Учебное пособие для вузов
 Скачать 2.92 Mb.
|
СОВРЕМЕННАЯ НАУЧНАЯ КАРТИНА МИРА  Согласно распространенному определению объективнуюреальностьпонимают как материальный мир в целом, во всех его формах и проявлениях, существующий независимо от человеческого сознания и первичный по отношению к нему. В этом определении отчетливо просвечивается принцип механистического миропредставления, сформулированный Декартом в виде противопоставления двух типов реальности — res extensa и res cogitans, мира вещей и духовного мира (мира сознания). Современная наука стремится снять это противопоставление и найти универсальную про-тоструктуру, ответственную за проявленные обоих феноменов. Академик В.И. Вернадский, говоря о научном познании реальности, выделяет три пласта этого феномена: явления космических просторов, близкие нашей человеческой «природе», явления планетные и явления микроскопические. Научно наблюдаемые феномены жизни могут проявляться во всех трех пластах. Будем в дальнейшем вкладывать в понятие «реальность»именно такое содержание. Житейские представления о мире как о реальности основаны на религиозных, философских, исторически-бытовых построениях. Научное отражение полностью абстрагируется от этих представлений и целиком опирается на научную методологию. Наука(греч. Episteme, лат. scientia) — это процесс, ориентированный на выявление наиболее общих свойств мира. Основой этого процесса служит научная методология — система алгоритмов решения этой задачи, а его результатом является получение научного знания, служащего удовлетворению базовых человеческих потребностей. Первая из этих потребностей — познавательная доминанта человеческой психики, вторая — научное обеспечение новых технологий, которые используются для расширения границ гомеостаза и освоения новых экологических ниш во всем многомерном пространстве существования человека. Следующее базовое понятие, которое мы будем использовать, говоря о научной картине мира, — метафизика.В разные исторические эпохи в этот термин вкладывалось различное содержание, отсутствует общепризнанная интерпретация и в наше время. Будем понимать под «метафизикой» философское осмысление физической картины мира и в первую очередь фундаментальных понятий, лежащих в основе тех или иных научно-теоретических моделей реальности. К этому необходимо добавить, что современная наука пока не может предложить универсальную теоретическую модель мира как целостной системы, а имеет дело с совокупностью частных моделей, каждая из которых удовлетворительно отражает свойства одного из фрагментов реальности. Поэтому современную научную картину мира следует понимать как систему этих частных моделей. Следующее существенное понятие — онтология— подобно метафизике также не имеет вполне однозначной интерпретации. Довольно часто онтологию рассматривают как самостоятельную философскую дисциплину, которая является основополагающей частью метафизики и предметом который является изучение наиболее фундаментальных структур бытия. Используя это толкование, мы можем определить онтологию науки как направление, исследующее структуру, универсальные закономерности объективной реальности и ее эволюцию. Область научных интересов — поиск ответов на вопросы «что? как? почему?». На вопрос «зачем?» наука раньше отвечала с трудом, проигрывая на этом «поле» философии, религии и искусству. Однако, в связи с развитием теории самоорганизующихся систем, или синергетики, при построении научной картины мира появилась возможность отразить и телеологические аспекты реальности. Основной метод построения частных научно-теоретических моделей реального мира — это формирование ее гипотетико-дедуктивных моделей. Первый этап конструирования такой модели — построение фундаментальной гипотезы, из которой дедуктивным путем выводятся следствия и предсказания, которые на втором этапе могут быть проверены опытным путем. Если опыт подтверждает предсказания, то гипотеза получает признание в качестве теоретической модели, удовлетворительно описывающей реальность. Основания для конструирования: обобщение эмпирической информации и неалгоритмическое постижение реальности, получаемое путем интуитивного спонтанного озарения. Рассмотрим основные методологические принципы, используемые при построении современных научных моделей реальности. Во-первых, это натурализм, т. е. отрицание существования каких-либо сверхъестественных или духовных феноменов, познание которых невозможно посредством научных методов. Во-вторых, это принцип, согласно которому не может существовать картин мира, которые не опирались бы на теоретический аппарат точных наук и в первую очередь физики. В-третьих, это фаллибилизм— убеждение в том, что мы не можем рассчитывать на получение абсолютно достоверной и полностью завершенной картины мира. Каждая конкретная теория имеет свои границы применимости и может быть подвергнута изменениям и усовершенствованиям. В-четвертых, это принципфальсификации— возможность опытного опровержения утверждений теории. В соответствии с этим принципом любое принципиально не фальсифицируемое знание, например, религиозные догматы, нельзя считать научным. Пятый методологический принцип — историзм— является, быть может, менее строгим. Его смысл в том, что не могут существовать модели картин мира, свободные от