С. А. Лебедевнаучная картина мира в ее развитии
 Скачать 122.98 Kb.
|
|
Картина мира неклассической науки Сначала была решена проблема «ультрафиолетовой катастро- фы». Первый шаг в этом направлении в 1900 г. сделал Макс Планк, выдвинувший гипотезу о квантовом характере тепловой энергии, ее излучении и поглощении. Согласно этой гипотезе, тепловая энергия распространяется в виде отдельных порций (квантов), ве- личина которых пропорциональна частоте излучения: E = hν, где h — фундаментальная постоянная, имеющая размерность дей- ствия (эрг · с.) и впоследствии названная планковской. Используя эту гипотезу, Планк получил выражение для распределения энергии в спектре излучения черного тела, совпадающее с экспериментом. Следующий шаг в 1905 г. сделал Альберт Эйнштейн, который показал, что свет также не только испускается, но и поглощается в форме квантов энергии. Позже такие квантованные порции элек- тромагнитного излучения стали называть фотонами. Стало ясно, что электромагнитное излучение обладает парадоксальными свой- ствами: в некоторых опытах оно проявляет свои волновые свой- ства, в других оно напоминает поток корпускул, фотонов. 13 А вскоре французский физик Луи де Бройль выдвинул гипоте- зу, что этот дуализм корпускулярных и волновых свойств присущ не только свету, но и веществу, а также всем элементарным части- цам. Через несколько лет К. Дэвидсон исследовал рассеяние пучка электронов на монокристаллической мишени и показал, что этот процесс идет в точном соответствии с формулой де Бройля, опре- деляющей волновые свойства электронов. Становилось все более ясно, что физические свойства элемен- тарных частиц — наименьших порций материи — мало напомина- ют то, что можно сказать о них на основании классической картины мира. В 1927 г. Вернер Гейзенберг показал, что описание поведе- ния элементарных частиц с помощью классических понятий коор- динат, импульса и энергии лишь приблизительно соответствует их реальным свойствам. Соответствующее ограничение получило на- звание соотношений неопределенности Гейзенберга: ; 2 2 h h p x E t Δ ⋅ Δ ≥ Δ ⋅ Δ ≥ π π Здесь x — координата частицы, p = mV — ее импульс, Е — энергия, t — момент. Смысл этих формул состоит в том, что нельзя одно- временно точно определить значения координаты и импульса час- тицы, а также энергии для данного момента. В классической механике поведение материальной частицы описывается основным законом динамики (второй закон Ньютона). Заметим, что Ньютон сформулировал этот закон для материаль- ной точки, которая имеет массу, но не имеет размера. Как следует из принципа дуализма волны-частицы и соотношений неопреде- ленности, для описания поведения элементарных частиц этот за- кон неприменим. Выход из этого положения нашел Эрвин Шре- дингер, который воспользовался идеей де Бройля, сопоставив движение микрочастицы с комплексной функцией координат и времени, которую он назвал волновой и обозначил буквой Ψ. Ре- шение волнового уравнения Шредингера для функции Ψ характе- ризует состояние микрочастицы. Уравнение Шредингера является основным уравнением кван- товой механики. Физический смысл волновой функции Ψ указал М. Борн. Квадрат модуля Ψ определяет вероятность того, что микрочастица будет обнаружена в пределах некоторого объема. Предсказания квантовой механики, таким образом, в отличие от классики носят вероятностно-статистический характер. Переход к квантово-механической картине мира позволил снять противоречия, возникшие в связи с «ультрафиолетовой катастро- фой». С другой стороны, чтобы сделать понятной неудачу опыта 14 Майкельсона—Морли по поиску эфира, потребовалось описать картину мира на языке частной теории относительности. В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой заложил основы специальной теории относительности. В основу этой теории он положил три постулата: 1) скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно дру- га; 2) во всех таких системах координат одинаковы все законы природы (принцип относительности); 3) передача воздействия (сигнала) от одного тела к другому не может быть мгновенной (т.