Ученые о позитивизме

Время расставляет акценты, время проясняет верность тех или иных концепций. Это касается и позитивизма. У каждого физика ест та или иная рабочая философия, для большинства – это грубый, прямолинейный реализм, т.е. убежденность в объективной реальности понятий, используемых в научных теориях. Однако убежденность достигается в процессе научных исследований, а не в результат изучения философских трудов.

Стоит ли ожидать, что философия науки может дать в руки современных ученых какое-то полезное руководство на тему о том, как надо работать или что желательно было бы обнаружить. Витгенштейн самокритично говорил в этой связи следующее: ничто не кажется мне менее вероятным, чем то, что чтение моих трудов может серьезно влиять на работу какого-то ученого или математика.

Стивен Вайнберг, пройдя опыт погружения в работы Витгенштейна и Фейерабенда, пишет о том, что лишь в редчайших случаях ему казалось, что это имеет хоть какое-нибудь отношение к его научным занятиям. Сам Фейерабенд писал о том, что понятие научного объяснения столь узко, что невозможно говорить о том, что какая-то теория объясняется другой теорией.

Обратите внимание на непостижимую неэффективность философии, призывает Вайнберг. Рассмотрим доктрину механицизма (идею о том, что явления природы сводятся к соударению и давлению материальных частиц или жидкостей). В древности трудно было придумать что-то более прогрессивное. Декарт попробовал осуществить великую попытку объяснить мир в рамках рациональных понятий, описывая физические силы, например тяготение, механистически, с помощью вихрей в материальной субстанции, заполняющей все пространство. Эти идеи подхватил Ньютон, затем с развитием химических и тепловых теорий механицизм достигает своего пика в 19 веке. Он сыграл свою важную роль в становлении научного знания. Но в этом и вся проблема.

В науке, как и в политике или экономике, большую опасность представляют идеи, пережившие эпоху своей полезности. Героическое прошлое механицизма так подняло его авторитет, что последователям Декарта было очень трудно принять ньютоновскую теорию солнечной системы. Как мог последователь Декарта принять точку зрения, согласно которой Солнце действует на Землю с определенной силой сквозь 150 миллионов километров пустого пространства. Ведь согласно Декарту, все явления природы могут быть сведены к непосредственному влиянию материальных тел или жидкостей друг на друга. Только в 18 веке ученое сообщество, под влиянием Вольтера и Канта стало свыкаться с концепцией Ньютона и идеей действия на расстоянии, в частности.

Тем не менее, теории электрического и магнитного полей все еще были обрамлены в механистическую форму, они излагались с помощью понятия о напряжениях во всепроникающей физической среде, часто называемой эфиром.

Окончательный поворот от механицизма к электромагнитной теории произошел лишь в 1905 году после того, как эйнштейновская специальная теория относительности отвергла эфир и заменила его пустым пространством – средой, переносящей импульсы электромагнитных полей.

Но к тому времени механицизм прочно прописался в общественных науках, в первую очередь в марксизме-ленинизме.

Физики, обнаружив новые материальные частицы (электроны, протоны и нейтроны), вновь пережили ренессанс механицизма. Но здесь на горизонте научных исследований обозначились электрические, магнитные и гравитационные поля, которые порождались частицами и оказывали на них силовое воздействие. В 1929 году физики стали склоняться к объединяющей точке зрения. Гейзенберг и Паули установили, что частицы и силы есть проявления более глубокого уровня реальности, а именно уровня квантовых полей. Они предположили также, что не только фотоны, но все частицы являются сгустками энергии различных полей. В рамках этой квантовой теории поля электроны есть сгустки энергии электронного поля, нейтрино есть сгустки энергии нейтронного поля и так далее.

Несмотря на такой поразительный вывод, все же большая часть работ по взаимодействию фотонов и электронов делалась в рамках старой дуалистической квантовой электродинамики, где фотоны рассматривались как сгустки энергии электромагнитного поля, а электроны – просто как частицы вещества. Если ограничиться только фотонами и электронами, то квантовая теория поля приводит к тем же результатам, что и квантовая электродинамика.

