Место физики в системе наук.

Каждая философская школа пытается дать свое определение науки и религии. Наука – форма духовной деятельности людей ставящих перед собой задачу выработки и систематизации объективных знаний об окружающей реальности, являющаяся одной из форм общественного сознания. И как часть общественного сознания наука направлена на постижение закономерностей мира. Другой вариант – Наука — часть культуры, способ познания мира, в котором вырабатываются и теоретически систематизируются знания о действительности; знания, допускающие доказательство или эмпирическую проверку. Наука направлена на поиск закономерностей мира и производство знаний через объективные закономерности мира. Т.о. на мир мы смотрим, принимая мнение науки. Цель науки построение адекватной, цельной, удовлетворительной картины мира, и на её основе используя природные силы для удовлетворения потребностей людей. В целом наука служит триединой цели: описание, объяснение и предсказание. Предсказание в большой мере определяет ценность науки для человека. При сопоставлении религиозного и научно-рационалистического типов сознания уже на самом поверхностном уровне обнаруживается их противоположность. Наука служит целям ориентации человека в мире, ее усилия направлены на построение адекватной картины мироздания и на использование природных сил для нужд людей. Религия видит свою задачу в том, чтобы указать человеку «путь жизни», сформировать его жизненные установки и способ поведения. Для этого она предлагает человеку обратиться внутрь себя, утверждая, что именно здесь, в глубине души, может быть найден непосредственный контакт с первоосновой бытия, с главным принципом жизнеустроения. Установив этот контакт, человек получает точку опоры, необходимую, чтобы выстоять и не растерять свою душу в круговороте житейских обстоятельств. И религия, и наука стремятся дать ответ на вопрос, что такое человек, но их подходы к рассмотрению этой проблемы совершенно различны. Для науки человек — это предмет изучения, когда с помощью методов внешнего наблюдения или интроспекции констатируются изменения его психофизического состояния. В рамках религии человек осознается как бы изнутри того реально осуществляемого процесса, который обозначается словом «жизнь». Этот процесс состоит в выстраивании (сознательном или бессознательном) определенной последовательности мыслей, чувств, поступков, предполагающем возможность выбора того или иного «жизненного универсума». Концентрируя внимание на различных аспектах бытия, наука и религия апеллируют к различным сторонам (состояниям) человеческого сознания. Субъект науки и субъект веры радикально отличаются друг от друга. Создание рациональной картины мира — это результат деятельности человека-творца, использующего имеющийся у него потенциал интеллектуальных, моральных и физических сил для постижения и упорядочения тех аспектов «бытия-в-мире», которые осознаются им в качестве сущностей, принципиально отличных от «я», в котором сконцентрирована его «самость» (источник познавательной активности), т. е. в виде объектов. Взгляд на мир с позиции своего «я», сознание значимости последнего как творческого начала, ощущение автономии своей личности, выступающей в качестве «производящей причины» (субъекта) действий, вытекающая отсюда возможность свободного конструирования интеллектуальных миров, используемых в качестве инструмента преобразования реального мира, для создания «второй природы»,— все это фундаментальные предпосылки возникновения и развертывания научной, да и любого другого вида рациональной деятельности. Физика как наука изучает простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материального мира. Вследствие этой общности физика и ее законы лежат в основе всего естествознания, она является основой эволюции научных картин мира, способствует синтезу естественно-научного и гуманитарного знания. Философские проблемы физики включают в себя онтологические, логико-гносеологические и методологические основания. Специфика методов физического познания связана со структурностью, системностью и функциональными особенностями реальности. Онтологические проблемы физики включают в себя изучение и выявление общих свойств и законов структурной организации и развития различных типов природно-материальных систем и предполагают рассмотрение ряда важнейших понятий и принципов. В философском понимании мира понятие материи является одним из основных, ибо все его мировоззренческое содержание связано с раскрытием всеобщих свойств, законов, структурных отношений, движения и развития материи во всех ее формах — как природных, так и социальных. В физике понятие материи — также центральное, поскольку физика изучает основные свойства вещества и поля, типы фундаментальных взаимодействий, законы движения различных систем (простые механические системы, системы с обратной связью, самоорганизующиеся системы) и т.д. Эти свойства и законы определенным образом проявляются в технических, биологических и социальных системах, в силу чего физика широко используется для объяснения происходящих в них процессов. Все это сближает философское понимание материи и физическое учение о ее строении и свойствах.

