Грушевицкая Т.Г., Садохин А.П. Концепции современного естествознания

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 6

Физическая

картина мира

6.1. Понятие научной картины мира

Важнейшей функцией науки, как уже было отмечено, явля-

ется мировоззренческая функция. Она связана с

формировани~

см научной картины мира, без которой

современный

человек не

сможет нормально ориентироваться в нашем мире. Ведь совре-

менная цивилизация сформировалась в результате процессов

модернизации, начавшихся в Европе с

ХУТ

в. и неразрывно свя-

занных с развитием науки и техники. Данные процессы были

бы невозможны, если бы не существовало систематизированно-

го представления о природе, объясняющего с точки зрения

нау-

ки большую часть того, что мы видим вокруг себя. Также в по-

нятие научной картины мира входит обоснование принципов

познания окружающего мира, что теснейшим образом связывает

в данном вопросе науку с философией. Научная картина мира

формируется на основе естественных, общественных и гумани-

тарных наук. Но фундаментом этой картины, бесспорно, являет-

ся естествознание. Значение естествознания для формирования

научной картины мира настолько велико, что нередко научную

картину миру сводят к естественно-научной картине мира.

Естественно-научная картина мира представляет собой сис-

тематизированное представление о природе, исторически сфор-

мировавшееся в ходе развития естествознания. В эту картину

мира входят знания, полученные из всех естественных наук, их

фундаментальных идей и теорий. Но история науки свидетель-

ствует, что

ббльшую

часть своей истории естествознание было

связано преимущественно с развитием физики. Именно физика

была и остается наиболее развитой и систематизированной есте-

ственной наукой. Вклад друтих естественных наук в формирова-

ние картины мира был намного меньше. Поэтому, когда воз-

никло мировоззрение европейской цивилизации Нового време-

ни, складывалась классическая естественно-научная картина

мира, естественным было обращение к физике, ее концепциям

и аргументам, во многом определившим эту картину. Степень

разработанности физики была настолько велика, что она смогла

создать собственную физическую картину мира в отличие от дру-

гих естественных наук, которые лишь в XX веке поставили пе-

ред собой эту задачу (речь идет о создании химической и биоло-

гической картин мира).

Поэтому, начиная разговор о достижениях естествознания, мы

начнем его с физики, с картины мира, созданной этой наукой.

Физика — это наука о наиболее простых и вместе с тем

\ наиболее общих свойствах тел и явлений.

любом

явлении физика ищет то, что объединяет его со все-

ми другими явлениями природы. Это — строение материи и за-

коны ее движения. Само слово «физика» происходит от грече-

ского

рЬэзй

— природа. Эта наука возникла еще в античности и

первоначально охватывала всю совокупность знаний о природ-

ных явлениях. Иными словами, тогда физика была тождествен-

на всему естествознанию. Лишь к эпохе эллинизма, по мере диф-

ференциации знаний и методов исследования из обшей науки о

природе выделились отдельные науки, в том числе и физика.

В своей основе физика — экспериментальная наука. Такой она

стала, начиная с Нового времени, когда ее законы стали

базиро-

ваться на фактах, установленных опытным путем. Но помимо

экспериментальной физики различают и теоретическую физику,

цель

которой состоит в формулировке законов природы.

В соответствии с многообразием исследуемых объектов и форм

движения современная физика подразделяется на ряд дисцип-

лин. Это деление происходит по разным критериям. Так, по изу-

чаемым объектам выделяют физику элементарных частиц, фи-

зику ядра, физику атомов и молекул, физику газов и жидкостей,

физику твердого тела, физику плазмы. Если в качестве критерия

взять различные формы движения материи, можно выделить

механику материальных точек и твердых тел, механику сплош-

ных сред, термодинамику и статистическую механику, электро-

динамику (включая оптику), теорию тяготения, квантовую ме-

ханику

и квантовую теорию поля.

Понятие

«физическая

картина мира» употребляется давно, но

лишь в последнее время оно стало рассматриваться не только

как итог развития физического знания, но

как особый само-

стоятельный вид знания — самое общее теоретическое знание в

147

физике, система понятий, принципов и гипотез, служащих ис-:

ходной основой для построения теорий. Физическая

картина!

мира, с одной стороны, обобщает все ранее полученные знаний

о природе, а с другой стороны — вводит в физику новые

фило^

софские идеи и обусловленные ими понятия, принципы и

гипо-'

тезы, которых до этого не было и которые коренным образом

меняют основы физического теоретического знания. При этом,

старые физические понятия и принципы ломаются, новые

воз-~

никают, картина мира меняется.

Развитие самой физики непосредственно связано с физиче-

ской картиной мира. При постоянном возрастании количества

опытных данных картина мира долгое время остается относи-

тельно неизменной. С изменением физической картины мира

начинается новый этап в развитии физики с иной системой ис-

ходных понятий, принципов, гипотез и стиля мышления, с

иными гносеологическими предпосылками. Переход от одного

этапа к другому знаменует качественный скачок, революцию в

физике, состоящую в крушении старой картины мира и появле-

нии

новой.

В пределах данного этапа развитие физики идет эволюцион- |

ным путем, без изменения основ картины мира. Оно состоит в

реализации возможностей построения новых теорий, заложен-

ных

в данной картине мира. При этом она может

эволюциони-

ровать,

достраиваться, оставаясь в рамках определенных кон-

кретно-физических представлений о мире (прежних гносеологи- \

ческих предпосылок физики). При изменении ключевых поня- |

тий картины мира, что невозможно без смены гносеологических

предпосылок науки, происходит революция в физике. Ее

резуль-

татом становится появление новой физической картины мира.

