Текст книги "История и философия науки: учебное пособие"

Автор книги: Лев Зеленов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 9 (всего у книги 33 страниц) [доступный отрывок для чтения: 12 страниц]

Квантовая механика

Как галилеевско-ньютоновская механика рождается в результате преобразования сформулированных в Греции в V в. до н. э. зеноновских парадоксов движения в определение новых физических идеальных объектов, так и квантовая механика рождается в результате преобразования парадокса «волна – частица» в новый физический идеальный объект – квантовую частицу.

В начале XX в. в исследованиях строения материи ученые столкнулись с тем, что главные принципы ньютоновской механики оказались неприменимыми не только к изучению свойств пространства и времени, но и к изучению атомных, элементарных частиц. В результате была построена новая механика с новыми постулатами. Основателями этой науки – квантовой механики (волновой механики) – по праву считаются М. Борн, Э. Шредингер и В. Гейзенберг.

Первоначально согласно классической механике свет рассматривался как совокупность мельчайших корпускул, чему способствовало открытие явления фотоэффекта. В 1900 г. М. Планк использовал представление о дискретных порциях энергии – квантах для объяснения процессов поглощения и излучения энергии, а впоследствии уже А. Эйнштейн доказал, что свет не только поглощается и излучается, но и распространяется квантами.

В теории, выдвинутой Максвеллом, свет представлялся как особый вид электромагнитного излучения‑как электромагнитные волны. С помощью этой теории смогли быть объяснены интерференция и дифракция света. Таким образом, появилась волновая теория света: свет – это волны, распространяющиеся в среде, названной эфиром. В результате образовался корпускулярно-волновой дуализм, сущность которого заключалась в том, что фотоэффект, оптические явления и взаимодействие с веществом объяснялись корпускулярной теорией, а интерференция и дифракция – волновой. С точки зрения обыденного сознания такое трудно представить, поэтому появился еще один термин – парадокс «волна – частица». Принципиально новый этап в развитии науки был связан с перенесением свойств корпускулярно-волновой теории света на теорию элементарных частиц. В 1924 г. французский физик Луи де Бройль предположил, что частицы материи распространяются, как волны, с конкретной частотой. В 1927 г. К. Девиссон и Л. Джермер получили от рассеяния пучка электронов на кристалле картину, аналогичную рентгенограмме М. Лауэ, свидетельствующую, что электроны, как и рентгеновские лучи, испытывают характерную для волн дифракцию. Таким образом, было установлено, что не только фотоны, но и материальные, элементарные частицы: электрон, протон, нейтрон и другие – обладают дуализмом. В ходе экспериментов с исследованием прохождения потока электронов через отверстия в металлической перегородке было обнаружено исчезновение интерференции потока электронов при воздействии света, т. е. фотоны изменяли движения электронов. Обнаружилось новое явление, заключающееся в том, что любая попытка наблюдения микрообъектов сопровождалась изменением характера их движения. Таким образом, никакое наблюдение микрообъектов при исследовании элементарных частиц невозможно независимо от измерительных устройств.

Н. Бор выдвинул «принцип дополнительности» для квантово-механического описания микрообъектов, согласно которому корпускулярная картина такого описания должна быть дополнена волновым альтернативным описанием.

Превращение волна – частица в новый физический идеальный объект – квантовую частицу стоит на «четыре китах»: введение нового математического представления, состоящего из волновых функций, и уравнения движения Э. Шредингера (или их аналогов в эквивалентных представлениях В. Гейзенберга), вероятностной интерпретации волновой функции М. Борна, свидетельствующей о соответствии состояния системы и ее математического образа – волновой функции, «принципа дополнительности» Н. Бора, устанавливающего «набор одновременно измеримых величин» для данной системы, определяющей те измеримые величины, значения которых задают ее состояние, и «принципа соответствия» Н. Бора, задающего квантовую систему и ее математический образ.

Принципиальное отличие квантовой механики от классической состоит и в том, что все предсказания ее имеют только вероятностный характер. Невозможно, в отличие от классической механики, точно указать место и состояние элементарной частицы в экспериментах. По словам Р. Фейнмана, единственное, что поддается предвычислению, – вероятность различных событий; при этом приходится признать, что мы изменяем нашим идеалам понимания природы.

