"Скажите принцу, чтоб и зрелым мужем
Былым мечтам он оставался верен,
Чтоб остерёгся гнилостного червя
Не допустил хвалёный высший разум
Проникнуть в сердце Божьего цветка.
Чтоб оставался твёрд, когда хулою
Обрушится ветшающая мудрость
На вдохновенье - дар высокий неба" (Цит. по: Шиллер Ф. Избранные произведения. В 2-х т.: Т. 1 /Пер. В. Левик. - М., 1959. - С. 523).
Именно это вдохновение руководило Фарадеем, Максвеллом и Герцем, которые выработали новые понятия, образовавшие новую картину мира. "Потребовалось большое научное воображение, чтобы уяснить себе, что не заряды и не частицы, а поле в пространстве между зарядами и частицами существенно для описания физических явлений" (См.: Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. В 4-х т.: Т. IV. - С. 512). Понятие поля оказалось весьма удачным и привело к формулированию уравнений Максвелла, описывающих структуру электромагнитного поля.
Поле оказалось весьма полезным понятием. Оно возникло как нечто, помещённое между источником и магнитной стрелкой, для того чтобы описать действующую силу. Первый успех описания с помощью поля показал, что оно может быть удобным для рассмотрения всех действий токов, магнитов и зарядов.
Итак, поле можно рассматривать как нечто такое, что всегда связано с током. Оно существует, даже если отсутствует магнитный полюс, с помощью которого можно выявить его наличие.
Прежде всего заметим, что поле заряженного проводника может быть введено почти таким же образом, как и поле тяготения или поле магнита. Чтобы изобразить поле положительно заряженной сферы, следует задать вопрос: какого рода силы действуют на маленькое положительно заряженное пробное тело, помещённое вблизи источника поля, т.е. вблизи заряженной сферы? Тот факт, что мы берём положительно, а не отрицательно заряженное пробное тело, является простым соглашением, которое определяет, в каком именно направлении должны быть нарисованы стрелки силовых линий. Данная модель (рис. 1) аналогична модели поля тяготения (рис. 2) в силу сходства законов Кулона и Ньютона. Единственное различие между обеими моделями состоит в том, что стрелки расположены в противоположных направлениях. В самом деле, два положительных заряда отталкиваются, а две массы притягиваются. Вместе с тем поле сферы с отрицательным зарядом (рис. 3) будет идентичным полю тяготения, поскольку маленький положительный пробный заряд будет притягиваться источником поля (См.: Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. В 4-х т.: Т. IV. - С. 441).
Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3
Если рассуждать дальше и предположить, что электрическая сфера, которая до сих пор была в покое, пришла в движение под воздействием некоторой внешней силы, то поле электрического заряда будет изменяться с течением времени. Но движение этой заряженной сферы эквивалентно току, который сопровождается магнитным полем. Итак, физики пришли к следующему выводу: изменение электрического поля, произведённое движением заряда, всегда сопровождается магнитным полем.
Если колеблющийся заряд перестаёт двигаться, то его поле становится электростатическим. Но серия волн, созданных колебанием заряда, продолжает распространяться. Волны ведут независимое существование, так что история их изменений может быть прослежена так же, как и история любого другого материального объекта.
С введением понятия поля в физике произошло нечто весьма важное. Постепенно, хотя и не без борьбы, это понятие завоевало прочное положение в науке. Но было бы неверным считать, что идея поля освободила физику от заблуждений старой теории электрических жидкостей или что эта новая идея разрушает старую (в теории Максвелла мы, например, ещё обнаруживаем понятие электрического заряда, хотя заряд понимается только как источник электрического тока).
Сначала теоретики поле рассматривали как нечто, что в перспективе можно будет истолковать механистически с помощью эфира. Но со временем стало ясно, что эту программу осуществить невозможно. Единственный выход - это допустить, что пространство обладает физическим свойством передавать электромагнитные волны. Вместе с тем, по всей вероятности, слово "эфир" употреблять всё же можно, но исключительно для того, чтобы выразить вышеупомянутое физическое свойство пространства. "Слово эфир изменяло свой смысл много раз в процессе развития науки. В данный момент оно уже не употребляется для обозначения среды, построенной из частиц. Его история, никоим образом не законченная, продолжается теорией относительности" (Там же. - С. 452).