Остались трудности с включением гравитации в рамки квантовой теории поля, которые были преодолены сравнительно недавно как вариант окончательной теории, в котором сами квантовые поля есть всего лишь низкоэнергетические проявления пространственно-временных нерегулярностей, получивших название струн.

Согласно теории струн, частицы, подобные электронам или кваркам, которые кажутся точечными и потому считаются элементарными, на самом деле являются крошечными колеблющимися колечками из струн. Струны бесконечно тонки, а длина колечек сравнима с планковской. Частицы кажутся бесструктурными потому, что планковская длина крайне мала.

Струны в крошечных петлях очень сильно натянуты, и это натяжение заставляет их вибрировать подобно колеблющимся струнам скрипки или фортепиано. В этих режимах, которые соответствуют разным музыкальным нотам, струна приобретает волнообразную форму с укладывающимися вдоль нее несколькими полуволнами. Чем больше число полуволн, тем выше нота. Режимы вибрации петель в теории струн весьма похожи, но теперь они соответствуют не различным нотам, а различным типам частиц. Все свойства частиц, такие как масса, электрический заряд и заряды, участвующие в слабом и сильном взаимодействиях, определяют точным вибрационным состоянием струнной петли. Вместо введения независимой новой сущности для каждого типа частиц мы имеем единственную сущность – струны, из которых состоят все частицы.

Частицы-переносчики – фотоны, глюоны, W и Z – также представляют собой маленькие вибрирующие колечки, а взаимодействие частиц можно изобразить как разделение и слияние струнных петель. Что особенно замечательно, пишет Виленкин, спектр состояний струн с необходимостью включает гравитон – частицу, переносящую гравитационное взаимодействие.

В теории струн нет проблемы объединения гравитации с другими взаимодействиями. Наоборот, теорию нельзя построить без гравитации.

Конфликт между гравитацией и квантовой механикой также исчезает. Эта проблема связана с квантовыми флуктуациями геометрии пространства-времени. Если частицы – это математические точки, то флуктуации в непосредственной близости от частиц идут вразнос, а гладкий континуум пространства-времени превращается в неистовую пространственно-временную пену. В теории струн крошечные струнные колечки имеют конечные размеры, заданные планковской длиной. Это как раз тот масштаб, ниже которого квантовые флуктуации выходят из-под контроля. Петли невосприимчивы к таким субпланковским флуктуациям. Пространственно-временная пена укрощается как раз в тот момент, когда она должна была начать причинять неприятности. Таким образом, мы впервые получаем согласованную квантовую теорию гравитации.

Идею о том, что частицы могут втайне быть струнами, предположили в 1970 году Еитиро Намбу, Чикагский университет, Холгер Нильсен, Институт Нильса Бора в Швеции, Леонард Сасскинд, Ешива-Университет в Израиле. Причем Сасскинд в 2003 году стал поддерживать то, что он назвал «антропным ландшафтом теории струн». Он доказывал, что разнообразие вакуумов в теории струн впервые дает серьезную научную основу для антропной аргументации. Струнные теоретики, говорит он, должны поддерживать антропный принцип, а не бороться с ним.

Первоначально теория струн задумывалась как теория сильного взаимодействия, но вскоре обнаружилось, что она предсказывает существование безмассового бозона, для которого нет соответствия среди сильно взаимодействующих частиц. На ключевую идею о том, что этот безмассовый бозон имеет все свойства гравитона, указали в 1974 году Джон Шварц и Джоэл Шерк из Эколь Нормаль Сюпериор. Потребовалось еще 10 лет, чтобы Шварц в сотрудничестве с Майклом Грином из Колледжа королевы Марии в Лондоне справились с рядом тонких математических проблем и показали, что теория действительно является непротиворечивой.

Хотя наивный механицизм, похоже, скончался, физиков продолжают тревожить другие метафизические предрассудки, особенно те, которые связаны с понятиями пространства и времени.