Если в ходе эксперимента мы стремимся определить значение одной из сопряженных величин в квантово-механическом описании, то значение другой величины нельзя определить с такой же точностью, т. е. чем точнее мы определяем одну, тем менее точно определяется другая. Но произведение их неточностей не должно превышать некое постоянное значение, названное постоянной Планка. В квантовой механике этот принцип получил название «принцип неопределенности» и впервые был сформулирован В. Гейзенбергом. Любое состояние системы описывается с помощью «волновой функции», но в отличие от классической механики эта функция определяет параметры ее будущего состояния не достоверно, а лишь с определенной степенью вероятности.

Основы квантовой механики оказались тесно связанными с фундаментальными проблемами научного познания. Во-первых, проявилось влияние инструментария исследователя элементарных частиц на их поведение. Во-вторых, принципиально невозможно точно определить и предвидеть результаты измерения, состояние системы в будущем‑только с некоторой степенью вероятности.

Перечисленные элементы квантовой механики, введенные в нее в середине 1920-х годов, задают содержательное наполнение всех функциональных позиций (что свидетельствует о полноте и законченности теории квантовой механики), подтверждаемых новыми результатами, хлынувшими как из рога изобилия.

И тем не менее уже более 70 лет в этой развитой и эффективной науке продолжается начатый Бором и Эйнштейном спор. (Впрочем, спор вокруг зеноновских парадоксов движения еще не закончен.) Взгляды Эйнштейна представляют собой философское убеждение, которое не может быть ни доказано, ни опровергнуто физическими аргументами. Как писал М. Борн, единственное, что можно сделать в части возражения данной точке зрения, – это сформулировать другое понятие реальности. В квантовой механике сосуществует несколько спорящих между собой традиций (куновских «парадигм»), называемых «интерпретациями». Главные из них – «копенгагенская», отцами которой были Н. Бор, В. Гейзенберг, М. Борн, и «классическая», отстаиваемая ориентировавшимися на идеалы ньютоновской классической механики А. Эйнштейном, Э. Шредингером, Л. Де Бройлем. Последние сформулировали свои претензии к первым в виде набора «парадоксов»: ЭПР-парадокса, парадоксов нелокальности, шредингеровского кота и коллапса волновой функции при измерении, доказывающих с их точки зрения неполноту и незаконченность квантовой механики как физической теории. Эти «парадоксы» интенсивно обсуждаются физиками и сегодня. Причина спора не в физике, а в разнице философских позиций сторон. Эйнштейн здесь близок к позиции реалистического эмпиризма, в то время как Бор – к позиции конструктивного эмпиризма. Отметим, что «парадоксы» обсуждаются с точки зрения третьей, «галилеевской» позиции «конструктивного рационализма». «Конструктивный рационализм» утверждает искусственность и в то же время реальность квантового объекта, его физической модели, «физической реальности» состояний системы, когда не проводятся измерения.

Теория элементарных частиц

Кризис в физике в конце XIX – начале XX в. был также связан с невозможностью классической механики, физики объяснить свойства материи на атомарном уровне. В результате появилась новая физика – релятивистская квантовая механика, или теория элементарных частиц.

Для объяснения эмпирических законов Бойля – Мариотта, Гей-Люссака для идеальных газов, теплового расширения тел

