Часть 6 ФИЗИКА АТОМНОГО ЯДРА И ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Раздел 18 ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

18.13. Физическая картина мира и ее роль в развитии физики

Понятие «физическая картина мира» возникло в физике вместе с формированием методов теоретического исследования.

Когда первая физическая картина мира была разработана и изложена в ньютоновских «Математических началах натуральной философии» (1686 г.), И. Ньютон еще не пользовался термином «научная картина мира» или «физическая картина мира», но фактически предоставлял это значение понятию «натуральная философия».

Ньютонівська физическая картина мира, не будучи в этом смысле «натурфилософией», составляла лишь основу для научного объяснения явлений природы, но и синтез научных знаний своего времени. Поскольку в те времена механика была главной наукой, то научное объяснение природы было механическим, а синтез научных знаний о природе отождествлялся или с самой механикой, либо с механической картиной мира.

Хотя в то время четко не розмежовувались функции картины мира и самой механики как физической теории, эти функции фактически отличались. Механическая картина мира не подменяла, а скорее дополняла механику Галилея - Ньютона в ее стремлении дать целостное объяснение всем явлениям окружающей среды. Функции механической картины мира предусматривали объяснение явлений для всех тех случаев, когда эти явления непосредственно не могла объяснить механика. Например, задачу двух тел развязал еще И. Ньютон. Однако более сложную задачу трех тел, также сформулированной Ньютоном, длительное время не было решены. В то же время на основе механической картины мира принято было считать, не только эту задачу, но и любые другие аналогичные задачи в принципе можно развязать.

Предполагалось, что на основе механической картины мира можно решить любую проблему, связанную с явлениями природы, какой бы грандиозной эта проблема не была. Например, задачу о происхождение солнечной системы с хаотической туманности непосредственно в механике не можно было решить. Эту проблему в общем виде развил на основе механической картины мира И. Кант в своей знаменитой гипотезе космогонічній (1755 г.). Правда, объяснение на основе механической картины мира имело качественный характер, а не такой точный и строгий, каким был решение задач механики. Однако общее качественное понимание явлений такое объяснение все-таки давало.

Итак, механическая картина мира могла охватить такие явления, которые фактически не принадлежали к механике. Так, длительное время не удавалось объяснить тепловые и электромагнитные явления на основе механики. Однако общее механическое толкование их на основе механической картины мира не мало особых осложнений.

Поэтому механическая картина мира была средством механического объяснения немеханических явлений и почвой для попыток построить механические теории этих явлений (корпускулярная и упругая теории света, механическая теория теплоты, кинетическая теория газов, корпускулярная и упругая теории электромагнетизма и т.п.).

Признавалось, что механическая картина мира может дать объяснение или толкование любому явлению природы. Идеалом научного объяснения считалось такое объяснение, которое исходит из простых и наглядных механических моделей.

В начале второй половины XIX в. возникли первые физические теории, которые вышли за пределы механических и в основе которых лежали новые для того времени понятие энергии и поля. С этими теориями была связана возможность иных взглядов на природу - энергетического и электродинамического.

В связи с этим возникло немало важных проблем. Поскольку представление об универсальности механической картины мира пошатнулись, возникла тенденция, с одной стороны, расширить основы механики для того, чтобы сохранить старую картину мира, а с другой - отказаться от универсализации механики и изменить общие представления о природе. Как известно, на роль главной науки о природе начала претендовать электродинамика. Однако под время построения универсальной электродинамической картины мира столкнулись с рядом осложнений (проблема эфира, проблема связи заряда и поля и некоторые другие связанные с ними проблемы), вследствие чего возникли сомнения относительно возможности единого объяснения природы. Старое объяснение природы оказалось несостоятельным, нового же построить не удалось.

В конце XIX - начале XX вв. через окончательное крушение механической картины мира и трудности, связанные со созданием новой картины мира, в физике наступил кризис.

В этот период среди физиков возникла острая полемика по поводу понимания физической картины мира. Основываясь на потому, что старое ньютонівське понимание физической картины мира не согласуется с развитием физики, одни ученые вообще отвергали понятие картины мира. Другие же пытались сохранить это понятие, нередко в его классическом виде.

Сторонники феноменологического толкование законов физики в своей аргументации широко использовали необычность новейших физических открытий и абстрактность физических понятий, которая заметно возросла. Так, за отказ от понятия эфира как материального носителя поля его начали отождествлять с энергией: по предложению представителей енергетизму оно определялось как пустое пространство, наделенный энергией. В связи с этим вся электродинамика рассматривалась в «энергетическом» аспекте, чему способствовала необычность и сложность ее уравнений.