идеологических, познавательных и телеологических влияний своей исторической эпохи. Механическая картина мира Ньютона не могла появиться в античную эпоху, а современники Ньютона были бы не в состоянии принять идеи Эйнштейна, С историзмом тесно связан и следующий, шестой методологический принцип, который мы назовем модернизмом:построение научной картины мира никогда не имело характера абстрактно-познавательного процесса, напротив, каждый раз речь шла о процессе наиболее адекватного научного отклика на очередной вызов истории — такого теоретического отклика, который послужил бы базой для создания суммы технологий, обеспечивающих модернизацион-ное преодоление очередной исторической бифуркации. Из пятого и шестого эпистемологических принци-, пов следует, что картина мира обладает важным фундаментальным свойством: она динамична, постоянно находится в движении и способна к развитию. ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА В ЕЕ РАЗВИТИИ щ Модели развития научного знания Существуют три основные концепции развития фундаментальной науки и миропредставления. Первая из них, радикальная, принадлежит Ф. Бэкону и Г. Галилею. Согласно их точке зрения, научный взгляд на мир возник как результат революционной победы над суеверием и предрассудками. Декарт дополнил этот подход тезисами о существовании абсолютных истин и абсолютно достоверного знания, которое будучи однажды научным путем получено, ничем уже не может быть поколеблено. П. Дюгем предположил альтернативную контину-алистскую концепцию, смысл которой состоит в том, что каждое достижение науки может быть модифицировано. Нельзя, например, опровергнуть теорию элек-тромагнитизма Максвелла, но можно видоизменить ее математический аппарат, расширив границы применимости теории. Если концепцию Бэкона можно назвать концепцией одной единственной научной революции, а концепцию Дюгема концепцией реформ, то третья точка зрения, высказанная К. Поппером, — это концепция перманентной революции. В другом варианте эту концепцию предложил Т. Кун, которому принадлежит идея развития науки на основе смены общенаучных парадигм. Согласно его идеям, существуют периоды нормальной науки, когда новые исследования опираются на прочный фундамент ранее полученных основных достижений. Комплекс этих фундаментальных научных достижений Кун предложил назвать парадигмой.По мере накопления принципиально новых открытий возникает необходимость в пересмотре и видоизменении парадигмы, и тогда происходит научная революция. Парадигма в течение определенного времени служит теоретической основой научного миропредставления. Сопоставляя все три концепции, Дж. Агасси приходит к выводу, что для построения наиболее адекватной картины мира и для научного творчества наиболее предпочтителен третий подход, соответствующий идеологии фаллибилизма. Известный специалист по космологии Дж. Уилер выразил эту идеологию в парадоксальной форме: «Мы знаем, что все наши теории ошибочны. Задача, следовательно, состоите том, чтобы делать ошибки раньше». Согласно этой точке зрения, хорошая картина мира обязательно является рискованной и может быть подвергнута опровержению, уточнению и исправлению. Вместе с тем крайности фаллибиллизма уравновешиваются реализмом, смысл которого состоит в допущении, что теория защищена покровом эмпирических данных. Воспользуемся концепцией научных революций и сменой космологических парадигм для анализа эволюции научной картины мира. 1 Натурфилософская парадигма Картина мира, соответствующая этой парадигме, возникла в античной Греции. Первая концепция Вселенной, доступная интеллектуалу, принадлежит Пифагору. Оценивая его роль в формировании миропредставления, которое можно назвать научным, Б. Рассел писал: «Пифагор по своему влиянию как на древнюю, так и на современную эпоху... является одним из наиболее значительных людей, когда-либо живших на земле, — ив том случае, когда он был мудр, и в том, когда он ошибался». Пифагору принадлежат идеи всеобщей Гармонии Вселенной, которую он назвал космосом (cosmos по-гречески означает Мир, Вселенная, Гармония) и предположил, что его структура определяется соотношениями чисел. Математический характер имела и космогония Пифагора. В античной философии сформировались две школы, по-разному описывавшие структуру мироздания. Сторонники Ионийской школы (Фалес, Анаксимандр, Гераклит) утверждали, что существует два слоя реальности — физический, который воспринимается нашими чувствами, и метафизический, который лежит за пределами наших восприятий и составляет «архэ» — скрытую сущность вещей. По мнению представителей другой школы — эпеатов (Парменид), абсолютно лишь вечное и неизменное, единое. Что же касается видимых явлений, то это химера, порожденная обманом наших чувств. На следующем этапе развития античного миропредставления были оформлены две альтернативные картины мира. Первая из них принадлежит Левкиппу и Демокриту, которые считали, что в мире нет ничего, кроме разнообразных атомов и пустоты. Отсутствует и какая-либо свобода воли или выбор, т. к. все происходящее однозначно предопределено движениями атомов, в мире нет ничего случайного. Другая космологическая модель разработана Платоном, утверждавшим, что действительный мир — это идеи, а все видимое и воспринимаемое чувствами лишь их отражение, однако же — вполне реальное. Таким