Ключевыми понятиями физической картины мира являются:

материя, движение, физическое взаимодействие, пространство и

время, причинно-следственные связи в мире и их отражение в

форме физических законов, место и роль человека в мире.

Важнейшим из них является понятие

.материи.

Поэтому ре-

волюции в физике всегда связаны с изменением представлений

о материи.

истории физики Нового времени это происходило

два раза. В XIX в. был совершен переход от утвердившихся к

XVII в. атомистических, корпускулярных представлений о мате-

рии к полевым (континуальным). В XX в. континуальные пред-

ставления,

были заменены современными квантовыми. Поэтому

можно говорить о трех последовательно сменявших друг друга

физических картинах мира. Рассмотрим их через призму вве-

денных нами ключевых понятий.

148

6.2. Механическая картина мира

Механическая картина мира сложилась в результате научной

революции

XVI—XVII

вв. Свой вклад в ее формирование внесли

Г. Галилей, И. Кеплер, Р. Декарт, П. Лаплас, И. Ньютон и мно-

гие другие ученые.

В основу новых представлений науки о мире легли идеи и

законы механики, которая стала самым разработанным разделом

физики. По сути дела, именно механика является первой фун-

даментальной физической теорией. Эти теории представляют со-

бой совокупность наиболее существенных знаний о физических

закономерностях, наиболее полно отражают физические про-

цессы в природе. Важнейшими понятиями механики как фун-

даментальной физической теории стали материальная точка —

тело, формы и размеры которого не существенны в данной за-

даче; абсолютна твердое тело — тело, расстояние между любы-

ми точками которого остается неизменным, а его деформацией

можно пренебречь. Их характеризуют с помощью понятий: мас-

са — мера количества вещества; вес — сила, с которой тело дей-

ствует на опору. Масса всегда остается постоянной, вес же мо-

жет меняться.

Эти

понятия выражаются через следующие физи-

ческие величины: координаты, импульсы, энергию, силы. Эво-

люцию состояния механических систем описывают уравнения

движения — три закона Ньютона и закон всемирного тяготения.

Материальная точка — это абстракция, а абсолютно твердое

тело — идеализация очень высокого уровня. Поэтому можно ска-

зать, что классическая механика в целом использует очень силь-

ные гносеологические предпосылки. То же можно сказать и обо

всей механической картине мира в целом.

Основу механической картины мира составил атомизм, ко-

торый весь мир, включая человека, понимал как совокупность

огромного числа неделимых частиц — атомов, перемещающихся

в пространстве и времени в соответствии с немногими законами

механики. Это корпускулярное представление о материи.

Законы механики, которые регулировали как движение ато-

мов, так и движение любых материальных тел, считались фун-

даментальными законами мироздания. Поэтому ключевым по-

нятием механической картины мира было понятие движения. Те-

ла обладают внутренним врожденным свойством двигаться рав-

номерно и прямолинейно, а отклонения от этого движения связа-

ны с действием на тело внешней силы (инерции). Мерой инерт-

ности является масса. Универсальным свойством тел является

тяготение.

149

Решая проблему взаимодействия тел, Ньютон предложил прин-

цип дальнодействия. Согласно этому принципу, взаимодействие

между телами происходит мгновенно на любом расстоянии, без

каких-либо материальных посредников.

Концепция дальнодействия основана на понимании простран-

ства и времени как особых сред, вмещающих взаимодействую-

щие тела. Ньютон предложил

концепцию

абсолютного простран-

ства и абсолютного времени. Абсолютное пространство представ-

лялось большим «черным

ящиком»,

универсальным вместили-

щем всех материальных тел в природе. Но даже если бы все эти

тела вдруг исчезли, абсолютное пространство все равно бы оста-

лось.

Анало1

ично,

в образе текущей реки, представлялось и аб-

солютное время. Оно становилось универсальной длительностью

всех процессов во Вселенной. И абсолютное пространство, и аб-

солютное время существуют совершенно независимо от материи.

В механической картине мира любые события жестко предо-

пределялись законами механики. Случайность в принципе ис-

ключалась из картины мира. Как говорил П. Лаплас, если бы

нашелся гигантский ум, способный объять мир, то есть собрать

знания о координатах всех тел в мире, а также о силах, дейст-

вующих на эти тела, то этот ум мог бы однозначно предсказать

будущее этого мира. Такой жесткий детерминизм находил свое

выражение в форме так называемых динамических законов.

Жизнь и разум в механической картине мира не обладали ни-

какой качественной спецификой. Поэтому присутствие или от-

сутствие человека в мире не меняло ничего. Если бы

человек

однажды исчез с

дина

Земли, мир продолжал бы существовать,

как ни в чем не бывало.

На основе механической картины мира в XVIII — начале

XIX в. была разработана земная, небесная и молекулярная меха-

ника. Быстрыми темпами шло развитие техники. Это привело к

абсолютизации

механической

картины мира, и она стала рассмат-

риваться в качестве универсальной.

В то же время в физике начали накапливаться эмпирические

данные, противоречащие механической картине мира. Так, наря-

ду с рассмотрением природы как системы материальных точек,

что полностью соответствовало корпускулярным представлени-

ям о материи, пришлось ввести понятие сплошной среды. Оно

понадобилось для объяснения световых явлений. Так в физике

появилось понятие эфира — особо тонкой и абсолютно непре-

рывной световой материи. Это уже были не корпускулярные, а

континуальные представления о материи.

