Эксперимент и теория в современном естествознании (Физические науки)
1. Введение
В чисто профессиональном плане деление исследовательской работы в области физики на экспериментальную и теоретическую определяется необходимостью далеко идущего разделения труда, требованием в совершенстве овладеть очень сложной методикой современного физического исследования. Действительно, для каждого конкретного эксперимента нужен, как правило, целый комплекс аппаратуры как специального, так и более общего назначения. Создание этого комплекса (или, как принято говорить, экспериментальной установки) требует нередко длительной, напряженной работы большого коллектива, в котором профессиональные качества физика и инженера той или иной степени квалификации дополняют друг друга. В свою очередь, специфика каждой конкретной установки накладывает свой отпечаток на эксперимент, во-первых, потому, что с ней связан, как правило более или менее односторонний характер получаемой о данном физическом явлении информации, а во-вторых, потому, что с ней связана большая или меньшая степень инерции, диктуемой стремлением наиболее эффективно использовать материальные и людские ресурсы, уже затраченные на создание и эксплуатацию установки.
Образно говоря, подобная инерция нередко приводит к тому, что наиболее интенсивный поиск и сбор информации ведется не там, где можно предвидеть максимальный успех, а там, где достаточно хорошо «освещено» поле деятельности и есть достаточно надежные и эффективные орудия для этого сбора.
Аналогичная ситуация имеет место и в теоретической работе. Познание закономерностей физических форм движения материи неизбежно требует проникновения в количественную сторону происходящих процессов, а для этого, как правило, нужен и адекватный математический аппарат. Напомним, в частности, ту решающую роль, которую сыграли дифференциальные уравнения в теории электромагнитного поля, тензорное исчисление и дифференциальная геометрия в теории относительности, математические группы в квантовой механике и особенно квантовой теории элементарных частиц. Именно математический аппарат накладывает свою специфику на гипотезы и модельные представления, отражающие ту или иную степень проникновения ученого в сущность исследуемых явлений.
За последние примерно 10 лет прочно вошел в научный обиход еще один, очень важный инструмент теоретического и отчасти экспериментального исследования — электронные вычислительные машины. Обладая преимуществом быстродействия (миллионы математических операций в секунду и более) по сравнению с человеческим мозгом при достаточно большом для решения определенного класса задач объеме оперативной памяти, вычислительные машины являются теперь очень эффективным орудием как для переработки и анализа непосредственной экспериментальной информации, так и для обсчета сложных математических моделей изучаемых физиками процессов. Важно при этом отметить, что, наряду с чисто техническим совершенством вычислительной машины, эффективность ее использования очень сильно зависит от искусства программирования и усовершенствования самой методики программирования. Серьезный прогресс в этой области был достигнут, в частности, после разработки и практического внедрения специальных языков (типа Алгол и Фортрана), существенно облегчающих физику использование (в том числе— дистанционное) вычислительных машин в повседневной работе.
Соотношение эксперимента и теории в современной физике может быть следующим образом представлено в терминах кибернетики. Основной задачей эксперимента является сбор и накопление информации о свойствах физических объектов, процессах их взаимодействия и из108
менения. Теория занимается программами переработки этой информации и для этой цели создает информационные модели той или иной степени общности. Принципиальное значение подобного программирования может быть пояснено, в частности, тем определением случайной последовательности чисел, которое дал А. Н. Колмогоров: последовательность чисел может считаться случайной лишь тогда, когда необходимая для ее воспроизведения программа не может быть сделана короче, чем сама изучаемая последовательность.
Как будет показано ниже, философское значение вопроса о соотношении эксперимента и теории определяется тем, что в нем раскрывается один из аспектов очень широкой проблемы соотношения субъекта и объекта в теории познания.
2. Наблюдение, эксперимент и научный факт. Роль понятий и научных представлений
Широко известное ленинское определение материи как объективной реальности, познаваемой человеком через его ощущения, в области естественных наук преломляется в утверждении, что только наблюдение и эксперимент могут служить источниками, дающими исходный материал для формирования наших представлений об окружающем нас мире. Разница между двумя способами восприятия мира — наблюдением и экспериментом довольно очевидна; при наблюдении ученый является лишь пассивным свидетелем происходящих в природе явлений, и сам процесс наблюдения никак не влияет на эти явления (как это происходит, например, в астрономии); особенностью любого эксперимента является активное вмешательство ученого, создающего заново или, по крайней мере, изменяющего возникшие в природе условия протекания явлений.
Граница между наблюдением и экспериментом имеет исторически обусловленный характер. По мере развития технической оснащенности лабораторий, с одной стороны, все более глубокого проникновения в сущность явлений, с другой, формируются все новые возможности для активного вмешательства ученого в естественный ход физических процессов. Вспомним, как в начале века радиоактивный распад атомных ядер представлялся совершенно неуправляемым физическим процессом. В настоящее время анализ воздействий внешних полей на характер энергетических спектров гамма-излучения в эффекте Мессбауэра стал очень тонким средством исследования физико-химических свойств вещества. Переход от спонтанного оптического излучения возбужденных атомов к процессам индуцированного испускания открыл огромные перспективы для создания очень мощных и узко направленных лазерных пучков. Многочисленные примеры подобного сорта выражают общую тенденцию в развитии физики, а не изолированные, случайные достижения особо одаренных ее представителей на отдельных участках «научного фронта».