Длительность во времени – это единственное, что мы способны измерить силой одной мысли, без участия наших чувств. Кант учил, что пространство и время являются структурами, которые заранее существуют в нашем мозге и позволяют правильно связывать события и вещи. В теориях Эйнштейна пространство и время были низведены до уровня обычных свойств физической вселенной, которые могут меняться из-за движения (в специальной теории относительности) или тяготения (в общей теории относительности). Однако есть еще физики, полагающие, будто бы есть вещи, которые можно сказать о пространстве и времени на основе чистого рассуждения.

В аудитории всегда надеется человек, который будет утверждать, что началу вселенной мог предшествовать еще какой-то момент. На этот вопрос существует элегантный ответ Блаженного Августина: вопрос о том, что было перед тем, как бог создал вселенную, неверен, так как бог, сам находящийся вне времени, создал время вместе с самой вселенной.

В новейшее версии теории струн пространство и время возникают как выводимые понятия, не содержащиеся в фундаментальных уравнениях теории. В подобных теориях пространство и время имеют ограниченный смысл, поскольку нельзя говорить о промежутке времени, который ближе к Большому Взрыву, чем на 10 в минус 42-й степени.

Наибольшие затруднения причиняют современной физике не метафизика, а эпистемология, учение о природе и источниках знания.

В частности, позитивизм (или логический позитивизм) утверждает не только то, что окончательной проверкой любой теории является сопоставление с экспериментальными данными, но и то, что каждое понятие в наших теориях должно в каждом пункте ссылаться на наблюдаемые величины.

Это означает, что хотя физические теории могут включать понятия, все еще не изученные экспериментально, и которые не будут изучены быстро, совершенно недопустимо включать понятия и элементы, которые в принципе никогда нельзя наблюдать. Чаще других с этой версией ассоциируется имя физика и философа Эрнста Маха. Для него позитивизм был противоядием от философии Канта.

Позитивизм помог Эйнштейну избавиться от представления, что утверждение об одновременности двух событий имеет абсолютный смысл. Он убедился в том, что ни одной измерение не может дать критерий одновременности, одинаковый для всех наблюдателей. Сосредоточенность на том, что реально может наблюдаться, и составляет суть позитивизма.

Позитивизм сыграл также важную роль при зарождении современной квантовой механики, которая объясняет строение атомов, электрические и тепловые свойства твердых тел, ядерные реакции и сверхпроводимость. Физики безоговорочно доверяют ей, но при этом основания данной теории на редкость темны, и дебаты об их интерпретации продолжаются. Самым спорным является вопрос о квантово-механических вероятностях. Так называемая копенгагенская интерпретация, разработанная Нильсом Бором, гласит, что квантовый мир принципиально непредсказуем. Бессмысленно спрашивать, где находится квантовая частица, пока вы не произведете измерение, чтобы ее обнаружить. Вероятности всех возможных исходов измерения можно вычислить, используя правила квантовой механики. Частицы как будто никак не могут «решиться» и прыгают на определенное место в самый последний момент, когда выполняется измерение.

Альтернативная интерпретация, предложенная Хьюго Эвереттом 111, утверждает, что на самом деле реализуются все возможные исходы каждого квантового события, но происходит это в разных, «параллельных» вселенных. При любом измерении положения частицы вселенная разветвляется на мириады копий, в которых частица обнаруживается во всех возможных местах. Процесс ветвления полностью детерминирован, но мы не знаем, с какой из ветвей будет связан наш опыт. В результате исход нашего измерения по-прежнему остается вероятностным, а все вероятности оказываются в точности такими же, как и в копенгагенской интерпретации.

В квантовой механике для вычисления наблюдаемых величин, таких как энергия атома водорода, могут быть подвергнуты критике, поскольку мы будем использовать соотношения между величинами, которые в принципе не наблюдаемы: например, положение и скорость обращения электрона.