150

В XVIII веке появилось учение о невесомых веществах. В его

рамках были введены понятия электрической и магнитной жид-

костей, теплорода, флогистона. Они также были особыми раз-

новидностями сплошной материи. Этого требовала механистич-

ность классической науки, распространявшая принципы и под-

ходы механики на другие разделы науки.

Таким образом, хотя механический подход к этим явлениям

оправдывал себя не в полной мере, опытные факты искусствен-

но подгонялись под механическую картину мира.

XIX

веке в физике наступил кризис, который был вызван

исследованиями и открытиями в области электричества и магне-

тизма. Тогда стало ясно, что противоречия между опытными

данными и механической картиной мира стали слишком остры-

ми. Физика нуждалась в существенном изменении своих взгля-

дов на мир.

6.3. Электромагнитная картина мира

Основы новых представлений о материи были заложены в

работах X. Эрстеда и А. Ампера в конце XVIII — начале XIX века.

Затем, в процессе длительных размышлений о сущности элек-

трических и магнитных явлений М. Фарадей пришел к мысли о

необходимости замены корпускулярных представлений о мате-

рии континуальными, непрерывными. Открыв явление электро-

магнитной индукции, он сделал вывод, что огромную роль в пе-

редаче электрических

магнитных сил иг-

шшШ

шшштяш

рает среда. Одним из первых идеи Фарадея

оценил Д. Максвелл, создавший электро-

магнитную теорию в середине XIX века. Тем

самым было завершено создание электро-

динамики, еще одной фундаментальной фи-

зической теории.

Важнейшими понятиями новой теории

являются: заряд, который может быть как

положительным, так и отрицательным; на-

пряженность поля — сила, которая действо-

вала бы на тело, несущее единичный заряд,

если бы оно находилось в рассматриваемой точке.

Когда электрические заряды движутся друг относительно дру-

га, появляется дополнительная магнитная сила. Поэтому общая

сила, объединяющая электрическую и магнитную силы, называ-

ется электромагнитной. Считается, что электрические силы (ло-

151

ле) соответствуют покоящимся зарядам, магнитные силы (поле)

—•щ

движущимся зарядам. Все многообразие этих сил и зарядов

оли-1

сывается системой уравнений классической

электродинамиккД

Они известны как уравнения Максвелла. Это — закон

Кулонад

который полностью эквивалентен закону всемирного тяготения

Ньютона

(/•"=

Од^/К

);

магнитные силовые линии

непрерывный

и не имеют ни начала, ни конца, магнитных зарядов не существ

вует;

электрическое поле создается переменным магнитным

по-1

лем; магнитное поле может создаваться как электрическим

то-1

ком, так и переменным электрическим полем. Уравнения

Мак-1

свелла записываются в терминах теории поля. Это позволили

единообразно описать стационарные и нестационарные

электро-1

магнитные явления, связать

пространственные

и временные из- 1

менения

электрического и магнитного полей.

Эти

уравнения!

имеют решения, которые описывают электромагнитные волны, |

распространяющиеся со скоростью света. Из них можно получить I

решения

для совокупности всех волн, которые могут распро-

страняться в любом направлении в пространстве.

Таким образом, были выдвинуты новые как физические, так

и философские взгляды на материю, пространство, время и силы,

во многом изменившие прежнюю механическую картину мира.'

Разумеется, нельзя сказать, что эти изменения были кардиналь-

ны, так как они осуществились в рамках классической науки.

Поэтому новую электромагнитную картину мира можно считать

промежуточной,

соединяющей в себе как новые идеи, так и ста-

рые механистические представления о мире.

Кардинально изменились представления о материи: корпус-

кулярные идеи уступили место континуальным (полевым) уста-

новкам. Отныне совокупность неделимых атомов переставала

быть конечным пределом делимости материи. В качестве тако-

вого принималось единое, абсолютно непрерывное, бесконечное

поле с силовыми точечными центрами — электрическими заря- |

дами и волновыми движениями в нем.

Понятие движения расширилось. Оно стало пониматься не

только как простое механическое перемещение, но и как распро-

странение колебаний в поле. Соответственно законы механики

Ньютона уступили свое господствующее место законам электро-

динамики Максвелла.

Новая картина мира требовала нового решения проблемы

физического взаимодействия. Ньютоновская концепция дально-

действия заменялась фарадеевским принципом близкодействия. Он

утверждал, что любые взаимодействия передаются полем от точ-

ки к точке, непрерывно и с конечной скоростью.

Ньютоновская концепция абсолютного пространства и абсо-

лютного времени не подходила к новым полевым представлени-

ям о материи, так как поля не имеют четко очерченных границ

и перекрывают друг друга. Кроме того, поля — это абсолютно

непрерывная материя, поэтому пустого пространства просто нет.

Так же и время должно быть неразрывно связано с процессами,

происходящими в поле. Было ясно,

что

пространство и время

должны перестать быть самостоятельными, независимыми

от

материи сущностями. Но инерция мышления и сила привычки

были столь велики, что еще долго ученые предпочитали верить

в существование абсолютного пространства и абсолютного вре-

мени. Лишь к началу XX века эти взгляды уступили место реля-

ционной (относительной) концепции пространства и времени,

со-

ответствии с которой пространство, время и материя существуют

только вместе, полностью зависят друг от друга.

