Канке В.А. Энциклопедия философии науки

Глава 22. Философия физики

ãäå lg, tg, Eg è mg – соответственно планковские длина, время, энергия и масса; G – гравитационная постоянная; – постоянная Планка; с – скорость света. Параметры lg, tg, Eg è mg задают масштабы, при которых для описания физических явлений необходима квантовая теория гравитации. Интересно, что новые масштабы связаны не только с тремя привычными, но и с дополнительными измерениями пространства. А это означает, что проблема так называемой фундаментальной длины вновь становится актуальной [47, c. 216]. Как утверждает московской философ Р.А. Аронов, существуют простран- ственно-временные области, в которых главную роль играют те или иные взаимодействия; другие взаимодействия определяют в данной области лишь побочные эффекты [48, c. 226]. Мы вновь пришли к концепции взаимосопряженности динамических и пространственновременных характеристик. Она связана с проблемой так называемых законов сохранения.

Законы сохранения и симметрии. Согласно теореме Э. Нетер из инвариантности вариационного интеграла относительно к-парамет- рической группы непрерывных преобразований следует существование к независимых законов сохранения. Это означает, что существует тесная связь между законами сохранения и симметрии. Симметриям, как правило, соответствуют законы сохранения. Специальным образом обобщенная теорема Нетер справедлива и для квантовой теории поля. Все законы сохранения можно разбить на три класса: геометрические, или «кинематические» (закон сохранения энергии, импульса и момента импульса), динамические (например, законы сохранения электрического заряда), а также связанные с дискретными симметриями (к примеру,сохранение зеркальной и зарядового сопряжения симметрий).

Законы сохранения энергии, импульса, момента импульса и состояния равномерного прямолинейного движения центра масс сис-

471

Часть 2. Специальная философия науки

темы сопряжены соответственно с однородностью времени (инвариантность уравнения движения относительного временного сдвига ∆ t ), однородностью пространства (инвариантность уравнений относительно координатного сдвига ∆ r ), изотропностью пространства (инвариантность уравнений относительно углового сдвига ∆ϕ ) и преобразованиями Лоренца. Динамические законы сохранения обеспечиваются квантами взаимодействий. В чисто математическом отношении они являются следствием калибровочной инвариантности. Электрозаряд (Q) сохраняется в электромагнитных, сильных и слабых взаимодействиях. В сильных и электромагнитных взаимодействиях сохраняется барионный заряд (B), странность (S), очарование (C), спин (J). Изоспин (I) сохраняется в сильных взаимодействиях. Наконец, лептонный заряд (L) сохраняется в слабых взаимодействиях.

Уравнения релятивистской квантовой теории поля СРТ-инвари- антны, т. е. инвариантны относительно С, Р и Т преобразований. Зарядовое сопряжение C заменяет частицы античастицами, преобразование пространственной инверсии P заменяет координату r координатой –r, обращение времени T заменяет t параметром –t (это означает, что начальные и конечные частицы меняются местами). Дискретные симметрии C, P, CP и T нарушаются только в слабых взаимодействиях. Но СРT-инвариантность характерна и для них. Информация о дискретных симметриях позволяет физикам судить о свойствах частиц (так СРТ-инвариантность указывает на равенство масс и времен жизни частиц и античастиц). Как выполнение СРТинвариантности, так и возможное ее нарушение позволяет судить о характере взаимосвязи пространственно-временных и динамических характеристик.

Главные методологические ориентиры КТП. В кратчайшем изложении эти ориентиры видятся нам следующими:

•идея калибровочной инвариантности, дополненная концепцией спонтанного нарушения симметрии;

•интерпретация математического аппарата КТП на область взаимодействия элементарных частиц;

•идея суперсимметрии;

•идея взаимосопряженности с взаимодействиями частиц их про- странственно-временных характеристик.

472

Часть 2. Специальная философия науки

следов Большого взрыва должно остаться микроволновое излучение малой энергии. Оно действительно было обнаружено в 1965 г. А.А. Пензиасом и Р.В. Вилсоном. Температура реликтового излучения (термин И.С. Шкловского), по современным оценкам, равна 2,7 К.