Отсюда мы видим, что, несмотря на ценность позитивизма, в нем немало вредного. Позитивизм стал основой оппозиции атомной теории в начале 20 века. Джон Дальтон, Амадео Авогадро и их последователи объяснили на основе атомной теории правила химии, свойства газов и природу теплоты. Атомная теория стала частью общепринятого языка физики и химии. Однако позитивисты во главе с Махом рассматривали это как отступление от истинных процедур научного исследования, поскольку никакая техника не позволяла наблюдать атомы непосредственно.

Позитивисты декларировали, что ученые должны сосредоточиться на сообщении результатов наблюдений, например, при соединении двух объемных частей водорода с одной объемной частью кислорода образуется водяной пар, но не следует забивать голову, будто это происходит потому, что молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Мы ведь не могли тогда наблюдать эти атомы и молекулы.

Сам Мах так никогда и не смирился с существованием атомов. Уже в 1910 году, когда атомизм был принят практически всеми, он в полемике с Планком писал: если вера в реальность атомов является столько критической, тогда я отказываюсь от физического образа мышления. В этом случае я не могу оставаться физиком-профессионалом и отказываюсь от своей научной репутации, добавлял он.

Сопротивление атомизму имело особенно печальные последствия в случае с задержкой признания статистической механики, редукционистской теории, в которой теплота интерпретируется с помощью статистического распределения энергий частей любой системы. Развитие этой теории в трудах Максвелла, Больцмана, Гиббса было одним из триумфов науки 19 века. Так что, отрицая атомизм, позитивисты совершили самую худшую из возможных ошибок.

Позитивизм причинил неприятности и в менее известных случаях. Так, в течение ряда лет физики были озадачены таинственным явлением катодных лучей, которые испускаются, когда металлическая пластинка, помещенная в откаченную стеклянную трубку, подключается к отрицательному полюсу мощной электрической батареи. Эти лучи проявляются в виде светящегося пятна, которое остается на противоположной стороне трубки. Никто не знал, что это такое. Дж.Дж.Томсон измерил, как отклоняются катодные лучи электрическим и магнитным полями, проходя внутри трубки оказалось, что величина отклонения траектории этих лучей от прямолинейной согласуется с гипотезой о том, что лучи состоят из частиц, переносящих определенную величину электрического заряда, имеющих определенную массу и совершенно одинаковое отношение величины массы к величине заряда. Поскольку масса частиц оказалась намного меньше массы атомов, Томсон пришел к выводу, что эти частицы являются фундаментальными составными частями атомов и носителями электрического заряда во всех электрических токах (будь то в атомах, катодных трубках или проводниках). Он объявил себя открывателем совершенно новой формы материи, дав частице имя «электрон», взяв его из теории электролиза.

Однако точно такой же опыт был сделан Вальтером Кауфманном с тем лишь отличием, что он был у него лучше поставлен: результат для отношения заряда электрона к его массе был более точным, чем у Томсона.

Однако Кауфманн никогда не упоминается как открыватель электрона, так как он и не думал, что открыл новую частицу. Томсон же работал в рамках английских традиций. Восходящих к Ньютону, Дальтону и Прауту, где были приняты рассуждения об атомах и их составных частях.

Кауфманн был позитивистом: он не верил в то, что занятием физиков могут быть рассуждения о вещах, которые они не могут наблюдать. Поэтому Кауфманн не сообщил об открытии нового типа частиц, а сообщил, что нечто, чем бы оно ни было, пролетая внутри катодной трубки, проносит определенное отношение заряда к массе.

Томсон, увлекаемый верой в то, что он открыл фундаментальную частицу, продолжал работать и поставил несколько других экспериментов для определения свойств этой частицы. Он обнаружил свидетельства того, что частицы с тем же отношением заряда к массе испускаются при радиоактивном распаде, и провел первые измерения заряда электрона. Вместе с предыдущим измерением отношения заряда к массе, это измерение позволило установить массу электрона. Именно совокупность всех этих экспериментов и дает право называть Томсона открывателем электрона. Он, вероятно, никогда бы не стал проводить такие эксперименты, если бы не отнесся всерьез к идее о частице, которую в то время невозможно было непосредственно наблюдать.