образом, концепция мироздания Платона дуалистична: истинный мир совершенен, вечен и неизменен и может быть постигнут лишь работой ума, а материальный подлунный мир в отличие от него подвержен изменениям и распаду. Единственной причиной космоса является Демиург, творец. Основной принцип космологии Платона — математическая Гармония, порядок, красота. Вершиной античной натурфилософии явилась космология Аристотеля. Если у Платона субстанцией, т. е. истинной реальностью, считались эйдосы, идеи, то в учении Аристотеля роль субстанции отводилась видимому миру. Учение Аристотеля о мироздании изложено в двух книгах — «Метафизике» и «Физике». Первая посвящена исследованию высших причин космоса, т. е. всего вечного, бестелесного, неподвижного. Предметом второй является природа, материальный мир — видимый, текучий, подверженный законам случая. Как снять фундаментальное противоречие между обоими пластами реальности? Чтобы решить эту проблему, Аристотель вводит два рода бытия — возможное и действительное. Первое — это материя, которая в первозданном состоянии напоминает хаос, второе — форма, ее воздействие на материю сообщает ей предметное бытие, движение, доступное опыту. Таким образом, потенциально возможное превращается в актуальную реальность под причинным воздействием формы. Механизм этого воздействия Аристотель называл энтелехией. Придуманную им концепцию мироздания называют гилеоморфизмом (от греческих слов hyle — материя, morphe — форма). Природа, понимаемая как совокупность вещей и энтелехии, — это уже не хаос, а гармоничный космос. Космография античности практически полностью гелиоцентрична, единственным исключением явилось учение Аристарха Самосского, который поместил в центр мира не Землю, а Солнце. Однако греческая натурфилософия не восприняла его идей, в частности потому, что в его гелиоцентрической системе оказалось затруднительным объяснить обратное движение планет. Кроме того, гелиоцентрическая система противоречила физике Аристотеля. С этой задачей, с помощью введения эпициклов, легко справился Клавдий Птолемей в своей геоцентрической системе мироздания. 1 Механическая картина мира Натурфилософская система Аристотеля оставалась основой общепризнанной картины мира на протяжении почти двух тысяч лет, до XVI в. Фома Аквинский объединил систему Аристотеля с христианской философией. И лишь в эпоху Возрождения большинство философов стало отдавать пальму первенства Платону. Наступившая в XVI — XVII вв. новая историческая эпоха поставила в центр научных интересов астрономию и астрологию. В развитии первой нуждались мореплаватели, требовалось также уточнить календарь — расчет дней равноденствия, пасхалий, разобраться с вопросом об угловых размерах Луны и т. п. Что касается астрологии, то в этот век, когда все были суеверны, ее услуги пользовались большим спросом. За решение первой задачи взялся Н. Коперник, который в своей книге «De Revolutionibus orbium coelestium» («Об обращении небесных сфер») обосновал гелиоцентрическую систему мира. «В таком великолепнейшем храме, — писал он, — кто мог бы поместить этот светильник в другом лучшем месте, как не в том, откуда он может одновременно все освещать. Конечно, именно так Солнце, как бы восседая на царском троне, правит обходящей вокруг него семьей светил». Сформулированные Коперником постулаты о движении небесных светил вокруг Солнца потребовали внести серьезные изменения в физику Аристотеля, где признавалась потенциальная бесконечность (бесконечная делимость), но была неприемлема бесконечность актуальная («бесконечность большого тела»). «Великий круг», орбита Земли,— писал Коперник,— по отношению к звездной сфере подобен точке. «До каких пор распространяется эта необъяснимость, неизвестно», — уточнял свой вывод Коперник. В расхождении с физикой Аристотеля современники увидели слабость системы мира Коперника. Позже эта слабость обернулась силой, т. к. послужила одной из предпосылок смены физической парадигмы. В мировоззренческом смысле система Коперника знаменовала освобождение науки от теологии, а также означала возврат от Аристотеля к Пифагору и Платону. Над развитием идей Коперника о бесконечности Вселенной думали Николай Кузанский и Джордано Бруно. У Вселенной нет центра, — писал Кузанский, — она потенциально бесконечна. Дж. Бруно сделал следующий шаг и заявил, что Вселенная бесконечна актуально, а мир и Бог — это одно и тоже. Не нужна, согласно Бруно, и гипотеза Аристотеля о различии материи и формы — это также одно и то же. Но прославила Бруно на века другая идея — концепция множественности обитаемых миров. Ученый мир долго не мог принять систему Коперника. Тихо де Браге придумал собственную систему мира, поместив в центр Вселенной Землю и заставив крутиться вокруг нее Луну и Солнце, вокруг которого вращались все остальные планеты. Стремясь опровергнуть Коперника, Браге полжизни потратил на то, чтобы составить новые звездные таблицы, более точные, чем у Птолемея. Уже после его смерти И. Кеплер, используя эти таблицы, открыл свои законы движения планет вокруг Солнца. Это было очередное торжество идей Коперника. Галилео Галилей был первым ученым, который посмотрел на небо через телескоп, или perspicilium, подзорную трубу, как он его называл. Это позволило ему сделать много открытий, обогативших астрономию: спутники