ему вопрос о сути теории относительности, сказал: «Суть такова: раньше считали, что если каким-нибудь чудом все материальные вещи исчезли бы вдруг, то пространство и время остались бы. Согласно же теории относительности вместе с вещами исчезли бы пространство и время». Наконец, теория относительности «нанесла удар субъективистским, априористским трактовкам сущности пространства и времени, которые противоречили её выводам» (См.: Алексеев П.В., Панин А.В. Философия: Учебник для вузов. — М.: ТЕИС, 1996. — С. 335-336).

Отстаивая ту мысль, что теория относительности подтвердила понимание пространства и времени как коренных форм существования материи, нельзя думать, что она положила тем самым конец философским спорам об истолковании природы пространства и времени. Решив одни проблемы, теория относительности поставила другие. «Богатое разнообразие фактов в области атомных явлений, писали А. Эйнштейн и Л. Инфельд, — опять вынуждает нас изобретать новые физические понятия» (Эйнштейн А., Инфельд Л. Эволюция физики //Собр. науч. трудов в 4-х т.: Т. IV. — М.: Наука, 1967. — С. 543). К обсуждению всех этих проблем мы теперь и переходим.

Глава шестая.

Представление о поле. Поле и вещество. Нильс Бор

и световые кванты. Принципы неопределённости и

дополнительности. Принцип соответствия. Проблема

интерпретации квантовой механики

Наука — это не обуза, не какое-то тяжкое бремя, которое можно взвалить на человеческий дух. Её ноша должна быть лёгкой, а бремя приятным (Ср.: Матф. 11, 30). Эйнштейн не распинал себя, как иной современный учёный; о нём можно было бы сказать, что его любили грации.

Но он не был декоратором в науке, не застревал на дальних подступах к ней, а напротив, преодолевая эти подступы, властвовал на умами миллионов с помощью именно того свободного научного искусства, дух которого жил во многих его произведениях. Сочинение «Эволюция физики», выполненное совместно с Л. Инфельдом, — не исключение. Эйнштейн стремится в этом произведении раскрыть те активные силы, которые вынуждают науку производить идеи, соответствующие реальности нашего мира.

Известно, что во второй половине XIX века в физику были введены новые и революционные идеи, которые открыли путь к новому философскому взгляду, отличному от механистического. Правда, тут следует заметить, что ещё раньше, в конце XVIII — начале XIX вв. философы высказали идеи, намного обогнавшие свою эпоху. Но их построения подчас носили сложный спекулятивный характер, были настолько запутанными, что никакое искусство читать лекции не могло их сделать понятными.

Однако необходимо учитывать и тот момент, что всякая популяризация знания, разумеется, имеет свои границы. Вместе с тем речь у нас идёт о том вдохновении, которое не в силах уничтожить никакая спекуляция. Вспомним слова Шиллера, обращённые к несчастному Дону Карлосу:

«Скажите принцу, чтоб и зрелым мужем

Былым мечтам он оставался верен,

Чтоб остерёгся гнилостного червя

Не допустил хвалёный высший разум

Проникнуть в сердце Божьего цветка.

Чтоб оставался твёрд, когда хулою

Обрушится ветшающая мудрость

На вдохновенье — дар высокий неба» (Цит. по: Шиллер Ф. Избранные произведения. В 2-х т.: Т. 1 /Пер. В. Левик. — М., 1959. — С. 523).

Именно это вдохновение руководило Фарадеем, Максвеллом и Герцем, которые выработали новые понятия, образовавшие новую картину мира. «Потребовалось большое научное воображение, чтобы уяснить себе, что не заряды и не частицы, а поле в пространстве между зарядами и частицами существенно для описания физических явлений» (См.: Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. В 4-х т.: Т. IV. — С. 512). Понятие поля оказалось весьма удачным и привело к формулированию уравнений Максвелла, описывающих структуру электромагнитного поля.

Поле оказалось весьма полезным понятием. Оно возникло как нечто, помещённое между источником и магнитной стрелкой, для того чтобы описать действующую силу. Первый успех описания с помощью поля показал, что оно может быть удобным для рассмотрения всех действий токов, магнитов и зарядов.

Итак, поле можно рассматривать как нечто такое, что всегда связано с током. Оно существует, даже если отсутствует магнитный полюс, с помощью которого можно выявить его наличие.

Прежде всего заметим, что поле заряженного проводника может быть введено почти таким же образом, как и поле тяготения или поле магнита. Чтобы изобразить поле положительно заряженной сферы, следует задать вопрос: какого рода силы действуют на маленькое положительно заряженное пробное тело, помещённое вблизи источника поля, т.е. вблизи заряженной сферы? Тот факт, что мы берём положительно, а не отрицательно заряженное пробное тело, является простым соглашением, которое определяет, в каком именно направлении должны быть нарисованы стрелки силовых линий. Данная модель (рис. 1) аналогична модели поля тяготения (рис. 2) в силу сходства законов Кулона и Ньютона. Единственное различие между обеими моделями состоит в том, что стрелки расположены в противоположных направлениях. В самом деле, два положительных заряда отталкиваются, а две массы притягиваются. Вместе с тем поле сферы с отрицательным зарядом (рис. 3) будет идентичным полю тяготения, поскольку маленький положительный пробный заряд будет притягиваться источником поля (См.: Эйнштейн А. Собр. науч. трудов. В 4-х т.: Т. IV. — С. 441).

Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3

Если рассуждать дальше и предположить, что электрическая сфера, которая до сих пор была в покое, пришла в движение под воздействием некоторой внешней силы, то поле электрического заряда будет изменяться с течением времени. Но движение этой заряженной сферы эквивалентно току, который сопровождается магнитным полем. Итак, физики пришли к следующему выводу: изменение электрического поля, произведённое движением заряда, всегда сопровождается магнитным полем.

Если колеблющийся заряд перестаёт двигаться, то его поле становится электростатическим. Но серия волн, созданных колебанием заряда, продолжает распространяться. Волны ведут независимое существование, так что история их изменений может быть прослежена так же, как и история любого другого материального объекта.

С введением понятия поля в физике произошло нечто весьма важное. Постепенно, хотя и не без борьбы, это понятие завоевало прочное положение в науке. Но было бы неверным считать, что идея поля освободила физику от заблуждений старой теории электрических жидкостей или что эта новая идея разрушает старую (в теории Максвелла мы, например, ещё обнаруживаем понятие электрического заряда, хотя заряд понимается только как источник электрического тока).

Сначала теоретики поле рассматривали как нечто, что в перспективе можно будет истолковать механистически с помощью эфира. Но со временем стало ясно, что эту программу осуществить невозможно. Единственный выход — это допустить, что пространство обладает физическим свойством передавать электромагнитные волны. Вместе с тем, по всей вероятности, слово «эфир» употреблять всё же можно, но исключительно для того, чтобы выразить вышеупомянутое физическое свойство пространства. «Слово эфир изменяло свой смысл много раз в процессе развития науки. В данный момент оно уже не употребляется для обозначения среды, построенной из частиц. Его история, никоим образом не законченная, продолжается теорией относительности» (Там же. — С. 452).

Итак, мы имеем две реальности: поле и вещество. Мы должны принять оба понятия. Но возникает вопрос: а можно ли считать поле и вещество двумя различными, совершенно несходными реальностями? Что составляет физический критерий, с помощью которого можно различить вещество и поле?

Когда не была известна теория относительности, ответ был простым: вещество имеет массу, а поле её не имеет. Такой ответ в сфере новых знаний совершенно недостаточен. Из общей теории относительности мы знаем, что вещество представляет собой огромные запасы энергии, и что энергия представляет вещество (См.: Там же. — С. 510). Таким образом, очень трудно провести качественное различие между полем и веществом, поскольку различие между массой и энергией, видимо, не качественное. Какой-либо резкой границы, разделяющей поле и вещество, невозможно себе представить. «Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путём можно было бы прийти к новым представлениям о природе. Их конечная цель состояла бы в объяснении всех событий в природе структурными законами, справедливыми всегда и всюду… В нашей новой физике не было бы места и для поля, и для вещества, поскольку единственной реальностью было бы поле. Этот новый взгляд внушён огромными достижениями физики поля, успехом в выражении законов электричества, магнетизма, тяготения в форме структурных законов и, наконец, эквивалентностью массы и энергии» (Там же. — С. 511).

Однако, авторы сочинения «Эволюция физики» констатировали, что «до сих пор мы не имели успеха в последовательном и убедительном выполнении этой программы». Поэтому во всех построениях «мы всё ещё должны допускать две реальности — поле и вещество» (Там же).

Развитие квантовой физики, начавшееся со знаменитой статьи М. Планка «О строении атомов и молекул» (1913), показало, что излучение носит двойственный корпускулярно-волновой характер. Нильс Бор не согласился с эйнштейновскими световыми квантами, предполагавшими дискретность пространственной структуры излучения. В вопросе о природе света Бор увидел гораздо более общую (не столько физическую), сколько методологическую проблему. Он писал, что «вопрос о существовании или отсутствии связи отдельных атомарных процессов нельзя просто рассматривать как различие между двумя чётко определёнными толкованиями распространения света в пустом пространстве, которые соответствовали бы корпускулярной или волновой теории света» (Бор Н. О действии атомов при соударениях //Бор Н. Избранные научные труды. Т. 1. — М., 1970. — С. 560). Речь, вероятнее всего, должна идти о том, насколько пространственно-временные представления, с помощью которых физики пытаются объяснить явления природы, применимы к описанию атомных процессов.

Следует подчеркнуть, что в классической механике всякая частица движется по определённой траектории, так что в любой момент времени точно фиксированы её координата и импульс. Напротив, микрочастицы из-за наличия у них волновых свойств существенным образом отличаются от классических частиц. Это следует из корпускулярно-волновой природы микрочастиц. Так, понятие «длина волны в данной точке» лишено физического смысла, а поскольку импульс выражается через длину волны (

[Image001]

)**, то микрочастица с определённым импульсом имеет полностью неопределённую координату. И наоборот, если микрочастица находится в состоянии с точным значением координаты, то её импульс является полностью неопределённым.

______________ ** Р — импульс микрообъекта, h — постоянная Планка, л — длина волны.

В. Гейзенберг, учитывая волновые свойства микрочастиц, пришёл в 1927 году к следующему выводу: объект микромира невозможно одновременно с любой наперёд заданной точностью характеризовать и координатой, и импульсом. Согласно соотношению неопределённостей Гейзенберга, микрочастица не может иметь одновременно координату х и определённый импульс р. Причём, неопределённости данных величин удовлетворяют условию

[Image002]

,

т.е. произведение неопределённостей координаты и импульса не может быть меньше постоянной Планка.

Невозможность одновременно точного определения координаты и импульса является следствием специфики микрообъектов, отражающей особенности их объективных свойств, их двойственной корпускулярно-волновой природы.

Принцип дополнительности. По свидетельству В. Гейзенберга, основы идеи дополнительности выкристаллизовались у Н. Бора в начале 1927 года,