Законы электродинамики, как и законы классической меха-

ники, все еще однозначно предопределяли события, которые они

описывали, поэтому случайность пытались исключить из физи-

ческой картины мира. Но в середине ХТХ в. впервые появилась

фундаментальная физическая теория нового типа, которая осно-

вывалась на теории вероятности. Это была кинетическая теория

газов, или статистическая механика. Случайность, вероятность

наконец-то нашли свое место в физике и были отражены в фор-

ме так называемых статистических законов. Правда, пока физи-

ки не оставляли надежды найти за вероятностными характери-

стиками четкие однозначные законы, подобные законам Ньютона,

и считали вновь созданную теорию промежуточным вариантом,

временной мерой. Тем не менее, прогресс был налицо: в элек-

тромагнитную картину мира вошло понятие вероятности.

Не менялось в электромагнитной картине мира представле-

ние о месте и роли человека во Вселенной. Его появление счи-

талось лишь капризом природы. Эти взгляды лишь упрочились

после появления дарвиновской теории эволюции. Идеи о каче-

ственной специфике жизни и разума с большим трудом прокла-

дывали себе путь в научном мировоззрении.

Новая электромагнитная картина мира объяснила большой

круг явлений, непонятных с точки зрения прежней механиче-

ской картины мира. Она

глубже

вскрыла материальное единство

мира, поскольку электричество, магнетизм, свет объяснялись на

основе одних и тех же законов.

Однако и на этом пути вскоре стали возникать непреодоли-

мые трудности, что наглядно показало переходный характер но-

153

вой картины мира. Так, согласно электромагнитной картине

мира заряд стал считаться точечным центром, а факты

свиде^

тельствовали

о конечной протяженности частицы-заряда.

Поэтом]

уже в электронной теории X. Лоренца частица-заряд вопреки

ней

вой картине мира стала рассматриваться в виде твердого

заря*

женного

шарика, обладающего массой.

Непонятными оказались результаты опытов

Майкельсона-Л

Морли, в которых пытались обнаружить «эфирный ветер».

Све|

в то время считали электромагнитными волнами, которые

рас?

пространялись в особой среде — эфире. Наблюдатель на

Земли

перемешается

относительно эфира вследствие движения

Земли

а потому воспринимаемая скорость света должна зависеть

оя

скорости движения планеты. Это и было явление «эфирного

вета

ра»,

поиск которого продолжался в целом ряде опытов

вышена-Э

званных ученых. Несмотря на все повышавшуюся точность

им

мерений (первый опыт был проведен в 1881 г., а последний —1

1963 г.) данного явления обнаружить не удалось. Это

заставил^

усомниться

существовании эфира.

Последовательное применение теории Максвелла к

други^

движущимся средам приводило к выводам о

неабсолютностй

пространства и времени. Однако убежденность в их

абсолютно'

сти была так велика, что ученые удивлялись своим выводам, на-

зывали их странными и отказывались от них. Именно так пси

ступили X. Лоренц и А. Пуанкаре, чьи работы завершают до-

эйнштейновский период развития физики. Речь идет об

элею

тронной теории Лоренца, а также о его знаменитых уравнениям

переведенных на язык четырехмерного пространства-времени

Пуанкаре, которыми позже воспользовался А. Эйнштейн в

свей]

ей теории относительности.

Принимая законы электродинамики в качестве основных за-

конов

физической,

реальности, Эйнштейн ввел в электромагнит-]

ную картину мира

идею

относительности пространства и

времен

ни.

Тем самым было устранено противоречие между

понимание**

континуальными (полевыми) представлениями о материи

ньютсН

новской концепцией абсолютного пространства и времени.

Таким образом, к концу XIX в. накапливалось все больше

необъяснимых несоответствий теорий и опыта. Одни были

обу-

словлены недостроенностью электромагнитной картины мира,

другие вообще не согласовывались с континуальными представ-

лениями о материи.

Тем не менее, об этих мелких неприятностях физики пред-

почитали не думать. Они считали, что как никогда близки к ре-

шению основной задачи науки — получению абсолютной истины,

раскрытию всех тайн окружающего мира. Это позволило такому

известному физику, как Г. Кирхгоф, в 80-х годах ХТХ в. заявить,

что в физике не осталось ничего неизвестного и неоткрытого.

Но даже создание теории относительности не могло спасти

электромагнитной картины мира. С конца ХТХ в. обнаруживалось

все больше непримиримых противоречий между электромагнит-

ной картиной и фактами, что и послужило основанием для второй

глобальной научной революции, которая разрушила не только

существующую картину мира, но и все здание классической нау-

ки. В ходе этой революции начала складываться современная

наука и новая

квантово-релятивистская

картина мира.

6.4. Становление современной

физической картины мира

В конце XIX в. произошло множество открытий в самых

разных областях физики, носящих революционный характер.

Среди них — открытие А.

Беккерелем

1897

г. явления радио-

активности, в соответствии с которым было установлено, что

радиоактивность вызвана превращением одних химических эле-

ментов в другие и сопровождается при этом испусканием альфа-

и бета-лучей. Тогда же выяснилось, что атом имеет сложную

структуру, и ученые начали работать над созданием модели ато-

ма. Таким образом, трансмутация элементов, о которой тысяче-

летиями мечтали алхимики, осуществилась. Важнейшим откры-

тием стала идея

кванта,'предположение

о прерывности процес-

сов излучения, выдвинутые в 1900 г. М. Планком.

В связи с этим, в начале XX века в физике существовали

два, как казалось ученым, несовместимых представления о ма-

терии — корпускулярное и континуальное (полевое). Физики

предпринимали многочисленные попытки совместить две эти

точки зрения, но долгое

время

они оставались безрезультатны-

ми. Рушились все старые представления о мире, многим каза-

лось, что физика зашла в тупик.