38. Онтологические проблемы физики.

Онтологические проблемы физики включают в себя изучение и выявление общих свойств и законов структурной организации и развития различных типов природно-материальных систем и пред­полагают рассмотрение ряда важнейших понятий и принципов.

В философском понимании мира понятие материи является одним из основных, ибо все его мировоззренческое содержание связано с раскрытием всеобщих свойств, законов, структурных отношений, движения и развития материи во всех ее формах — как природных, так и социальных.

В физике понятие материи — также центральное, поскольку физика изучает основные свойства вещества и поля, типы фунда­ментальных взаимодействий, законы движения различных систем (простые механические системы, системы с обратной связью, са­моорганизующиеся системы) и т.д. Эти свойства и законы опреде­ленным образом проявляются в технических, биологических и со­циальных системах, в силу чего физика широко используется для объяснения происходящих в них процессов. Все это сближает философское понимание материи и физическое учение о ее строе­нии и свойствах.

Всеобщими атрибутами материи выступают: движение, пр странство, время, структурность, системная организация и способность к саморазвитию, единство прерывности и непрерывно­сти, а также ряд других свойств, находящих выражение в действии универсальных диалектических законов изменения и развития. Материя и ее атрибуты несотворимы и неуничтожимы, существу ют вечно и бесконечно многообразны по формам своих проявлений. Все явления в мире детерминированы естественными мате­риальными связями и взаимодействиями, причинными отноше­ниями и объективными законами природы.

Физика также исходит из признания неразрывного единства материи, движения, пространства и времени. Все пространствен­но-временные свойства систем зависят от скорости их движения и структурных отношений в более общих системах, их масс и грави­тационных потенциалов.

Материя неисчерпаема по своей структуре, но на разных структурных уровнях проявляются различные формы движения и законы взаимодействия. Они отражаются в дифференцирующих­ся физических теориях, каждая из которых несводима к другим теориям и имеет определенные границы применимости. Вместе с тем между различными структурными уровнями существует тес­ная взаимосвязь и обусловленность, проявляющаяся во взаимной превращаемости различных форм материи и движения, наличии общих атрибутов, законов сохранения и движения. Это единство физика пытается отразить через разработку единой теории раз­личных элементарных частиц и полей.

Сегодня известно несколько сотен элементарных частиц. Не­которые из них «живут» очень короткое время, быстро превраща­ясь в другие частицы. Часть элементарных частиц оказались не­ожиданно тяжелыми - даже тяжелее отдельных атомов. У боль­шинства элементарных частиц есть античастицы, отличающиеся противоположными знаками электрического заряда и магнитного момента: для электронов — позитроны, для протонов - антипро­тоны, для нейтронов — антинейтроны и т.д.

Многообразие микромира предполагает его единство через взаимопревращаемость частиц и полей. При этом частицам при­суща масса покоя, тогда как электромагнитные и гравитационные поля и их кванты не имеют массы покоя, хотя обладают энергией, импульсом и другими свойствами. Поле и вещество нельзя проти­вопоставлять друг другу. Если рассматривать структуру вещества, то во всех системах внутреннее пространство будет «занято» поля­ми, точнее пространство будет выражать протяженность этих по­лей и частиц. Но на долю собственно частиц вещества приходится ничтожная часть объема системы. Вместе с тем частицы вещества нельзя представлять в виде каких-то микроскопических шариков с абсолютно резкими границами. Частицы неотделимы от различ­ных полей и не существует абсолютно резкой границы, где конча­ется собственно частица и начинается ее внешнее поле. В погра­ничной области существует непрерывный взаимопереход полей и частиц. Так, протоны и нейтроны постоянно окружены облаком виртуальных пи-мезонов, входящих в их структуру; электроны, позитроны и другие заряженные частицы неразрывно связаны с электромагнитным полем.