В моделях Горячей Вселенной особое внимание уделяется, вопервых, природе самой сингулярности, во-вторых, процессам, слу- чившимся после гипотетического взрыва. Охлаждение первоначального излучения Вселенной позволяет представить этапы «взросления» Вселенной, вплоть до сегодняшнего дня [50]. Однако при этом в зависимости от плотности космического вещества возможны различные сценарии: безграничное расширение или же смена расширения сжатием. Эти сценарии зависят от значения величины относительной плотности Ω :

ãäå ρ c – критическая плотность, отвечающая предельной модели, в

которой пространственная метрика евклидова и расширение происходит неограниченно долго; ρ – плотность космического вещества (частиц и полей). По современным оценкам, ρ c 8 10−30 ã ñì−3. В первоначальных моделях Горячей Вселенной не удавалось объяснить происхождения скоплений галактик. В этой связи А. Гут (1980) предложил модель раздувающейся, инфляционной (от лат. inflatio – вздутие) Вселенной. Считалось, что после взрыва Вселенная эволюционирует в полном соответствии с предсказаниями фридмановской модели. Впрочем, было выяснено, что в постинфляционных событиях сказывается значение Λ -члена и ему соответствующей «вакуумной материи» [51, c. 429]. Это обстоятельство вносит изменения в сложившиеся воззрения по поводу характера эволюции Вселенной.

Перейдем к непосредственному описанию космологических новаций последних лет [47, 49, 51]. Наблюдения за вспышками далеких сверхновых звезд указывают, во-первых, на ускорение космологического расширения, во-вторых, на наличие космического вакуума. Многие исследователи полагают, что космологическая постоянная Λ является характеристикой вакуума. Определены и величины относи-

474

Глава 22. Философия физики

тельной плотности Ω всех четырех видов космической материи: вакуума Ω ν , так называемой темной материи Ω D (о ее наличии судят по движению звезд и галактик), светящегося вещества звезд и галактик Ω B, излучения Ω R .

Как видим, в космической среде доминируют вакуум и темная материя, вместе они составляют более 99% космического вещества. О природе темной материи высказываются самые различные суждения.

Вакуум создал эффективную гравитацию, что привело через 7– 8 млрд лет после Взрыва к ускорению космического расширения, которое будет продолжаться неограниченно долго. Таким образом, снимается вопрос о возможности смены космического расширения сжатием. В сценариях эволюции Вселенной решающее значение имеет не равенство относительной плотности космического вещества (в сумме

носительными плотностями других видов космического вещества:

Преобладание в космосе вакуума приводит к установлению определенной метрики четырехмерного пространства-времени характерного для космоса. Пространственно-временная структура вакуума – это неевклидово четырехмерное многообразие с постоянной, ненулевой кривизной ( k 10−56 ñì−2 ). По мере нарастания космологического расширения пространственно-временная структура Вселенной становится все более статичной (но не плоской!).

Интересно, что в качестве решений уравнений ОТО А. Эйнштейна (при условии отсутствия масс, т. е. Tik = 0) неевклидову структуру еще в далеком 1917 г. получил голландский астроном В. де Сит-

475

Часть 2. Специальная философия науки

Tik = 0. В таком случае напрашивался естественный вывод, что за положительную кривизну пространства-времени ответствен Λ -член. Было, однако, не ясно, какую среду он характеризует.

Итак, новые физико-космологические положения суть следующие. В космосе доминирует вакуум, обеспечивающий эффективную антигравитацию, что приводит, во-первых, к ускорению космологи- ческого расширения, а во-вторых, к установлению неевклидовой пространственно-временной структуры с положительной кривизной. Разумеется, современная физическая теория космоса не является окончательной. Особенно это относится к пониманию природы сингулярности. Ее параметры никто не способен задать абсолютно точ- но. Но очевидно, что для описания сингулярности непременно следует привлечь новейшие варианты КТП, в том числе теорию струн.

Âзаключение данного параграфа мы рассмотрим два актуальных

ñфилософской точки зрения вопроса: о путях научных открытий (в связи с историей Λ -члена) и о так называемом антропном прин-

ципе в космологии.

История осмысления Λ -члена прекрасно описана В.Л. Гинзбур-

гом [51, c. 429]. А. Эйнштейн, изобретатель гипотезы о космологи- ческой постоянной (в действительности Λ -член непостоянен), счи-

тал ее научно неудовлетворительной. В. Паули присоединился к мнению Эйнштейна. Л.Д. Ландау даже слышать не хотел о Λ -члене. Сам В.Л. Гинзбург – бесспорно, выдающийся физик современности –

