16.3. Неклассическое естествознание: революционные изменения в физике конца 19 – первой половине 20 в.

Радикальные изменения, происходящие на рубеже XIX-XX вв. в науке сопровождались изменениями в духовной культуре, философских основаниях научного познания, революционными открытиями в различных областях, что приводило к сильнейшей ломке классического рационализма. Переход к неклассической науке был подготовлен всем ее предшествующим развитием, где в процессе становления дисциплинарного естествознания зарождались нетрадиционные идеалы научного знания, включались идеи развития, необратимости, случайности, непредсказуемости.

В этом процессе приоритетное значение приобретало философское осмысление происходящих в науке трансформаций, ибо менялись представления о материи, движении, пространстве и времени, происходила ломка оснований научного поиска, перестройка фундаментальных понятий и принципов, отказ от гомогенного опыта, ориентация на интеграцию различных способов обоснования, возникающих в отдельных областях. Повышение теоретичности релятивистской науки обусловливает особую значимость операциональной определимости в обосновании научного знания, содержательной интерпретации абстрактных объектов теории в процессе постоянного соотнесения с предметным миром исследуемой реальности. Поскольку становление идеалов неклассической науки детерминировано прежде всего формированием теории относительности, связанной с именами Пуанкаре, Лоренца и в особенности Эйнштейна, рассмотрим основные их подходы к обоснованию выдвигаемых концепций.

Важнейшую роль в развитии теоретической науки играет, согласно Эйнштейну, работа по обоснованию научных понятий. Для создания такой системы необходимы философский и естественнонаучный анализ оснований классической механики и "большой авторитет" ее понятий, что и отличает подход Эйнштейна к формированию научного знания. По сути дела теория относительности родилась в недрах теории электромагнитного поля Максвелла, представляющей собой как бы переходный мостик от классической к релятивистской науке.

Постановка вопроса о теории, удовлетворяющей принципу относительности, отличала подход и Лоренца, и Пуанкаре, и Эйнштейна. Но средства разрешения этой проблемы несомненно отличались друг от друга и в соответствии с этим привлекались те или иные аргументы, разворачивалась логика построения теории и формировались условия понимания, принятия (или непринятия) ее научным сообществом. Если концепция Лоренца базировалась на представлениях неподвижного эфира, абсолютного пространства и времени, стремлении усовершенствовать и применить механику Ньютона в понимании электромагнитных явлений, то в теории Эйнштейна нет эфира, связанной с ним привилегированной системы отсчета, абсолютного пространства и времени. Если для Пуанкаре физическая теория и основные определения ее понятий результат конвенции, условных соглашений, приемлемая форма для описания опыта, "плод неосознанного стремления к удобству", "простоте" (что не могло быть принято большинством ученых), то для Эйнштейна применение представлений о пространстве и времени является основой преобразования классической физики. В отличие от Пуанкаре при построении теории относительности Эйнштейн сделал прежде всего четкие заявки на пересмотр пространственно-временных представлений классической физики. Рассмотрение динамики электродвижущихся тел было подчинено и предшествовало критическому анализу понятий, связанных с пространственно-временными соотношениями, что в немалой степени способствовало пониманию и принятию всей теории.

Безупречная аргументация Эйнштейна обеспечивала уникальную возможность реализации основной цели специальной теории относительности, заключающейся в построении единой теории движения материальных тел и поля, т.е. формулирования единых законов физики (если исходить из того, что кроме электромагнитных и механических явлений никаких других не существует) в форме инвариантной по отношению ко всем инерциальным системам отсчета.

Понятно то "смятение умов", которое было вызвано специальной теорией относительности, согласно которой абсолютного, безотносительного для всех систем отсчета времени, не существует. Каждое тело отсчета имеет свое собственное время и в соответствии с этим течение времени надо относить к какой-либо материальной системе. Время и пространство тесно связаны с движением. По глубине основной концепции, по той радикальности, это новое учение, писал О.Д. Хвольсон, переворачивает вверх дном все наши основные представления, разрушает почти все, чем до сих пор жила и развивалась физика, мы не могли найти аналога в истории многочисленных наук, окружающих нас и наблюдаемых нами явлениях. Оно воздвигает новое мировоззрение, сугубо и в самом корне отличающееся от существовавшего ранее, уничтожая как раз те его черты, которые как аксиомы, как истины самоочевидные даже не высказывались, не формулировались, но всеми как нечто несомненное, принимались бессознательно.

Специфический подход Эйнштейна при формировании специальной теории относительности, выразившейся в синтезе философской и естественнонаучной аргументации, в поиске операционального статуса научных понятий, их философского обоснования, методологического и логического анализа, ибо теория относительности "сделала неизбежным методологический анализ основных понятий", во включении субъекта ("наблюдателя") в структуру познавательной деятельности, проявился и в процессе построения общей теории относительности.