Разница между наблюдением и экспериментом проявляется и в той роли, которая отводится в том и другом случае физическим понятиям и представлениям. Совокупность некоторого числа наблюдений дает материал для активного творческого мыслительного процесса формирования как отдельных понятий, так и совокупности, системы взаимодействующих друг с другом понятий, образующих собой представления мыслящего субъекта об окружающем мире. Творческий характер процессов формирования понятий и представлений связан с тем, что сознание человека не в состоянии в конечное время полностью схватить все бесчисленное разнообразие свойств материальных объектов и связей, отношений между ними. Необходимо произвести сознательный отбор тех свойств и отношений, которые в рамках определенного круга явлений позволяют наилучшим образом схватить и выразить сущность происходящих в мире явлений. Более высокий этап взаимодействия изучающего субъекта и изучаемых, объективно существующих явлений состоит в том, чтобы на основе полученных ранее понятий и представлений «организовать» эксперимент, т. е. определенного типа материальное взаимодействие прибора с изучаемым объектом, направленное на выяснение еще не известных свойств объекта и характеристик его движения.
Квантовая физика впервые с достаточной ясностью поставила ученых в такое положение, когда любое наблюдение уже существенным образом влияет на условия и ход движения изучаемого материального объекта. Как было отмечено В. А. Фоком, в квантовом эксперименте всегда, можно указать ту начальную стадию, которая представляет собой приготовление определенного состояния движения микрообъекта. Эта же особенность микроявлений проявляется и в существовании физических приборов и физических величин, взаимно исключающих друг друга в единичном эксперименте и взаимно дополняющих друг друга в общем процессе изучения свойств микрообъектов.
Соотношения неопределенностей между соответствующими составляющими импульса и координаты как раз и представляют собой пример тех рамок, в пределах которых можно рассчитывать на одновременную применимость макроскопических представлений об импульсе и координате. Такая ситуация показывает, что физический эксперимент, вообще говоря, не представляет собой пассивного, «зеркального» отражения происходящих в природе явлений, ибо они неразрывно связаны с активным, творческим процессом формирования научных представлений о мире в сознании ученого.
В связи с этим следует проявить большое внимание и к трактовке опытных фактов, т. е. результатов строго определенных физических экспериментов. Бесспорно, что опытный факт сам по себе не может быть ни идеалистическим, ни материалистическим — оба эти прилагательные уместно относить либо к трактовке самого понятия «опыт», либо к философской интерпретации физических выводов из того или иного факта. И тем не менее даже чисто физический вывод (не говоря уже о дальнейшей сто философской интерпретации) всегда носит на себе печать исторически обусловленной ограниченности данного этапа познания мира мыслящим человеком. Действительно, экспериментальный факт — это, прежде всего, ответ, который дает природа на тот или иной вопрос, поставленный ученым; характер же этого вопроса, степень его осмысленности во многом зависит от зрелости научной мысли человечества на данном этапе развития науки, зависит от того, насколько глубоко проникла наука в сущность данного явления.
От общего состояния физической теории зависит оценка того или иного факта как характеристики единичного явления, или особенности целой группы явлений, или, наконец, как проявления очень общей закономерности природы. Такова, например, судьба экспериментов по определению скорости света. Лишь доказательство совпадения этой физической величины с коэффициентом, связывающим электрические и магнитные единицы измерения, позволило обосновать максвелловскую теорию электромагнитного поля, в то время как оценка той же величины как не зависящей от скорости системы отсчёта предельной скорости движения материальных тел сыграла роль одного из важнейших постулатов теории относительности.
3. Постулаты, гипотезы, математические модели и физические теории
Исторический процесс становления той или иной научной теории нельзя представлять себе по какому-то единому шаблону. В одних случаях первый толчок дается более или менее неожиданным экспериментальным открытием, которое оказывается в непримиримом противоречии с устоявшимися представлениями физиков об окружающем мире. Так произошло, например, открытие радиоактивности Беккерелем или открытие атомного ядра в опытах Резерфорда. В других случаях решающий скачок осуществлялся смелой гипотезой, которая опять- таки выходила за рамки привычной логики, но носила характер чисто умозрительной догадки, требовавшей подтверждения в соответствующем решающем эксперименте. Можно упомянуть в этой связи гипотезу де Бройля о волновой природе частиц материи, уравнение Дирака, предсказавшее существование позитрона, или идеи Тамма и Юкавы, приведшие, в конце концов, к мезонной теории ядерных сил. В обоих случаях исторически необходимый процесс становления новой теории проявляет себя в форме случайности — будь это в виде качественно новой информации из эксперимента или в виде сугубо интуитивной догадки о возможности поставить принципиально новый вопрос природе или осуществить качественно новую программу переработки и интерпретации уже известной информации (примером последнего может служить гипотеза Паули о существовании нейтрино).
Единого «рецепта» на научное открытие дать нельзя хотя бы уже потому, что любое крупное открытие — это прежде всего выход за пределы общепринятой логики мышления, за пределы всех общепризнанных рецептов. И в самом деле, разве, например, квантовые постулаты Бора не вступили в явное, казалось бы, противоречие с существующими представлениями о непрерывности электродинамических процессов и с привычной формой причинности как однозначной и непрерывной связи между изменением состояния движения физического объекта и порождающей это изменение внешней причиной — силой?
И тем не менее можно утверждать, что в становлении новой физической теории, как правило, можно указать следующие, более или менее резко выраженные элементы с характерными для каждого из них формами взаимодействия эксперимента и теории. Прежде всего это — гипотеза, т. е. предварительный, возможно даже не очень четко выраженный вариант теории; это — скорее догадка, требующая, с одной стороны, более четкого математичеческого оформления и, с другой стороны, — экспериментального доказательства. Затем — постулаты в виде минимального количества независимых утверждений, опирающихся либо на наиболее важные экспериментальные данные, либо на предполагаемое соответствие между определенным математическим аппаратом и основными свойствами физических объектов или явлений. И, наконец, — математически выраженная модель явления, позволяющая осуществить количественные предсказания новых экспериментальных фактов в рамках данной гипотезы.