Кризис в физике пошел на спад лишь с 1913 г., когда Н. Бор

предложил свою модель атома, в которой электрон, вращавший-

ся вокруг ядра, излучал энергию только порциями при переходе

с одной орбиты на другую. Это противоречило известным зако-

нам электродинамики, но позволило сделать прорыв в науке.

Началось формирование новых физических представлений о ма-

терии и движении, которые были завершены в 20-е годы созда-

нием новых фундаментальных физических теорий — квантовой

155

механики и квантовой электродинамики. Над их созданием

поми-

мо уже названных ученых работали Э. Резерфорд, Л. де

Бройль,

Э. Шредингер, В. Гейзенберг, М. Борн.

Важнейшими понятиями новых теорий

стали: корпускулярно-волновой дуализм — на-

личие у каждой частицы материи

свойств

волны и частицы одновременно;

соотноше--

ние неопределенностей

Гейзенберга

— невоз-

можность

одновременного измерения коор-

динат и импульса частицы. Эти теории ха-

растеризуются такими физическими вели- I

чинами, как координаты, импульсы, энер- 1

гия, момент импульса (такие же, как в клас- I

сической механике). Но для характеристики

состояния была предложена комплексная I

волновая функция. Зная ее, можно вычислить вероятность обна- -1

ружения определенного значения не только координаты,

ной

любой другой физической величины. Эволюция состояния систе- 1

мы определялась с помощью уравнения Шредингера. Для объясне-

ния парадоксов квантовой механики были предложены принци- 1

пы соответствия, дополнительности и суперпозиции, о которых I

мы будем говорить ниже. Математическая интерпретация кван- I

товой механики, ее формулировка в виде уравнений движения I

была сделана П. Дираком и Д. фон Нейманом.

В рамках современной физики впервые были выявлены так I

называемые фундаментальные константы нашего мира, или ми- |

ровые универсальные константы — постоянные, которые не сво-

димы друг к другу и имеют значение для всей наблюдаемой час-

ти Вселенной. Над перечнем этих констант работали многие

крупнейшие физики, поэтому количество констант варьируется.

По мнению М. Планка, существует четыре фундаментальных

константы:

• скорость света в вакууме (с

300 000 км/с), это макси-

мальная скорость для всех возможных взаимодействий в

природе;

• гравитационная постоянная (С), она используется как ко-

эффициент пропорциональности

формуле, описывающей

закон всемирного тяготения;

• постоянная Планка (Л), это квант энергии, входит во все

уравнения, описывающие процессы на уровне микромира;

• постоянная Больцмана

(к),

она устанавливает связь между

микроскопическими динамическими явлениями и макро-

ИИ

скопическими характеристиками состояния объединений

частиц.

А. Эйнштейн расширил этот список универсальных констант,,

добавив в него: е — заряд электрона и

— масса электрона

(минимально возможное значение электрического заряда, суще-

ствующего в природе в свободном состоянии, и

его

масса). Еще

одна константа — это масса протона

(Л0-

Возможно, к этому списку добавятся еще некоторые констан-

ты, такие, как фундаментальная длина

(/,),

Но существует точка

зрения, что в принципе возможно

сведение

всех фундаменталь-

ных постоянных к одной константе. То, что это пока не сдела-

но, говорит лишь о недостатке наших знаний о мире.

С появлением

квантово-релятивистской

картины мира ушли

в прошлое представления о неизменности материи, о

возможно-

сти достичь конечного предела ее делимости. Сегодня мы рас-

сматриваем материю с точки зрения корпускулярно-волнового

дуализма. Одной из основных особенностей элементарных

час-

тиц является их универсальная взаимопревращаемость и взаимо-

зависимость. В современной физике основным материальным

объектом является квантовое поле, переход его из одного со-

стояния в другое меняет число частиц.

Кардинально меняется представление о движении, которое

становится лишь частным случаем фундаментальных физических

взаимодействий. Известно четыре вида фундаментальных физиче-

ских

взаимодействий',

гравитационное, электромагнитное, сильное .

и слабое. Все они описываются на основе современного прин-

ципа близкодействия. В соответствии с ним взаимодействие ка-

ждого типа передается соответствующим полем от точки к точ-

ке. При этом скорость передачи взаимодействия всегда конечна

и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 км/с).

Окончательно утверждаются представления об относительно-

сти пространства и времени, их зависимости от материи. Про-

странство и время перестают быть независимыми друг от друга

и, согласно теории относительности, сливаются в едином четы-

рехмерном пространстве-времени, которое не существует вне ма-

териальных тел.

Спецификой

квантово-полевых

представлений о закономер-

ности и причинности является то, что они всегда выступают в

вероятностной форме, в виде так называемых статистических за-

конов. Они соответствуют более глубокому уровню познания

природных закономерностей. Таким образом, оказалось, что в

основе нашего мира лежит случайность, вероятность.

157

Также новая картина мира впервые включила в себя наблю- ]

дателя,

от присутствия которого зависели получаемые результа-

]

ты исследований. Более того, был сформулирован так называе-

мый антропный принцип, который утверждает, что наш мир I

таков, каков он есть, только благодаря существованию человека. •

Отныне появление человека считается закономерным результа- ]

том эволюции Вселенной.

