Основная проблематика неклассической науки. Квантово-релятивистская картина мира.

Неклассическая наука

Неклассическая наука явно проявилась с начала ХХ в., со времени становления квантовой механики. Именно в физике микромира “человек-исследователь” столкнулся с проблемой неустранимости влияния макроскопической познавательной системы (человек-исследователь с познавательным прибором) на исследуемый микрообъект.

Для большего понимания сути дела рассмотрим основные этапы становления квантовой механики и формирование концепции, известной в науке под названием “копенгагеновская интерпретация квантовой механики” и альтернативной концепции, известной как “ЭПР-аргумент”, или “ЭПР-эксперимент” (“Эйнштейна—Подольского—Розена-эксперимент”). В общем обе концепции относятся к проблеме устранимости или неустранимости “человека-исследователя” из теоретического знания квантовой механики. В иных формулировках эта проблема звучит как “проблема скрытых параметров”, или “проблема квантовой концепции целостности” (см., напр., [Тягло, 1991]).

Вот краткая история физики микромира:

1900 г. — М. Планк, изучая излучение абсолютно черного тела, вводит величину h, или постоянную Планка, характеризующую минимально возможные дискретные порции излучения или поглощения энергии (размерность h: единица энергии, умноженная на время).

1905 г. — А. Эйнштейн дает интерпретацию явления фотоэффекта, в которой эмиссия электронов с поверхности, облучаемой светом, связана с пороговой энергией фотонов света h.

1911 г. — Э.Резерфорд на основании результатов рассеяния альфа-частиц при облучении ими тонкой металлической фольги предлагает так называемую “планетарную модель атома”. Эта модель находится в полном противоречии с классической электродинамикой (движущийся по круговой орбите электрон должен непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн и, вследствие этого, “упасть” на положительно заряженное ядро атома).

1913 г. — Н.Бор предлагает квантовую интерпретацию планетарной модели, согласно которой электроны в атоме движутся по дискретным орбитам с определенной энергией. Минимальная энергия перехода между орбитами определяется постоянной Планка h.

1922 г. — А.Комптон рассмотрел эффект рассеяния света свободными электронами, в которых они вели себя как дискретные частицы.

1924 г. — Луи де Бройль, наоборот, рассмотрел эффект рассеяния микрочастиц, в котором частицы вели себя как материальные тела волновой природы (интерференция). На основании этого было введено понятие “волны де Бройля”, согласно которому длина волны материального тела выражается соотношением h/p.

Таким образом, в квантовой механике сформировалась концепция “корпускулярно-волнового дуализма”.

1925 г. — В.Гейзенберг сформулировал матричную квантовую механику, которая оказалась в принципе эквивалентной волновой механике Шредингера.

1926 г. — Э.Шредингер предложил так называемое “волновое уравнение квантовой механики (уравнение Шредингера)”, которое имеет такое же значение в квантовой механике, как и уравнения Ньютона в классической механике или уравнения Максвелла в классической электро- динамике. Основной смысл функции волнового уравнения Шредингера: квадрат ее модуля равен вероятности нахождения частицы (системы) в определенном квантовом состоянии, в определенное время, в определенном месте времени t, с координатами x, y, z.

Что касается новых концепций науки, сформировавшихся в связи с введением волновых уравнений для описания природы, то это становится понятным из следующего краткого замечания: “Квантовая механика порождает новый образ мышления, поскольку вводит понятие операторов. Физические величины — энергия, координаты и т.д. — заменяются в квантовой механике (по отношению к классической механике. — В.К.) операторами, а численные значения этих величин мы находим, решая задачу на собственные значения” [Пригожин, 1994, с.15].

1927 г. — формулировка В. Гейзенбергом так называемого “соотношения неопределенностей”, или “неопределенностей принципа”.

Для координаты и импульса частицы среднеквадратичные соотношения этих величин импульса и координаты таковы, что их произведение всегда больше постоянной Планка, деленной на два; для энергии и времени — больше постоянной Планка.

Надо сказать, что вероятностное представление о природе микромира дает возможность объяснить появление в природе “спонтанно нового”, т.е. можно уйти от жесткого детерминизма классической механики. В то же время следует учитывать, что “слепой” вероятностный характер поведения природных тел не может объяснить целесообразности — необходимого возникновения из простого сложного (в том числе и в сфере мысли, например, возникновения все более сложного и совершенного знания). Последняя проблема тесно связана с философской проблемой становления. По этому поводу И.Пригожин и И.Стенгерс пишут: “Становление, неиссякаемый поток воспринимаемых нами явлений, относится к сфере чистого мнения (по мнению Платона. — В.К.). Однако Платон сознавал парадоксальный характер такой позиции, поскольку она принижала жизнь и мысль, представлявшиеся как неотделимые процессы становления. В “Софисте” Платон приходит к заключению, что нам необходимы и бытие, и становление.