Механизмы формирования общей теории относительности демонстрировали собой, что теоретическое знание вступает в качественно новый этап, означающий, что опыт и наблюдение не являются единственным пунктом в создании фундаментальной теории. Принцип эквивалентности, который лег в основу ОТО, не был выведен из опыта, да по сути дела и не был "навеян" им. Неотразимая аргументация Эйнштейна при обосновании принципа эквивалентности показывала, что логического пути вывода фундаментальных понятий теории из наблюдения не существует.

Традиционный путь построения фундаментальных теорий, соответствующий классической модели Милля, когда посредством индуктивных обобщений множества отдельных наблюдений и факторов создается логическая конструкция, не срабатывал при описании новой области. Как отмечал Эйнштейн в "Автобиографических заметках", он вынужден был прибегнуть к "акту отчаяния", означавшему иной путь построения "теорий-принципов" - как бы "сверху" по отношению к опыту, через "открытие всеобщего формального принципа".

Таким образом, неклассическую науку отличает постоянный и пристальный интерес ее создателей и особенно Эйнштейна к методологии научного познания, ориентация на синтез философской и естественнонаучной аргументации, на философское обоснование онтологического статуса научных понятий и принципов, "неклассическое" понимание пространства и времени, движения и материи, поиск операционального статуса теоретических конструкций, гармонический синтез критериев "внутреннего совершенства" и "внешнего оправдания", физический и геометрический компонент, обоснование включенности субъекта ("наблюдателя") в структуры познавательной деятельности. Индуктивное и логическое выведение основных понятий и принципов из элементарного опыта утрачивало статус единственного и незаменимого исходного пункта для формирования теории. Интерпретация абстрактных объектов теории не ограничивалась эмпирическим обоснованием, требовало постоянной "стыковки" с предметным миром исследуемой реальности, которая только и позволяла через релятивистскую картину мира "вписывать" новое знание в культуру данной эпохи. Причем этот процесс сопровождался постоянным рефлексивным анализом онтологического статуса пространственно-временных представлений. Исследование механизмов формирования нового знания позволяло давать адекватное объяснение возникающих парадоксов и ранее необъяснимых явлений.

Наряду с теорией относительности, эпохальным открытием, решительно изменившим наши представления о науке, культуре, о способах познания объективного мира явилось создание квантовой теории. Уже первый этап квантовой теории, "доборовский", связанный с открытием в 1900 г. Планком гипотезы квантов, определил специфику научного поиска в этой области. Постоянная Планка требовала пересмотра классических представлений о координатах и импульсах, обнаруживала недостаточность сферы влияния классической механики и подобно тому, как и в случае формирования теории относительности обусловила необходимость философского обоснования возникающей теории, ее оснований, "обнажая" проблему статуса научных понятий классической механики в новой области.

Важнейшей задачей этого периода являлось отыскание физического смысла постоянной Планка, обеспечение эмпирической и семантической интерпретации и подтверждения опытом. И все-таки, несмотря на хорошую математическую обоснованность и подтверждаемость на опыте, формула Планка и его идея квантов не вызывала симпатий со стороны физиков-теоретиков, занимающихся проблемами теплового излучения, ибо трудно было "примирить" ее с классическими представлениями и сделать понятным ее физический смысл. Открытие и численное определение новой универсальной константы продолжало рассматриваться как своеобразный математический прием расчета, а не как новое физическое представление.

Для "вписывания" гипотезы квантов предпринимались попытки ввести ее в рамки классической теории (Г. Лоренц, Д.Д. Томсон, П.С. Эренфест и др.). Но эта величина, писал Планк, упорно и настойчиво сопротивлялась всем подобным попыткам. Противоречие между классическими представлениями об излучении как о волновом процессе, и предложением Планка в его формуле о том, что энергия испускается порциями, доставляло Планку беспокойство и даже страдание от логического несовершенства им же созданной теории. Разрешив многолетнюю проблему в теории излучения, Планк как бы нарушил логическую стройность классической физики и даже в 1933 г. в письме к Роберту Вуду назвал тогдашнюю свою гипотезу "актом отчаяния".

Попытки обосновать основную гипотезу о представлении энергии конечными порциями на основе классических представлений не приводили к положительным результатам. Неслучайно гипотезу о квантах первоначально называли эвристической, рабочей гипотезой, математическим приемом.