была использована гипотеза об атомах как неделимых частицах вещества. С помощью атомов и молекул в кинетической теории вещества были наглядно объяснены практически все эмпирические законы, свойства тел, которые сводились к свойствам невидимых атомов и молекул. Возникло направление – редукционизм. На определенном этапе развития науки данный подход был прогрессивным, однако с открытием естественной радиоактивности, в результате которой одни химические вещества превращались в другие, открытием атомного ядра и элементарных частиц редукционизм оказался неспособным объяснить эти явления. Первыми этапами в исследованиях строения атома стали работы Дж. Томпсона, открывшего электрон, затем эксперименты Э. Резерфорда, предложившего в 1913 г. планетарную модель строения атома, и исследования Н. Бора с его модификацией резерфордовской модели. В 1919 г. Э. Резерфорд открыл протоны, в 1932 г. открыты нейтроны, а с 1936 г. – позитроны. В дальнейшем были открыты мюоны, пимезоны, нейтрино, «очарованные» частицы, ипсилон, антипротон, антинейтрон и многие другие – их общее число превышает 350. С начала 50-х годов в исследованиях элементарных частиц начался новый этап в связи с появлением нового средства исследований – ускорителя. Для изучения свойств материи на атомарном уровне были использованы принципы квантовой механики: «принцип дуализма волны и частицы», «принцип неопределенности» и «принцип дополнительности», а вместо классических законов – статистические законы и вероятностные исследования. Характерными свойствами элементарных частиц являются их ничтожные массы и размеры, с одной стороны, с другой – способность испускаться и поглощаться при взаимодействии с другими частицами. По интенсивности, с которой происходят взаимодействия между частицами (и частицы соответственно взаимодействию), их делят на сильное, электромагнитное, слабое и гравитационное. Соответственно, существует четыре класса элементарных частиц: адроны, которые участвуют во всех типах взаимодействий (они делятся на барионы и мезоны, лептоны, не участвующие только в сильном взаимодействии (из них нейтрино не участвует и в электромагнитном, благодаря чему они проходят, не взаимодействуя, сквозь толщу материи); фотон, участвующий только в электромагнитном взаимодействии; гипотетический гравитон – переносчик гравитационного взаимодействия. Сильное взаимодействие обусловливает связь между протонами и нейтронами в атомных ядрах. Электромагнитное взаимодействие определяет специфику связи между электронами и ядрами в атоме, а также между атомами в молекуле; оно менее интенсивное. Слабое воздействие вызывает медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в частности распад квазичастиц. Гравитационное взаимодействие происходит на чрезвычайно малых расстояниях и вследствие крайней малости масс частиц дает малые эффекты, однако сила такого взаимодействия существенно возрастает при действии больших масс.

Взаимодействия носят полевой характер, что вылилось в квантовую теорию поля (полей). Исходной моделью в этом случае служит поле, через которое осуществляется взаимодействие между зарядами. Это, во-первых, электромагнитное поле (квантовая электродинамика), по аналогии с которым вводятся другие квантовые поля и заряды для так называемых слабого и сильного взаимодействий.

Квантовая теория поля пытается перенести эту физическую модель на другие «элементарные» частицы, вводя соответствующие квантовые поля (глюоны – от слова «клей» – для сильного и промежуточные бозоны – для слабого взаимодействия) и заряды. В наиболее популярной сегодня квантовой теории поля для сильного взаимодействия используется кваркоглюонная физическая модель, в которой в роли частиц (электронов и позитронов в квантовой электродинамике) выступают кварки (частицы с дробным электрическим зарядом), а роль носителей взаимодействия между ними выполняют глюоны. В отличие от фотонов глюонов приходится вводить много (их различают по «цвету» – новому квантовому числу), и они обладают массой.

Существенной особенностью этой теории является принципиальная ненаблюдаемость свободных кварков, из которых составляют адроны. Вводимое в математическое представление сильное нелинейное глюонное взаимодействие обладает свойством: на малых расстояниях (порядка размера ядер атомов) взаимодействие между кварками незначительно, потому они ведут себя как почти свободные частицы. Но при увеличении расстояния величина взаимодействия очень быстро растет до сколь угодно больших величин. Этим пытаются объяснить ненаблюдаемость их в свободном состоянии. Кроме того, в рамках квантовой теории поля вводится наряду с известными в нерелятивистской квантовой механике величинами (энергией, импульсом, спином) ряд новых, так называемых внутренних (или «динамических») характеристик, предназначенных для описания в систематизации множества адронов (представляемых в кварко-глюонной теории поля как совокупность двух (мезоны) или трех (барионы) кварков) типа «изотопического спина».