Единство прерывного и непрерывного в структуре материи выра­жается через единство корпускулярных и волновых свойств всех частиц, т.е. все микрочастицы материи обладают и корпускуляр­ными, и волновыми свойствами. В зависимости от конкретных условий они проявляют себя либо как частица, либо как волна. Идея корпускулярно-волнового дуализма, выдвинутая Луи де Бройлем (1892-1987) в 1924 г., позволила построить теорию, охва­тывающую свойства материи и света в их единстве. Кванты света становились при этом особым моментом всеобщего строения микромира.

Развитие физики микромира в последние десятилетия показа­ло неисчерпаемость свойств элементарных частиц и их взаимо­действий. Все частицы, имеющие достаточно большую энергию, способны при взаимодействиях друг с другом к различным взаи­мопревращениям.

Универсальная взаимопревращаемость частиц при больших энергиях взаимодействия свидетельствует о некоторой общности их структур, а также о возможности единых законов фундамен­тальных взаимодействий. Исследования в этом направлении при­вели к развитию кварковой модели структуры андронов (прото­нов, нейтронов, гиперонов, резонансов и мезонов). Кварки - это частицы, обладающие сложными свойствами - зарядом, «очаро­ванием», «цветом». Кварки считаются «самыми элементарными» и могут соединяться друг с другом либо тройками, либо парами, ли­бо кварк-антикварк. Из трех кварков состоят сравнительно тяже­лые частицы - барионы. Более легкие пары кварк-антикварк об­разуют частицы, получившие название мезоны. Кварки скреп­ляются между собой сильным взаимодействием, переносчиками которого являются глюоны (они «склеивают» кварки в адроны).

Кварки до сих пор не удалось выделить в свободном состоя­нии, и есть даже предположение, согласно которому это вообще невозможно, так как с увеличением расстояний между кварками сила взаимодействия между ними не убывает, а, напротив, неогра­ниченно возрастает, что исключает их существование вне элемен­тарных частиц. В экспериментальных исследованиях столкнове­ний частиц во встречных пучках в ускорителях, где общая энергия столкновений достигает сотен миллиардов электрон-вольт, вме­сто кварков наблюдается рождение мощных струй элементарных частиц. При этом число частиц возрастает с увеличением энергии столкновений. Последнее говорит о том, что структура элемен­тарных частиц выражает не только их внутренние связи, но и яв­ляется функцией энергии их внешних взаимодействий. На основе кварковой модели были предсказаны новые частицы.

Связь, взаимодействие и движение — важнейшие атрибуты ма­терии, без которых невозможно ее существование. Взаимодейст­вие обусловливает объединение различных материальных эле­ментов в системы, системную организацию материи. Все свойства тел производны от их взаимодействий, являются результатом их структурных связей между собой и отношений с внешней средой. Для всякого объекта существовать - значит взаимодействовать, как-то проявлять себя по отношению к другим телам. Наше по­знание материального мира осуществляется через раскрытие раз­личных форм взаимодействия и движения тел.

К настоящему времени известны четыре вида фундаменталь­ных взаимодействий: о гравитационное — имеет универсальный характер и проявляется всегда как притяжение между всеми известными видами материи; является самым слабым из всех взаимодействий. В классической физике оно описывается известным законом тяготения Ньютона. В общей теории относительности гравитационное поле, создава­емое массами, связывается с кривизной пространственно-вре­менного континуума. Гравитация вызывает «искривление» про­странства и замедление хода времени, что сказывается на всех происходящих в системах процессах; электромагнитное - имеет также универсальный характер и сущест­вует между любыми телами. В отличие от гравитационного взаимо­действия, которое всегда выступает в виде притяжения, электромаг­нитное взаимодействие может проявляться и как притяжение, и как отталкивание. Благодаря электромагнитным связям возникают ато­мы, молекулы и макроскопические тела. Электромагнитное взаимо­действие в 100-1000 раз слабее сильного взаимодействия. Его пере­носчиками считаются фотоны (их масса покоя равна нулю); слабое взаимодействие - всевозможные микропроцессы с излуче­нием нейтрино и антинейтрино. Оно менее универсально, чем гра­витационное и электромагнитное, и распространяется на очень не­значительных расстояниях. Слабые взаимодействия ответственны за многие микропроцессы, характеризуют все виды бета-превра­щений, являются необходимой стороной термоядерных реакций в звездах; сильное взаимодействие — обеспечивает связь протонов и нейтро­нов в ядрах атомов, кварков в нуклонах. Переносчиками сильного взаимодействия являются глюоны. Эти четыре типа фундаментальных взаимодействий лежат в основе всех других известных форм движения материи, в том чис­ле возникающих, например, в космических системах и макроте­лах при сверхвысоких давлениях и температурах. Любые сложные формы движения при их разложении на структурные составля­ющие обнаруживаются как сложные модификации данных фун­даментальных взаимодействий.

