Все темы. Лекция по дисциплине История и философия науки

• Название: Лекция по дисциплине История и философия науки
• Дата: 27.01.2023
• Размер: 1.24 Mb.
• Имя файла: Все темы.docx
• Тип: Лекция; #908092
• страница: 25 из 50

2

Двадцать лет, разделившие мировые войны, – время интенсивной интеллектуальной жизни. Несмотря на многомиллионные жертвы Первой мировой войны и разруху, экономический кризис 1929–1933 гг., установление в Европе тоталитарных режимов, наука развивалась быстрыми темпами. Значительные успехи были достигнуты в атомной и квантовой физике. 20-е годы подарили миру целое созвездие блистательных ученых, разработавших оригинальные конкурирующие теории и проводивших уникальные эксперименты.

В 1922 г. американец А. Комптон ставит опыт, давший поразительный результат: когда рентгеновские лучи ударялись о мишень, некоторые из них отклонялись на различные углы. Электроны, как будто встречая препятствие, отскакивали от нее. Но это противоречило волновой теории света. С точки зрения классической электродинамики рассеяние с изменением частоты невозможно. Значит, кванты света существуют, а электромагнитное излучение имеет корпускулярную природу. В следующем году П. Дебай дал детальный анализ эффекта Комптона, а Луи де Бройль допустил наличие у частиц волновых свойств. Он сделал смелое предположение: «дуализм волна – частица, известный физикам в случае света, должен быть справедлив также и для электронов; каждому свободно движущемуся электрону принадлежит, согласно этим идеям, плоская волна строго определенной длины, которая определяется постоянной Планка и массой»¹. Рождается, одобренная Эйнштейном, идея корпускулярно-волнового дуализма: электрон – одновременно волна и частицы материи. Постоянная Планка вскоре стала трактоваться как универсальная мера неопределенности, которая входит в законы микромира посредством этого дуализма.

В 1925–1926 г. оформляется квантовая механика. Причем, в двух версиях – матричной (В. Гейзенберг) и волновой (Э. Шредингер). Уравнение Эрвина Шредингера, наряду с уравнениями Ньютона, Максвелла, Эйнштейна – вершина научной мысли. Оно является основным динамическим уравнением нерелятивистской квантовой механики и описывает изменение состояния квантовых объектов, характеризуемого волновой пси-функцией (ψ). Квадрат модуля ψ, описывающий состояние квантово-механической системы, равен вероятности того, что величины, с помощью которых состояние системы задано, находятся в определенных интервалах значений. «Уравнение Шредингера описывает распределение и поведение материи и энергии в пространстве и во времени, а уравнение Эйнштейна показывает, как распределение материи и энергии формирует ткань самого пространства-времени. <…> В уравнении Шредингера пространство и время пассивны, в уравнении Эйнштейна они, напротив, активны»². Вскоре М. Борном предложена вероятностная интерпретация волновой функции.

Волновая и матричная механики оказались математически эквивалентными. П. Дирак разработал теорию преобразований, согласно которой теории Гейзенберга и Шредингера – специальные случаи общей формулировки квантовой механики. Дирак доказывал, что все алгебраические и функциональные соотношения динамических переменных Гейзенберга и Шредингера – одинаковые. Шредингеровская форма уравнения проста и более удобна для практических задач. Форма Гейзенберга тоже важна, ибо «устанавливает непосредственную аналогию с классической механикой, позволяя видеть, каким образом переносятся в квантовую теорию, например, законы сохранения»¹. Отметим, 1) что согласия на предмет физической интерпретации матричной и волновой механики их авторы не достигли; 2) к 1928 г. Дирак закончил работу над теорией релятивистской квантовой механики, в которой частицы движутся со скоростями, соиз меримыми со скоростью света.