Успехи в развитии полевых теорий различных взаимодействий стимулируют усилия, направленные на создание единой квантовой теории поля, объединяющей все эти частицы и взаимодействия. Однако пока удалось добиться лишь объединения электромагнитного и слабого взаимодействий в рамках теории С. Вайберга и А. Салама. В качестве переносчиков слабого взаимодействия в данной теории выступают промежуточные W+, W—, ZO-бозоны, которые в отличие от своих электромагнитных аналогов – фотонов – обладают массой покоя. Вместе с попытками построить единую теорию поля (в ходе которых его размерность постоянно растет) существует попытка ввести и новую модель для описания элементарных частиц – модель струны. Но степень успешного решения такого относительно молодого направления пока еще неясна.

Атомистическая концепция опирается на представление о дискретном строении материи, в результате возникают мировоззренческие проблемы, связанные с абсолютизацией аспекта дискретности, неограниченной делимости материи и полной редукцией сложного к простому, при которой не учитываются качественные различия между ними. Поэтому, по мнению В. Гейзенберга, особенно важными и интересными с научной точки зрения представляются подходы к изучению строения материи, основывающиеся не на поиске последних, неделимых частиц, а на выявлении их внутренних связей для объяснения целостных свойств других материальных образований.

Химия и биология XX в

Главная задача химии, сформулированная Менделеевым, – получение веществ с необходимыми свойствами, что требует научно-исследовательских усилий по выявлению способов управления свойствами вещества, – в первой половине XX в. решалась на структурно-молекулярном уровне. Была разработана технология получения органических веществ. Одним из первых выдающихся достижений ее стало получение синтетического каучука в 1928 г. (Уже в середине века на основе учения о химических процессах были созданы поточные производства самых различных материалов, в том числе и с заранее заданными свойствами.) Чуть позже началось взрывное развитие биохимии.

Биология в XX в. переходит от описательной науки к теоретической и экспериментальной. В результате развития экспериментов и гипотез о наследственности Г. Менделя в первой трети XX в. возникает мощное течение, получившее название «генетика». Захватывающе драматична ее история в СССР, трагична судьба признанного ее лидера Н. И. Вавилова – автора теории гомологических рядов.

После серии великих открытий во второй половине XX в. носителей и кодов наследственности РНК и ДНК биология вышла на молекулярный уровень изучения своих объектов и явлений, она приобрела черты физико-химической биологии.

В последней трети XX в. получает дальнейшее развитие концепция эволюционной биологии, что в принципе делает реальной возможность осуществления глобального эволюционного синтеза.

Техника и технологии периода «неклассической науки»

Техника и технологии периода «неклассической науки» в основном носили еще «классический» характер. Из всего многообразия технологического развития необходимо выделить главное: в XX в. развитие стремительно шло к интеграции различных направлений в единую техносферу с взаимозависимыми функциональными частями, охватывавшими всю планету и околоземное пространство (глобальный транспорт, глобальная связь, глобальное перераспределение энергетических и сырьевых ресурсов и т. д.) и все стадии трансформации вещества, энергии и информации. Решающее влияние на процесс и темпы становления структурной техники и технологии в XX в. оказали две мировые войны, цикл локальных войн и глобальное противостояние двух политических систем.

Отдельные вехи технического и технологического развития в ХХ в.:

• изобретение (в конце XIX в.) двигателя легкого топлива (цикл ОТТО) и сразу вслед за этим возникновение автостроения, авиастроения со множеством проявлений «внутренней» специфики (новые материалы, новая энергетика, новые технологии, новые проблемы взаимодействия человека и техники);

• обоснование теоретических основ космонавтики и всего комплекса научно-технических знаний о ракетно-космических системах, начиная с механики тел переменной массы;

• практическое использование ракетных систем.

К середине века стали находить широкое промышленное и технологическое применение квантово-механической теории, в том числе:

• ядерная физика и «атомный проект» с реализацией концепции ядерного, а затем термоядерного оружия;

• электротехника и создание твердотельной элементной базы вычислительной техники;

• квантовые генераторы, создание лазеров разнообразного назначении и в дальнейшем лучевого оружия;

• создание новых систем связи и коммуникаций.