Юпитера, горы на Луне, пятна на Солнце, кольца Сатурна. Млечный путь оказался множеством звезд. В 1572 г. Галилей наблюдал вспышку сверхновой звезды и тем самым доказал, что звезды не вечны. Рождение философии Нового времени связывают с именем Рене Декарта. Фундаментальный принцип научного познания мира, согласно Декарту, состоит в том, что наука должна не просто устанавливать законы реального мира, но и находить причины всех явлений природы. Весь мир, по Декарту, — machina mundi, это сложнейший механизм, созданный величайшим мастером — Богом. Познание мира сводится поэтому к конструированию его подобия на основе умозрительных гипотез и с помощью математической теории. Если Платон утверждал, что точную науку о природе создать невозможно, то Декарт провозгласил прямо противоположное: математика — самая достоверная из наук, она — основа физики. Образ мира у Декарта дуалистичен: существует протяженный мир вещей и предметов, res extensa и res cogitans — непротяженный и неделимый мир духа, сознания. Источником движения в мире является Бог. Вершина механистического мировоззрения — система мира, построенная Исааком Ньютоном и описанная в его главной книге «Philosophia Naturalis Principia Mathematica» («Математические начала натуральной философии»), опубликованной в 1686 г. В основе концепции мироздания Декарта лежала гипотетическая физика, иными словами, предположения, которые не следовали непосредственно из опыта. Отказавшись от такого подхода, Ньютон провозгласил: «Hypoteses поп fingo» («гипотез не измышляю»). Его научный метод — это физика принципов, или аксиом, которые хотя и не могут быть получены логическим путем из опыта, но обосновываются непосредственным опытом. Космология Ньютона основана на законе всемирного тяготения. где F — сила тяготения, G — гравитационная константа, mi,m2— массы взаимодействующих тел, R— расстояние между ними, а также на трех механических законах движения. Используя математический аппарат своей теории, Ньютон теоретически объяснил законы Кеплера, разработал теорию движения Луны и комет, объяснил механику возникновения приливов, предложил теорию искусственного спутника Земли, предсказал приплюснутую форму Земли. Космология Ньютона стала первой в истории науки подлинно всеобъемлющей гипо-тетико-дедуктивной системой мироздания. Окончательное оформление эта система мира получила к концу XVIII в. в результате трудов блестящей плеяды французских и немецких ученых А. Клеро, М. Эйлера, Ж. Лагранжа, П. Лапласа. И. Канту и Лапласу принадлежит заслуга создания динамической модели мироздания. j Термодинамика и электромагнетизм К рубежу XVIII и XIX вв. ученое сообщество пришло к мысли, что механистическая теория практически полностью сняла все проблемы научной картины мира. Казалось, оправдываются слова, сказанные об авторе «Начал»: «Ньютон был не только величайшим, но и счастливейшим из смертных, ибо систему мира можно создать только один раз». Явления переноса теплоты объясняли с помощью механической субстанции — теплорода, были придуманы и другие такие жидкости — электрические и магнитные субстанции. Положение начало меняться в связи с успехами термодинамики. В середине XIX в. Р. Майер, Дж. Джоуль и Г. Гельмгольц открыли закон сохранения энергии. Используя этот закон, А. Эллингтон предложил первую научную теорию, объясняющую, почему горят звезды. Согласно его теории, источник энергии звезд — превращение в тепло энергии гравитационного сжатия. В XX в. стало ясно, что этот механизм недостаточен, необходимо учитывать поступление в недрах звезд энергии, выделяющейся при термоядерной реакции превращения протонов в ядра гелия. В 1824 г. Сади Карно открыл второе начало термодинамики, т. е. закон возрастания энтропии — меры неупорядоченности систем — во всех необратимых процессах. Используя этот закон, А. Эддингтон сформулировал критерий, определяющий направление времени во Вселенной: стрела времени есть свойство энтропии и только ее одной. Другое следствие из второго начала термодинамики сформулировал Р. Клаузиус, выдвинув гипотезу «тепловой смерти» Вселенной: история мира завершится, когда вследствие непрерывно продолжающегося роста энтропии он достигнет состояния термодинамического равновесия, т. е. абсолютного покоя. И тогда стрелка на часах времени упадет — добавил к этому Эддингтон. Поскольку после работ Канта и Лапласа стало ясно, что мир никогда не был сотворен, то возникал естественный вопрос, почему этого уже не случилось. Л. Больцман — один из основоположников статистической физики — попытался снять этот парадокс, предположив, что наш мир — это не более, чем гигантская флуктуация в необъятной Вселенной, которая в целом давно уже мертва. Действительное решение проблемы удалось получить много позже, используя идеи теорий самоорганизующихся систем. Все эти открытия существенно обогатили картину мира, но не привели к смене механистической парадигмы. По словам Гельмголыда, научное познание мира будет завершено «по мере того, как будет выполнено сведение явлений природы к простым силам и будет доказано, что это единственно возможное сведение, которое допускают явления». Не изменилась эта точка зрения и после того, как Джеймс Кларк Максвелл, обобщая открытия А. Ампера, К. Эрстеда и М. Фарадея, сформулировал законы электромагнетизма. Из уравнений Максвелла