Во второй половине 20-х гг., благодаря усилиям Н. Бора, формируется Копенгагенская интерпретация квантовой механики, доминирующая в физике до сегодняшнего дня. Ее положения были разработаны В. Гейзенбергом, В. Паули, М. Борном, П. Йорданом. Начиналась Копенгагенская интерпретация (термин появился в 1955 г.) с парадокса: эксперименты квантовой физики и атом описываются в понятиях классической физики, которые для этого непригодны. Противоречивость этих исходных положений и обусловил статистический характер квантовой теории².

Первый постулат «копенгагенцев»: вероятностная трактовка волновой функции. С ее помощью можно вычислить только вероятность обнаружения частицы в данном месте, однако она не дает возможности предсказать результат наблюдения; результат измерения наблюдаемых величин не может быть предсказан. Второй постулат: коллапс волновой функции. Микроскопический объект не существует, пока он не наблюдаем; между двумя актами измерения, наличие объекта (например, электрона) есть лишь абстрактная возможность. При наблюдении одна из возможностей трансформируется в реальность, а вероятности других состояний коллапсируют (становятся равными нулю). Субъективный элемент неизбежно вводится в описание атомных процессов, ибо измерительный прибор создан наблюдателем. Третий постулат: законы и уравнения квантовой физики, если не учитывается h, переводимы в формат классической физики (принцип соответствия Бора). Четвертый: волновые и корпускулярные свойства – две стороны одной «монеты» – взаимоисключающие и дополнительные (принцип дополнительности Бора). Пятый постулат представлен принципом неопределенности Гейзенберга: невозможно измерить с точностью, превышающей предельное значение (выраженное через h) некоторые пары наблюдаемых величин, не обладающих коммутативностью (координата и импульс, энергия и время). Другими словами, чем точнее мы измеряем одну характеристику частицы, тем менее точным будет измерение другой.

Оппоненты (наиболее известные – Эйнштейн и Шредингер) критиковали Бора и его сторонников за субъективизм, антиреализм, индетерминизм (отрицание наличия в квантовом мире причинно-следственных связей). На V Сольвеевском конгрессе (1927) Эйнштейн предпринял попытку спасти детерминизм и классический реализм. Его не устраивали вероятностная модель квантовой механики, принципы неопределенности и дополнительности (формулировка принципа дана Бором на конгрессе).

Бор видел мир сквозь призму эпистемологии, Эйнштейн – онтологии. Мир, считал Бор, это то, что мы знаем о нем благодаря наблюдению и эксперименту, задача науки – упорядочить эти знания. Следует отказаться от причинного пространственно-временного описания атомных процессов. Всякое наблюдение объектов микромира включает их взаимодействие со средствами наблюдения. Этим взаимодействием нельзя пренебречь. «Невозможно приписать самостоятельную реальность в обычном физическом смысле ни явлению, ни средствам наблюдения»³. Эйнштейн доказывал: наука определяет то, что есть, независимо от наблюдателя. Мир – совокупность вещей и фактов. В нем доминируют объективные причинноследственные связи, а не субъективно обусловленные потенциальные возможности. Эйнштейн отказывался, в отличие от Бора, считать квантовую механику замкнутой и полной теорией.

Квантовая теория внесла хаос в онтологию. Ненаблюдаемые объекты, способные быть и частицами, и волнами, таинственная пси-функция, фотоны, двигающиеся со скоростью света порождали много вопросов. Математический аппарат, с помощью которого все это описывалось, казался набором мистических абстракций, далеких от привычных описаний мира. Физическая теория, с точки зрения Эйнштейна, – дескрипция некоторого сегмента мира, который существует сам по себе. Квантовые явления – не исключение, их онтологический статус не может зависеть от наблюдателя, как утверждал Бор; коллапс ψ – методологическая уловка. Поэтому, квантовая механика пока не владеет всей объективной информацией о микромире, она – математическая модель, не претендующая на полноту, а ψ – удобное допущение, один из инструментов для предсказаний.

Бор и Гейзенберг считали, что формализм Копенгагенской интерпретации полон, ψ дает исчерпывающую информацию о состоянии системы, нет никаких скрытых параметров. «Неопределенность на квантовом уровне является неустранимым свойством природы, а вероятностный способ описания мира таким же фундаментальным, как и другие законы природы»¹. Задача ученого – не описывать квантовую реальность, а согласовывать предсказания с данными наблюдений и экспериментов.