При обсуждении вопроса о роли математических моделей иногда выдвигается требование, чтобы новая гипотеза содержала в себе только такие величины, которые можно непосредственно наблюдать на опыте. Одним из наиболее актуальных для современной физики примеров этого рода является проблема существования кварков — небольшого количества «истинно» элементарных сущностей, получающих наиболее простое математическое описание и позволяющих путем составления из них соответствующих комбинаций описать все многообразие стабильных и нестабильных частиц материи. За последние годы было предпринято уже немало трудоемких экспериментальных исследований, посвященных попыткам обнаружения кварков как в лабораторных условиях (в опытах с ускорителями), так и в космических лучах (где доступны значительно более высокие энергии, но зато чистота экспериментов и статистическая обеспеченность результатов оставляют желать лучшего). Вполне естественным образом возникает вопрос — не являются ли кварки неуловимой «синей птицей» для физиков и; можно ли будет считать их отсутствие достаточным основанием для кардинальной ревизии существующих гипотез, опирающихся на представления о более или менее сложных типах симметрии элементарных частиц с их законами сохранения тех или иных физических величин, выражаемых квантовыми числами.
Требование обязательного «изгнания» ненаблюдаемых величин не только из готовой теории, но даже из гипотезы характерно для позитивистской концепции, которая считает идеалом любой теории возможно более экономное описание взаимосвязи между наблюдаемыми на опыте величинами. Более того, позитивизм объявляет результаты экспериментальных наблюдений и измерений единственной физической реальностью, оставляя для теории лишь задачу их систематизации. Теория познания диалектического материализма рассматривает процесс познания как переход от явлений к сущностям все более глубоким с характерным для них неисчерпаемым богатством свойств изучаемых объектов и относительным характером истин, раскрываемых на каждом этапе развития физической теории. Поэтому и требование полной наблюдаемости всех величин, которое могло бы служить критерием совершенства и законченности теории уже «на сегодняшний день», отнюдь не может считаться категорическим, особенно по отношению к гипотезам.
Вместе с тем принадлежащее Гейзенбергу начало принципиальной наблюдаемости входящих в теорию физических величин имеет и свое рациональное, материалистическое зерно. Оно состоит в том, что основные понятия теории должны адекватным образом отражать сущность физических явлений, а между категориями сущности и явления имеет место диалектическое единство. Поэтому правильно схваченные элементы сущности рано или поздно могут быть непосредственно сопоставлены с экспериментом и наблюдением, слишком же отвлеченные и искусственно «навязанные» природе понятия (типа флогистона и теплорода) уводят в сторону от прогресса науки, от проникновения к сущности все более глубокого и общего порядка.
Остается рассмотреть вопрос о том критерии, выполнение: которого позволяет осуществить переход от рабочей гипотезы к полноценной теории. Речь идет о критерии практики, который является высшим судьей в дискуссиях между поборниками различных конкурирующих гипотез. Этот критерий, вообще говоря, не может быть полностью сведен к одному или нескольким «экспериментум круцис», позволяющим осуществить окончательный выбор единственной правильной теории.
Дело в том, что даже единственная безупречная теория верна, как правило, лишь в рамках определенного круга физических явлений и при выходе за пределы этого круга может нуждаться в дальнейшем обобщении и развитии. Поэтому критерий практики неизбежно должен включать в себя как оценку эффективности данной теории для предсказания новых научных фактов, так и перспективность ее использования в практической (производственной) деятельности человека. Может показаться, что в последнем утверждении содержится изрядная доля прагматизма (истинно то, что полезно для человека). На самом же деле речь идет о том, что только длительная научная и техническая практика в состоянии выявить как широту и глубину отображения действительности данной физической теорией, так и перспективность ее дальнейшего обобщения и развития.
Общая закономерность развития физических теорий путем их обобщения на все более широкий круг явлений тесно связана с принципом соответствия, большое эвристическое значение которого было схвачено впервые Н. Бором уже на первой стадии развития квантовой механики. Речь идет о том, что старая, более ограниченная теория должна соответствовать каким-то частным или, точнее, предельным случаям новой. Таковы, в частности, переходы от квантовой и релятивистской механики к классической в тех явлениях, когда величину кванта действия можно считать достаточно малой или скорость света— достаточно большой.
4. Некоторые особенности современного физического эксперимента
Можно указать следующие, характерные для многих разделов физики качественные особенности современного физического эксперимента:
1) высокая техническая оснащенность и коллективный характер исследовательской работы;
2) создание в лаборатории условий для проявления качественно новых явлений и новых материальных объектов;
3) быстрый переход от чисто исследовательской деятельности к производственной;
4) возрастание роли статистических методов обработки экспериментальных данных;
5) принципиальная необходимость учета взаимодействий исследуемого объекта с измерительными приборами;
6) все более широкое применение физических методов исследования в других естественных науках (биология, геология, химия, археология и др.).
1. Исторически необходимый переход от простого наблюдения естественных явлений природы к сознательной тенденции создания искусственных явлений тесно связан с быстрым ростом количества и качества приборов, подчас очень сложных и принимающих индустриальные масштабы.