следовало важное предсказание: в пустоте должны распространяться электромагнитные волны. В 1888 г., спустя 20 лет после опубликования теории Максвелла, Г. Герц экспериментально доказал существование этого фундаментального физического явления. Возникал вопрос, что является носителем электромагнитного поля. Сам Максвелл считал, что эту функцию выполняет эфир. «Не может быть сомнений, — писал он, — что межпланетное и межзвездное пространство не является пустым, а заполнено некоторой материальной субстанцией или телом, несомненно наиболее крупным и, возможно, самым однородным из всех других тел». Эта загадочная субстанция — эфирное море — должна была обладать парадоксальными свойствами: она должна быть почти абсолютно твердой, т. к. скорость света очень велика, но одновременно не должна оказывать никакого сопротивления движению небесных тел. Передавая свет и другие электромагнитные волны, она в тоже время должна быть абсолютно прозрачной. Все это изрядно запутывало физическую картину мира. «Мы не знаем источник механических процессов,— писал Гельмгольц,— в нашем распоряжении лишь символы, лишь названия переменных, входящих в уравнения». Чтобы внести ясность в эти вопросы, надо было опытным путем обнаружить существование эфира. Решить эту задачу можно было, воспользовавшись тем обстоятельством, что уравнения Максвелла в отличие от законов механики Ньютона неинвариантны относительно системы отсчета. Эту идею использовали А. Май-кельсон и Э. Морли, осуществившие в 1887 г. интер-ферометрическоесравнение пучков света, распространявшихся поперек движения Земли и вдоль него. Итог опытов сформулирован Майкельсоном в следующих словах: «Было продемонстрировано, что результат, предсказываемый теорией неподвижного эфира, не наблюдается, откуда с необходимостью следует вывод об ошибочности данной гипотезы». 1о  X. Лоренц и Дж. фицджеральд предположили гипотезу сокращения длины тел, в том числе и интерферометра вдоль направления: to где с - - скорость света, a v — скорость движения. Как видно из этих преобразований, должен меняться и темп хода времени. Эта гипотеза снимала проблему, но ценой ее замены другой, не менее трудной. На этом проблемы механистической картины мира не закончились. Из термодинамики и законов электромагнетизма следовало, что максимальная интенсивность излучения черного тела должна приходиться на коротковолновую область спектра. Эксперимент дал прямо противоположный результат: в этой области наблюдался минимум излучения. Столь резкое расхождение теории с экспериментом получило название «ультрафиолетовой катастрофы». Однако все эти неудачи теории мало повлияли на веру большинства ученых во всесилие механической картины мира. Лорд Кельвин (У. Томсон), встречая новый XX век, произнес тост за успехи теоретической физики, на ясном небосводе которой осталось лишь два облачка — неудача опыта Майкельсона — Морли и «ультрафиолетовая катастрофа». Произнося эти слова, сэр Уильям показал себя не только неисправимым оптимистом, но и провидцем: из первого упомянутого им «облачка» очень скоро родилась теория относительности, а из второго — квантовая механика. В Кванты иотносительность Сначала была решена проблема «ультрафиолетовой катастрофы». И привело это к радикальному пересмотру фундаментальных понятий материи и поля. Первый шаг в этом направлении в 1900 г. сделал Макс Планк, выдвинувший гипотезу о квантах электромагнитного излучения. Согласно этой гипотезе, излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых пропорциональна частоте излучения: Е= hv, где h — фундаментальная постоянная, имеющая размерность действия (эрг ■ с) и впоследствии названная планковс-кой. 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 не только испускается, но и поглощается в форме квантов энергии. После этого такие квантованные порции электромагнитного излучения стали называть фотонами. Стало ясно, что электромагнитное излучение обладает парадоксальными свойствами: в некоторых опытах оно проявляет свои волновые свойства, в других оно напоминает поток корпускул, фотонов. А вскоре де Бройль выдвинул гипотезу, что этот дуализм корпускулярных и волновых свойств присущ не только свету, но и веществу, элементарным частицам. 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, определяющей волновые свойства электронов. Становилось все более ясно, что физические свойства элементарных частиц — наименьших порций материи — мало напоминают то, что можно сказать о них на основании механистической картины мироздания. В 1927 г. Вернер Гейзенберг показал, что описание поведения элементарных частиц с помощью классических понятий координат, импульса и энергии лишь приблизительно соответствует их реальным свойствам. Соответствующее ограничение получило название соотношений неопределенности Гейзенберга: Лр-Лх> —,(4) 2тг AE-At> —,(5) 2тг Здесь х— координата частицы, p = mV— ее импульс, Е — энергия, t — момент времени. Смысл формул (4) и (5) состоит в том, что нельзя одновременно точно определить значения координаты и импульса частицы, а также энергии для данного момента времени. В классической механике поведение материальной частицы описывается основным законом динамики (второй закон Ньютона). Заметим, что Ньютон сформулировал этот закон для материальной точки, которая имеет массу, но не имеет