Итак, мы имеем две реальности: поле и вещество. Мы должны принять оба понятия. Но возникает вопрос: а можно ли считать поле и вещество двумя различными, совершенно несходными реальностями? Что составляет физический критерий, с помощью которого можно различить вещество и поле?
Когда не была известна теория относительности, ответ был простым: вещество имеет массу, а поле её не имеет. Такой ответ в сфере новых знаний совершенно недостаточен. Из общей теории относительности мы знаем, что вещество представляет собой огромные запасы энергии, и что энергия представляет вещество (См.: Там же. - С. 510). Таким образом, очень трудно провести качественное различие между полем и веществом, поскольку различие между массой и энергией, видимо, не качественное. Какой-либо резкой границы, разделяющей поле и вещество, невозможно себе представить. "Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путём можно было бы прийти к новым представлениям о природе. Их конечная цель состояла бы в объяснении всех событий в природе структурными законами, справедливыми всегда и всюду... В нашей новой физике не было бы места и для поля, и для вещества, поскольку единственной реальностью было бы поле. Этот новый взгляд внушён огромными достижениями физики поля, успехом в выражении законов электричества, магнетизма, тяготения в форме структурных законов и, наконец, эквивалентностью массы и энергии" (Там же. - С. 511).
Однако, авторы сочинения "Эволюция физики" констатировали, что "до сих пор мы не имели успеха в последовательном и убедительном выполнении этой программы". Поэтому во всех построениях "мы всё ещё должны допускать две реальности - поле и вещество" (Там же).
Развитие квантовой физики, начавшееся со знаменитой статьи М. Планка "О строении атомов и молекул" (1913), показало, что излучение носит двойственный корпускулярно-волновой характер. Нильс Бор не согласился с эйнштейновскими световыми квантами, предполагавшими дискретность пространственной структуры излучения. В вопросе о природе света Бор увидел гораздо более общую (не столько физическую), сколько методологическую проблему. Он писал, что "вопрос о существовании или отсутствии связи отдельных атомарных процессов нельзя просто рассматривать как различие между двумя чётко определёнными толкованиями распространения света в пустом пространстве, которые соответствовали бы корпускулярной или волновой теории света" (Бор Н. О действии атомов при соударениях //Бор Н. Избранные научные труды. Т. 1. - М., 1970. - С. 560). Речь, вероятнее всего, должна идти о том, насколько пространственно-временные представления, с помощью которых физики пытаются объяснить явления природы, применимы к описанию атомных процессов.
Следует подчеркнуть, что в классической механике всякая частица движется по определённой траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы её координата и импульс. Напротив, микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенным образом отличаются от классических частиц. Это следует из корпускулярно-волновой природы микрочастиц. Так, понятие "длина волны в данной точке" лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны (
[Image001]
)**, то микрочастица с определённым импульсом имеет полностью неопределённую координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то её импульс является полностью неопределённым.
______________ ** Р - импульс микрообъекта, h - постоянная Планка, л - длина волны.
В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц, пришёл в 1927 году к следующему выводу: объект микромира невозможно одновременно с любой наперёд заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, микрочастица не может иметь одновременно координату х и определённый импульс р. Причём, неопределённости данных величин удовлетворяют условию
[Image002]
,
т.е. произведение неопределённостей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.
Невозможность одновременно точного определения координаты и импульса является следствием специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы.
Принцип дополнительности. По свидетельству В. Гейзенберга, основы идеи дополнительности выкристаллизовались у Н. Бора в начале 1927 года, во время отдыха в Норвегии, после нескольких месяцев изнурительной работы. Первым публичным изложением концепции дополнительности была лекция Бора, прочитанная 16 сентября 1927 года на Международном физическом конгрессе в Комо (Италия), посвящённом памяти Вольта.
Бор констатировал, что использование классических физических представлений в атомной физике является ограниченным. Данное обстоятельство породило стремление совершенно избавиться от классических понятий и образов. Однако Бор не сомневался в том, что "интерпретация эмпирического материала в существенном покоится именно на применении классических понятий" (Бор Н. Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории //Избр. науч. труды. Т. 2. - М., 1971. - С. 30). Таким образом, отказываться от классических понятий нельзя, и в то же время применяться они должны не во всей полноте.