Был и третий подход, представители которого (Л. де Бройль, Э. Шредингер) считали, что квантовые объекты – реальны и независимы от наблюдателя, ψ – отражает «жизнь» квантовых сущностей. Но их онтологический статус иной, чем у классических объектов. Причинность при переходе от квантовой реальности к реальности классической – не очевидна, скрытые параметры и нелокальность – допускаются.

В 1935 г. А. Эйнштейн, в содружестве с Б. Подольским и Н. Розеном, публикует статью, в которой формулирует вопрос: «Является ли описание реальности в квантовой механике полным?», т. е. находит ли в Копенгагенской интерпретации (другой теории, претендующей на полноту, в то время не было) отражение каждый элемент физической реальности? Авторы статьи стоят на позициях реализма и подчеркивают, что эти элементы не могут быть определены при помощи априорных философских рассуждений, но только обнаружены эмпирическим путем. Ответ на поставленный вопрос был дан в результате мысленного эксперимента, получившего название ЭПР-парадокс. Результат эксперимента: вопреки принципу неопределенности можно одновременно точно измерить и координату, и импульс частицы (хотя и косвенно). Отсюда делается заключение: «кванто вомеханическое описание физической реальности посредством волновых функций не является полным»². Если же допустить обратное, то нарушается принцип локальности, запрещающий мгновенное действие на расстоянии (влияние одного события на другое невозможно со скоростью, превышающей скорость света). Бор и Гейзенберг не согласились с выводом авторов статьи, которые выступили в качестве антиреалистов по отношению к теории. Контраргументы «копенгагенцев» были убедительными. Своей цели ЭПР-парадокс не достиг, но имел эвристические следствия. Дискуссии вокруг него продолжаются до сих пор. Они связаны с нелокальностью и проблемой наличия скрытых параметров, присущих частицам. Эти параметры – не измеряемы, но оказывают влияние на результаты измерения других параметров «жизни» частиц.

В 1935 г. Шредингер придумал своего знаменитого «Кота» дабы продемонстрировать несостоятельность Копенгагенской интерпретации: бедное животное пребывает в суперпозиции состояний, и пока наблюдатель не откроет ящик, кот жив и мертв одновременно. В парадоксе «Кот Шредингера» скрыт еще один вопрос: как привычный макромир людей и котов взаимодействует с микромиром радиоактивного распада, где граница между двумя реальностями?

В рассматриваемый период у квантовой физики, постигающей тайны субатомного мира, были и другие важные достижения. В. Паули открывает принцип запрета, согласно которому электроны – «индивидуалисты», они не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. «В атоме никогда не может быть двух или нескольких эквивалентных электронов, для которых в сильных полях значение всех квантовых чисел совпадают. Если в атоме есть электрон, для которого эти квантовые числа (во внешнем поле) имеют определенные значения, то это состояние «занято»¹. Из принципа следует наличие электронных оболочек атома, что и обусловливает разнообразие химических элементов и их соединений.

Этот принцип оказался приемлемым для всех элементарных частиц с полуцелым спином (такие частицы именуют фермионами). Статистика частиц с полуцелым спином была разработана Э. Ферми и П. Дираком, с целым – Ш. Бозе и А. Эйнштейном (отсюда – бозоны). Объяснить, что такое спин – непросто, ибо в окружающей нас реальности, которую успешно изучает классическая физика, ничего подобного не существуют. Вообще, мир атомов совсем не похож на привычное бытие чувственно воспринимаемых вещей. Квантовая реальность – это скорее математическая структура, косвенным образом проявляющая себя во время наблюдений и экспериментов. Спин – фундаментальное свойство частицы, собственный момент ее импульса. Это нечто, похожее на вращение. Но это не вращение частицы как таковой, ибо спин принимает только строго определенные значения (поэтому он – еще и квантовое число), равные либо целому, либо полуцелому числу h деленному на 2π (приведенная постоянная Планка). Это чудо квантовой природы открыто в 1925 г. Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом.

