Файл: Лекция по дисциплине История и философия науки.docx

2

Двадцать лет, разделившие мировые войны, – время интенсивной интеллектуальной жизни. Несмотря на многомиллионные жертвы Первой мировой войны и разруху, экономический кризис 1929–1933 гг., установление в Европе тоталитарных режимов, наука развивалась быстрыми темпами. Значительные успехи были достигнуты в атомной и квантовой физике. 20-е годы подарили миру целое созвездие блистательных ученых, разработавших оригинальные конкурирующие теории и проводивших уникальные эксперименты.

В 1922 г. американец А. Комптон ставит опыт, давший поразительный результат: когда рентгеновские лучи ударялись о мишень, некоторые из них отклонялись на различные углы. Электроны, как будто встречая препятствие, отскакивали от нее. Но это противоречило волновой теории света. С точки зрения классической электродинамики рассеяние с изменением частоты невозможно. Значит, кванты света существуют, а электромагнитное излучение имеет корпускулярную природу. В следующем году П. Дебай дал детальный анализ эффекта Комптона, а Луи де Бройль допустил наличие у частиц волновых свойств. Он сделал смелое предположение: «дуализм волна – частица, известный физикам в случае света, должен быть справедлив также и для электронов; каждому свободно движущемуся электрону принадлежит, согласно этим идеям, плоская волна строго определенной длины, которая определяется постоянной Планка и массой»¹. Рождается, одобренная Эйнштейном, идея корпускулярно-волнового дуализма: электрон – одновременно волна и частицы материи. Постоянная Планка вскоре стала трактоваться как универсальная мера неопределенности, которая входит в законы микромира посредством этого дуализма.

В 1925–1926 г. оформляется квантовая механика. Причем, в двух версиях – матричной (В. Гейзенберг) и волновой (Э. Шредингер). Уравнение Эрвина Шредингера, наряду с уравнениями Ньютона, Максвелла, Эйнштейна – вершина научной мысли. Оно является основным динамическим уравнением нерелятивистской квантовой механики и описывает изменение состояния квантовых объектов, характеризуемого волновой пси-функцией (ψ). Квадрат модуля ψ, описывающий состояние квантово-механической системы, равен вероятности того, что величины, с помощью которых состояние системы задано, находятся в определенных интервалах значений. «Уравнение Шредингера описывает распределение и поведение

---

материи и энергии в пространстве и во времени, а уравнение Эйнштейна показывает, как распределение материи и энергии формирует ткань самого пространства-времени. <…> В уравнении Шредингера пространство и время пассивны, в уравнении Эйнштейна они, напротив, активны»². Вскоре М. Борном предложена вероятностная интерпретация волновой функции.

Волновая и матричная механики оказались математически эквивалентными. П. Дирак разработал теорию преобразований, согласно которой теории Гейзенберга и Шредингера – специальные случаи общей формулировки квантовой механики. Дирак доказывал, что все алгебраические и функциональные соотношения динамических переменных Гейзенберга и Шредингера – одинаковые. Шредингеровская форма уравнения проста и более удобна для практических задач. Форма Гейзенберга тоже важна, ибо «устанавливает непосредственную аналогию с классической механикой, позволяя видеть, каким образом переносятся в квантовую теорию, например, законы сохранения»¹. Отметим, 1) что согласия на предмет физической интерпретации матричной и волновой механики их авторы не достигли; 2) к 1928 г. Дирак закончил работу над теорией релятивистской квантовой механики, в которой частицы движутся со скоростями, соиз меримыми со скоростью света.

Во второй половине 20-х гг., благодаря усилиям Н. Бора, формируется Копенгагенская интерпретация квантовой механики, доминирующая в физике до сегодняшнего дня. Ее положения были разработаны В. Гейзенбергом, В. Паули, М. Борном, П. Йорданом. Начиналась Копенгагенская интерпретация (термин появился в 1955 г.) с парадокса: эксперименты квантовой физики и атом описываются в понятиях классической физики, которые для этого непригодны. Противоречивость этих исходных положений и обусловил статистический характер квантовой теории².