6.5. Динамические

и статистические законы

Наука исходит из признания того, что все существующее в 1

мире возникает и уничтожается закономерно, в результате дей- ]

ствия определенных причин, что все природные, социальные и |

психические явления связаны между собой

причинно-след-

ственными связями, а беспричинных явлений не бывает. Такая 1

позиция называется детерминизмом в противоположность

инде-

терминизму, отрицающему объективную причинную

обуслов-

]

ленность явлений природы, общества и человеческой психики. 1

В современной физике идея детерминизма выражается в при- I

знании существования объективных физических закономерно- -

}

стей. Открытие этих закономерностей — существенных, повто- 1

ряющихся связей между предметами и явлениями — задача нау- ]

ки, так же, как и формулирование их в виде законов науки, ко- |

торые являются нашим знанием о природных закономерностях. ^

Однако, как показывает история науки, никакое научное )

знание, никакая научная теория не могут отразить окружающий

мир, его отдельные фрагменты полностью, без упрощений и

огрублений действительности. То же самое касается и законов

науки. Они могут лишь в большей или меньшей степени при-

ближаться к адекватному отображению объективных закономер-

ностей, но искажения в ходе этого процесса неизбежны. Поэто-

му для науки очень важно, какую форму имеют ее законы, на-

сколько они соответствуют природным закономерностям.

Физика знает два типа физических законов (теорий) — ди-

намические и статистические законы.

Динамический закон — это физический закон, отображаю-

щий объективную закономерность в форме однозначной связи фи-

зических величин, выражаемых количественно. Динамической тео-

рией является физическая теория, представляющая совокупность

динамических законов.

15Я

Исторически первой и наиболее простой теорией такого ро-

да явилась классическая механика Ньютона. Она претендовала

на описание механического движения, т.е. перемещения в про-

странстве с течением времени любых тел или частей тел друг от-

носительно друга с какой угодно точностью. О механике Ньюто-

на, как и об электродинамике Максвелла, являющейся еще од-

ной динамической теорией,

мы

говорили выше. Другими дина-

мическими теориями являются механика сплошных сред, термо-

динамика и общая теория относительности (теория гравитации).

Долгое время считалось, что никаких других законов, кроме

динамических, просто не существует.

Это

было связано с уста-

новкой классической науки на механистичность и метафизич-

ность, со стремлением построить любые научные теории по об-

разцу механики Ньютона. Если какие-то объективные процессы

и закономерности не вписывались в предусмотренные динами-

ческими законами рамкя, не могли быть описаны абсолютно

точно посредством определенного набора физических величин,

делался вывод о недостатке наших познавательных способно-

стей. Представление о том, что все объективные закономерно-

сти должны выражать однозначную связь физических объектов,

оставалось незыблемым.

Такая позиция, связанная с отрицанием случайностей лю-

бого рода, с абсолютизацией динамических закономерностей и

законов, называется механическим детерминизмом. Формулиро- '

вание

этого требования в жесткой форме обычно связывают с

именем Пьера Лапласа. Согласно провозглашенному Лапласом

принципу, все явления в природе

предопределены

с «железной»

необходимостью. Случайному, как объективной категории, нет

места в нарисованной Лапласом картине мира. Только ограни-

ченность наших познавательных способностей заставляет рас-

сматривать отдельные события в мире как случайные. В силу

этих причин, а также отмечая роль Лапласа, классический ме-

ханический детерминизм называют еще жестким, или лапласов-

ским, детерминизмом.

Необходимость отказа от классического детерминизма в фи-

зике стала очевидной после того, как выяснилось, что динами-

ческие законы не универсальны и не единственны. Более того,

оказалось, что при описании движения отдельных макроскопи-

ческих тел, которое всегда считалось сферой действия динами-

ческих законов, осуществление идеального классического детер-

минизма практически невозможно.

159

Кроме того, начальные параметры любых механических сис-

тем невозможно фиксировать с абсолютной точностью,

поэтом!

точность предсказания со временем уменьшается. Для

каждо(

механической системы существует некоторое критическое время

начиная с которого невозможно точно предсказать ее поведение.

Несомненно, что лапласовский детерминизм с

определенно!

степенью точности

отражает

реальное движение тел, и в этом

от-

ношении его нельзя считать ложным. Но мы должны признать

что жесткий механический детерминизм очень сильно

огрубляе

реальные природные

процессы.

Реальная действительность на-

много разнообразнее, а жесткий детерминизм отражает

липл

отдельные ее стороны. Мы должны постоянно помнить об

это\

и не допускать абсолютизации классического детерминизма.

В середине

XIX

в. в физике были сформулированы законы,]

предсказания которых не являются определенными, а

только!

вероятными. Они получили название статистических законов. \

Представление о законах и закономерностях особого типа, в|

которых связи между величинами, входящими в теорию, неод-

нозначны, впервые ввел Максвелл в 1859 г. при построении ста-

тистической механики — первой фундаментальной теории но]

го типа. Он первым понял, что при рассмотрении систем, со-

стоящих из огромного числа частиц (в данном случае —

молеку-

лы газа в сосуде), нужно ставить задачу иначе, чем в механике

Ньютона. Для этого Максвелл ввел в физику понятие вероятно-

сти,

выработанное ранее математиками при анализе

случайных]

явлений, в частности азартных игр.

При бросании игральной кости, как мы знаем, может

выпастьв

любое число очков от I до 6. Предсказать, какое число очком

выпадет при данном броске

кости,

нельзя. Мы

можем

подсчи-г

тать лишь вероятность выпадения любого числа очков. В дан-

ном случае она будет равна 1/6. Эта вероятность имеет объек-

тивный характер, так как выражает объективные отношения ре-

альности. Действительно, если мы бросим кость, какая-то сто-

рона с определенным числом очков выпадет обязательно. Это та-

кая же строгая причинно-следственная связь, как и та, что от-

ражается динамическими законами, но она имеет другую форму,

так как показывает вероятность, а не однозначность события.