В конце XIX в. физический смысл уравнений Максвелла был непонятен многим. Г. Герц отмечал, что многие физиков, в частности те, кто тщательно изучал произведение Максвелла, не совсем понимали физический смысл теории Максвелла. Тем более трудно было рядовому физику отказаться от привычных механических представлений о природе.

Несмотря на это, теория Максвелла способствовала формированию и утверждению электродинамической картины мира.

Понимание науки лишь как описание явлений природы столкнулось с оппозицией со стороны абсолютного большинства естествоиспытателей. Однако многие из них еще придерживались стихийно материалистических представлений о природу, связанных с механической картиной мира. Тому были объективные условия для критики их общих взглядов на природу, которые основывались на новых достижениях науки и прежде всего электродинамики Максвелла. В результате этого складывалось впечатление, что материалистические представления о природе мешают прогрессу науки. Такой ситуацией воспользовались сторонники феноменологического подхода.

Анализ развития физики показывает, что для физического познания необходимы как описания, так и объяснения. Однако в период кризиса в физике старые понятия отбрасываются, внедряются в практику новые. Более надежным методом познания становится описание, что приводит к возможности его абсолютизации и одновременно в оппозиции относительно самого понятия картины мира. Однако такой подход практически нельзя реализовать хотя бы потому, что созданию любых физических теорий предшествует возникновение физической картины мира или ее отдельных элементов.

В конце XIX - начале XX в. в связи с возникновением теорий нового типа, в частности теории Максвелла, предполагалось более четкое разграничение функций физических теорий и функций физической картины мира. Непонимание этого приводило сторонников феноменологического подхода к ошибочным выводам.

Во взглядах Г. Герца на картину мира оказалась обычная позиция естествоиспытателя, который стихийно убежден в реальности внешнего мира. Этим взглядам соответствовало и само понятие картины мира. «Картину» создает ученый согласно опытных данных, но в то же время она имеет внутренний, композиционный, смысловой смысл, который отражает объективную суть явлений.

Начиная с работ Г. Герца, срок «картина мира» в смысле отражения внешнего мира приобрел большего распространение, причем вместо термина «механическая картина мира» начали применять более емкий термин «физическая картина мира». Таким образом энергетическом и феноменологическом подходам противопоставлялось стихийно материалистическое понимание науки. Во вступлении к своему оригинальному изложению основ механики Г. Герц впервые проанализировал понятие «физическая картина мира» и показал его значение для всей структуры физики и, следовательно, для углубления наших знаний о природе.

Линию понимания науки как отражение внешнего мира и важности применения в связи с этим понятие «физическая картина мира» продолжил М. Планк, который посвятил анализу этого понятия относительно состояния физики начала XX в. несколько своих работ.

М. Планк отмечал значение физической картины мира как отражение объективной реальности и выступал с этих позиций против агностицизма и позитивизма. Он, как и большинство естествоиспытателей, признавал, что картина мира, которую создает наука, содержит в себе зерна абсолютной истины, количество которых будет постоянно расти в процессе развития науки.

Правда, позже, после возникновения квантовой механики, М. Планк не смог сохранить свой материалистический подход к физической картины мира. Отдавая должное эмпиризма и считая первоосновой науки один лишь личный опыт, М. Планк пришел к выводу об отсутствии доказательств того, что построенная им картина мира действительно отражает реальный мир. Следовательно, есть основания считать, что она является лишь средством связи между реальным миром и чувственными восприятиями естествоиспытателя.

В первую четверть XX в. под физическим картиной мира часто понимали общее представление о природе, которое возникло на основе достижений физики. Однако кроме физики этот термин начал применяться и в других естественных науках, в связи с чем возникло понятие «научная картина мира» как синтез данных всех наук о природе.

Большого значения этому понятию предоставляли Д. И. Менделеев, В. И. Вернадский и другие выдающиеся естествоиспытатели. Термин «научная картина мира» первоначально употреблялся в области философских вопросов естествознания, а затем значительно распространился и начал применяться для определение научного мировоззрения вообще, проникая в философию, психологию и социальные науки. Широкое толкование картины мира как картины восприятия мира человеком дал также А. Эйнштейн.