размера. Как следует из принципа дуализма волна-частица и соотношений неопределенности, для описания поведения элементарных частиц этот закон неприменим. Выход из этого положения нашел Эрвин Шредингер, который воспользовался идеей де Бройля, сопоставив движение микрочастицы с комплексной функцией координат и времени, которую он назвал волновой и обозначил буквой Ч*. Решение волнового уравнения Шредингера для функции Ч* характеризует состояние микрочастицы. Уравнение Шредингера является основным уравнением квантовой механики, физический смысл волновой функции Ч* указал М. Борн. Квадрат модуля Ч* 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 катастрофой». Чтобы сделать понятной неудачу опыта Майкельсона-Морли по поиску эфира, потребовалось описать картину мира на языке теории относительности. В 1905 г. А. Эйнштейн опубликовал работу «К электродинамике движущихся тел», в которой заложил основы специальной теории относительности. Предложенный им способ решения проблемы состоял в том, чтобы превратить ее в принцип. В основу своей теории он положил два постулата: 1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся равномерно и прямолинейно друг относительно друга. 2. Во всех таких системах координат одинаковы все законы природы (принцип относительности). Из этих постулатов вытекали следствия, ведущие к радикальному пересмотру классической картины мира. Во-первых, оказалось, что не существует ни абсолютного времени, ни абсолютного пространства. Ход времени зависит от системы координат. Во-вторых, стало ясно, что законы природы инвариантны относительно преобразований Лоренца (2)-(3). Отсюда, между прочим, следовал знаменитый «парадокс близнецов». В-третьих, оказалось, что с увеличением скорости тела кинетическая энергия как бы увеличивает его сопротивление движению, а масса тела при этом возрастает. Отсюда в свою очередь следовало установленное Эйнштейном соотношение эквивалентности массы и энергии: Е = тс2 (6) где с — скорость света. Стало ясно, что масса и энергия по существу сходны, это только разные выражения одного и того же свойства реальности. Формулу (6) можно рассматривать как обобщенный закон сохранения энергии. Принято считать, что именно благодаря дефекту массы при реакции превращения протонов в ядра гелия в соответствии с формулой (6) в недрах звезд выделяется достаточное количество энергии, чтобы поддерживать их существование в течение миллиардов лет. Четвертое следствие получил Г. Минковский. Он показал, что в рамках модели мира, соответствующей теории относительности, пространство и время — это единый четырехмерный феномен, а не раздельные автономные сущности. Осталось решить проблему гравитации. Эту задачу в 1916 г. решил Эйнштейн, создав общую теорию относительности (ОТО). Если для формулирования законов классической механики Ньютону потребовался аппарат дифференциального и интегрального исчисления, то в основу ОТО была положена неевклидова геометрия Римана и тензорный анализ. Из ОТО следовало, что гравитация — это искривление пространства вблизи массивных тел. Картина мира, соответствующая ОТО, содержит всего две автономные 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, что в перспективе всю теорию удастся свести к единственной реальности — полю. Вселенная, описываемая ОТО, была стационарной. В 1922 г. Л.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 излучения да\еких галактик, доказал, что Вселенная расширяется на самом деле. Зная скорость, с которой разбегаются галактики, можно было рассчитать, когда начался этот процесс. Согласно современным оценкам, это произошло 13,7 миллиардов лет назад. Событие, которое привело к возникновению Вселенной, получило название Большой Взрыв. Интересно оценить масштабы пространства, времени и энергии, которые соответствуют этой стадии эволюции нашего мира. Для этого можно воспользоваться численными значениями фундаментальных констант— постоянной Планка h = 6,62-10""27 эрг-с, скоростью света с = 3-101° см/с и гравитационной постоянной с = 6,67.10-м^^- (7) 2 и рассчитать соответствующую величину этих масштабов: 1033с, 10"43см, 1019 ГэВ. Эти величины длины, времени и энергии получили название планковских масштабов. Их смысл состоит в том, что они определяют ту границу, до которой применима современная физическая теория. На меньших масштабах перестают работать причинно-следственные связи и ничего нельзя сказать ни о структуре пространства, ни о поведении времени. £3 Вакуум, микрочастицы и Всвдвнная Из ОТО следует, что наш мир произошел вследствие Большого Взрыва, причем произошел из вакуума. Не противоречит ли это утверждение закону сохранения массы-энергии (6)? Полная масса замкнутой фридмановской Вселенной, а значит, и ее энергия равна нулю. Это объясняется тем, что положительная энергия (масса) Вселенной компенсируется отрицательной энергией гравитационного взаимодействия всех ее частей. Энергия вакуума тоже равна нулю, поэтому рождение из него Вселенной закону сохранения энергии не противоречит. Однако описать этот процесс с помощью ОТО невозможно, т. к. она не учитывает квантовых эффектов, которые при планковских масштабах должны играть главную роль. Для описания свойств мира на этапе его рождения из вакуума требуется теория квантовой гравитации, которая находится пока на стадии формирования. Большинство