда dt < О

должны быть запрещены.

На самом деле, это один из многих парадоксов науки, возникающих при изучении

человеком окружающего мира, в данном случае — «парадокс времени». Понятием

времени в физике пользовались сотни лет, причем интуитивно предполагая, что dt > 0.

Парадокс же заключается в том, что хотя весь опыт человечества (заметим, и другие

науки — геология, биология, история) говорил о существовании направленного развития

событий, но это не находило своего отражения в физике. Эта ситуация породила

философские споры о возможностях физики и вообще «количественной» науки в

описании природы по сравнению с геологией, биологией, историей и т.д. Можно сказать,

что если в этих науках идея развития от прошлого к будущему составляет саму основу, то

физике был чужд интерес к развитию событий. Все это ставило барьер между физикой и

другими науками, изучающими высшие формы существования материи.

Вспомним хотя бы Ч. Дарвина с его теорией биологической эволюции. Такое

положение не могло удовлетворить естественные науки. В дальнейшем их развитии и

совместном с другими

науками о природе и обществе понимании эволюции на основе новых представлений

неравновесной термодинамики был установлен направленный ход времени. В 1927 г.

английский астроном А. Эддингтон (1882—1944) ввел для этого понятие стрелы

времени от прошлого к будущему. Некоторые исследователи предлагают описывать

направленный ход времени в современном естествознании тремя стрелами времени:

первой, связанной с расширением Вселенной после Большого Взрыва; второй, связанной

с ростом энтропии в классической термодинамике; третьей, обусловленной

биологической и исторической эволюцией. На самом деле это лишь примеры,

Янко Слава (Библиотека Fort/Da) || http://yanko.lib.ru

Горбачев В. В. Концепции современного естествознания:—М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21

век»: ООО «Издательство «Мир и Образование», 2003. — 592 с: ил.

подтверждающие реальность направленности изменения времени. На это же указывают и

некоторые физические неравновесные процессы: теплопроводность, диффузия,

гидродинамические процессы и т.д. Если же анализ взаимодействия тел или частиц

проводится в рамках классической физики для установившихся структур, т.е. таких, для

которых изменений практически уже нет, и они, следовательно, равновесны, то время

здесь обратимо. Поэтому развитие системы не учитывается (может быть, поэтому в

целом классической физике и была чужда сама идея развития, эволюции!): время

направленно в эволюционирующих системах. Отметим, что эта необратимость времени

относится к простым системам, более конкретно — к материальной точке. Как уже

упоминалось, для реальных систем время проявляет неоднозначную сущность и связано с

усложнением объекта.

Остановимся еще на одной трактовке времени. В хронологическо-историческом для

человечества понимании времени как параметра, изменяющегося в одном направлении от

прошлого к будущему, очень большую роль играло то, что на последовательность

(череду) непрерывно меняющихся и принципиально несовпадающих событий

(«Невозможно дважды войти в одну и ту же реку времени», — говорил Гераклит (ок.

540—470 гг. до н.э.) накладывались природные периодические процессы, связанные с

движением Земли вокруг Солнца, Луны вокруг Земли, смены дня и ночи и т.д.

Следствием этой высокой стабильности повторяемости природных процессов явилось

сначала интуитивное, а затем закрепленное в физике деление времени на одинаковые

интервалы и принятие астрономической шкалы времени в качестве единственной. Хотя

известны понятия биологических и химических часов, но ход времени в них может не

совпадать. Само время зависит, таким образом, от скорости протекания процес-

сов. Опыт воспроизведения результатов физических экспериментов, выполненных в

разное время, иногда с интервалом во много лет, показал, что законы физики

инвариантны относительно выбора начала отсчета времени и направленности t.

Математически это означает, что при изменении начала отсчета значения отрезков

времени от начала до данного момента различаются на постоянную величину Δt:

t' = t + Δt, где Δt = const. Только в этом случае dt' = dt и все уравнения физики

остаются неизменными. Эти же доводы приводят к постулату о равномерности течения

времени. Понятно, что одного «астрономического» аспекта времени, без сопоставления с

развитием биологических, геологических и исторических событий недостаточно для

осознания времени как характеристики, непрерывно и равномерно меняющейся в одном

направлении.

Например, если наблюдать неподвижные объекты, отсчитывая время по секундомеру

без отметки минут на шкале и зная, что один оборот стрелки равен одной минуте, то

легко сбиться со счета времени. Но мы не собьемся, если после каждого оборота стрелки

будем выкладывать на стол, например, по спичке. Накопление спичек и их счет,

количество — это уже типичный непериодический и необратимый процесс.

Действительно, современная физика связывает необратимость хода времени с

необратимыми термодинамическими процессами. Хотя даже в классической

термодинамике рост энтропии dS (dS = , где δQ —

изменение тепловой энергии, dT — изменение температуры) означает уже

направление термодинамических процессов, т.е. что время течет только в одном

направлении. Поэтому при таком представлении времени нам требуется некоторая

дополнительность (взгляд с другой стороны!) при его описании. В физике, это

связывается с использованием принципа дополнительности Бора (см. п. 1.2.7). Заметим,

что понятие времени во многом является еще не проясненным, и великие

естествоиспытатели нашего времени это хорошо понимали. Так, В. И. Вернадский

говорил, что «наука ХХ столетия находится в такой стадии, когда наступил момент

изучения времени так же, как изучаются материя и энергия, заполняющая

пространство». Н. А. Козырев, известный своими революционными взглядами на

понятие времени, отмечал, что «время представляет собой целый мир загадочных

явлений и их нельзя проследить логическими рассуждениями. Свойства времени

должны постоянно выясняться физическими опытами» [70].

Н. А. Козырев, рассматривая время как физическое явление, считал, что чисто

геометрическое представление о времени как о некотором параметре движения

(длительности процесса) является недопустимо упрощенным. Поскольку пространство