Таковы, в частности, крупные установки для изучения четвертого состояния вещества — плазмы, большие ускорители заряженных частиц, аппаратура для создания высоких и сверхвысоких температур и давлений или, наоборот, глубокого вакуума, мощные радиотелескопы, комплексы приборов для исследований в космическом пространстве с помощью ракет и искусственных спутников.
Подобная тенденция к «индустриальным» масштабам собственно физического эксперимента сопровождается широким внедрением вычислительных машин для автоматической обработки огромного количества непосредственных экспериментальных данных. Эффективность современных вычислительных машин характеризуется такими показателями, как быстродействие (вплоть до многих миллионов операций в секунду), объем памяти, необходимой для ввода исходных данных и всех предусмотренных программой команд, наконец, степень надежности в работе. Сложность экспериментальной техники приводит, как правило, к объединению больших физических и инженерных сил в единые коллективы из десятков, а иногда и сотен человек, тесное сотрудничество которых не останавливается перед территориальной разобщенностью. Одним из необходимых условий успеха такого коллективного научного творчества является интенсивный обмен информацией и атмосфера деловой взаимной критики и самокритики при обсуждении планов работы, ее трудностей и итогов. Важным достоинством коллективных методов научной работы является то, что они помогают преодолевать односторонность и субъективизм как в оценке перспективности тех или иных направлений исследования, так и в интерпретации полученных результатов.
2. Высокая техническая оснащенность в сочетании с глубоким проникновением в закономерности физических форм движения материи определяет возможности создания качественно новых процессов и явлений, не наблюдавшихся ранее в природных условиях.
Таковы, например, когерентные световые пучки высокой интенсивности, получаемые с помощью оптических квантовых генераторов: необходимым условием их получения является создание так называемой инверсной заселенности энергетических уровней или, что то же самое, отрицательных температур, которые пока не наблюдались в природе.
3. Обе указанные выше черты современного эксперимента приводят к резкому сокращению сроков внедрения научных достижений в технику. Достаточно сопоставить, например, очень долгий переход от лабораторного изучения электрических и магнитных явлений к созданию генераторов и электромоторов для промышленных целей, с одной стороны, и гораздо более короткое время между открытием процесса деления урана (и других очень тяжелых ядер) нейтронами и использованием этого явления в энергетике. В свою очередь, высокие темпы развития техники оказывают обратное стимулирующее воздействие и на темпы научного прогресса как путем оснащения лабораторий аппаратурой промышленного производства, так и путем постановки новых научных задач, диктуемых потребностями развития техники. В результате этого граница между «чистой» и прикладной наукой нередко почти полностью стирается. Так, например, сугубо научное изучение законов фазовых превращений вещества при высоких давлениях очень быстро привело к разработке технологии производства искусственных алмазов, а прогресс в области ракетной техники быстро создал возможности для целого ряда новых физических исследований в околоземном и межпланетном пространстве.
4. За последние 10—20 лет физики обнаружили немало явлений, исследование которых позволяет на много порядков величины улучшить точность измерения частот излучения, скоростей движения частиц, их масс и ряда других физических величин. И наряду с этим физики вынуждены иногда работать в условиях, когда даже самый тщательный единичный эксперимент не представляет почти никакой ценности из-за вероятностного (стохастического) характера законов движения изучаемых объектов, неоднозначного характера их превращений и переходов в одних и тех же условиях эксперимента. Речь идет прежде всего о физике «элементарных» частиц материи, где имеет место, в частности, соотношение неопределенностей ΔpΔq ≥ ħ, предсказывающее неизбежное увеличение разброса возможных значений импульса р по мере возрастания точности пространственной локализации той же частицы по координате q.
Большая роль стохастических процессов привела к широкому внедрению соответствующих методов теоретического расчета, необходимого для сопоставления эксперимента с предсказаниями той или иной теории. Эти методы получили общее название «Монте-Карло», поскольку они связаны «с разыгрыванием» равновероятных процессов, для которых случайность играет, в принципе, ту же роль, что и при выпадении на заранее заданный номер шарика рулетки.
5. Одна из очень важных, с философской точки зрения, особенностей современного эксперимента проявляется опять-таки в условиях микромира. В классической (доквантовой) физике в принципе всегда можно было осуществить одно или несколько измерений, при которых прибор нe оказывал сколько-нибудь существенного влияния на состояние движения исследуемого объекта. В экспериментах квантовой физики ситуация, вообще говоря, не такова. Основной (рабочий) этап всякого измерения заключается здесь в том, чтобы включить новое взаимодействие, которое изменяет условия движения (макроскопическую «среду»), а с ними и состояние движения. При этом переход к новому состоянию происходит, вообще говоря, дискретным и неоднозначным образом с вероятностью, определяемой видом волновой функции микрообъекта.
Все это отнюдь не означает, что измеряемая физическая величина характеризует микрообъект только в момент измерения, а вне измерения понятие физической величины (импульса, координаты и пр.) вообще не имеет смысла, как это считают сторонники позитивистской школы. Столь же мало обосновано и другое утверждение, связанное с трактовкой волновой функции как «математической записи» полученных в эксперименте сведений о микрообъекте, а не как математического образа конкретного физического состояния движения. На самом же деле любой прибор в момент измерения определяет собой только один из возможных типов материального взаимодействия исследуемого объекта с окружающей «средой», а волновая функция определяет собой совокупность всех возможных, «реакций» (точнее, переходов) исследуемого объекта при взаимодействии с прибором данного типа. В этом и только в этом смысле следует трактовать утверждение, что любая физическая величина полностью определяется заданием процедуры ее измерения. Если говорить более точно, то вместо процедуры измерения следует задавать тип взаимодействия прибора с объектом, находящимся в данном состоянии движения (приготовление этого состояния и является первым этапом физического измерения).