В конспекте-организаторе предлагается схема основных периодов эволюции, в ней видно место, занимаемое промышленно-технологической революцией, которая начинается в конце XX столетия.

Наиболее яркая веха, послужившая исходной точкой как ретроспективного, так и перспективного анализа, – 1945 г. На протяжении всей предшествующей истории человечества непрерывная стихийная эскалация войн поглощала основную часть растущего арсенала технологий. 1945 г. подвел итог этому глобальному процессу взрывом атомной бомбы. Отныне любой конструктивный анализ должен исходить из предположения, что последующее развитие цивилизации в этом отношении обратится «вспять», к исключению войн из мировой практики, мировых – сразу и абсолютно, региональных – на протяжении ближайших десятилетий, локальных – постепенно.

1945 год завершил также некоторый краткий период, сыгравший ключевую роль в новейшей и, видимо, во всей истории. В этот период, продолжавшийся 31 год (с 1914 по 1945 г.), новая технология сформировала глобальную инфраструктуру коммуникаций всех развитых стран, а в каждой из стран – энергетическую инфраструктуру; развернулись массовая урбанизация, массовое индустриальное строительство, возникли гигантские промышленные комплексы, так что основная часть населения всех этих стран стала жить в искусственно созданном, антропогенном мире, который и воспринимается сегодня как самоочевидный атрибут современности.

Кроме того, сформировался строгий теоретический фундамент современной физики и инженерного проектирования. В социальной сфере сначала в России, а затем в ряде других стран произошли революции нового типа и сделана попытка заменить рыночную экономику структурным проектированием экономики, т. е. перевернуть технологию экономического управления обществом. Наконец, как бы в противовес такой объединяющей и унифицирующей тенденции научно-технической цивилизации абстрактная символика взорвала некогда единое здание искусства и разбила его на бесчисленное множество течений и движений. Таким образом, рассматриваемый период прервал «патриархальное» течение истории прошлого, когда технология, т. е. создание антропогенного мира, развивалась изолированными «оазисами» и образовала единую антропогенную сеть на планете.

Но тот же 31-летний период стал катастрофой, взорвавшей не только мировую историю, но и планетарную эволюцию. Он начался с Первой и окончился со Второй мировой войной; начался в Ипре и закончился в Нагасаки применением двух видов оружия массового уничтожения. Произошли первые в истории мировые экономические кризисы, а в целом ряде стран с самым различным социальным строем власть захватили тоталитарно– террористические хунты. Наконец, именно в этот период наметился перелом в экологии планеты: если в 1945 г. основная площадь ее поверхности еще оставалась занятой девственной природой (когда на базе глобальной антропогенной сети дальнейшие события развивались стремительно), то к настоящему моменту на планете уже нет региона, не испытавшего давления цивилизации хотя бы через атмосферу.

31 год – среднее время активности поколения. Каждое новое поколение, занимая ключевые позиции в социальном управлении, научно-техническом развитии, культуре, преобразует общество, а затем, как бы уставая, частично отступает назад. Отслеживая историю от 1945 г. в прошлое, мы обнаружим примерно с такой периодичностью смену ведущих «школ» в области теоретической физики и живописи, мировой политики и архитектуры, инженерного изобретательства и моды в одежде и т. д. Однако никогда до 1914 г. подобные циклы не изменяли основных условий жизни людей. И хотя при исторических оценках больших временных интервалов существует опасность ретроспективной иллюзии, поскольку детали исчезают, а время как бы сжимается по мере удаления от «нашего времени», мы можем достаточно строго обозначить рубежи эпох: возникновение письменных цивилизаций, переход от древности к Средневековью, от Средневековья к Возрождению, от Возрождения к Просвещению (и промышленной революции) и т. д. Эти исторически документируемые рубежи следуют друг за другом через экспоненциально убывающие интервалы. И если проследить эволюционную историю до экологических и палеонтологических эпох, данная закономерность сохранится. При этом все основные линии эволюции синфазны, нарастание сложности и форм коллективного взаимодействия изменяет ритм эволюционного времени, чем и объясняется сжатие временных интервалов.