В ходе долгих размышлений Бор пришёл к необходимости расщепления единого классического описания микромира на два дополняющих и исключающих друг друга. Это обоснование опирается на два исходных пункта: во-первых, на так называемый квантовый постулат, а во-вторых, на подчинение квантовому постулату процессов наблюдения атомных явлений (См.: Алексеев И.С. Концепция дополнительности: историко-методологический анализ. - М.: Наука, 1978. - С. 17).
Согласно квантовому постулату, "каждому атомному процессу свойственна существенная прерывность или, скорее, индивидуальность, совершенно чуждая классической теории и выраженная планковским квантом действия" (Бор Н. Квантовый постулат и новейшее развитие атомной теории //Там же. - С. 30). По мнению Бора, обычное (классическое) описание природы "покоится всецело на предпосылке, что рассматриваемое явление можно наблюдать, не оказывая на него заметного влияния" (Там же. - С. 31). Совсем другое дело, когда мы описываем квантовый мир. "Согласно квантовому постулату, всякое наблюдение атомных явлений включает такое взаимодействие последних со средствами наблюдения, которым нельзя пренебречь" (Там же). А поскольку взаимодействие наблюдаемых микрообъектов и средств наблюдения имеет неделимый характер, то ни явления, ни средства наблюдения не обладают статусом самостоятельной реальности.
"Итак, классические понятия пространственных координат и времени... а также энергии и импульса... остаются применимыми, - пишет И.С. Алексеев, и в квантовой области. Меняется только способ их сочетания - в строгом, точном смысле они не могут применяться совместно. Поэтому дополнительный способ описания можно назвать неклассическим употреблением классических понятий" (Алексеев И.С. Указ. соч. - С. 19).
Принцип дополнительности, который Н. Бор сформулировал в 1927 году, звучит следующим образом:
получение экспериментальной информации об одних физических величинах, описывающих микрообъект (элементарную частицу, атом, молекулу), неизбежно связано с потерей информации о некоторых других величинах, дополнительных к первым" (См.: Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания. - С. 161).
Такими взаимно дополнительными величинами можно считать, например, координату частицы и её скорость (или импульс).
Принципы причинности и соответствия. Некоторые исследователи из соотношения неопределённостей делают вывод о неприменимости принципа причинности к явлениям микромира. При этом они опираются на следующие соображения. В классической механике по известному состоянию системы в некоторый момент времени и силам, приложенным к ней, можно абсолютно точно описать её состояние в любой последующий момент. Микрообъекты, напротив, не могут иметь одновременно и определённую координату, и определённую соответствующую проекцию импульса. Отсюда делается тот вывод, что в начальный момент времени состояние системы точно не определяется. А если это так, то невозможно прогнозировать последующие состояния системы, т.е. происходит нарушение принципа причинности.
Однако в действительности ничего подобного не происходит. Ведь само понятие состояние микрообъекта приобретает иной смысл, чем в классической физике. В квантовой механике состояние микрообъекта описывается волновой функцией. Её задание для данного момента времени определяет её значение в последующие моменты (См.: Там же. - С. 165).
В становлении квантово-механических представлений выдающуюся роль сыграл выдвинутый Н. Бором в 1923 году принцип соответствия, согласно которому всякая новая более общая теория, являющаяся развитием классической, не отвергает её полностью, а включает в себя классическую теорию, указывая границы её применения, причём в определённых предельных случаях новая теория переходит в старую (См.: Там же).