Проблема в том, что для обнаружения такого рода закономер-

ностей обычно требуется не единичное событие, а никл подобных

событий. В данном случае мы можем получить статистические

средние значения. Так, если бросить кость 300 раз, то среднее чис-

ло выпадения любого значения будет равно 300 х 1/6 •* 50 раз.

160

При этом совершенно безразлично, бросать одну и ту же кость

или одновременно бросить 300 одинаковых костей.

Во время обоснования статистической механики многочислен-

ные физические и химические опыты показали, что в принципе

невозможно не только проследить изменения импульса или по-

ложения одной молекулы газа на протяжении большого интер-

вала времени, но и точно определить импульсы и координаты

всех молекул газа в данный момент времени (достаточно вспом-

нить,

броуновское движение). Ведь число молекул или атомов в

любом макроскопическом теле огромно. Из условий, в которых

находится газ (определенная температура, объем, давление и

т.д.), не вытекают с необходимостью определенные значения

импульсов и координат молекул. Поэтому их следует рассматри-

вать как случайные величины, которые могут принимать раз-

личные значения.

Несомненно, что поведение молекул газа в сосуде гораздо

сложнее брошенной кости. Но и здесь можно обнаружить опре-

деленные количественные закономерности, позволяющие вычис-

лить статистические средние значения. Только для этого нужно

ставить задачу так же, как в теории игр, а не как в классической

механике. Нужно отказаться, например, от неразрешимой зада-

чи определения точного значения импульса молекулы в данный

момент, а пытаться найти вероятность определенного значения

этого импульса.

Максвеллу удалось решить эту задачу. Статистический закон

распределения

молекул,

по импульсам оказался несложным. Но

главная заслуга ученого состояла не в решении, а в самой по-

станове новой проблемы. Он ясно осознал, что случайное пове-

дение отдельных молекул подчинено определенному статистиче-

скому

(вероятностному)

закону.

Другими статистическими теориями являются: статистическая

теория неравновесных процессов, электронная теория, квантовая

электродинамика.

Статистические законы, в отличие от динамических законов,

отражают однозначную связь не физических величин, а стати-

стическое распределение этих величин. Результат, изменение со-

стояния, которое определяется на основе соответствующих урав-

нений, также выражается не значениями физических величин, а

вероятностями этих значений внутри заданных интервалов. Но это

такой же однозначный результат, как и в динамических теориях.

Ведь статистические теории, как и динамические теории, выра-

жают необходимые связи в природе, а они не могут быть выра-

жены иначе, чем через однозначную связь состояний.

Различ^

ется

только способ фиксации этих состояний.

На уровне статистических законов и закономерностей мы

также сталкиваемся с причинностью. Но это иная, более

глубо]

кая форма детерминизма. В отличие от жесткого

классической]

детерминизма он может быть назван вероятностным (современ-

ным) детерминизмом.

Эти

законы меньше огрубляют действитель-

ность, имеют менее сильные гносеологические предпосылки,

по-

этому они способны учитывать и отражать те случайности,

кото-

рые происходят в мире.

Сегодня любой известный в природе процесс более

точвд

описывается статистическими законами. Но окончательно это

стало ясно после создания квантовой механики — статистиче-

ской теории, описывающей явления атомарного масштаба, то есть

движение элементарных частиц и состоящих из них систем. То-

гда была выяснена принципиальная невозможность динамиче-

ского описания этих процессов.

6.6. Проблема соотношения динамических

и статистических законов

Сразу же после появления в физике понятия статистическо-

го закона возникла проблема существования статистических за-

кономерностей и их соотношения с динамическими законами и

закономерностями.

развитием

науки подход к этой проблеме и даже ее поста-

новка менялись. Первоначально никаких сомнений в

преиму-

ществе динамических законов перед статистическими не было. ]

Поэтому достаточно долго ученые пытались обосновать стати-

стическую механику на базе динамических законов Ньютона,

хотели свести ее вероятностный характер к однозначным связям

физических величин. Таким образом, динамические законы счи-

тались основным, первичным типом отображения физических

закономерностей, а статистические законы рассматривались как

следствие ограниченности наших способностей к познанию.

Они считались временной мерой, которой можно пользоваться

до открытия соответствующих динамических законов.

К началу XX в. стало очевидно, что нельзя отрицать роль

статистических законов в описании физических явлений. Дело в

том, что появлялось все больше статистических теорий, а все

теоретические расчеты, проведенные в рамках этих теорий, пол-

ностью подтверждались экспериментальными данными. Резуль-

162

татом стало выдвижение теории равноправия динамических и

статистических законов. Те и другие законы рассматривались

как равноправные, но относящиеся к различным явлениям. Счи-

талось, что каждый тип закона имеет свою сферу применения,

что они не исключают, а взаимно дополняют друг друга. Обыч-

но полагалось, что индивидуальные объекты, простейшие фор-

мы движения должны описываться с помощью динамических

законов, а большая совокупность этих же объектов, высшие,

более сложные формы движения — статистическими законами.

Соотношение таких теорий, как термодинамика и статистиче-

ская механика, электродинамика Максвелла и электронная тео-

рия Лоренца, казалось, подтверждало это.