Второй период в развитии квантовой теории, связанной с обнаружением непреодолимых противоречий с электромагнитной картиной мира, с исследованием фотоэлектрического эффекта и открытием "квантов света", способствовал более адекватному восприятию, пониманию и принятию "квантов действия". Введя представление о квантах света, Эйнштейн придал новое содержание гипотезе Планка, показывая, что в неявном виде он использует гипотезу световых квантов. Работы Эйнштейна 1905-1907 гг. способствовали все большему принятию в научном сообществе идеи об универсальном всеобщем характере квантовых представлений, преодолевая инертность сложившихся классических подходов. А сопротивляемость квантовой концепции была столь сильной, что даже после тщательной экспериментальной проверки сформулированного Эйнштейном основного закона фотоэффекта, проводимого в течение ряда лет, к теории квантов наблюдалось сдержанное отношение. Даже Р. Миллекен, вспоминая этот период, говорил, что он, потратив десять лет своей жизни на проверку этого эйнштейновского уравнения, испытывал чуть ли не чувство неприязни к теории квантов, хотя именно благодаря его исследованиям закон фотоэффекта был окончательно экспериментально подтвержден.

Именно с этим периодом развития квантовой механики связано формирование новых приоритетов методологического сознания, без которых невозможно представить современную науку, перестройку физической картины мира, философское переосмысление проблемы корпускулярно-волнового дуализма, причинности, субъект-субъектных отношений, наглядности, формирование принципа дополнительности, направленного на обеспечение понимания и вписывания нового знания в культуру. Проблема обоснования квантовой механики обнаруживала и формировала механизмы связи научного знания с контекстом культуры. Через семантическую и эмпирическую интерпретацию, через поиск соответствующего наглядного образца частицы в физической картине мира, который и сейчас нельзя считать законченным, и развитие механизмов связи уравнений с опытом происходило развитие квантовой теории.

Первой последовательной теорией атома, объяснившей его устойчивость, демонстрирующей отказ от классической схемы обоснования научного знания со строго заданными параметрами и однозначностью, от модельных представлений происходящих в атоме процессов, от понятия динамической траектории и вместе с ним от детерминистского описания траектории, была матричная механика Гейзенберга. Состояние атома на языке новых уравнений полностью задано, если известны матрицы, соответствующие координате и импульсу электрона. В науку вместе с матричной механикой входил отказ от классической схемы обоснования научного знания, от понятия динамической траектории, строго однозначной заданности и от детерминистского описания траекторий. Стало окончательно ясно, что микромир подчиняется качественно иным законам, имеющим свою специфику, и что стремление создать единую, универсальную, общую для всех уровней описания концептуальную модель обречено на провал.

Всего полгода спустя, Э. Шредингер создал еще одну, волновую механику, которая также убедительно объясняла строение атома. Отталкиваясь от идеи де Бройля о том, что всем микрочастицам и, в частности электронам, соответствуют волны, Шредингер в 1926 г. вывел дифференциальное уравнение с частным производным для так называемой функции, описывающей форму этих волн. Решение уравнения Шрединера позволяет получить дискретный набор атомных электронов для любого атома, и с каждым состоянием атома оно связывает определенное значение энергии. В результате получаются те же результаты, которые были получены Гейзенбергом при расчете спектров энергии стационарных состояний для простых квантовых - осцилятора, ротатора, атома водорода. Таким образом, теория Шредингера и теория Гейзенберга математически эквивалентны, что и было доказано в том же 1926 г.

К таким физикам, которого не устраивала ни формальная интерпретация квантовой механики, предложенная Гейзенбергом, ни "модельная" интерпретация Шредингера, в которой - функция наглядно представлялась как электронное облако, принадлежал Макс Борн. Он предложил вероятностную интерпретацию квантовой механики. "Сущность статистической интерпретации такова, - писал он, - квадрат амплитуды шредингеровской - функции для совокупности частиц представляет собой вероятность нахождения частиц в местах (или со скоростями, или с энергиями), обозначенных ее аргументами". Электрон при такой интерпретации не "размазан", как в волновой механике Шредингера, представляется возможность оценить степень вероятности нахождения электрона в любом данном объеме.

Подобно тому, как в свое время статистическая механика Больцмана не встретила понимания и принятия со стороны его современников, вероятностная интерпретация квантовой механики не была принята многими физиками, среди которых были Эйнштейн, Шредингер, Планк из-за приверженности к "полному" детерминистическому описанию. Эйнштейн, например, в замечаниях к статьям В. Паули и М. Борна писал: "Оба автора с осуждением относятся к тому, что я отвергаю основную идею современной статистической квантовой теории. Но я все же не верю, что такая фундаментальная концепция может служить надлежащей основой для всей физики в целом... Я твердо убежден, что существенно статистический характер современной теории следует приписать исключительно тому, что эта теория оперирует с неполным описанием физических систем"⁴⁸.