В то же время не лишне подчеркнуть, что содержание самого понятия данной физической величины отнюдь не исчерпывается измерительной процедурой. И если позитивизм сознательно сводит физическую реальность квантовой теории (и не только квантовой!) к показаниям приборов, то диалектический материализм настаивает на объективном содержании любых физических величин даже в том случае, когда они проявляются только в отношениях данного объекта ко всем остальным (в том числе и к измерительным приборам).
Вопрос о соотношении микрообъекта и прибора имеет не только физический аспект в виде некоторого силового взаимодействия, но и очень важный логический аспект, на который серьезное внимание обратили Н. Бор и В. А. Фок. Было отмечено, в частности, что благодаря существованию конечного кванта действия явлениям микромира присуща своеобразная цельность, при которой имеет место органическая связь прибора с объектом, образующими как бы единое целое. В связи с этим граница, которую следует провести между изучающим субъектом и изучаемым объектом, проводится неоднозначным образом (хотя в самом существовании такой границы Н. Бор никогда не сомневался), она зависит от конкретной постановки экспериментальной задачи. В некоторых случаях, например, даже из двух взаимодействующих друг с другом элементарных частиц одна оказывается в роли «наблюдателя», воспринимающего 4-мерный импульс отдачи при изменении состояния другой частицы. Благодаря этому само квантово-механическое описание явлений, как правило, носит, как выразился Фок, «неабсолютный» характер; это означает, что свойства объекта (и характер его движения) рассматриваются не сами по себе, а лишь в их отношении к внешней для объекта среде, которую представляет прибор, служащий в то же время как бы продолжением органов чувства субъекта.
6. Сам по себе факт использования физических приборов как средства наблюдения в других областях науки, конечно, не нов (вспомним хотя бы огромную роль, которую сыграл микроскоп в развитии биологии или телескоп — в астрономии). Не представляет принципиальной новизны и резко возросшая в современную эпоху оснащенность всего естествознания разнообразными физическими приборами, все более совершенными по своей чувствительности и точности.
Более интересными и важными представляются следующие три обстоятельства. Во-первых, из средства простого наблюдения физический прибор все чаще превращается в орудие эксперимента, когда ученый вызывает к жизни и направляет то или иное физическое явление для познания закономерностей, выходящих за пределы только физики. Приведем в качестве примера широкое развитие разнообразнейших методов геофизической разведки (сейсмическая, электрическая, радиоволновая, с помощью космических лучей, гравиметрическая и т. д.), метод меченых атомов в биологии и химии, использование лазерных лучей в медицине и пр.
Во-вторых, в ряде случаев выясняется большая роль физических закономерностей, лежащих в основе очень сложных нефизических явлений. Такова, например, роль закона сохранения и превращения энергии для познания большого круга явлений, изучаемых физико-химической биологией на разных уровнях строения живой материи (молекула, структура, клетка, ткань, организм). И, наконец, довольно неожиданным явилось в ряде случаев очень плодотворное применение физических (наряду с математическими и кибернетическими) методов в гуманитарных науках (метод «меченых» атомов для определения возраста археологических находок, физические методы анализа в криминалистике, использование уравнений математической физики при анализе некоторых экономических явлений и т. д.).
5. Некоторые особенности современной физической теории
К числу важнейших фактов, экспериментально установленных современной физикой, относится дискретный и вероятностный характер элементарных процессов (переходов), происходящих с объектами микромира. Глубокое физическое и философское значение этого факта впервые осознал Н. Бор, один из созидателей современной квантовой физики. Формулируя свои знаменитые физические постулаты квантовой теории примерно за 10 лет до создания адекватного математического аппарата теории, Бор ясно отдавал себе отчет в том, что они вступают в явное противоречие с представлениями классической физики о формах проявления причинности. Действительно, пришлось признать, что непрерывно действующая причина — сила электромагнитного взаимодействия электрона с атомным ядром, — вообще говоря, изменяет состояние движения атомной системы только дискретным образом (причем с постоянной во времени вероятностью перехода). В случае же систем, находящихся в низшем из всех «разрешенных» энергетических состояний, эта причина вообще перестает действовать. И именно это обстоятельство приводит к важнейшему для атомной физики следствию — поразительной (с точки зрения «классики») устойчивости атомных структур. Как выяснилось окончательно впоследствии, эта устойчивость и вообще дискретность состояний физических систем тесно связана с волновыми свойствами микрообъектов.
Успехи квантовой теории в описании и объяснении закономерностей микромира вызвали острейшие дискуссии по вопросу о роли причинности и ее формах. Многие идеалистически мыслящие физики и философы постарались (и до сих пор стараются) «вывести» из квантовой механики утверждение о «крушении» «классического идеала» причинности, отчетливо понимая, что принцип причинности является одним из краеугольных камней материалистической концепции мира. Материалисты-метафизики, исходя из того же противоречия между дискретностью и классической (непрерывно действующей) причинностью, бросились в другую крайность, объявив квантовую теорию неполноценной или, точнее, неполной, а в некоторых случаях (как это произошло, например, с оценкой теории резонанса в химии) даже просто «идеалистической» и лженаучной.