В отличие от него, обедненная позитивизмом идея Кауфманна побуждала его всего лишь измерять изменение положения светящегося пятна на противоположной стороне вакуумной трубки, вызванного тем, что вокруг куска железа, поднесенного к трубке, была несколько раз обмотана проволока, подключенная к электрической батарее, а затем он использовал принятую им теорию для интерпретации увиденного в терминах траектории луча и магнитных полей. Если быть совсем точным, то он не делал и этого. На самом деле он использовал определенные зрительные и тактильные ощущения, которые затем интерпретировал как светящиеся пятна, проволоку и батарею.

Считается, что окончательная капитуляция антиатомизма произошла в 1908 году, когда химик Вильгельм Освальд заявил: теперь я убежден, что недавно мы получили экспериментальные свидетельства дискретной или зернистой структуры вещества, которое тщетно искали приверженца атомизма. Эти экспериментальные свидетельства заключались в измерениях молекулярного вклада в так называемом броуновском движении крохотных частиц, взвешенных в жидкости, а также в измерении Томсоном заряда электрона.

Если мы осознаем, насколько перегружены теорией все экспериментальные данные, то становится очевидным, что еще в 19 веке все успехи атомной теории в химии и статистической механике подтверждали наблюдение атомов.

Позитивизм внес вклад в запутывание проблемы бесконечностей. Оппенгеймер в 1930 году заметил, что теория фотонов и электронов, известная как квантовая электродинамика, приводит к абсурдному результату, что испускание или поглощение фотонов электронами в атоме придает ему бесконечную энергию.

Было высказано общее предположение о том, что квантовая электродинамика просто становится неприменимой для электронов и фотонов очень больших энергий. И значительная доля этого страха перед квантовой электродинамикой была связана с позитивистским ощущением вины. Дело в том, что некоторые теоретики боялись, что говоря о значениях электрического и магнитного полей в той точке пространства. Где находится электрон, они совершают грех, вводя в физику принципиально ненаблюдаемые элементы. Это было верно, но только тормозило открытие реального решения проблемы бесконечностей, которое заключалось в том, что они сокращаются, если позаботиться об аккуратном определении массы и заряда электрона.

Позитивизм сыграл также ключевую роль в борьбе против квантовой теории поля, которую вел в 1960 году Джеффри Чу. Для него главным объектом была S-матрица (S – заглавная буква в немецком слове «рассеяние»), таблица, в клетках которой стоят вероятности всех возможных результатов для всех возможных процессов соударения частиц.

S-матрица содержит в себе все, что можно реально наблюдать, изучая реакции с любым числом частиц. Теория S-матрицы восходит к работам Гейзенберга и Джона Уилера в 1930-х и 1940-х годах. Но в 1960-х годах Дж.Чу использовал новые идеи относительно того, как вычислить S-матрицу без введения каких бы то ни было ненаблюдаемых элементов вроде квантовых полей. В конце концов эта программа провалилась, отчасти потому, что было слишком сложно вычислить матрицу именно таким способом. Но прежде всего провал был обусловлен тем, что путь прогресса в понимании слабых и сильных ядерных сил оказался связанным с теми самыми квантовыми теориями полей, которые Чу пытался отвергнуть.

Однако самое драматическое отрицание принципов позитивизма связано с развитием современной теории кварков. В начале 1960-х годов Мюррей Гелл-Манн и Джордж Цвейг независимо попытались упростить невероятно сложный зоопарк частиц, известных к тому времени. Они предположили, что почти все эти частицы состоят из нескольких простых (и еще более элементарных) частиц, которые были названы кварками.

Поначалу эта идея казалась совершенно не выходящей за рамки обычного для физиков способа мышления – в конце концов это был еще один шаг по пути атомизма. Однако все попытки экспериментально вытащить кварки из тех частиц, в которых они предположительно содержались, полностью провалились. Это выглядело ненормально. Еще с тех пор, как Томсон вырвал электроны из атомов в катодно-лучевой трубке, всегда удавалось разбить любую составную систему вроде молекулы, атома или ядра на отдельные частицы, из которых она состоит. Почему же было невозможно выделить свободные кварки?