Но нам следует проявить бoльшую внимательность в обращении с принципом соответствия. Так, всё богатство отношений между старой классической механикой и механикой релятивистской А. Эйнштейн не сводил к категориям "предельного" и "частного", хотя довольно часто и там, где это было уместно сделать, он прибегал к их помощи (См.: Лукьянов А.В. Идея развития в основаниях специальной теории относительности //Теория развития и естествознание. - М., 1989. - С. 123-124). Нам думается, что представленная в литературе точка зрения, согласно которой "классическая механика как совокупность сужений (а не формул!) не является ни предельным, ни частным случаем релятивистской механики" (См.: Войшвилло Е.К., Купцов В.И. К вопросу о преемственной связи теорий //Принцип соответствия: историко-методологический анализ. - М., 1979. - С. 138), заслуживает определённого внимания. Несомненно, что элементы преемственной связи между данными теориями нуждаются в своём дальнейшем уточнении. Однако мнение о том, что релятивистская механика есть простое расширение классической (за счёт введения новых понятий) (См.: Там же) нам представляется всё же неубедительным, поскольку не учитывает всей специфики и революционного характера изменений, происшедших с фундаментальными понятиями физики.
Итак, исключительная абстрактность квантово-механических формализмов, значительные отличия от классической механики (например, отсутствие понятия электронной орбиты) рождали ощущение незавершённости новой теории. В результате возникла дискуссия о том, каким путём можно было бы её завершить. А. Эйнштейн полагал, что квантово-механическое описание физической реальности не является полным. "Квантовая физика формулирует законы, управляющие совокупностями, а не индивидуумами. Описываются не свойства, а вероятности, формулируются не законы, раскрывающие будущие системы, а законы, управляющие изменениями во времени вероятностей и относящиеся к большим совокупностям индивидуумов" (Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики //Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. В 4х т.: Т. IV. - С. 543).
Напротив, Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн развивали ту мысль, что новая теория является фундаментальной и представляет нам полное описание физической реальности. Прояснить существующее положение дел можно было бы путём более углублённого "исследования проблемы наблюдений в атомной физике" (Борн Н. Избр. науч. труды. - М., 1971. - Т. 2. - С. 405). Другими словами, Н. Бор и его единомышленники полагали, что дело заключается в разработке методологических установок квантовой механики, с помощью которых можно было бы наиболее адекватным образом интерпретировать созданный математический формализм.
Невозможность провести резкую грань между объектом и прибором выдвинула две задачи: 1) Каким образом можно отличить знания об объекте от знаний о приборе? 2) Как, различая их, связать в единую картину, т.е. дать теорию объекта?
Описывая микрообъект, мы как бы вынуждены говорить на классическом языке. В то же время мы понимаем, что с помощью этого языка нельзя выразить все особенности микрообъекта, который перестаёт быть классическим.
Первая задача разрешается введением требования описывать поведение прибора на классическом языке, а статистическое, вероятностное поведение микрочастиц - на языке квантово-механических формализмов. Вторая задача решается путём введения принципа дополнительности, популярная формулировка которого гласит: "волновое и корпускулярное описания микропроцессов не исключают и не заменяют друг друга, а взаимно дополняют друг друга" (См.: Найдыш В.М. Концепции современного естествознания: Учеб. пособие. - М.: Гардарики, 2001. - С. 276). Единая картина микрообъекта синтезирует, таким образом, причинное описание процессов в микромире и пространственно-временное описание в одно единое целое.
Разработка методологических проблем квантовой механики ещё больше подтвердила следующую мысль А. Эйнштейна: хотя разработка теории поля и поколебала фундаментальные понятия времени, пространства и материи, "одна опора здания оказалась незыблемой: гипотеза причинности" (Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. В 4-х т.: Т. IV. - С. 106). Действительно, одной из методологических установок неклассической физики является признание причинности как одного из элементов всеобщей связи и взаимообусловленности вещей, явлений, событий материального мира, признание, что причинность присуща и микропроцессам. Однако характер причинной связи в микромире отличен от механистического детерминизма. Причинность здесь реализуется через многообразие случайностей, в силу чего микропроцессам свойственны не динамические, а статистические закономерности.
Достаточно интересно само по себе уже то обстоятельство, что неклассические способы описания микрообъектов позволяют получать объективные описания природы. Однако объективность знания не должна отождествляться с наглядностью. Создание механической наглядной модели вовсе не синоним адекватного физического объяснения исследуемого явления. Поэтому подлинно научная теория должна учесть достижения трансцендентальной мысли, т.е. современный исследователь призван рассматривать не только способы для описания поведения познаваемых объектов, но и способы для описания условий познания, включая сюда и саму процедуру научного исследования.