физиков полагает, что в наибольшей степени для моделирования этих вопросов подходит теория суперструн, самый значительный вклад в развитие которой внес Э. Виттен. Всем известно, что такое обычная струна, способная колебаться с разными частотами. Суперструна — это топологическое обобщение этого простого образа, объединяющее бесконечное число полей. Эта теория дает ответ на вопрос, откуда и каким образом возникают фундаментальные взаимодействия — гравитационные, электромагнитные и ядерные — сильные и слабые. Их источником является многомерная топология. Согласно теории, при очень больших энергиях все разновидности взаимодействий объединяются в универсальный тип — Супергравитацию. Развитие этих представлений может в дальнейшем значительно изменить современные взгляды на структуру мира. Существуют ли прямые экспериментальные подтверждения феномена Большого Взрыва, помимо численных оценок, следующих из модели Фридмана и закона Хаббла? В 1965 г. А. Пензиас и Р. Вильсон открыли 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 расширения должна была обусловить возникновение к настоящему времени холодного фонового излучения с температурой около 5 °К. После этого открытия теория Большого Взрыва стала почти общепризнанной. Как развивалась история Вселенной на самых ранних стадиях рождения нашего мира, когда его размеры были много меньше протона? На этот вопрос отвечает весьма экзотическая теория инфляции, или раздувания, предложенная А. Гутом и А.Д. Линде. Согласно этой теории, за время порядка Ю-33с Вселенная раздувается до размеров, близких к современным, а микронеоднородности, порожденные квантовыми флуктуациями (см. формулу 5), могли послужить гравитационными зародышами, из которых позже выросли звезды и галактики. Благодаря этой теории, делается более понятным и вопрос, откуда взялась энергия, необходимая на создание материи. Ее источником послужила огромная гравитационная энергия молодой Вселенной. Вот как описывает этот процесс один из авторитетных специалистов по космологии С. Хокинг: «Вселенная взяла в долг огромное количество отрицательной гравитационной энергии, которая точно уравновесила положительную энергию материи. Во время инфляции Вселенная брала 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 Вселенной», Ничто, Пустота, из которой родились Вселенная, — это не тот вакуум, который в 1644 г. был открыт учениками Галилея Э. Торричелли и В. Вивиани. Это был совсем другой пласт реальности — физический, или квантовый, вакуум, открытый в 1928 г. ПА. М. Дираком. Ему удалось обобщить уравнения квантовой механики на случай скоростей, близких к скорости света. Из его теории следовало, что электрон, как и все остальные элементарные частицы, может обладать не только положительной, но также и отрицательной энергией. Понять физический смысл этого предсказания теории было непросто. Чтобы разобраться в этом вопросе, Дирак воспользовался тем обстоятельством, что помимо массы и заряда, электрон обладает и третьей столь же фундаментальной характеристикой — спином. Спин, что по-английски означает «кручение», «волчок» — это квантовое число, равное собственному моменту количества движения частицы. Для электрона спин может иметь только одно из двух значений 5 = ± —. 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 энергии заняты все уровни, а потому находящиеся на них электроны представляют собой квантовый вакуум. Этот феномен получил название «вакуумного моря» Дирака. Однако если на это «море» направить мощный импульс гамма-излучения, то получивший его электрон приобретет положительную энергию и перейдет в реальный 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 открытие Нобелевскую премию, а Дирак — подтверждение своей теории о квантовом вакууме. Рассмотрим энергетические свойства квантового вакуума. Из соотношения неопределенности (5) и закона сохранения массы-энергии (6) можно рассчитать промежуток времени, соответствующий массе электрона: At = 10 21 с. Смысл этих расчетов с точки зрения классической механики кажется безумным: в течение столь малых промежутков времени энергия вакуума испытывает достаточно большие колебания, чтобы за это время из него рождались электроны —- и все прочие элементарные частицы. Такие частицы назвали виртуальными. Индивидуально они никак не проявляют себя, но как системный ансамбль вполне заметно влияют на различие свойства материи (магнитный момент электрона, спектральные характеристики атомов и др.). Таким образом, этот вакуумный виртуальный «туман» — совершенно реальный феномен. Флуктуации энергии квантового вакуума, определенные формулами (5) и (6) имеют бесконечно широкий диапазон частот. Если взять интеграл по всем частотам, то получим бесконечно большую величину энергии. Не находя этому факту объяснения, теоретики предложили принимать ее за нулевой уровень энергии квантового вакуума. Поэтому есть основания думать, что именно сложные структуры квантового вакуума — та первооснова, которая определяет фундаментальные свойства нашего мира в целом. Используя эту идею, Дж. Уилер оценил минимальную величину флуктуации энергии квантового вакуума. Чтобы провести этот несложный расчет, он воспользовался численными значениями планковских масштабов (7) — и получил умопомрачительную величину: Е = 1095г/см3= 10и6эрг/см3- (8) Эти