Значительно пополнился список элементарных частиц, пусть пока и гипотетических. П. Дирак теоретически обосновал существование первой античастицы – позитрона (1928). Она была зафиксирована при наблюдении космического излучения К. Андерсоном (1932). При столкновении частица (электрон) и античастица (позитрон) аннигилируют, превращаясь в два или три фотона. В. Паули предсказал существование нейтрино (1930), Х. Юкава – мезонов (1935). Вторая составляющая атомного ядра – нейтрон – экспериментально открыта Дж. Чедвиком в 1932 г. После этого события ученые стали исследовать взаимодействия нейтронов с ядрами. В США были сконструированы и запущены циклотрон и ускоритель протонов.

Э. Ферми – один из основоположников квантовой электродинамики – разработал правила квантования поля, создал количественную теорию бета-распада, открыл искусственную радиоактивность, обусловленную нейтронами (1934), теоретически доказал возможность осуществления цепной ядерной реакции деления урана (1939). В 1935 г. открыт уран-235 – изотоп, способный к самоподдерживающей цепной ядерной реакции. Немецкий радиохимик О. Ганн открывает ядерную изомерию и расщепление урана (1938). Это открытие стало эпохальным и приобрело огромное практическое значение. Деление ядер – источник огромной энергии в ядерном оружии и ядерных реакторах.

Продолжал давать результаты контакт физики и химии. Утвердились квантово-механические представления о структуре атома и природе химической связи. Периодичность свойств химических элементов стали корректно объяснять посредством апелляций к строению электронного атомного уровня. В 1927 г. выполнен первый расчет молекулы водорода, положивший начало квантовой химии (Ф. Лондон, В. Гайтлер). Вскоре было предложено два фундаментальных подхода – метод валентных связей – МВС (Л. Полинг, Дж. Слэтер) и метод молекулярных орбиталий – ММО (Ф. Хунд, Р. Малликен, Дж. Леннард-Джонс). «Сравнивая эти два метода, нетрудно заметить известные аналогии с теориями структурной химии XIX века – различия этих методов напоминают различия между новой теорией типов и теорией валентности. ММО, как некогда новая теория типов, рассматривает молекулу как принципиально новое, единое образование; МВС, подобно теории валентности, в значительной степени представляет собой аддитивный подход»². Был изобретен метод микроанализа органических веществ (Ф. Прегль), выполнен синтез новых радиоактивных элементов (Ф. и И. Жолио-Кюри) и т. д.

В рассматриваемый период ученые сделали ряд важных открытий, выдвинули несколько интересных гипотез в области астрономии. Я. Оорт и

Б. Линблад определили вращение Млечного Пути (1926–1927). Э. Герцшпрунг и Г. Рассел еще в 10-е гг. зафиксировали зависимость между све тимостью и температурой звезд, которая впоследствии трансформировалась в диаграмму, названную их именами (1933). Оказалось, что эта диаграмма отражает эволюцию звезд. «Чем тяжелее звезда, тем большей светимостью она обладает в главной последовательности и тем быстрее эволюционирует. Поэтому с течением времени главная последовательность скопления звезд, имеющих разные массы, но одинаковый возраст, демонстрирует тенденцию к выключению, которое смещается к все более и более низким светимостям»¹. Нахождение в главной последовательности – самый продолжительный этап в «жизни» звезды, он сопровождается термоядерными реакциями. Говоря простым языком, в этот период звезда хорошо «работает», т. е. имеет достаточную светимость. Солнце принадлежит главной последовательности, поэтому на Земле и существует жизнь. «Угасание» звезды – процесс стремительный (по космологическим меркам) и зависящий от массы звезды. Солнце, например, через 4–5 млрд. лет ждет судьба белого карлика.