Во второй половине XX в. внимание физиков сосредоточено на создании теории Великого объединения, раскрывающей с по­зиций квантово-релятивистских представлений сущность и ос­нования единства четырех фундаментальных взаимодействий -электромагнитного, сильного, слабого и гравитационного. Эта за­дача одновременно является и задачей создания единой теории элементарных частиц (теории структуры материи).

Итак, понимание материи актуализирует обсуждение вопро­са в плане: субстанциальном — возникновения вещей и процес­сов; субстратном — строения различных уровней мироздания и че­ловека. Современная физика исследует различные типы мате­риальных систем и их структурные уровни.

39. Квантовая механика и объективность научного знания.

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, оказалась неустойчивой с точки зрения классической электродинамики Фарадея-Максвелла. Дело в том, что Максвелл, придавший идеям и открытиям Фарадея в области электромагнетизма математически законченную форму /т.н. уравнения Максвелла/ и сыгравший таким образом роль Ньютона XIX века, основывался, как и Галилей, на принципе непрерывности. Движение отрицательно заряженного электрона вокруг положительно заряженного ядра должно было быть равноускоренным /как всякое равномерное вращательное движение в классической механике/, следовательно, согласно уравнениям Максвелла, связывавшим излучение электромагнитных волн с ускоренным движением электростатических зарядов, электрон, находясь в атоме, должен был непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Вместе с тем, спектры атомов, в том числе спектр атома водорода, изученный к тому времени наиболее тщательно, указывали, что атомы излучают в диапазоне строго определенных длин волн да и то не всегда. Если бы электроны в атомах подчинялись уравнениям Максвелла, то электрон, излучая электромагнитные волны, терял бы энергию и в конце концов упал бы на ядро /последнее, главным образом, и имеется в виду, когда речь идет о неустойчивости планетарной модели атома с точки зрения классической электродинамики/. Надо было что-то менять. Вероятно, физики отказались бы от планетарной модели, если бы еще в 1900 году Макс Планк не сформулировал квантовую теорию излучения, согласно которой энергия передается от излучателя к реципиенту не непрерывно, а отдельными порциями или квантами. К 1911 году, т.е. к моменту проведения Резерфордом своих знаменитых опытов, на основе которых была сформулирована планетарная модель атома, идея Планка уже принесла обильные плоды в физике, ибо на ее основании были объяснены такие, казалось бы, загадочные явления, как спектр абсолютно черного тела и фотоэффект. Ученик Резерфорда Нильс Бор, вдохновленный успехами квантовой теории, решил применить ее к планетарной модели атома. Так родилась квантовая механика.