Вероятностная интерпретация квантовой механики неизбежно наталкивала на пересмотр традиционных представлений классической физики о причинности в связи с осмыслением "свободы воли" электрона, его "свободного выбора", отказа от понятия динамической траектории. В статье "Физическая реальность" М. Борн как бы формулирует новые подходы в науке: "...мы должны отказаться от идеи, что частицы, рассматриваемые сами по себе, следуют детерминическим законам, которые подобны законам классической механики. Теория может предсказать только вероятности, а они определяются волнами (а они суть квадраты амплитуды). Это означает, конечно, решительную смену наших взглядов на природу. Она зовет нас на новый путь описания физического мира, но не отказ от его реальности"⁴⁹. Сформулированный в 1927 г. В. Гейзенбергом принцип неопределенности фактически объяснял вероятностный характер квантово-механических расчетов, выражал невозможность получения точной однозначной информации о положении и скорости микрообъекта: нельзя одновременно и в то же время точно определить положение атомного объекта и длину его волны (т.е. уточнение при измерении координаты электрона ведет к уменьшению точности в определении его амплитуды).

Существенное углубление и уточнение предпринятого Гейзенбергом анализа квантово-механических связей было осуществлено Н. Бором в его интерпретации квантовой механики, в результате чего был сформулирован принцип дополнительности. Эту идею, принесшую обновление квантовой механики, "ставшую поворотной точкой человеческого познания и необратимо изменившую наши интеллектуальные перспективы как в науке, так и в других областях культуры", Н. Бор сформулировал в сентябре 1927 г. во время Международного физического конгресса в итальянском городке Комо.

Сформулированный Бором принцип дополнительности был своего рода логическим завершением интерпретации квантовой механики, хотя поиски понимания ее "скрытых параметров" и методологических оснований, попытки переосмысления ставшего уже традиционным вероятностного ее истолкования предпринимаются до сих пор.

Через принцип дополнительности Н. Бор проводит фундаментальную идею о том, что постклассическое развитие физики предполагает неизбежное обращение к понятиям классической физики. Без использования классических понятий в квантовой механике обойтись невозможно, ибо полученные результаты исследования должны быть поняты и сообщены другим людям. "Как бы далеко ни выходили квантовые эффекты за пределы возможностей анализа классической физики, описание экспериментальной установки и регистрации результатов наблюдения всегда должны производиться на обычном языке, дополненном терминологией классической физики. Это есть простое логическое требование, поскольку слово "эксперимент" в сущности может применяться лишь для обозначения такой ситуации, когда мы можем рассказать другим, что мы сделали и что узнали в итоге"⁵⁰.

Принцип дополнительности четко задавал условия квантово-механического измерения, при соблюдении которых невозможно было отвлекаться от экспериментальных средств, в которых эти явления наблюдаются. Если в рамках классической схемы измеряемый объект жестко отделялся от прибора в процессе измерения, так как всегда можно было учесть условия его воздействия на прибор, то описание квантовых объектов включало существенное взаимодействие их с приборами, "относительности к средствам наблюдения" (В.А. Фок). Два дополнительных друг другу прибора, один из которых фиксирует, например, координаты, другой — импульсы, позволяют выявить общие закономерности микрообъекта.

Таким образом, через описание квантово-механических процессов в ткань научного знания входит единый в своей основе вероятностный стиль мышления, альтернатива, многовариантность и гибкость. Введение таких параметров было обусловлено процессом развития прежде всего квантовой теории. После того, как стремительно и быстро был разработан математический аппарат квантовой механики, с необходимостью возникла потребность в интерпретации математических формализмов, в "прояснении формальных основ".

Процесс поиска адекватной содержательной интерпретации квантовой механики постоянно сопровождается выходом на анализ таких философско-мировоззренческих проблем, как проблема статуса физической реальности, отношения квантового объекта и средств наблюдения, специфики научно-познавательной деятельности субъекта при исследовании "операциональности" и "измеримости", причинности и наглядности в новой области, которым творцы квантовой теории уделяли достаточное внимание. Оставался еще нереализованный коммуникативно-прагматический аспект квантовой механики, который обеспечивал бы не только понимание нового знания, но и его вписывание в культуру, в процесс концептуальной коммуникации. Принцип дополнительности Н. Бора, представляющий собой четко определенный способ использования и ограничения классических понятий, обеспечивая интерпретацию и понимание нового материала, создавал тем самым механизмы вписывания знания в культуру данной эпохи.

Неклассическая наука наработала такие приоритеты методологического сознания, которые основывались на включении субъекта в структуры социальной и познавательной деятельности, невозможности элиминации самой деятельности из основных понятий и выводов, учете средств наблюдения изучаемых явлений и объектов, операциональной определимости теоретических понятий, единства "определенности" и "измеримости", доказательности и конструктивности изучаемых теоретических объектов, привлечении вероятностных, статистических методов, категорий многомерности, альтернативности, поливариантности и гибкости. С особой силой они заявляют о себе в современной науке в связи с постижением сложных и сверхсложных систем.