В начале 30-х гг. Ф. Цвики предположил наличие во Вселенной скрытой массы и выдвинул, совместно с В. Бааде, гипотезу о существовании сверхплотных звезд. Они образуются в результате взрыва сверхновой и состоят из нейтронов. Такие звезды имеют микроскопический по космическим меркам диаметр и невероятно большую массу. Предположение о наличии нейтронных звезд было выдвинуто советским физиком Л. Ландау еще до открытия Дж. Чедвика. С. Чандрасекар изучает эволюцию белых карликов – звезд, лишенных источников термоядерной энергии и вычисляет предел массы, при котором звезда становится белым карликом (примерно 1,4 массы Солнца). Если масса больше этого показателя (предел Чандрасекара), звезда становится нейтронной. К. Томбо в 1930 г. открывает Плутон – небесное тело, которое до 2006 г. считалось классической девятой планетой Солнечной системы. Сейчас этот транснептуновый объект понижен в статусе и отнесен к классу карликовых планет.

Теория относительности и зарождающаяся ФЭЧ, в союзе с математикой и астрономией, дали жизнь современной космологии – науке, изучающей законы развития Вселенной и этапы ее эволюции. В 1917 г. Эйнштейн включает в свое уравнение лямбда-член (Λ, λ), впоследствии получившей имя «космологическая постоянная». Она характеризует свойства вакуума и столь мала, что ей можно пренебречь. Лямбда-член, который Эйнштейн, по его же словам, не «принимал слишком серьезно», был введен для обеспечения статичности Вселенной; он позволял найти решение «бесконечно протяженному пространству, в среднем равномерно заполненному материей»² Другими словами, Вселенная не рисковала стать «пустой», будучи пространственно замкнутым миром с равномерно распределенной материей. Эйнштейн делает вывод: положительная кривизна пространства, обусловленная находящейся в нем материей, получается и тогда, когда λ не вводится. Λ необходим «чтобы обеспечить возможность квазиста тического распределения материи, соответствующего фактическим малым скоростям звезд»¹. Теория Эйнштейна предполагала, что Вселенная обладает такими свойствами как однородность (свойства вещества одинаковы в разных точках пространства) и изотропность (свойства вещества, наблюдаемые из одной точки, одинаковые во всех направлениях). Основные свойства – это плотность, давление, температура. Подход Эйнштейна отчасти разделял и крупнейший астроном начала ХХ в. В. де Ситтер. Однородность и изотропность Вселенной с 1935 г. стали называть космологическим принципом.

В 1922 г. русский математик Александр Фридман представил первую модель нестационарной эволюционирующей Вселенной. Он предположил, что Вселенная расширяется. Ее плотность, постоянная по всему пространству, не является постоянной во времени. Эта гипотеза была подтверждена экспериментально. В. Слайфер измерил скорости 41 галактики, 36 галактик – удалялись. Другой американский астроном Эдвин Хаббл добавил новые, подтверждающие движение галактик, измерения и в 1929 г. представил закон красного смещения, связанный с эффектом Доплера. Речь идет об изменении частоты (и длины волны) излучения, воспринимаемой наблюдателем, вследствие движения источника излучения. Смещение излучения в сторону красного спектра было тем больше, чем дальше находилась галактика – источник излучения. Галактики (Хаббл предпочитал термин «туманности») разбегались во все стороны от земного наблюдателя! Де Ситтер объяснял красное смещение спектров туманностей замедлением времени на границах Вселенной, а Ф. Цвикки – «усталостью» фотонов. Сразу встал вопрос: что было в начале расширения Вселенной (ее возраст в то время считали равным 2 млрд. лет), с какого события этот процесс начался? Термин «Большой взрыв» появился только в 1949 г. благодаря Ф. Хойлу – стороннику стационарной Вселенной, которая, с его точки зрения, не имеет в пространстве-времени ни начала, ни конца.

Независимо от Хаббла закон красного смещения был открыт астрофизиком (и священником) Жоржем Леметром. Статью о разбегании галактик он опубликовал в малоизвестном бельгийском журнале в 1927 г. Леметр установил коэффициент разлета галактик (постоянная Хаббла), предположив, что расширение Вселенной начинается с конечного радиуса в бесконечно удаленном прошлом. Современное значение постоянной Хаббла – около 70 (км/с) / Мпк (мегапарсек). С такой огромной скоростью разлетаются галактики.