Первый постулат «копенгагенцев»: вероятностная трактовка волновой функции. С ее помощью можно вычислить только вероятность обнаружения частицы в данном месте, однако она не дает возможности предсказать результат наблюдения; результат измерения наблюдаемых величин не может быть предсказан. Второй постулат: коллапс волновой функции. Микроскопический объект не существует, пока он не наблюдаем; между двумя актами измерения, наличие объекта (например, электрона) есть лишь абстрактная возможность. При наблюдении одна из возможностей трансформируется в реальность, а вероятности других состояний коллапсируют (становятся равными нулю). Субъективный элемент

---

неизбежно вводится в описание атомных процессов, ибо измерительный прибор создан наблюдателем. Третий постулат: законы и уравнения квантовой физики, если не учитывается h, переводимы в формат классической физики (принцип соответствия Бора). Четвертый: волновые и корпускулярные свойства – две стороны одной «монеты» – взаимоисключающие и дополнительные (принцип дополнительности Бора). Пятый постулат представлен принципом неопределенности Гейзенберга: невозможно измерить с точностью, превышающей предельное значение (выраженное через h) некоторые пары наблюдаемых величин, не обладающих коммутативностью (координата и импульс, энергия и время). Другими словами, чем точнее мы измеряем одну характеристику частицы, тем менее точным будет измерение другой.

Оппоненты (наиболее известные – Эйнштейн и Шредингер) критиковали Бора и его сторонников за субъективизм, антиреализм, индетерминизм (отрицание наличия в квантовом мире причинно-следственных связей). На V Сольвеевском конгрессе (1927) Эйнштейн предпринял попытку спасти детерминизм и классический реализм. Его не устраивали вероятностная модель квантовой механики, принципы неопределенности и дополнительности (формулировка принципа дана Бором на конгрессе).

Бор видел мир сквозь призму эпистемологии, Эйнштейн – онтологии. Мир, считал Бор, это то, что мы знаем о нем благодаря наблюдению и эксперименту, задача науки – упорядочить эти знания. Следует отказаться от причинного пространственно-временного описания атомных процессов. Всякое наблюдение объектов микромира включает их взаимодействие со средствами наблюдения. Этим взаимодействием нельзя пренебречь. «Невозможно приписать самостоятельную реальность в обычном физическом смысле ни явлению, ни средствам наблюдения»³. Эйнштейн доказывал: наука определяет то, что есть, независимо от наблюдателя. Мир – совокупность вещей и фактов. В нем доминируют объективные причинноследственные связи, а не субъективно обусловленные потенциальные возможности. Эйнштейн отказывался, в отличие от Бора, считать квантовую механику замкнутой и полной теорией.

Квантовая теория внесла хаос в онтологию. Ненаблюдаемые объекты, способные быть и частицами, и волнами, таинственная пси-функция, фотоны, двигающиеся со скоростью света порождали много вопросов. Математический аппарат, с помощью которого все это описывалось, казался набором мистических абстракций, далеких от привычных описаний мира. Физическая теория, с точки зрения Эйнштейна, – дескрипция некоторого сегмента мира, который существует сам по себе. Квантовые явления – не исключение, их онтологический статус не может зависеть от наблюдателя, как утверждал Бор; коллапс ψ – методологическая уловка. Поэтому, квантовая механика пока не владеет всей объективной информацией о микромире, она – математическая модель, не претендующая на полноту, а ψ –

---

удобное допущение, один из инструментов для предсказаний.

Бор и Гейзенберг считали, что формализм Копенгагенской интерпретации полон, ψ дает исчерпывающую информацию о состоянии системы, нет никаких скрытых параметров. «Неопределенность на квантовом уровне является неустранимым свойством природы, а вероятностный способ описания мира таким же фундаментальным, как и другие законы природы»¹. Задача ученого – не описывать квантовую реальность, а согласовывать предсказания с данными наблюдений и экспериментов.

Был и третий подход, представители которого (Л. де Бройль, Э. Шредингер) считали, что квантовые объекты – реальны и независимы от наблюдателя, ψ – отражает «жизнь» квантовых сущностей. Но их онтологический статус иной, чем у классических объектов. Причинность при переходе от квантовой реальности к реальности классической – не очевидна, скрытые параметры и нелокальность – допускаются.