е. осуществляться с бесконечной скоростью); она всегда конечна и не может превышать скорости света в вакууме (300 000 тыс. км в с). Из этих постулатов вытекали следствия, приведшие к радикаль- ному пересмотру классической картины мира. Оказалось, что не су- ществует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Пространственные и временные свойства объектов, во-первых, взаимосвязаны, а во-вторых, зависят от скорости движения объектов. Из теории также следовало установленное Эйнштейном соот- ношение взаимосвязи массы и энергии: E = mc 2 , где с — скорость света. Оказалось, что именно благодаря дефекту массы при реакции превращения протонов в ядра гелия в соответ- ствии с данной формулой в недрах звезд выделяется достаточное количество энергии, чтобы поддерживать их существование в те- чение миллиардов лет. Следующее следствие получил Г. Минковский. Он показал, что в рамках модели мира, соответствующей теории относительности, пространство и время — это единая четырехмерная реальность, а вовсе не раздельные автономные сущности или субстанции, как это считалось в картине мира классической науки. Осталось решить проблему гравитации. Эту задачу в 1916 г. также решил Эйнштейн, создав общую теорию относительности (ОТО). Если для формулирования законов классической механики Нью- тону потребовался аппарат дифференциального и интегрального ис- числения, то в основу ОТО была положена неевклидова геометрия Римана и тензорный анализ. Из ОТО следовало, что гравитация — это результат искривления пространства вблизи массивных тел. Картина мира, соответствующая ОТО, содержит всего две авто- номные реальности — вещество и поле. Законы тяготения — это структурные законы, описывающие гравитационное поле между материальными объектами. Между материей и полем в ОТО нет качественного различия: вещество находится там, где концентрация поля максимальна, поле — там, где она мала. Эйнштейн полагал, 15 что в перспективе всю теорию удастся свести к единственной ре- альности — полю. Вселенная, описываемая ОТО, сначала была стационарной. Но в 1922 г. А.А. Фридман, анализируя уравнения ОТО, показал, что теория содержит и нестационарные решения: Вселенная может расширяться. Впоследствии Эйнштейн признался, что, не заметив этого решения, он совершил самую большую ошибку в своей жизни. В 1929 г. Э. Хаббл, наблюдая красное смещение в спектрах из- лучения далеких галактик, доказал, что Вселенная расширяется на самом деле. Зная скорость, с которой разбегаются галактики, мож- но было рассчитать, когда начался этот процесс. Согласно совре- менным оценкам, это произошло примерно 14 млрд лет назад. Со- бытие, которое привело к возникновению Вселенной, получило название Большого Взрыва. Интересно оценить масштабы времени, пространства и энер- гии, которые соответствуют этой начальной стадии эволюции на- шего мира. Они таковы: 10 −33 с, 10 −43 см, 10 19 ГэB Эти величины длины, времени и энергии получили название планковских. Их смысл состоит в том, что они определяют ту гра- ницу, до которой применима современная физическая теория. На меньших масштабах перестают работать причинно-следственные связи и ничего нельзя сказать ни о структуре пространства, ни о свойствах времени. Существуют ли прямые экспериментальные подтверждения феномена Большого Взрыва? В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон от- крыли реликтовое излучение с температурой 3,5 ° К, равномерно поступающее из далеких глубин Вселенной. А согласно теории Г. Гамова, температура Вселенной, которая на стадии Большого Взрыва была очень высока, в результате последующего расшире- ния должна была обусловить возникновение к настоящему времени холодного фонового излучения с температурой около 5 ° К. После этого открытия теория Большого Взрыва стала почти общепри- знанной. Как развивалась история Вселенной на самых ранних стадиях рождения нашего мира, когда его размеры были намного меньше протона? На этот вопрос отвечает экзотическая теория инфляции, или раздувания, предложенная А. Гутом и А.Д. Линде. Согласно этой теории, за время порядка 10 −33 с Вселенная раздулась до раз- меров, близких к современным, а ее микронеоднородности могли послужить гравитационными зародышами, из которых позже вы- росли звезды и галактики. Благодаря этой теории делается более понятным и ответ на вопрос, откуда взялась энергия, необходимая 16 на создание материи. Ее источником послужила огромная гравита- ционная энергия молодой Вселенной. Вот как описывает этот про- цесс один из авторитетных специалистов по космологии С. Хо- кинг: «Вселенная взяла в долг огромное количество отрицательной гравитационной энергии, которая точно уравновесила положи- тельную энергию материи. Во время инфляции Вселенная делала огромные долги у гравитационной энергии, чтобы финансировать создание новой материи. В результате восторжествовала кейнси- анская экономика: получилась сильная экспансивная Вселенная, полная материальных объектов. А долг гравитационной энергии не будет погашен до конца существования Вселенной». Ничто, Пустота, из которой родились Вселенная, — это не тот вакуум, который в 1644 г. был открыт учениками Галилея Э. Торри- челли и В. Вивиани. Это был совсем другой пласт реальности — физический, или квантовый, вакуум, открытый в 1928 г. П.