длительное время испытывал трудности с пониманием проблематики Λ -члена. Добавим к этому, что описанные выше результаты, полученные де Ситтером, многие годы воспринимались физиками и космологами с недоумением. Сам де Ситтер не стал первооткрывателем вакуумной энергии. И вот теперь, спустя годы, выясняется, что никто из великих физиков не ошибался на «все 100%». У каждого из них были свои резоны, причем даже в том случае, когда они осторожничали (Эйнштейн, Паули, Ландау). Дело в том, что характерная особенность выдающегося ученого состоит не в изобретении неясных по своему происхождению идей, а скорее в умении не покидать области научной теории. Двигаясь по струнам идей, ученый тем самым предохраняет себя от явных заблуждений. Перейдем к рассмотрению антропного принципа в космологии. Характер космологического знания таков, что он непременно побуждает к постановке кардиналь-

476

Глава 22. Философия физики

нейших вопросов: ведь речь идет о происхождении Вселенной, а вместе с ней и человека. Способен ли человек познать происхождение Вселенной? Не превышает ли степень экзотичности космологи- ческих теорий все допустимые пределы? Возможно ли установление первопричин возникновения нашей Вселенной и других миров, если они существуют? Эти и им подобные вопросы как раз и суммируются

âантропном (от гр. anthropos – человек) принципе в космологии [52].

Âразличных формулировках антропного принципа в космологии речь идет, по сути, о единстве космоса и человека. В этой связи особое внимание привлекают два факта. Во-первых, сама возможность человеческого существования содержится в космологических законах и находится в определенной взаимосвязи со значениями физических констант. Малейшие их вариации не совместимы с реальностью человеческого бытия. Во-вторых, в научном отношении человеку доступно лишь то, что он в принципе способен познать. Иначе говоря, как существо, способное к пониманию, человек занимает во Вселенной центральное положение. Таким образом, в соответствии с приведенными выше фактами и состоянием современной науки по крайней мере три суждения не вызывают особых возражений: 1) человек – существо космическое; 2) он познает Вселенную доступным ему способом; 3) как познающее существо человек не имеет в космосе альтернативы себе. Вокруг этих суждений (а именно они, на наш взгляд, и выражают целостное содержание антропного принципа) ведутся острейшие дискуссии. О чем, собственно, идет спор? О тех возможных выводах, которые совместимы с суждениями 1, 2 и 3 и которые, по определению, позволяют установить наиболее фундаментальные положения космологии, в теоретическом отношении более первичные, чем сами эти суждения. Именно в этой связи появились формулировки так называемого слабого и сильного антропных принципов в космологии (АПК).

Формула слабого АПК: «То, что человек способен наблюдать, ограничено условиями его существования». Сильный АПК: «Доступная нам Вселенная должна быть такой, чтобы в ней на некотором этапе эволюции допускалось существование наблюдателей». Довольно часто АПК рассматривается совместно с теистическим космологическим принципом (ТКП): «Вселенная эволюционирует согласно рациональному проекту, что свидетельствует о реальности космичес-

477

Часть 2. Специальная философия науки

кого Творца». Пикантный вопрос: правомерны ли слабый и сильный АПК, равно как и ТКП, и действительно ли они выводят за пределы суждений 1, 2 и 3, приоткрывая завесу над таинственностью Вселенной?

Согласно слабому АПК человек наблюдает то, что ему доступно. В таком понимании слабый АПК фактически совпадает с приведенным выше суждением 2 и, следовательно, не выводит за его пределы. Из содержания слабого АПК как бы следует вывод о возможности существования чего-то такого, что недоступно человеку из-за его специфической природы, например других вселенных. Такой вывод не выдерживает критики: сам вопрос о существовании чеголибо, как об этом свидетельствует опыт науки, решается на основе теоретических и экспериментальных данных. Эти данные не позволяют судить о чем-либо другом, кроме того, что освоено наукой. Желание покинуть науку – это неправедный путь в мистику. Иногда рассуждают так: клетка науки ограничивает человека. Но образ клетки не способен представить существо науки. Сильный АПК настаивает на том, что изучаемый космос должен соответствовать природе наблюдателей. Здесь появляется весьма рискованное выражение «должен», вместе с которым в космологию вносится контекст проектирования. Долженствование – это прагматический феномен, актуальный там, где имеется возможность выбора. Существенно, однако, что для космологии в отличие от аксиологических наук характерен не критерий долженствования, а критерий подтверждаемости теории.