Точка зрения диалектического материализма состоит в том, что микромир открыл перед физикой новую форму проявления причинности. Важнейшей особенностью этой новой формы является (возможность описания состояний движения микрочастиц посредством волновой функции, которая полностью исчерпывает совокупность возможных «реакций» микрообъекта на возможные внешние воздействия. В теории элементарных частиц такое описание приобретает вид так называемого динамического формфактора, который заменяет описание пространственной структуры («формы») частицы набором вероятностей передачи того или иного импульса при ее взаимодействиях с другими частицами.
Если признать, что волновая функция задает объективное описание состояния индивидуальной частицы (хотя такая точка зрения разделяется не всеми физиками), то уравнения Шредингера и Дирака, определяющие собой закон изменения во времени волновой функции в заданном силовом поле, вполне можно рассматривать как конкретные выражения закона причинности для частиц с различной величиной спина. В теории (пока еще очень несовершенной) элементарных частиц одно из возможных проявлений закона причинности в малых масштабах используется при выводе так называемых дисперсионных соотношений, связывающих между собой вероятности (амплитуды) различных квантовых переходов. Отметим, что экспериментальная проверка дисперсионных соотношений в области достаточно высоких энергий позволит в дальнейшем уточнить и проверить конкретные научные представления и о формах проявления причинности.
Познание новых форм проявления причинности в физических явлениях микромира тесно связано, с одной стороны, с коренным пересмотром фундаментальных физических понятий, используемых в кинематике (описании движения частиц в пространстве и времени), а с другой стороны — с обнаружением принципиально новых структурных свойств (или внутренних степеней свободы) частиц и новых типов их взаимодействия. Замечательное предвидение В. И. Ленина о неисчерпаемости электрона, в котором проявляется дальнейшее развитие материалистического учения об абсолютной и относительной истине, в полной мере подтвердилось современной физикой. Обнаружен целый ряд новых, совершенно непохожих на привычные классические, свойств элементарных частиц — спин, четность, изотопический спин, гиперзаряд, странность и пр. Оказалось, что именно эти новые свойства позволяют нащупать успешные подходы к систематике и классификации элементарных частиц, из которых более или менее «автоматически» выводятся и следствия о соотношениях между массами частиц, входящих в одни и те же «семейства».
Физический смысл экспериментально обнаруженных новых свойств и соответствующих количественных характеристик (квантовых чисел) состоит в том, что они определяют собой одновременно и внутреннюю структуру частиц, и особенности их взаимодействий друг с другом. Подобные квантовые числа являются численной мерой степеней свободы, связанных с внутренней структурой частиц; точно так же, как и в случае «привычных» для классической физики сложных систем типа атома или атомного ядра, они проявляют себя в существовании возбужденных состояний частиц (например, гипероны и изобары — возбужденные состояния нуклонов). Благодаря этому само понятие «элементарности» частиц приобретает относительный характер и более уместно (хотя и непривычно) было бы пользование для них термином «фундаментальные частицы», введенным впервые М. А. Марковым. Крупным достижением физики за последние 30—35 лет явилось также обнаружение новых типов взаимодействия элементарных частиц: помимо уже известного электромагнитного были открыты сильное взаимодействие (в частности, ядерные силы) и слабое взаимодействие, ответственное, в частности, за все сравнительно медленные распадные процессы. Оказалось при этом, что каждый тип взаимодействия связан со специфическими для него законами сохранения или изменения квантовых чисел и соответствующими типами симметрий.
Характерной особенностью сильных взаимодействий, помимо большой константы связи между барионными зарядами и полем (с чем и связан сам термин «сильные» взаимодействия), является также отличная от нуля масса квантов поля (мезонов). Не исключено, впрочем, что не обнаруженные пока на опыте кванты универсального слабого взаимодействия (так называемые промежуточные бозоны) обладают значительно большей массой покоя.
В свою очередь, большая константа связи частицы (например, нуклона) с полем приводит к тому, что частица весьма значительную часть времени находится как бы в «виртуально диссоциированном» состоянии, которое при получении достаточно большого импульса извне переходит уже в реальную диссоциацию. Эта «виртуальная» диссоциация нуклонов проявляется, в частности, в пространственном распределении электрического заряда и магнитного момента (что обнаруживается в опытах по рассеянию электронов нуклонами).
В большинстве случаев вновь обнаруженные свойства частиц не поддаются наглядному истолкованию в терминах пространственной структуры или внутреннего движения этих частиц. Физикам-теоретикам приходится прибегать к тем или иным математическим моделям, основанным на использовании аппаратов тензорного (или спинорного) исчисления и теории групп. Отсутствие наглядности этих математических образов не мешает создавать теории, предсказывающие новые частицы и дающие руководящую нить в понимании возможных процессов их превращения. Таким образом, получившие широкое признание эффективно «работающие» математические модели современной физической теории играют ту же самую роль в объяснении микромира, какую в недавнем прошлом играли одни только наглядные механические модели атомов, молекул, кристаллов, жидкостей и газов.
С другой стороны, необходимо иметь в виду, что понятие наглядности носит исторически обусловленный характер. Так, например, максвеллова теория электромагнитного поля вначале была крайне трудной для понимания именно в силу отсутствия простой, механической наглядности ее основных представлений и отсутствия у человека специального органа чувств для восприятия электрических и магнитных полей (за исключением высокочастотных световых полей), имеющегося у ряда животных. В дальнейшем, однако, по мере все более широкого внедрения электромагнитных явлений в производство и быт человека электромагнитое поле стало, во всяком случае, не менее наглядным, чем поле тяготения.