Квантовая механика по сути отказалась от всех основных принципов классической механики, сформулированной некогда Оремом, Галилеем, Декартом и Ньютоном. Прежде всего, квантовая механика упразднила принцип непрерывности, столь важный для новоевропейской науки и философии. Что касается последней, то для нее отказ от принципа непрерывности, рассматриваемого Лейбницем в качестве основополагающего, был так же губителен, как в свое время для схоластики отказ от концепций материи и формы. Поскольку диалектический материализм был всецело основан на принципах новоевропейской философии, в том числе на столь ценимом Гегелем принципе непрерывности, то квантовая теория в 1920-е годы привлекла к себе пристальное и, в целом, враждебное внимание советских философов. Сложилась ситуация, аналогичная той, что имела место с генетикой и теорией относительности. В журнале “Под знаменем марксизма” были опубликованы тексты выступлений М. Планка перед студентами Берлинского университета /1913 г./ и перед нобелевским комитетом /1920 г./, а затем дана оценка этих выступлений с марксистских позиций. Первая из опубликованных в журнале “Под знаменем марксизма” /№1, 1925/ речей М. Планка называлась “Новые пути физического познания”. В этой речи, которую Макс Планк произнес перед студентами Берлинского университета по случаю начала 1913/1914 учебного года /никто тогда не догадывался, что через год большинству этих студентов придется надеть военную форму/, оратор формулирует “великие общие физические принципы” и указывает, какие из них остались неизменными, а какие были поколеблены в свете открытий, имевших место на рубеже XIX - XX веков. К числу “непоколебленных” М. Планк отнес такие принципы, как 1) закон сохранения энергии; 2) закон сохранения импульса; 3) принцип наименьшего действия; 4) три начала термодинамики. К числу принципов, оказавшихся опровергнутыми, М. Планк отнес 1) неизменность химических атомов; 2) взаимную независимость пространства и времени; 3) непрерывность всех динамических процессов. По поводу первого из вышеперечисленных опровергнутых принципов Планк произнес многозначительную фразу: “Теперешние химические атомы далеко не атомы Демокрита”. По поводу третьего из опровергнутых принципов в речи Планка было сказано следующее: “Третье из упомянутых выше положений касается непрерывности всех динамических процессов, раньше неопровержимой предпосылки всех физических теорий, которая, опираясь на Аристотеля, сконцентрировалась в известной догме: “Natura non facit saltus” /природа не делает скачков/. Однако и в этой уважаемой с древности твердыне физической науки современное исследование пробило значительную брешь[...] Оказывается, природа в самом деле делает скачки и притом весьма странного сорта[...] Во всех случаях гипотеза квант приводит к представлению, что изменения происходят в природе не непрерывно, но как бы взрывами”. Ту же мысль Макс Планк подчеркнул в своей нобелевской речи “Возникновение и постепенное развитие теории квант”: “Появление кванта действия возвещало нечто совершенно новое, до того неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического мышления, покоившегося со времен обоснования анализа бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех причинных связей”.

Разумеется, эти выступления М. Планка были прокомментированы в журнале “Под знаменем марксизма” с позиций диалектического материализма. Один из тогдашних марксистских идеологов, Аркадий Тимирязев, сын известного биолога К.А. Тимирязева, так отозвался о позиции, занятой М. Планком:

“Руководствуясь диалектическим методом, мы сразу можем сказать, чего нам еще не хватает: если громадное число фактов заставило даже самых осторожных мыслителей из буржуазного мира отказаться от предрассудка, что “природа не делает скачков” и утверждать, что “природа делает скачки и притом весьма странного сорта”, то в мире атомов нам еще неизвестны те непрерывные процессы, те процессы подготовки, которые приводят к наблюдаемым уже нами скачкам, а в диалектическом процессе всякий скачок предполагает предшествующее непрерывное развитие”.

Таким образом, А. Тимирязев предлагает ни больше ни меньше как снова ввести в физику принцип непрерывности, от которого создатели квантовой теории решительно отказались. Из реакции А. Тимирязева на выступление М. Планка видно, что марксисты настороженно восприняли появление квантовой теории и сразу поспешили указать, чего в ней не хватает, чтобы ее можно было привлечь в качестве еще одной иллюстрации “диалектики природы”.

