Становление механистической картины мира.

Классическая наука, классическая механика возникла в 17 в. трудами нескольких величайших мыслителей, среди которых центральное место занимает Галилей. Галилей опирался на те физические идеи, которые были связаны с введением гелиоцентрической системы Коперника. Тем самым он разрушил основы физики Аристотеля – он отверг как динамику Аристотеля, так и его представления о пространстве и времени. И если динамика Аристотеля была общей теорией изменения, то Галилей ограничился построением только теории перемещения. При построении теории перемещения Галилей в рамках формирующегося механистического мировоззрения высказывает несколько философско-методологических гипотетических предположений о сущности материи и ее строении. У Галилея материя предстает как всегда себе равная, самотождественная, неизменная сущность, т.е. получает характеристику, которую Платон давал умопостигаемому бытию – идее, а Аристотель – форме. При этом оставляется без внимания такая характеристика материи как становление. Введение понятия «неделимое», или «бесконечно малое», Галилеем фактически узаконивает апорию Зенона и превращает ее из орудия разрушения в орудие созидания. Так, он утверждает, что из лишенных величины элементов можно составить как угодно большое тело при условии, что этих лишенных величины составляющих будет бесконечное множество. Галилей утверждает, что континуум (например, пространственный или временной) состоит из парадоксальных неделимых – они сами не имеют величины, но из их бесконечного множества составляется любая конечная величина. Таким образом, мышление Галилея глубоко противоречиво. Галилей одно непонятное – лишенную величины составляющую часть тела – хочет сделать инструментом познания с помощью другого непонятного – актуально существующего бесконечного числа, которого не принимала античная ни средневековая наука.

С помощью противоречивого понятия «неделимого» или «бесконечно малого» Галилей вводит важнейшую категорию механики – мгновенную скорость. На основе развиваемого принципа непрерывности Галилей фактически приходит к конструированию, изобретению геометрико-кинематической схемы механического движения. Он тем самым сближает идеализированный физический объект с математическим объектом. Тем самым Галилей решает целый ряд проблем развития физического познания. Во-первых, он снимает различие между физикой как наукой, объясняющей причины движения, и математикой как наукой, позволяющей описывать это движение, т.е. формулировать его, движения, закон. Во-вторых, он ставит вопрос о том, что для физики важнее установить закон, описывающий процессы изменения явлений, чем искать, в духе Аристотеля, умопостигаемые причины последних. В-третьих, он меняет традиционное представление о том, что математика – это наука о неизменных сущностях, и тем самым кладет начало новому роду математики, способному как раз описывать движение и изменение, устанавливать закон изменения.

Решающую роль в становлении механики сыграли: принцип материального единства мира, принцип причинности, принцип экспериментальной обоснованности, принцип математического описания природных явлений. Все эти принципы явились философским обоснованием механистической картины мира. Окончательно сформировалась она после создания классической механики И. Ньютона.

Обобщенная конкретизация сути механистического подхода в научной программе Ньютона выражалась в следующих положениях. Во-первых, материя атомистична в своей сути. Она состоит из абсолютно твердых, массивных, непроницаемых, подвижных индивидуальных, отдельных частиц-атомов. Специфика атомистических воззрений Ньютона заключается в том, что отдельные частицы-атомы не только способны двигаться по инерции, сохраняя свое состояние. Во-вторых, по Ньютону, каждый атом представляет собой центр противоречивой силовой активности – отталкивающей, быстро уменьшающейся с расстоянием, и притягивающей, уменьшающейся с расстоянием и мгновенно действующей на расстоянии. Последняя и есть сила тяготения, которой наделенные все отдельные тела во Вселенной. При помощи силы тяготения дается объяснение (а не только математическое описание) явлений природы. В-третьих, движение материальных атомов, отдельных тел понимается как перемещение их в абсолютном пространстве (как бесконечной протяженности) с течением абсолютного времени (как длительности). Абсолютность пространства и времени означает, что ни протяженность, ни длительность не зависят от взаимодействий отдельных, конечных физических тел, находящихся в пространстве и времени.

Важнейшей стороной классической физики, классического, ньютоновского видения мира является аналитические его видение и, соответственно, аналитический метод исследования физических явлений и процессов. Любой материальный объект, согласно Ньютону, состоит из атомов или некоторых частей, которые хотя и взаимодействуют друг с другом, однако могут исследоваться как некие отдельные индивидуумы. Это значит, что любой отдельный объект, отдельная его часть могут быть выделены из окружения и рассмотрены как таковые, т.е. как самостоятельные, отдельные, конечные образования. Любой объект может быть расчленен на составляющие части вплоть до атомов. На любом уровне мыслимого анализа, «расчленения» физических объектов или явлений предполагается абсолютная, однозначная определенность свойств их частей.