В 1935 г. А. Эйнштейн, в содружестве с Б. Подольским и Н. Розеном, публикует статью, в которой формулирует вопрос: «Является ли описание реальности в квантовой механике полным?», т. е. находит ли в Копенгагенской интерпретации (другой теории, претендующей на полноту, в то время не было) отражение каждый элемент физической реальности? Авторы статьи стоят на позициях реализма и подчеркивают, что эти элементы не могут быть определены при помощи априорных философских рассуждений, но только обнаружены эмпирическим путем. Ответ на поставленный вопрос был дан в результате мысленного эксперимента, получившего название ЭПР-парадокс. Результат эксперимента: вопреки принципу неопределенности можно одновременно точно измерить и координату, и импульс частицы (хотя и косвенно). Отсюда делается заключение: «кванто вомеханическое описание физической реальности посредством волновых функций не является полным»². Если же допустить обратное, то нарушается принцип локальности, запрещающий мгновенное действие на расстоянии (влияние одного события на другое невозможно со скоростью, превышающей скорость света). Бор и Гейзенберг не согласились с выводом авторов статьи, которые выступили в качестве антиреалистов по отношению к теории. Контраргументы «копенгагенцев» были убедительными. Своей цели ЭПР-парадокс не достиг, но имел эвристические следствия. Дискуссии вокруг него продолжаются до сих пор. Они связаны с нелокальностью и проблемой наличия скрытых параметров, присущих частицам. Эти параметры – не измеряемы, но оказывают влияние на результаты измерения других параметров «жизни» частиц.

---

В 1935 г. Шредингер придумал своего знаменитого «Кота» дабы продемонстрировать несостоятельность Копенгагенской интерпретации: бедное животное пребывает в суперпозиции состояний, и пока наблюдатель не откроет ящик, кот жив и мертв одновременно. В парадоксе «Кот Шредингера» скрыт еще один вопрос: как привычный макромир людей и котов взаимодействует с микромиром радиоактивного распада, где граница между двумя реальностями?

В рассматриваемый период у квантовой физики, постигающей тайны субатомного мира, были и другие важные достижения. В. Паули открывает принцип запрета, согласно которому электроны – «индивидуалисты», они не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии. «В атоме никогда не может быть двух или нескольких эквивалентных электронов, для которых в сильных полях значение всех квантовых чисел совпадают. Если в атоме есть электрон, для которого эти квантовые числа (во внешнем поле) имеют определенные значения, то это состояние «занято»¹. Из принципа следует наличие электронных оболочек атома, что и обусловливает разнообразие химических элементов и их соединений.

Этот принцип оказался приемлемым для всех элементарных частиц с полуцелым спином (такие частицы именуют фермионами). Статистика частиц с полуцелым спином была разработана Э. Ферми и П. Дираком, с целым – Ш. Бозе и А. Эйнштейном (отсюда – бозоны). Объяснить, что такое спин – непросто, ибо в окружающей нас реальности, которую успешно изучает классическая физика, ничего подобного не существуют. Вообще, мир атомов совсем не похож на привычное бытие чувственно воспринимаемых вещей. Квантовая реальность – это скорее математическая структура, косвенным образом проявляющая себя во время наблюдений и экспериментов. Спин – фундаментальное свойство частицы, собственный момент ее импульса. Это нечто, похожее на вращение. Но это не вращение частицы как таковой, ибо спин принимает только строго определенные значения (поэтому он – еще и квантовое число), равные либо целому, либо полуцелому числу h деленному на 2π (приведенная постоянная Планка). Это чудо квантовой природы открыто в 1925 г. Дж. Уленбеком и С. Гаудсмитом.

Значительно пополнился список элементарных частиц, пусть пока и гипотетических. П. Дирак теоретически обосновал существование первой античастицы – позитрона (1928). Она была зафиксирована при наблюдении космического излучения К. Андерсоном (1932). При столкновении частица (электрон) и античастица (позитрон) аннигилируют, превращаясь в два или три фотона. В. Паули предсказал существование нейтрино (1930), Х. Юкава – мезонов (1935). Вторая составляющая атомного ядра – нейтрон – экспериментально открыта Дж. Чедвиком в 1932 г. После этого события ученые стали исследовать взаимодействия нейтронов с ядрами. В США были сконструированы и запущены циклотрон и ускоритель протонов.

---