Но квантовая теория оказалась для марксистов твердым орешком. Отказ от принципа непрерывности был не единственным сюрпризом, который преподнесла квантовая теория марксистским философам. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал так называемый принцип неопределенности, указывавший на предел точности наших знаний о координате и скорости частицы и фактически приведший к отказу от понятия траектории. Примерно в то же время австрийский физик Э. Шредингер ввел понятие волновой функции, описывавшей положение квантового объекта в пространстве и во времени, заменившей, таким образом, прежнее понятие траектории. Когда, однако, попытались понять, что представляет собой волновая функция /каков ее физический смысл/, то выяснилось, что квадрат модуля волновой функции дает нам не что иное, как вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Одно из самых интересных следствий теории Шредингера заключалось в том, что с некоторой вероятностью квантовый объект мог находиться там, куда, с точки зрения классической механики, он вообще не мог попасть. Рассмотрим, например, преодоление частицей т.н. потенциального барьера. С точки зрения классической механики, частица не может преодолеть барьер, если ее исходная кинетическая энергия меньше, чем высота барьера. В квантовой механике преодоление потенциального барьера сделалось возможным для частиц с любой кинетической энергией /хотя, разумеется, чем ниже кинетическая энергия частицы, тем меньше вероятность преодоления ею потенциального барьера/. Основываясь на этих неожиданных следствиях из теории Шредингера, русский физик Георгий Гамов предложил теорию альфа-радиоактивности, в рамках которой последняя объяснялась как туннельный эффект, т.е. преодоление альфа-частицей потенциального барьера, мешающего ей покинуть ядро. С позиций классической физики альфа- радиоактивность, детально описанная Марией Кюри, казалась необъяснимой загадкой, так как исходная кинетическая энергия альфа-частиц, согласно расчетам, оказывалась значительно ниже высоты потенциального барьера, создаваемого ядерными силами. Самым, однако, поразительным в туннельном эффекте была его непредсказуемость. Альфа-частица оказывалась как бы пленницей, заточенной в глубокой яме и предпринимающей многократные попытки выбраться из нее. С точки зрения классической механики положение этой пленницы безнадежно. Но в квантовом /и в реальном/ мире все иначе: одна из приблизительно 10³³ попыток выбраться из ямы приводит к успеху. Трудность, впрочем, состоит в том, что никогда нельзя заранее предсказать, какая именно попытка окажется успешной. Это наглядный пример непредсказуемости поведения квантовых объектов. Естественно, что это также противоречит новоевропейской философии, утверждающей, что каждая причина приводит к однозначному следствию.

Надо сказать, что не одни лишь марксисты были ввергнуты в недоумение этим неожиданным следствием квантовой теории. Дело в том, что учение о жесткой связи между причиной и следствием / т.н. детерминизм/ наряду с принципом непрерывности составлял одну из догм новоевропейской философии уже со времен Спинозы /1632- 1677/. Ясно, что не только марксистам были дороги принципы новоевропейской философии. Например, А. Эйнштейн, никогда не сочувствовавший марксистам, зато большой поклонник философии Спинозы, был задет неожиданным для него выводом о непредсказуемости квантовых эффектов и вступил по этому поводу в длительную полемику с Н. Бором. В данном случае, однако, сама природа поддержала Н. Бора и других создателей квантовой механики в их споре с Эйнштейном: туннельный эффект, экспериментально наблюдаемый и не оставляющий никакой лазейки для предсказуемости, в точности описывался уравнением Шредингера. Впоследствии выяснилось, что туннельный эффект играет ключевую роль в ядерных реакциях, происходящих в недрах Солнца, так что этому чудесному эффекту мы в буквальном смысле слова обязаны своей жизнью. Эйнштейн, впрочем, оказался непоколебим в своей приверженности спинозианскому детерминизму, но физики, привыкшие следовать за природой, а не за философскими догмами, в данном случае Эйнштейна не поддержали. Зато позиция Эйнштейна неожиданно нашла союзников в лице марксистов, которые в непредсказуемости квантовых событий усмотрели зловещий для себя призрак “свободы воли”. В одной из статей, появившихся в журнале “Вопросы философии” в конце 1940-х годов, о квантовой механике было сказано:

“Мнение на это счет /о непредсказуемости квантовых эффектов - И.Л./ Гейзенберга, Дирака, Бора и К⁰ общеизвестно: в микромире царит полный произвол в движении микрочастиц, и объяснить таковое можно лишь наличием “свободы воли” у электрона, а это уже явная чертовщина