Важно понять, почему возможен аналитический метод исследования. Во-первых, потому, что изменения в классически понимаемом мире имеют непрерывный характер, т.е. состояние, объекта, которое полностью определено в любой момент времени заданием положения скорости объекта, меняется непрерывно. Координаты и скорости физических объектов являются непрерывно изменяющимися величинами, т.е. выражаются непрерывными функциями времени. Именно на этом основано понимание движения в пространстве как движения по определенной кривой – траектории. Непрерывный характер изменения состояния объекта позволяет считать это изменение в принципе сколь угодно малым, уменьшая также непрерывный промежуток времени изменения. А во-вторых, сохранение индивидуальности, отделенности некоторого объекта возможно благодаря однозначному характеру происходящих с ним изменений. Ведь в классической механике если известно состояние определеного объекта в некоторый момент времени, а также все силы, приложенные к нему, то можно абсолютно точно предсказать состояние этого определенного объекта в любой последующий момент времени. Положение классической механики об однозначности поведения физического объекта в определенных условиях, жесткая однозначная связь его настоящего состояния с будущим, равно как и прошедшего состояния с настоящим носит название (принципа) классического детерминизма.

Таким образом, мы пытались раскрыть внутреннее, логическое единство элементов классического видения мира – аналитического метода исследования, принципа классического детерминизма и непрерывности изменения физических величин. Это единство «завязано», основано на очевидности и ясности понятия индивидуального, отдельного, конечного себетождественного материального объекта.

 

Становление электромагнитной картины мира, как этапа научного познания.

При исследовании электрических и магнитных явлений посредством механической картины мира возникали многочисленные трудности и противоречия. Радикальной основой разрешения последних явилась идея М.Фарадея, о существовании нового предмета физических исследований – непрерывной физической реальности, идея о среде, опосредующей взаимодействие между телами. Эта среда, непрерывная физическая реальность получила название «физическое поле». Фарадей открыл, таким образом, новую форму отдельного, конечного физического объекта, отличную от «атомарной», его формы. Если «атомарный» объект, отдельное тело имеет четкие пространственные границы, то поле является выражением иной формы конечности. Оно имеет пространственную определенность процесса, распространяющего в пространстве с течением времени. Поле – форма активной, динамической определенности, форма специфической отдельности, индивидуальности, позволяющей отказаться от идеи дальнодействия и ввести в физику концепцию близкодействия, локальности физических взаимодействий, сил.

Существенно, что идея о поле связывалась у Фарадея с идеей о взаимосвязи, взаимопревращаемости различных сил природы. Находясь под влиянием философских взглядов Шеллинга, который развивал целостно-диалектических подход к пониманию природной реальности, Фарадей, углубил понимание связи магнитных и электрических явлений, исследовал химические превращения в электрической цепи, размышлял о превращении света в магнетизм, тяготения – в электричество и магнетизм.

Д.К.Максвелл, являясь сторонником идей Фарадея, переводит качественные соображения Фарадея на математический язык, т.е. создает математическое описание электромагнитных явлений на основе представлений о близкодействии – на основе формализма теории поля, как говорят физики. Он создает систему четырех уравнений, которые позволяют описать с единой точки зрения огромное множество электрических, магнитных и оптических явлений. Главное в понимании сути нового видения мира, создаваемого в полевых уравнениях Максвелла, заключается в том, что законы электрического и магнитного воздействия выражены в них не через силы, действующие между зарядами на расстоянии, а в терминах теории поля. Электрические и магнитные явления записывались в форме локальной связи (связи в малой окрестности произвольной точки пространства) между зарядами и токами (как формами классической отдельности, конечности) и электрической и магнитной напряженностями (выражающими суть новой формы отдельности, конечности), пространственные и временные изменения которых вызывали воздействие на другие заряды и токи. После Максвелла физическая реальность мыслилась в виде непрерывных, не поддающихся механическому объяснению полей, описываемых дифференциальными уравнениями в частных производных. Это изменение понятия реальности является наиболее глубоким и плодотворных из тех, которые испытала физика со времен Ньютона».