Картина кварков обрела смысл с развитием в начале 1970-х годов квантовой хромодинамики, современной теории сильных ядерных сил, в рамках которой запрещен любой процесс, в котором может быть выделен свободный кварк. Прорыв произошел в 1973 году после того, как независимые вычисления Дэвида Гросса и Фрэнка Вильчика из Принстонского университета и Дэвида Политцера из Гарвардского университета показали, что квантовые теории определенного типа обладают удивительным свойством асимптотической свободы, суть которого в том, что все силы, действующие между частицами, уменьшаются с ростом энергии. Этот успех привел к тому, что одна из квантовых теорий поля – теория кварков и глюонов – получившая название квантовой хромодинамики, была призвана правильной теорией сильных взаимодействий.

Как же можно рассчитывать создать теорию, основанную только на наблюдаемых величинах, если ни одно из привычных нам понятий (даже пространство и время) не входят в число фундаментальных понятий наших теорий! Позитивистский подход вряд ли будет полезен в будущем, заключает Вайнберг.

Наука подвергалась атаке и со стороны релятивизма, суть которого в отрицании стремления науки к открытию объективной истины. Наука – это всего лишь социальное явление, не более фундаментальное, чем куль плодородия.

Подобного взгляда придерживался и Томас Кун, который в «Структуре научных революций», по сути, предложил нам манифест общей атаки на объективность научного знания. Эту линию наметил еще Роберт Мертон в 1930-е годы. Антрополог Шарон Тревик провела длительное время в обществе экспериментаторов, которые занимались физикой элементарных частиц в Стэндфордском ускорительном центре и аналогичном центре в Японии. Вот что она пишет, цитирует Вайнберг:

«Физики рассматривают себя членами элитарной группы, членство в которой определяется только личными научными заслугами. При этом предполагается, что все имели честный старт. Принадлежность к группе подчеркивается крайне непринужденностью в одежде, одинаковым видом кабинета и обращением друг к другу по именам. Индивидуализм и соревнование считаются допустимыми и эффективными: иерархия в сообществе строится как меритократия, производящая хорошую физику. Меритократия – общество, иерархия членов которого определяется только личными заслугами каждого в определенной области. Однако американские физики подчеркивают, что наука недемократична. Решения, касающиеся целей научной деятельности, не должны приниматься большинством голосов сообщества и не должно быть равного доступа для всех к ресурсам лабораторий.

Большинство японских физиков придерживаются по этим пунктам противоположного мнения».

Во время подобных исследований антропологов и социологи обнаружили, что даже процесс изменений в научной теории является общественным делом. Научные истины, по существу, являются широко цитируемыми общественными соглашениями, возникающими в результате научного процесса переговоров. При этом переговоры относительно того, что считать доказательством, или что является хорошим экспериментом, столь же беспорядочны, как и любой спор между судьями или политиками – таково мнение французского философа Бруно Латура и английского социолога Стива Вулгара.

Вместе с тем, глубокие ученые стремятся обнаружить в физике, например, нечто, что существует независимо от тех социальных и исторических условий, которые позволяют им это делать.

Но где же тогда истоки той безудержной атаки на объективность научного знания? Один из них – это и есть старое пугало позитивизма, на этот раз используемое для изучения самой науки.

Еще один источник – релятивизм. Фейерабенд призывал к формальному отделению науки от общества, наподобие отделения церкви от государства. В этом случае наука приравнивается к одной из многих идеологий, движущих общество вперед.

Мне, пишет Вайнберг, не известен ни один крупный ученый, который воспринимает эти размышления всерьез. Та опасность, которую они несут науке, связана с их возможным влиянием на тех, кто сам не участвует в научной деятельности, но от кого мы все зависим, особенно от тех, кт финансирует науку, а также на новое поколение ученых.