А.М. Ди- раком. Ему удалось обобщить уравнения квантовой механики на случай скоростей, близких к скорости света. Из его теории следо- вало, что электрон, как и все остальные элементарные частицы, может обладать не только положительной, но также и отрицатель- ной энергией. Понять физический смысл этого предсказания тео- рии было непросто. Чтобы разобраться в этом вопросе, Дирак вос- пользовался тем обстоятельством, что помимо массы и заряда, электрон обладает и третьей столь же фундаментальной характе- ристикой — спином. Спин, что по-английски означает «круче- ние», «волчек», — это квантовое число, равное собственному мо- менту количества движения частицы. Для электрона спин может иметь только одно из двух значений S = ± 1 2 Для подобных частиц с полуцелым спином известен принцип запрета, сформулированный В. Паули: в квантовой системе на одном энергетическом уровне могут находиться лишь две частицы с противоположно направленными спинами. Дирак воспользовался этим правилом и предположил, что в области отрицательной энер- гии заняты все уровни, а потому находящиеся на них электроны представляют собой квантовый вакуум. Этот феномен получил на- звание «вакуумного моря» Дирака. Однако если на это «море» на- править мощный импульс гамма-излучения, то получивший его электрон приобретет положительную энергию и перейдет в реаль- ный мир. В «море» остается «дырка», во всем похожая на электрон, только заряд у нее будет положительным — это следствие закона сохранения заряда. В 1932 г. К. Андерсон, исследуя космические лучи, открыл эту «дырку» и назвал ее позитроном. Андерсон получил за свое откры- тие Нобелевскую премию, а Дирак — подтверждение своей теории о квантовом вакууме. 17 Постнеклассическая картина мира Классическая картина мира оказалась удивительно плодотвор- ной, на долгие годы определив самодвижение научного познания мира. Однако в ней не было места случайностям, все события были строго предопределены жестким законом причинности. А у времени было еще одно странное свойство: из уравнений классической ме- ханики следовало, что во Вселенной не изменится ничего, если оно вдруг начнет течь в противоположном направлении. Все было бы хорошо, если бы не одна особенность реального мира — его склонность к хаотическим состояниям. С точки зрения классики, это нонсенс, то, чего быть не может. С другой стороны, уже классическая термодинамика заставила посмотреть на пробле- му по-иному: хаос, как и состояние «тепловой смерти», это есте- ственные и неизбежные состояния мира. Стало ясно, что, не найдя научного подхода к изучению явлений хаоса, мы заведем научное познание мира в тупик. Существовал простой способ преодоления этих трудностей: следовало превра- тить проблему в положительный принцип. Хаос — это свободная игра факторов, каждый из которых, взятый сам по себе, может пока- заться второстепенным, незначительным. В уравнениях математи- ческой физики такие факторы учитываются в форме нелинейных членов, т.е. таких, которые имеют степень, отличную от первой. А потому теорией хаоса должна была стать и стала нелинейная наука. Классическая картина мира была основана на принципе детер- минизма, на отрицании фундаментальной роли случайности в струк- туре и динамике мира. Однако, как оказалось, реальная Вселенная мало похожа на этот образ. Ей оказались присущи стохастичность, нелинейность, неопределенность, необратимость. В нелинейной Вселенной ее законы выражают уже не определенность, а лишь возможность и вероятность. Случайности в этой Вселенной игра- ют фундаментальную роль, а ее наиболее характерным свойством являются процессы самоорганизации, в которых и сам хаос играет конструктивную роль. Формирование научного аппарата нелинейной картины мира происходило по нескольким направлениям. В математике это тео- рия особенностей (А. Пуанкаре, А.А. Андронов, Х. Уитни) и теория катастроф (Р. Том, В.И. Арнольд). Ключевые термины, введенные в этих теориях, это бифуркация — процесс качественной пере- стройки и ветвления эволюционных паттернов системы, катастро- фы — скачкообразные изменения свойств системы, возникающие на фоне плавного изменения параметров, аттрактор — «притяги- вающее» состояние, в котором за счет отрицательных обратных связей автоматически подавляются малые возмущения. В физике, 18 химии и биологии — это работы И.