Итак, теория Максвелла привела к коренному изменению физических концепций, отражающих реальность. Последняя стала описываться как в форме материальных точек, корпускулярных образований, так и в форме непрерывных полей, связывающих между собой материальные заряженные тела. С учением об электромагнитных явлениях в физические концепции проникает идея возникновения, становления: электрические и магнитные поля порождают друг друга. Описание физического мира приобретает черты процессуальности, в нем начинают отражаться черты возникновения новых отношений, что не было присуще статическому миру классической механики Ньютона.

Вместе с тем это были только первые попытки размывания классического физического мышления. Классическое аналитическое видение мира и связанный с ним аналитический метод исследования остаются доминирующими в полевой научной программе. Непрерывность и однозначность характеристик поля вкупе с определенностью поля как физического объекта лапласовско-детерминистического мира классической механики остаются неизменными. Все в мире непрерывных полей и локализованных корпускул остается однозначно определенным. Жесткая однозначная связь настоящего с будущим, равно как и прошедшего с настоящим, остается незыблемой. Вневременность мира физических явлений остается непоколебимой, ибо уравнения Максвелла инвариантны, неизменны, симметричны относительно замены параметра времени «t» на «-t». Можно сказать, повторяя Койре, что электродинамика есть теория становления без становления, в ней объективно-диалектический процесс возникновения нового не удерживается в мысли, в существующей системе понятийных средств.

Выделим еще один важнейший аспект создания теории электромагнитного поля. В физике стала возникать полевая картина мира. Электромагнитное поле стало пониматься как первичная, ни к чему не сводимая реальность. Возникли попытки понять «атомы» вещества как своеобразные состояния полевой материи. Эти попытки столкнулись с принципиальными трудностями, природа которых в полной мере стала ясна после создания квантовой механики.

Итак, в физике возникли две взаимосвязанные физические теории, базирующиеся на совершенно различных представлениях о сути отдельного физического объекта, различных представлениях о физических формах конечности. Тем самым научно-теоретическая мысль (в который раз, начиная с Зенона) столкнулась с вечной проблемой соотношения дискретного, отдельного и непрерывного, бесконечно делимого. Апории Зенона, привлекавшие внимание ученых на каждом переломном этапе развития физики, показывают, что существующие в науке методы анализа пространства, времени и движения и существования отдельного объекта, внутренне противоречивы. В конце 19 в. эти апории приняли форму необходимости вскрытия характера связи различных форм конечности, отдельности, физической индивидуальности.

В чисто физическом плане проблемность понимания соотношения непрерывного и дискретного, соотношения различных форм конечности, отдельности проявилась в виде бесконечности электромагнитной энергии электрона. Более того, когда электрон удалось разогнать с помощью внешнего электрического поля до скорости, близкой к скорости света, то обнаружилось, что для электрона, движущегося с большой скоростью, законы ньютоновской механики перестают быть справедливыми. Объясняя взаимодействие быстродвижущегося электрона с электромагнитными полями, в том числе с тем, которые создаются им самим в процессе движения, физики пришли к необходимости признания зависимости массы электрона от скорости.

Предположение, что масса классически понимаемого физического объекта может зависеть от его скорости, произвело потрясение в мире ученых. Ведь в соответствии с ньютоновской картиной мира, обогащенной идеями Фарадея-Максвелла о реальности силового поля, масса считалась постоянной и неуничтожимой, абсолютно определенной. Идея об абсолютной определенности, неизменности массы является той идеей, которая позволяла понять все многообразие изменений в физическом мире. Более того, было доказано, что атом лишился своей вечности и неделимости.

Квантово-релятивистская картина мира строится на концепции физики элементарных частиц и включает в себя КЭД, КХД и КАД.

Приступая к краткому рассмотрению того видения физической реальности, которое связано с физикой элементарных частиц, совершенно однозначно можно утверждать, что эта физика изучает сложнейшие процессы формообразования, процессы рождения нового, рождения и гибели элементарных частиц. Концепция «элементарной» частицы как неизменной, неуничтожимой, как отдельной, «атомистической», квазиклассической форме конечности, неприемлема в физике элементарных частиц, в физике субмикромира. Элементарные частицы находятся в непрерывном процессе рождения и уничтожения, в непрерывном процессе становления, формообразования. В основе нашего относительно стабильного мира лежит Хаос непрерывного возникновения и уничтожения многообразных форм конечности.

Важнейшим моментом понимания процессов в субмикромире является все более расширяющееся в процессе углубления в сущность этой области применение законов сохранения. Рассмотрение всех этапов развития физики, несомненно, свидетельствует о том, что законы сохранения неуклонно превращались в центральную, доминирующую концептуальную часть физического мышления. И произошло это не только благодаря их простоте – имелись еще два других основания. Первое основание – это наличие связи между законами сохранения и принципами инвариантности и симметрии в природе. Второе основание лучше всего может быть охарактеризовано как новый взгляд на мир, в котором законы сохранения выступают в качестве фундаментальных законов природы.