Идея о рождении мира из некой точки сингулярности в 30-е годы еще не оформилась, для этого не было эмпирического фундамента. Но метафизический вопрос «почему расширяется Вселенная?» был поставлен наряду с проблемами горизонта – границей наблюдаемой Вселенной – и ее плоскостности. Сложились три космологические модели: 1) статичная сферическая Эйнштейна – замкнутая Вселенная с постоянной положительной кривизной; 2) «пустая» модель де Ситтера (он допустил отсутствие ве щества, есть только вакуум; кривизну обеспечивает λ, отличная от нуля) – Вселенная статична, пространство – эллиптического типа; время способно искривляться и течь с разной скоростью; 3) динамическая модель Фридмана – Хаббла – Леметра.

Достигнуты значительные успехи в биологии и медицине. В 20-30е гг. складывается популяционная генетика (С. Райт, Р. Фишер, Дж. Холдейн). Это был шаг к созданию синтетической теории эволюции, объединившей впоследствии дарвинизм и генетику. Значительный вклад в конструирование данной теории внес С. С. Четвериков. Быстрыми темпами развивались биохимия и микробиология, были созданы предпосылки для выделения молекулярной биологии (термин появился в 1938 г.) в автономный комплекс наук. С именами В. И. Вернадского (создатель биогеохимии), Э. Леруа и П. Тейяра де Шардена, связано возникновение понятия «ноосфера». Была проделана большая работа в области иммунологии, бактериологии, экспериментальной онкологии, исследованы механизм углеводного обмена и роль витаминов. Синтезирован анестетик новокаин (А. Эйнхорн, 1904), в чистом виде получен инсулин (Ф. Бантинг, Ч. Бест, Дж. Маклеод, 1922), открыт первый антибиотик – пенициллин (А. Флеминг, 1928), изобретены антигистаминные средства, вакцины против дифтерии, коклюша, туберкулеза, столбняка.

Не стояла на месте математика. Т. Сколемом формализована классическая система аксиом теории множеств (1922), Э. Картаном построена геометрия пространств со связностью произвольной группы (1923–1924), тем самым, была объединена геометрия поверхностей и теория групп. Г. Вейлем разработана теория представлений групп преобразований, исследовано ее значение для развития квантовой механики (1924–1927). Проблемами применения теории групп к топологии, теоретической физике, квантовой механике занимаются Б. Варден-Варден, О. Шмидт, Ю. Вигнер. Последнему принадлежит важное замечание: язык математики – нечто большее, чем просто язык, это наиболее адекватный научный язык. Вигнер писал: «Чудесная загадка соответствия математического языка законам физики является удивительным даром, который мы не в состоянии понять и которого мы, возможно, недостойны. Мы должны испытывать чувство благодарности за этот дар. Следует надеяться, что он не покинет нас и в будущих исследованиях и что он будет – хорошо это или плохо – развиваться к нашему большому удовлетворению, а быть может, и к нарастающему беспокойству, расширяя область познания окружающего нас мира»¹.

А. Тьюрингом разработана концепция абстрактной вычислительной машины (1935). Дж. фон Нейманом сформулирована аксиоматическая теория множеств и аксиоматика квантовой механики, теория спектральных разложений линейных операторов, разработана теория полноты линейных топологических пространств. Доказанная К. Геделем теорема о неполноте (1931) усложнила проблему оснований математики, продемонстрировав, что ключевые положения программы Д. Гильберта не могут быть осуществлены. Был дан толчок развитию неклассических логик, отказавшихся от принципа двузначности. В новую фазу эволюции входит математическая логика. Складываются варианты аксиоматической теории множеств (стандартной для оснований математики) – Цермело – Френкеля и Неймана – Бернайса – Геделя. Закладываются основы теории меры и ее приложений (Э. Борель, А. Лебег).