Физика в двадцатом столетии2

(выдержки)

В. Вайскопф

Возникают вопро­сы: как может частица в движении проявлять какую-нибудь вол­новую природу и как может быть, чтобы электрон был отчасти час­тицей, а отчасти волной? В конце концов тщательное прослеживание электрона вдоль траектории его движения должно привести к реше­нию этого вопроса и дать возможность отнести электрон либо к одной, либо к другой категории. Здесь мы подходим к вопросу о расчленяемости атомных явлений. Выполнимо ли (с технической точки зре­ния) такое прослеживание? Если мы хотим подробно «увидеть» строение орбиты, мы должны использовать световые волны с очень малой длиной волны. Значит, энергия кванта света будет очень ве­лика. Когда такой квант столкнется с электроном, он выбьет его с орбиты и разрушит сам объект изучения. Эти рассуждения лежат в основе соотношения неопределенностей Гейзенберга. Они пред­ставляют собой негативное утверждение, что некоторые физические измерения невозможны. Невозможными оказываются именно те измерения, которые должны были бы привести к решению вопроса; волновой или корпускулярной является природа электрона (или протона, или любой другой частицы). Если выполнять такие изме­рения, объект полностью изменит свое состояние в результате самого акта измерений.

Здесь мы сталкиваемся с весьма важным фактом, заключающим­ся в том, что указанная невозможность выполнения некоторых изме­рений означает больше, чем простое техническое ограничение, кото­рое в один прекрасный день может быть преодолено с помощью хит­роумного оборудования. Если бы оказалось возможным провести такие измерения, сосуществование волновых и корпускулярных свойств в одном объекте было бы разрушено, так как подобные изме­рения показали бы, что одна из двух альтернатив неверна. Однако из большого числа наблюдений известно, что рассматриваемые объек­ты проявляют и волновые и корпускулярные свойства. Значит, гейзенберговские ограничения должны иметь более глубокие корни. Они являются необходимым следствием двойственной природы атом­ных объектов…

Атомные явления представляют намного более сложную реаль­ность, чем та, с которой мы привыкли сталкиваться в классической макроскопической физике. Чувствительность объекта к вмешательст­ву приборов демонстрирует свойства, не наблюдающиеся у объектов макроскопических исследований. Значит, описание объекта нельзя считать, как раньше, «обособленным» от процесса измерения.

.

Еще одним фундаментальным результатом, имевшим мировоззренческое значение, была формулировка В. Гейзенбергом (одним из основоположников квантовой механики) принципа неопределенностей (1927). Он постулирует невозможность одновременного определения координаты и импульса (количества движения) элементарной частицы – в первую очередь в результате неустранимого воздействия наблюдателя на процессы измерения. В итоге было установлено, что движение элементарных частиц описывается статистическими (а не динамическими, как в механике) закономерностями.

Реакция многих не-специалистов, особенно гуманитариев, на эти открытия была понятной, но упрощенной: многим стало казаться, что в мире вообще нет закономерностей, все случайно, «все относительно» (сравним с подобной же реакцией на открытия, касающиеся структуры и свойств материи – «материя исчезла!»). Конечно же, ни теория относительности, ни принцип неопределенностей не «отменяют» закономерности и причинность, но они выражаются в новой, более сложной форме. Квантовая механика отвергла представление о микрочастице как абсолютно индивидуальной и независимой: например, поведение электрона в атоме или молекуле не адекватно поведению свободного электрона; оно специфично для типа системы, в которую он входит, движение связанного электрона отражает особенности всей системы¹. Она рассматривает «само существование даже отдельной частицы как процесс ее непрерывного самовоспроизведения в данном состоянии, происходящего в результате обмена виртуальными частицами с физическим вакуумом»². Квантовая механика выявила фундаментальные свойства микромира, резко отличающиеся от привычного нам макромира. Одним из важнейших выводов стал, как уже сказано, вывод о неустранимой зависимости результата исследования от самого исследователя – на результаты исследования прямо влияют методы наблюдения, прибор, причем в зависимости от этих факторов объект предстает то как волна, то как частица. Были выявлены - и фактически остались нерешенными - так называемые парадоксы квантовой механики: например, «спутанности» микрообъектов, суперпозиции состояний и другие. В целом же надо сказать, что именно эта сфера в наибольшей степени поставила под вопрос не только многие принципы классической науки, но и перспективы ее дальнейшего развития, что несколько позднее вылилось в дискуссии о «конце науки» (о чем мы ниже скажем отдельно).

Разумеется, фундаментальные открытия происходили не только в физике. Не менее важные прорывы состоялись в первой половине XX века и в других науках. Например, в астрономии на основании теории относительности создается модель однородной изотропной нестационарной горячей расширяющейся Вселенной (А. Фридман, Э. Хаббл); разрабатывается первая теория внутреннего строения звезд (А.С. Эддингтон), происходит «рождение» радиоастрономии (Г. Ребер). К.Э. Циолковский впервые описывает основные элементы ракетного двигателя, намечает пути создания орбитальных станций, исследует способы управления полетом ракеты. В биологии вышел труд В.И. Вернадского «Биосфера», представляющий собой масштабное обобщение геологических, биологических, химических и географических данных о строении планеты; были заложены основы новой области – этологии, изучающей поведение животных (К. Лоренц), а также хромосомной теории наследственности (А. Вейсман и Т. Морган) и началось формирование синтетической теории эволюции, сочетающей идеи дарвинизма с генетикой. В геологии А. Венегер выпустил книгу «Возникновение морей и океанов», где представил гипотезу дрейфа континентов. А.Л. Чижевский выявил механизмы влияния космических факторов (прежде всего, солнечной активности) на биологические и социально-исторические процессы на Земле. Этот перечень примеров можно далеко продолжить, но, думается, даже из него ясно, что новый поток открытий – причем, снова революционных, – не мог не привести к формированию новой научной картины мира, основных принципов нового, неклассического научного мировоззрения. Кратко их можно суммировать следующим образом:

1. Признание неразрывной связи субъекта и объекта познания, то есть зависимость наблюдения (и, соответственно, научных выводов) от средств наблюдения и установок исследователя..

2. Формирование представления о крайней сложности материи, о взаимосвязях материи, пространства и времени; в целом – новые постановки вопросов о сущности таких основных понятий, как материя, энергия, пространство и т.д.

3. Отказ от редукционизма, утверждение понимания сложности и несводимости друг к другу различных уровней бытия.

4. Отказ от «лапласовского детерминизма» и утверждение нового, вероятностного понимания причинности.