В основе этого нового взгляда лежит неклассическое представление о господстве порядка над Хаосом (в отличие от классики, где считалась, что Хаос господствует над порядком). Новый взгляд утверждает порядок, который реализуется в виде законов сохранения и который объемлет Хаос непрерывного уничтожения и рождения, непрерывных процессов формообразования, происходящих в микромире. Возможно, что единственным ограничением Хаоса событий в мире сверх малого являются запреты, налагаемые законами сохранения. Все, что может происходить без нарушения законов сохранения, действительно происходит.

Эта новая точка зрения, своего рода демократия в природе (свобода в рамках закона), характеризует кардинальные изменения представлений о сущности природы, ее законах. Согласно классическим представлениям фундаментальные законы природы должны быть законами дозволения. Согласно новой точке зрения наиболее фундаментальные законы носят характер запретов. Все сказанное о формеобразовании Хаоса, регулируемом законами сохранения, - это важнейший шаг в процессе понимания микрореальности.

Одним из ключевых понятий современной физики элементарных частиц является понятие квантового поля. Это понятие отражает черты простейшего глубочайшего основания мироздания, из которого состоят частицы и весь материальный мир. Оно отражает также относительность понятий поля и частицы, относительности, выраженной уже в квантовой механике. Но если в последней говорят о микрообъекте, хотя и обладающем волновыми свойствами, но отличном от классических полей, то в понятии квантованного поля, ключевом понятии релятивистской квантовой механики (квантовой теории поля) как теории элементарных частиц, исчезают последние остатки различия между полей и частицей. С точки зрения квантовой теории поля частица есть квант возбуждения соответствующего поля. Различные квантовые поля взаимодействуют друг с другом, кванты-частицы рассеиваются, переходят в кванты-частицы других видов, т.е. происходит описание процесса формообразования, процесса рождения нового.

Теория квантованного электромагнитного поля и электронно-позитронного поля получила название квантовой электродинамики (КЭД).

Итак, под квантованным полем понимается квантованная система с переменным числом частиц, которые могут возникать и исчезать в процессе квантово-полевого взаимодействия. Состояние квантованного поля описывается весьма специфической волновой функцией, которая определяет наличие в системе того или иного числа частиц – квантов поля. Оказывается, существует такое состояние поля, в котором нет ни одного кванта, - оно называется основным или вакуумным. Вакуум квантовой теории поля – это не абсолютная пустота, как можно было бы подумать, а особая физическая среда, проявляющая себя в опыте. Так, в случае квантового электромагнитного поля среднее значение квадрата напряженности электрического и магнитного полей в вакууме не равно нулю, что приводи к лэмбовскому сдвигу уровней энергии в атоме водорода, измеряемому с очень большой точностью в эксперименте. Поле в вакуумном состоянии поляризуется, приобретает определенную плотность энергии.

В вакууме происходит рождение виртуальных частиц. Промежуточный виртуальный электрон «черпает» энергию из вакуума, рождается из него. Неопределенность энергии определяет время его виртуального существования.

Эфир, изгнанный из физики специальной теорией относительности, в преобразованном виде возвращается в физику. Свойства нового вида материи – вакуума-эфира – во многом парадоксальны и, тем не менее, фундаментальны.

Можно сказать, что физики приходят к необходимости построения «вакуумной картины мира», согласно которой вакуум является выражением объективного единства мира, некоторым объединяющим началом многообразия физических взаимодействий и даже источником возможного существования бесконечного множества миров.

После создания КЭД возникли идеи о последовательном применении ее методов, воплощении ее видения субмикрореальности в понимании не только электромагнитного, но и двух других видов взаимодействий – сильного ядерного и слабого ядерного. Рассмотрим, как физикам удалось описать сильное взаимодействие.

Обращаясь к описанию сильного взаимодействия, естественно предположить, что сильное ядерное взаимодействие между кварками должно переноситься какой-то виртуальной частицей, подобно тому как электромагнитное взаимодействие переносится посредством излучения виртуального фотона одной частицей и его поглощения другой. Прежде всего, оказалось, что каждый выделенный в ядре кварк (например, d кварк или u-кварк, различие которых выражается некоторым квантовым числом, зарядом, получившим название аромата) обладает еще одним квантовым числом, зарядом, принимающим три значения и получившим название «цвет». И тогда у физиков возникла идея, что именно цвет есть тот специфический заряд, который может объяснить многообразие адронных превращений, что последние, т.е. сильные ядерные взаимодействия есть проявление цветового взаимодействия. По аналогии с КЭД была построена теория цветового взаимодействия, получившая название квантовой хромодинамики (цветодинамики), КХД.