В начале XX в. развилась тенденция создания, преимущественно на почве естественных наук, всеохоплювального научного мировоззрения, научной философии. Заметным сторонником этой тенденции был Е. Мах. Однако при этом он преуменьшал возможности науки до уровня описания явлений, а явления фактически сводил к ощущениям. Как следствие, научность, за Махом, понималась настолько однобоко, что его «научная философия» вызвала резкую отпор со стороны абсолютного большинства естествоиспытателей.

В первой четверти XX в., до появления квантовой механики, большинство естествоиспытателей, стихийно следовала понимание физики и физической картины мира как отражения действительности. Однако на начале второй четверти XX в., с появлением квантовой механики, положение существенно изменилось. Квантово-механические понятия были достаточно абстрактные, а их связь с опытом был настолько сложен, что трудно было видеть в них отражение объективных соотношений. Многомерность волновой функции для квантовых систем, вероятностный характер связи теории и опыта, принципы неопределенности и дополнения и другие непривычные понятия, связанные с ними, - все это без должного философского подхода привело к тому, что представление не только о физической картине мира, но и о физике в целом как отражение объективных законов природы для многих физиков было похитано.

Понятие физической картине мира в физике сохранилось, но теперь оно употреблялось преимущественно в учебной и популярной литературе. При этом отмечалось не столько на объективном содержании современной физической картины мира, сколько на том, что она дает картину физики как единого целого. И лишь в отдельных книгах говорилось о том, что картина мира современной физики является отражением природы.

Многие физики стали считать, что понятие картины мира в физике является неприемлемым, что его можно было употреблять только в классической физике. Например, В. Гейзенберг сохранил традиционный для физиков термин «картина мира», однако лишил его объективного значения.

Возникновение новых квантово-механических понятий привело физиков к ряду важных гносеологічних выводов. Так, Н. Бор, анализируя методы атомной физики, выяснил, что наше познание перестало быть наглядным.

Вслед за ним В. Гейзенберг пришел к выводу, что понять неясные вопросы строения атома можно лишь при условии дальнейшего отказа от наглядности и стремление к об'єктування.

Наглядные представления возможны только для макроскопических явлений, но поскольку они основываются на мікроявищах, теория мікроявищ должна охватить и макроскопические явления. Однако это означает, что вся теоретическая основа физики перестает быть наглядной, ведь теоретическую основу современной физики составляют математические уравнения, логические принципы, мысленные конструкции и т.д.

Сейчас всю теоретическую основу физики начали воспринимать не как непосредственное «картину», а как «логическую структуру», идеальную «схему». Некоторые физики считают, что современная теоретическая физика не наглядная, а потому она не может дать картину мира. Делается вывод, что наука вообще уже не «картина», не отражение действительности, а «логическая система фактов». Современные позитивисты как раз использовали эти обстоятельства с учетом развития физики, но сохранили при этом основную эмпирическую и субъективистский суть позитивизма. Позитивисты считают, что теоретической основой физики является некоторая логическая схема описания, и согласно своих субъективистских подходов к природы отказались от признания объективного значения физической картины мира.

Однако легко убедиться, что таким противопоставлением еще не опровергается возможность физической картины мира. Современная физическая картина мира, построенная на общих понятиях, которые являются основой теории относительности и квантовой физики, не может быть в определенном смысле «логичной схеме» или абстрактной «научной концепцией».

Возрастание роли теоретических методов исследования в физике, их чрезвычайная математизация, появление таких абстрактных понятий, которые не могут быть связаны с отдельными данными опыта непосредственно и связываются с ним путем сложной вероятностной и статистической интерпретации, способствовали проникновению в методологию научного познания идеалистических представлений. Особенно наглядно это видно на примере методологии познания А. Эддингтона. Он пришел к выводу, что знания, которые установлены физическими методами, является вполне субъективными.

Наиболее настойчивым сторонником толкование квантовой механики без существенных изменений предыдущих физических картин мира был А. Эйнштейн. Ему было присуще непоколебимое убеждение в объективной реальности и единства мира, которым он руководствовался в своих поисках единой теории физических явлений.

Объяснение явлений на основе картины мира отличается от объяснения на основе теории большей наглядностью, качественным характеру. Однако такие объяснения очень полезны и нужны, поскольку они прокладывают путь для построения новых теорий, которые способны дать более строгие объяснения явлений. В попытках объяснить новые эмпирические данные на основе общих представлений о природе, которые содержит в себе физическая картина мира, могут рождаться новые гипотезы, содержаться новые понятия и предложения.