Достижения нерелятивистской квантовой теории уже около 40 лет тому назад поставили физиков перед задачей по-новому осмыслить хорошо знакомые классической физике кинематические понятия и, в частности, понятия импульса и координаты в применении к отдельным частицам материи. Существенно диалектический характер сочетания корпускулярных и волновых свойств в одних и тех же физических объектах проявляется в том, что могут быть указаны чисто количественные критерии применимости заимствованных из физики макромира наглядных механических величин. Речь идет, в частности, об упомянутом выше соотношении неопределенностей, которое позволяет связать между собой степени неопределенности значений импульса и координаты частицы при одновременном их измерении, в одном и том же состоянии движения. Вторым очень важным примером того же типа является соотношение ΔE∙Δt ≥ ħ между неопределенностями энергии частицы (или системы частиц) и моментом ее перехода с одного энергетического уровня (или состояния движения) на другой в результате взаимодействия с окружающей «средой».
В настоящее время многие физики пытаются (пока безуспешно) осуществить еще более далеко идущий пересмотр классических представлений о пространстве и времени в масштабах микромира. Речь идет прежде всего о попытках построения теорий нелокального взаимодействия фундаментальных частиц и близких к ним по духу идеях квантования пространственно-временного континуума.
Разумеется, только будущий эксперимент сможет подтвердить правильность какой-либо из этих идей. Однако из чисто философских соображений можно ожидать, что специфика законов движения материи в масштабах микромира тем или иным образом связана и с изменением самих пространственно-временных форм этого движения. Первым и пока единственным примером подобной взаимосвязи формы и содержания движения является экспериментально установленный факт несохранения четности (т. е. нарушения зеркальной симметрии) в процессах, обусловленных слабыми взаимодействиями частиц. В то же время для взаимодействий другого типа (сильных и электромагнитных) никаких отклонений от зеркальной симметрии пространства обнаружить пока не удалось.
Перечисленные выше характерные особенности некоторых современных теорий касаются, главным образом, их содержания (т. е. закономерностей движения материи и ее структуры), а не закономерностей развития и структуры самого физического знания. Между тем и форма современной теории дает немало оснований для размышления. Остановимся здесь лишь на двух пунктах: роли принципа соответствия и «иерархии» физических законов. Несмотря на крутую ломку большинства фундаментальных физических понятий, новые разделы теоретической физики отнюдь не перечеркивают собой нацело все, что было достигнуто физикой классической, и не лишают смысла «старые» физические понятия и проблемы, как это изображают иногда позитивисты. Так, например, частная теория относительности привела к новому закону сложения скоростей, к зависимости массы от скорости, к относительному характеру одновременности и пр. Представления и законы, которыми оперирует классическая механика, получаются отсюда простым предельным переходом, путем устремления скорости света к бесконечности или перехода к малым скоростям движений. При этом скорости начинают складываться аддитивно, зависимость массы от скорости практически пропадает, инвариант квадрата 4-мерного вектора распадается на два «почти» инварианта (интервалы длины и времени) и т. д.
Аналогичная ситуация имеет место и в соотношении между квантовой и классической механикой: последняя получается из первой для случая макроскопических объектов, в которых величина кванта действия может считаться достаточно малой, чтобы ею пренебречь (h → 0).
Подобное соотношение «старой» и «новой» теории, преемственность физического знания очень хорошо согласуется с известным тезисом диалектического материализма об абсолютной истине как сумме истин относительных, исторически обусловленных. Сказанное не отрицает, конечно, возможности заблуждений и ложных путей в науке, не выдерживающих «испытания временем». Важно, однако, то, что эти неизбежные заблуждения свидетельствуют не о принципиальной ограниченности человеческого ума, а о многогранности и неисчерпаемости явлений и свойств природы, в которых существенное нередко может казаться скрытым, ускользающим от поверхностного наблюдения и скороспелых суждений.
Среди большого числа вопросов, относящихся к структуре современной физики, хотелось бы обратить внимание на те интересные соображения по поводу общности законов физики, которые были высказаны недавно Вигнером в его Нобелевской лекции[1]. Анализируя соотношение между категориями события, закона природы и принципа симметрии или инвариантности, Вигнер по существу конкретизирует диалектику соотношения единичного, особенного и всеобщего в ее применении к физике. При этом он обращает внимание и на то, что переход от познания отдельных свойств поведения (лучше оказать, движения) изучаемых объектов сначала к познанию регулярностей в явлениях природы (в определенных условиях), а затем и к познанию еще более общих принципов симметрии или инвариантности, которым подчиняется вся совокупность известных физических законов, — это путь от описания явлений природы к их объяснению, иными словами, можно было бы сказать, что это и есть конкретный путь от явления к сущности, характерный для процесса познания в целом.
6. Единство теории и эксперимента и активная роль субъекта в процессе познания
Рассматривая взаимоотношения субъекта и объекта в процессе познания, как идеализм, так и метафизический материализм дали хотя и противоположное, но в обоих случаях одностороннее решение проблемы активности. В первом случае действительность трактуется как выражение творческой активности духа, во втором— считается, что сознание только копирует, с большей или меньшей полнотой, окружающий человека мир. Между тем диалектический материализм, оставаясь на позиции первичности материи и вторичности сознания, исследует процесс их взаимодействия во всей его противоречивости и многогранности. И если ограничиться областью физики, то диалектический характер процесса познания природы мыслящим субъектом лучше всего раскрывается именно в проблеме соотношения эксперимента и теории как двух взаимно дополняющих друг друга путей познания.