Космология моздает картину того, что есть, а не того, что должно быть. Если космологическая теория не подтверждается наблюдаемыми фактами, она считается несостоятельной. Сторонники сильного АПК не замечают, что сами вводят в космологию чуждый ей принцип долженствования. Человек не может изменить природу Вселенной. Итак, сильный АПК не является научным положением, он – результат неправомерной подмены характерного для космологического знания критерия подтверждаемости чуждым этому знанию критерием долженствования. Что касается ТКП, то, разумеется, он также не выдерживает критики. Космологические закономерности свидетельствуют исключительно о космических явлениях. Значение религии как культурного феномена относится к области гуманита-

478

Глава 22. Философия физики

ристики, где она, кстати, имеет влиятельных соперниц. Таким образом, в оценке антропологического принципа в космологии следует быть весьма осмотрительным. Неряшливость в понимании специфики космологического знания приводит к подмене науки ее мировоззренческими суррогатами.

22.7. О решающих экспериментах

Постпозитивист К. Поппер называл эксперимент решающим, если он позволяет опровергнуть (фальсифицировать) некоторую теорию [53, c. 225]. Он полагал, что никакими экспериментами та или иная теория не может быть подтверждена окончательно. Критики Поппера вообще отрицали само наличие решающих экспериментов. По Лакатосу, один или несколько экспериментов не могут поколебать научно-исследовательскую программу; они, как правило, «застревают» в защитном поясе и, следовательно, не достигают ядра теории. П. Фейерабенд склонялся к мнению, что различные теории одинаково эффективны в интерпретации фактов. Сделать однознач- ный выбор между конкурирующими теориями в принципе невозможно. К тому же, по Фейерабенду, нет как таковых экспериментальных фактов, они всегда теоретически «нагружены». А это озна- чает, что они изначально содержат в себе некий теоретический компонент. Отвлечемся на время от хитроумных рассуждений профессиональных философов и обратимся непосредственно к физике. Обнаруживаются ли в ней следы решающих экспериментов? Несколько модифицируя определение Поппера, будем считать решающими такие эксперименты, которые либо фальсифицируют, либо подтверждают теорию.

Механика Ньютона. Как известно, Ньютон интересовался многими физическими проблемами, в том числе оптическими, гидродинамическими, гравитационными. Главная линия его творчества была связана не с установлением списка решающих экспериментов, а с выработкой теории, которая могла бы дать объяснение всей совокупности известных ему экспериментальных фактов. Проблема конкуренции теорий была для него, пожалуй, неактуальной.

Специальная теория относительности А. Эйнштейна. Бесспорно, в период создания СТО решающее значение имел знаменитый опыт

479

Часть 2. Специальная философия науки

А. Майкельсона, а затем и Э. Морли, по обнаружению различия скорости света в направлении движения Земли и в противоположном направлении. Эти различия не были обнаружены. Все попытки объяснить результаты эксперимента Майкельсона–Морли, утверждали Л. Инфельд и А. Эйнштейн, «оказались несостоятельными!». «Приговор эксперимента всегда был отрицательным» [54, c. 467]. Есть немало авторов, которые утверждают, что эксперимент Май- кельсона–Морли был объяснен Х. Лоренцем. С этим трудно согласиться: Лоренц объяснял релятивистские пространственные эффекты воздействием эфира на физические тела. Следовательно, он видел в эфире абсолютную инерциальную систему отсчета, что не согласуется с экспериментальными данными. На наш взгляд, в период создания СТО эксперимент Майкельсона–Морли соответствовал выше определенному статусу решающего эксперимента.

Общая теория относительности А. Эйнштейна. Экспериментальная проверка ОТО включает: 1) проверку принципа эквивалентности (его справедливость доказана с точностью до 10–12); 2) проверку предсказываемого ОТО искривления луча света в близи массивных тел, например Солнца; 3) замер поворота перигелия Меркурия; 4) прием гравитационных волн (пока не осуществлен); 5) проверку ОТО посредством изучения явлений вблизи нейтронных звезд и черных дыр. В данном случае вряд ли целесообразно настаивать на существовании единственного решающего эксперимента. Бесспорно, однако, что совокупность экспериментальных проверок ОТО не оставляет возможности отрицать своеобразие ОТО по сравнению с ньютоновской теорией тяготения.

Квантовая механика. Экспериментальная база становления квантовой механики включает: 1) изучение спектра энергии, излучаемой нагретым телом; 2) явление фотоэффекта; 3) эффект А. Комптона (рассеяние рентгеновских лучей на атомах водорода); 4) убывание теплоемкости тел при уменьшении их температуры; 5) линейчатые спектры атомов; 6) наблюдения интерференции и дифракции частиц. Этот список можно было бы существенно приумножить. Главный вывод: обнаруженные факты нельзя было объяснить с позиций классической физики. Эксперимент действительно дал повод предпо- честь классической физике квантовую. В наши дни большое значе- ние придается экспериментам по проверке неравенств Д. Белла. Как

480