Итак, физическую картину мира следует понимать, как идеальную модель природы, которая предусматривает наиболее общие понятия, принципы и гипотезы физики и характеризующую определенный исторический этап ее развития. Функция физической картины мира заключается не только в отражении, но и в объяснении явлений природы, а также в фундаментальной роли построения новых физических теорий.

Развитие физики XX в. убедительно показал, что электродинамическую картину мира не следует абсолютизировать, как не следует абсолютизировать также механическую картину мира.

Главное значение электродинамической картины мира заключалось не в том, что она давала универсальную и окончательную картину природы, а в том, что она определила второй этап в историческом ходе развития физики. Этот этап начался с возникновением электродинамики Макс - велла, а завершился неудачными попытками построить единую теорию поля как универсальной физической теории, которая охватывала бы все явления природы.

Во время своего формирования электродинамическая картина мира создавала возможности для возникновения все новых физических теорий, которые влияли на ее развитие.

Построение квантовой механики была бы невозможной, если бы в работах М. Планка, А. Эйнштейна, Н. Бора не были заложены основы третьей в истории физики квантово-полевой картины мира (рис. 18.8).

Рис. 18.8

Первым этапом квантово-полевой картины мира была гипотеза Планка. Затем А. Эйнштейн сделал следующий шаг к построения новой картины мира, выдвинул идею о кванты излучения как о структурные элементы поля. И наконец, Н. Бор, основываясь на данных спектроскопии и на элементах атомной физики, выдвинул свои знаменитые постулаты.

После этого построение квантово-полевой картины мира осуществляется быстрыми темпами в работах Л. де Бройля, Э. Шредингера и В. Гейзенберга.

В основе квантово-полевой картины мира лежат качественно новые представления о материи и движении, взаимодействие и взаимосвязь, причинности и закономерности.

Если в основе механической картины мира лежат корпускулярные представления о материи, в основе электродинамической картины мира - волновые, то в квантово-полевой картине мира - корпускулярно-волновые представления о материи. Это побуждает отказаться от лапласівського детерминизма и привычного понимания взаимодействия. Если раньше еще можно было надеяться на то, что развитие статистической физики и статистических представлений не касается классического понимания причинности, то теперь окончательно выяснилось, что эта надежда была напрасной.

Выяснилось, что представление о мире как механическую или электродинамическую систему должны быть отброшены. Вместо них сформулировано представление о мире как о всеохоплювальну квантово-полевую систему, в которой объективные не только необходимые, но и случайные события.

Важнейшей особенностью квантово-полевой картины мира является то, что она синтезировала идеи дискретности, присущие механической картине мира, и идеи непрерывности, присущие электродинамической картине мира. Причем следует отметить не на простом сочетании этих идей, а на диалектическом синтезе их, который касается всех без исключения физических явлений. Поскольку квантово-полевая картина мира изменила электродинамическая, для которой главным является понятие непрерывности, то в процессе формирование квантово-полевой картины мира важно в первую очередь опираться на идею дискретности.

Значение квантово-полевой картины мира нельзя абсолютизировать, поскольку истинное ее значение заключается не в том, что она отражает некую универсальную и окончательную картину мира. Квантово-полевые представление развиваются так же, как развивались электродинамические и механические представление и подобно тому, как в первой половине XX в. квантово-полевая картина мира изменила электродинамическая. Через некоторый промежуток времени новая физическая картина четвертая в историческом развитии физики, непременно придет на смену современной квантово-полевой картине мира. Итак, квантово-полевая картина мира создала новые возможности для построения физических теорий, а с развитием новых теорий развивалась и сама. Анализируя развитие квантово-полевой картины мира, можно прийти к выводу, что хотя она и прошла две стадии своего развития, однако возможности ее расширения еще не исчерпаны.

Эти положения подтверждаются и конкретизируются при анализе развития физических теорий на всех трех исторических этапах, которые существовали в развитии физики, и связаны с соответствующими физическими картинами мира. Проведенный анализ показывает, что смена физических картин мира при их взаимодействии с физическими теориями и философскими идеями можно передать в общих чертах с помощью схемы (см. рис. 18.8). В левом столбике размещено философские представления о природе и познания, которые существенно повлияли на развитие физических картин мира. Средний столбик отражает изменение физических картин мира и их эволюцию. Правый столбец относится к развитию самих физических теорий. Связи и взаимовлияния физических теорий, физических картин мира и философских концепций показано стрелками. Штриховыми линиями показаны качественные прыжки, для которых труднее проследить непосредственную логическую связь.