В КХД цвета есть заряды сильного взаимодействия, и поэтому вводится поле цветового взаимодействия, связанное с этими зарядами. Такое поле, «склеивающее» кварки в адроны, называется глюонным. Частица – квант глюонного поля называется глюоном. Вокруг позитрона за счет облака виртуальных частиц всегда существует небольшой избыток отрицательного заряда, который частично экранирует положительный заряд позитрона (поляризации вакуума). Этот «ослабленный заряд позитрона и измеряется в обычных опытах. Однако в КХД возможен новый процесс, который отсутствует в КЭД. Вспомним, что переносчики электромагнитных сил – фотоны – электронейтральны. В отличие от них переносчики цветовой силы глюоны – обладают цветовым зарядом и поэтому могут рождать новые виртуальные глюоны. Этот процесс ведет к «размазыванию» цветового заряда, т.е. к явлению, прямо противоположному экранированию. На малых расстояниях этот процесс преобладает над экранированием. Теперь частица с цветовым зарядом, подходя все ближе к кварку, проникая все глубже и глубже в облако размытого цветового заряда, встречает в центральных частях частицы все меньший и меньший заряд, и поэтому интенсивность взаимодействия ослабевает на достаточно малых расстояниях.

Если даже сообщить кварку очень большую энергию, «резиновый шнур» разорвется и на месте разрыва за счет сообщенной энергии возникает пара – кварк и антикварк. Улетающий кварк утащит за собой возникающий на месте разрыва антикварк и они вместе составят мезон, который вылетит из адрона вместо одиночного кварка.

Обратимся, наконец, к краткому анализу слабого взаимодействия, ответственного за распад элементарных частиц. Прежде всего, исходя из концепции близкодействия, локального характера взаимодействия, поставим вопрос о тех частицах, которые ответственны (подобно фотону и глюону в электромагнитном и сильном взаимодействиях) за перенос слабого взаимодействию. Исходя из соотношения неопределенностей и опираясь на эмпирически полученный радиус слабого взаимодействия, можно определить, что масса переносчика слабого взаимодействия равно приблизительно 100 массам протона.

Были найдены частицы - переносчики слабого взаимодействия, получившие название векторных бозонов.

Принято говорить что и кварки отличаются «ароматом». Слабое взаимодействие может, в общем случае, менять аромат частиц. Поэтому теория слабых взаимодействий получила название квантовой ароматодинамики – КАД. Таким образом, существуют три квантово-полевые теории – КЭД, КХД и КАД.

Коснемся еще одного существенного момента развития физики микромира. В квантово-релятивистском описании появляются не имеющие физического смысла и ненаблюдаемые объекты. В этом описании не преодолена и проблема бесконечностей: решение квантово-полевых уравнений приводит к бесконечно большим значениям ряда заведомо конечных физических величин, таких как масса, заряд и т.д. Было предложено определенное решение проблемы бесконечности – так называемы метод перенормировки, суть которого состоит в том, что, например, в уравнениях КЭД масса и заряд свободного электрона заменяются таковыми электрона, взаимодействующего с электромагнитным полем.

Размышления о природе трудностей квантовой теории поля привели физиков к необходимости осознания глубочайшего противоречия, лежащего в ее основании – противоречия между принципами специальной теории относительности и принципами квантовой механики, единство которых и составляет квантовую теорию поля. Данное противоречие состоит в следующем. В основе СТО (как и классической физики вообще) лежит предположение, что пространственно-временная локализация частицы допускает точную определенность ее импульсно-энергетических характеристик. Другими словами, в любой точке пространства-времени микрообъект имеет точные значения импульса и энергии. Пространственно-временное и импульсно-энергетическое описания движения микрообъекта едины. Но ведь данный факт, как мы помним, несовместим с требованиями квантовой механики. Пространственно-временная определенность ведет к полной импульсно-энергетической неопределенности, и наоборот, определенность импульса обусловливает полную неопределенность пространственных свойств микрообъекта. Именно поэтому многие физики считают, что главный недостаток современной физики элементарных частиц заключается в очевидной несовместимости двух фундаментальных теорий – СТО и квантовой механики, лежащих в основе квантовой теории поля.