Ситуация в науке кардинально изменилась после возникно-

вения и развития квантовой теории. Она привела к пересмотру

всех представлений о роли динамических и статистических за-

конов в отображении закономерностей природы. Был обнару-

жен статистический характер поведения отдельных элементар-

ных частиц, никаких динамических законов в квантовой меха-

нике открыть не

удалось.

Поскольку это происходило в ходе второй глобальной науч-

ной революции, на фоне кризиса в физике, некоторые ученые

заявили, что исчезли не только материя и движение, но и при-

чинно-следственные связи. Поскольку привычная модель де-

терминизма в микромире была недостижима, они делали вывод

об отсутствии причинности вообще, Иными словами, они свя-

зывали

статистические законы с индетерминизмом. Но

ббльшая

часть ученых с этим выводом не согласилась и стала настаивать

на необходимости отыскать динамические законы для описания

микромира, воспринимая статистические законы как промежу-

точный этап, позволяющий описывать поведение совокупности

микрообъектов, но не дающий еще возможности точно описать

поведение отдельных микрообъектов.

Кроме того, нет оснований делать вывод об индетерминизме

природе только потому, что законы микромира носят стати-

стический характер. Поскольку детерминизм настаивает на су-

ществовании объективных закономерностей, то индетерминизм

должен означать отсутствие таких закономерностей. Этого, без-

условно, нет. Статистические закономерности ничуть не менее

объективны, чем динамические, и отражают взаимосвязь явле-

ний материального мира.

Довольно скоро ситуация изменилась. В результате исследо-

ваний крупнейших ученых, таких, как Н. Бор, В.

ГеЙзенберг,

" 163

М.

Борн,

П. Ланжевен и др., было установлено, что

закономеЫ

ности поведения объектов микромира и законы квантовой

мы

ханики носят принципиально статистический характер.

Никаквд

динамических законов, которые более глубоко определяли 6ц

движение элементарных частиц и были бы скрыты под

покрсн

вом статистических законов, не существует. Таким образом,

си

годня большинство ученых рассматривает статистические зако-

ны как наиболее глубокую, наиболее общую форму

описаний

всех физических закономерностей.

После создания квантовой механики можно с полным осно-

ванием утверждать, что динамические законы представляют

сен

бой первый, низший этап в познании окружающего нас

мира]

Статистические законы более полно отражают объективные

свя*

зи в природе, являясь более высокой ступенью познания. На

протяжении всей истории развития науки мы видим, как

первой

начально возникшие динамические теории, охватывающие

отЫ

ределенный круг явлений, сменяются по мере развития науки

статистическими теориями, описывающими тот же круг вопро-

сов с новой, более глубокой точки зрения. Только они

способнц

отразить случайность, вероятность, играющую огромную роль

окружающем нас мире. Только они соответствуют современному!

(вероятностному) детерминизму.

Смена динамических теорий статистическими не означает,

что старые динамические теории отживают свой век и забыва-

ются. Их практическая ценность не становится меньше,

есщ

только не выходить за рамки их гносеологических

предпосылок.

Говоря о смене теорий, мы в первую очередь имеем в виду

сме-

ну менее глубоких физических представлений более

глубокими

представлениями о сущности явлений, недоступных динамиче-

ским теориям. Статистические теории находятся в лучшем ко-

личественном согласии с экспериментом, чем динамические. Но

при определенных условиях статистическая теория приводит к

таким же результатам, как и более простая динамическая теория

(вступает

в действие принцип соответствия — речь о нем пойдет

ниже).

Связь необходимого и случайного не может быть вскрыта в

рамках динамических законов, так как они игнорируют случай-

ное, отбрасывая его как неважное, никак не влияющее на ко-

нечный результат (сильное огрубление действительности). В ди-

намическом законе отображается тот необходимый средний ре-

зультат, к которому приводит течение процессов, но не отража-

164

ются те вариации этого результата, которые могут возникнуть

под влиянием окружающих условий.

Разумеется, при рассмотрении достаточно обширного круга

вопросов, когда отклонения от необходимого среднего значения

ничтожны, их описание с помощью динамических законов впол-

не удовлетворительно. Но мы должны отчетливо представлять

себе, что абсолютно точных однозначных связей физических ве-

личин, о которых говорят динамические теории, в природе не

существует. В реальных процессах всегда происходят неизбеж-

ные отклонения от необходимых средних величин — случайные

флуктуации, которые только при определенных условиях не иг-

рают существенной роли и потому могут не учитываться.

Динамические теории не могут описывать явления, когда

флуктуации значительны, и не способны предсказывать, при ка-

ких именно условиях мы уже не можем рассматривать необхо-

димое в отрыве от случайного. В динамических законах необхо-

димость выступает в форме, огрубляющей ее связь со случайно-

стью. Но как раз последнее обстоятельство учитывают статисти-

ческие законы. Отсюда следует, что статистические законы ото-

бражают реальные физические процессы глубже, чем динамиче-

ские. Не случайно статистические законы познаются вслед за

динамическими.

•

Вопросы для обсуждения

1.Как соотносятся понятия «научная картина мира», «естественно-научная

картина мира», «физическая картина мира»?

2. Каким образом можно интерпретировать понятие «физическая карти-

на мира»?

3. Какие фундаментальные физические теории, кроме механики Ньютона

и электродинамики Максвелла, вам известны? Попробуйте вычленить

в них основные понятия, характеристики и уравнения движения.

4. Почему статистические законы получили право на существование

только в рамках современной науки? Как это связано с ее гносеологи-

ческими предпосылками?

5. Приведите пример ограниченности динамических законов, покажите

роль случайности в описанном вами процессе.