Р. Пригожина и возглавлявшей- ся им Брюссельской школы по термодинамике необратимых про- цессов. Итогом их исследований стало возникновение нового научного направления — теории неравновесных процессов. Про- фессору Штуттгартского университета Г. Хакену, много сделавше- му для исследования этих процессов, принадлежит удачный тер- мин — синергетика (по-греч. synergos означает «согласованный»). В России это работы С.П. Курдюмова, Г.Г. Малинецского, А.А. Са- марского. Каковы же базовые принципы нелинейного образа мира? Во- первых, это принцип открытости. Система является открытой, если она обладает источниками и стоками по веществу, энергии и (или) информации. Во-вторых, это принцип нелинейности. Вот пример нелинейных процессов: возьмите лист бумаги и сложите его попо- лам. Потом еще раз пополам — и так далее 40 раз. Попробуйте уга- дать, какой толщины получится у вас эта стопка бумаги, не загля- дывая на следующую строчку. Проведя нехитрый арифметический подсчет, вы получите поразительный результат — 350 000 км — расстояние от Земли до Луны! В-третьих, это когерентность, т.е. са- мосогласованность сложных процессов. Принцип когерентности используется, например, в лазерах. Используя эти принципы, перечислим основные отличительные свойства мира, подчиняющегося нелинейным закономерностям. 1. Необратимость эволюционных процессов. Барьер, который препятствует стреле времени обратить свой вектор в противопо- ложную сторону, образует нелинейные процессы. 2. Бифуркационный характер эволюции. Принципиальная отли- чительная особенность развития нелинейных систем — чередова- ние периодов относительно монотонного самодвижения в режиме аттракции и зон бифуркации, где система утрачивает устойчивость по отношению к малым возмущениям. В результате за зоной би- фуркации открывается целый спектр альтернативных эволюцион- ных сценариев. Это означает переход от жесткого лапласовского детерминизма к бифуркационному вероятностному принципу причинно-следственных связей. 3. Динамизм структуры саморазвивающихся систем. Существует два типа кризисов эволюционирующей системы — структурный и системный. В случае первого после зоны бифуркации она может сохранить устойчивость за счет перестройки своей структуры, во втором случае она переходит на качественно новый уровень. 4. Новое понимание будущего. К зоне бифуркации примыкает спектр альтернативных виртуальных сценариев эволюции. Следо- вательно, паттерны грядущего существуют уже сегодня, будущее оказывает влияние на текущий процесс. Этот вывод полностью противоречит классике. 19 Нелинейная наука ведет к эволюционной синергетической пара- дигме. Принятие этой парадигмы означает отказ от следующих ба- зовых онтологических постулатов традиционной науки, по край- ней мере, в их всеобщей форме: — принципа классической причинности; — редукционизма; — концепции линейности. В основе нелинейной картины мира лежат следующие необходи- мые принципы: 1) принцип становления: главная форма бытия — не покой и не просто движение, а его становление, эволюция. Эволюционный процесс имеет два полюса: хаос и порядок; 2) принцип сложности: возможность обобщения, усложнения структуры системы в процессе эволюции. 3) принцип влияния будущего на настоящее: постоянное наличие спектра альтернативных паттернов в постбифуркационном прост- ранстве-времени. 4) принцип подчинения: минимальное количество ключевых па- раметров, регулирующих процесс прохождения системой стадии бифуркации. 5) фундаментальная роль случайности в зоне бифуркации. 6) принцип фрактальности: главное в становлении не элементы, а целостная структура. Методы нелинейной науки, зародившиеся в сфере естественно- научного знания, оказались весьма перспективными и при исследо- вании проблем социально-культурной динамики. Биологические и социальные констелляции относятся к классу самоорганизую- щихся систем, а потому моделирование методами синергетики их структурных и эволюционных характеристик позволило получить неплохие результаты, интересные в научном и практическом отно- шениях. Современный глобальный кризис в значительной мере обуслов- лен отставанием научной методологии прогнозирования от прак- тических потребностей. Во многом это объясняется тем, что до сих пор не преодолено наследие классической методологии, а прин- ципы нелинейности мышления еще не получили адекватного при- менения в области гуманитарного научного знания. |