В отличие от простого наблюдения, любой эксперимент есть уже нечто большее, чем простое накопление информации, поступающей в мозг человека через его органы чувств. Действительно, первой задачей экспериментатора является создание таких, достаточно чистых, условий, которые обеспечили бы, с одной стороны, необходимую степень воспроизводимости результатов, с другой — максимально возможное исключение побочных факторов, искажающих ход исследуемого физического явления. Но для того, чтобы «организовать» чистые условия опыта, ученый должен уже иметь какой- то минимум представлений о природе явления, он должен уметь выделить существенные для этого явления факторы, в противном случае он вообще не сумеет оказать никакого влияния на естественный ход событий. Вторым условием успеха эксперимента является умение его автора представить себе, хотя бы в самых общих чертах, в чем будет состоять результат. Простейшим случаем в этом отношении является тот, когда экспериментатор уже располагает готовой теорией или хотя бы рабочей (предварительной) гипотезой, нуждающейся в опытной проверке по принципу «да» или «нет». Однако этот случай нельзя считать типичным, если, конечно, не делать ставку только на гениальную интуицию ученого.
Гораздо более характерным в истории развития науки является путь последовательных приближений, немного напоминающий известную детскую игру, в которой спрятанная вещь разыскивается при помощи наводящих указаний типа «тепло» или «холодно». Речь идет о том, что в ходе целой серии экспериментов в сознании их авторов постепенно формулируются все более определенные представления о том, какие именно факторы и зависимости следует считать существенными, т. е. определяющими ход явления, хотя бы в первом приближении.
Существует аналогичный, в какой-то мере независимый, процесс и в теоретическом исследовании. Располагая обычно небольшим числом важнейших экспериментальных сведений о свойствах физических объектов, участвующих в исследуемом явлении, теоретик «конструирует» те или иные математические модели объектов и путем соответствующих логических, математически оформленных операций получает предсказания, проверяемые на опыте. Тем самым достигается доказательство или, наоборот, опровержение всей исходной концепции и модели. Разумеется, и в этом случае адекватная модель действительности, как правило, находится не сразу, а лишь в итоге целой цепи последовательных усовершенствований и модификаций первоначальной модели, в каждом звене которой ученый постигает весьма драматические переживания надежд, разочарований и лишь в редких случаях — триумфов.
Если сопоставить теперь оба пути исследования, то можно увидеть их основное отличие в следующем. В первом случае ведущая роль принадлежит эксперименту, теория же играет вспомогательную роль путем расчетов, осуществляющих логическую связь между основными физическими представлениями. Во втором случае, наоборот, главная роль принадлежит теории, создающей более или менее абстрактные модели, эксперимент же только отвечает на те или иные конкретные вопросы, необходимые для сопоставления этих моделей с действительностью.
Необходимо признать, что именно на втором пути были достигнуты крупнейшие достижения современной физики — такие, как теория относительности, квантовая механика, квантовые теории сверхпроводимости, сверхтекучести, ферромагнетизма, гипотезы о симметриях элементарных частиц.
Эти несомненные успехи породили у некоторой части теоретиков, особенно у тех, которые не имели четкой философской позиции, иллюзию извечной «гармонии» мира, аналогичную пифагорейскому учению о том, что гармония чисел якобы «управляет» строением мира. Получилась ситуация, очень близкая к той, которую анализировал В. И. Ленин в «Материализме и эмпириокритицизме», когда он показал, как математические уравнения движения материи затмили в умах части физиков исходное объективное содержание самого понятия материи.
Как и в любом другом случае идеалистических наслоений над естественнонаучными концепциями, источником идеализма оказалось в данном случае одностороннее раздувание одной из особенностей процесса познания — именно той, которую всегда упускал из виду метафизический материализм. Речь идет об активной, творческой способности человеческого мышления, которое с необходимостью формирует обобщения и абстракции, играющие роль программы для переработки поступающей из эксперимента информации и являющиеся субъективно окрашенным отражением объективной закономерности строения и движения материи. Только благодаря этой особенности сознание может осуществить тот качественный переход от единичного к особенному и общему, без которого невозможен процесс познания абсолютной истины.
Важно отметить при этом ту большую роль, которую играет в этом процессе интуитивный поиск, существенным образом опирающийся на эксперимент на том или ином этапе. Более подробное исследование этой важной проблемы должно быть проведено специалистами в области психологии научного творчества.
В заключение остановимся на одном важном философском аспекте взаимодействия эксперимента и теории, на их «субординации». Исходя из общей посылки материализма о том, что материя первична, а сознание вторично, казалось бы, следовало заключить, что эксперимент всегда предшествует теории. Не очень далека отсюда и точка зрения на основную задачу теории как на задачу систематизации экспериментальных данных. Однако уже высказанные соображения о параллельных путях развития эксперимента и теории (в данном случае, конечно, параллельность нельзя понимать как полную независимость) показывают, что дело обстоит не так просто, и скорее уж здесь пригодна аналогия с проблемой «первичности» и «вторичности» (в смысле логического следования) курицы и яйца. И действительно, теоретические модели всегда основаны на каких-то постулатах, обобщающих полученную из эксперимента информацию. Но и эксперимент неизбежно требует определенных теоретических представлений об исследуемом явлении природы, ибо без них невозможно ни эффективное вмешательство в ход явления, ни сколько-нибудь осмысленная интерпретация полученного результата. В частности, без использования теоретических представлений, накопленных на предыдущей ступени развития науки, вместо установления причинно-обусловленной взаимосвязи событий останется «бесстрастная» регистрация их последовательности, и тем самым закономерность снижается по существу до уровня случайности.
- Е. Вигнер. События, законы природы, принципы инвариантности. «УФН», т. 85, 1965, стр. 727. ↑