экстремальные оценки позволили Уилеру утверждать, что окружающий нас мир вещества, заполняющего Вселенную во всех его формах, буквально погружен в океан вакуума, насыщенный энергией. Все события, которые мы наблюдаем в нашем материальном мире, — не более, чем легкая рябь на поверхности этого океана. Первая научная картина мира была построена Исааком Ньютоном. Несмотря на внутреннюю парадоксальность, она оказалась удивительно плодотворной, на долгие годы предопределив самодвижение научного познания мира. В этой удивительной Вселенной не было места случайностям, все события были строго предопределены жестким законом причинности. А у времени было еще одно странное свойство: из уравнений классической механики 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. Хаос — это enfante terrible классической теории. С точки зрения классики — это нонсенс, то, чего быть не может. Открытия термодинамики заставили посмотреть на проблему по-иному: был сделан вывод, 1 Нелинейная Вселенная что хаос, состояние «тепловой смерти» — это неизбежное конечное состояние 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 превратить проблему в принцип. Хаос — это свободная игра факторов, каждый из которых, взятый сам по себе, может показаться второстепенным, незначительным. В уравнениях математической физики такие факторы учитываются в форме нелинейных членов, т. е. таких, которые имеют степень, отличную от первой. А потому теорией хаоса должна была стать нелинейная наука. Классическая картина мира основана на принципе детерминизма, на отрицании роли случайностей. Законы природы, сформулированные в рамках классики, выражают определенность. Реальная Вселенная мало похожа на этот образ. Для нее характерны стоха-стичность, нелинейность, неопределенность, необратимость. Понятие «стрелы времени» утрачивает для нее прежний ясный смысл. В нелинейной Вселенной законы природы выражают не определенность, а возможность и вероятность. Случайности в этой Вселенной играют 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 теория особенностей (А. Пуанкаре, А.А. Андронов, X. Уитни) и теория катастроф (Р. Том, К. Зиман, В.И.Арнольд). Ключевые термины, введенные в этих теориях, это бифуркация — процесс качественной перестройки и ветвления эволюционных паттернов системы, катастрофы — скачкообразные изменения свойств системы, возникающие на фоне плавного изменения параметров, аттрактор — «притягивающее» состояние, в котором за счет отрицательных обратных связей автоматически подавляются малые возмущения. В физике, химии и биологии — это работы И.Р. При-гожина и возглавлявшейся им Брюссельской школы по термодинамике необратимых процессов. Итогом их исследований стало возникновение нового научного направления — теории неравновесных процессов. Профессору Штутгартского университета Г. Хакену, много сделавшего для исследования этих процессов, принадлежит удачный термин — синергетика (по-гречески synergos означает согласованный). В России это работы С.П. Курдюмова, Г.Г. Малинецкого, А.А. Самарского. Рассмотрим 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 принципы нелинейности. Вот пример нелинейных процессов: возьмите лист бумаги и сложите его пополам. Потом еще раз пополам — и так далее 40 раз. Попробуйте угадать, какой толщины получится у вас эта стопка бумаги, не заглядывая на следующую строчку. А проведя нехитрый арифметический подсчет, вы получите поразительный результат— 350 ООО км, расстояние от Земли до Луны! В-третьих, это когерентность, т. е. самосогласованность сложных процессов. Принцип когерентности используется, например, в лазерах. Используя эти принципы, перечислим основные отличительные свойства мира, подчиняющегося нелинейным закономерностям.
В результате за зоной бифуркации открывается целый спектр альтернативных эволюционных сценариев. Это означает переход от жесткого лап-ласовского принципа детерминизма к бифуркационному вероятностному принципу причинно-следственных связей.
тической парадигме. Принятие этой парадигмы означает, во-первых, отказ от базовых постулатов традиционной науки:
Во-вторых, это принятие синергетических принципов конструирования картины мира:
В свое время классическая картина мира казалась удобной для развития гуманитарных научных дисциплин. Адам Смит и Давид Риккардо, создавая политическую экономию, ввели понятие «невидимой руки рынка», принцип которой им подсказали идеи Ньютона о гравитации. Томас Гоббс, разрабатывая теорию государства, вдохновлялся теорией атомного строения материи. Методы нелинейной науки, зародившиеся в сфере современного естественно-научного знания, оказались весьма перспективными при исследовании проблем социально-культурной динамики. Биологические и социальные констелляции относятся к классу самоорганизующихся систем, а потому моделирование методами синергетики их структурных и эволюционных характеристик позволило получить неплохие результаты, интересные в научном и практическом отношениях. Современный глобальный кризис в значительной мере обусловлен отставанием научной методологии прогнозирования от практических потребностей. Во многом это объясняется тем, что до сих пор не преодолено наследие классической методологии, а принципы нелинейности мышления еще не получили адекватного применения в области гуманитарного научного знания. |