С той же трудностью столкнулись и атомисты. Чтобы допустить возникновение нового, Лукрецию пришлось ввести “клинамен” (гр. — буквально “отклонение”. — В.К.), возмущающий детерминистическое падение атомов в пустоте.

Обращение к клинамену часто подвергалось критике как введение чужеродного произвольного элемента в схему атомистического описания. Но через два тысячелетия мы встречаем аналогичное утверждение в работе Эйнштейна, посвященной самопроизвольному испусканию света возбужденным атомом (речь идет о работе 1916 г. “Испускание и поглощение света излучения по квантовой теории”. — В.К.), где говорится, что “время и направление элементарных процессов определены случайным образом” [Пригожин, 1994, с.7].

К этому следует привести замечание Ф.Капры из его работы “Дао физики”: “Квантовая теория обнаружила, что частицы — это не изолированные группы вещества, а вероятностные модели — переплетения в неразрывной космической сети. Теория относительности вдохнула жизнь в эти абстрактные паттерны, пролив свет на их динамическую сущность. Она показала, что материя не может существовать вне движения и становления. Частицы субатомного мира активны не только потому, что они очень быстро дви-жутся; они являются процессами сами по себе!” [Капра, 1994, с.180].

Соотношение неопределенностей стало краеугольным камнем споров относительно интерпретации системы теоретических и экспериментальных знаний физики микромира, или квантовой механики.

Альтернативные точки зрения, дискуссии о справедливости которых продолжаются по сей день, выразились в альтернативных позициях “копенгагеновской интерпретации квантовой механики” (Н.Бор и др.) и “Эйнштейна—Подольского—Розена-аргумента” (“ЭПР-аргумента”), проблемах “статистической интерпретации квантовой механики”.

Анализ этой проблемы, касающейся квантовой проблемы целостности, скрытых параметров и вообще специфики познания человеком (макроскопической системой) микрочастиц (микроскопической системы), можно найти в [Тягло, 1991].

Существенное отличие классической картины мира от неклассической (здесь главным образом имеется в виду физика) заключается в том, что в классической науке картина мира детерминистская и динамическая, в частности, описание движения частиц дается в терминах траекторий, в то время как в неклассической (квантовой) физике картина мира статистическая, и вместо траекторий вводится концепция волновой функции (см. об этом, напр., [Пригожин, 1994, с.159]).

Существенное отличие классического типа рациональности от неклассического состоит в том, что в классическом типе идеалом было устранение познающего субъекта и его исследовательских инструментов из законченного научного знания, в то время как в неклассическом типе рациональности познающий субъект и его исследовательский инструментарий неотделимы от познаваемого объекта.

Влияние теории относительности (релятивистской физики) А. Эйнштейна на формирование парадигмы неклассической науки.

 Классическая механика и специальная теория относительности (СТО) формулируют закономерности физических явлений только в инерциальных системах отсчета. Вместе с тем, ни классическая механика, ни СТО не дают средств для реального выделения таких инерциальных систем. Получалось так, что законы физики справедливы лишь для некоторого достаточно узкого класса систем координат (инерциальных). Вполне закономерно возникла проблема, как распространить законы физики и на неинерциальные системы. После создания СТО Эйнштейн начал задумываться над распространением принципа относительности на случай неинерциальных систем.

Возможность реализации этой идеи Эйнштейн увидел на пути обобщения принципа относительности движения - распространение принципа относительности не только на скорость, но и на ускорение движущихся систем. Если отказаться от приписывания абсолютного характера не только скорости, но и ускорению, то в таком случае выделенность класса инерциальных систем потеряет свой смысл, и можно так формулировать физические законы, чтобы их формулировка имела смысл в отношении любой системы координат. Это и есть содержание общего принципа относительности. Это означает, что точно так же, как нельзя говорить о скорости тела вообще, безотносительно к какому-нибудь телу В, так, очевидно, и ускорение имеет конкретный смысл по отношению к некоторому фактору, вызывающему и определяющему его.

Создание релятивистской, а затем и квантовой физики привело к необходимости значительного пересмотра методологических установок классической физики. Кардинальные изменения в системе методологических установок релятивистской физики связаны с выявлением зависимости описания поведения физических объектов от условий познания (учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства скорости света в вакууме). Произошло изменение гносеологической позиции субъекта и объекта - появилась необходимость указания на ту систему отсчета, с позиций которой описывается исследуемая физическая область. Создание квантовой механики привело к еще более значительному пересмотру методологических принципов классической физики: введение нового класса принципиально статистических закономерностей; невозможность провести резкую границу между объектом и прибором и введение принципа дополнительности; невозможность одновременного определения всех свойств микрообъекта (принцип неопределенности); ненаглядный характер теоретических моделей, неоднозначность употребления понятий, необходимость указывать на условия познания и др.

Рассмотрим в систематическом виде методологические установки неклассической физики.

1. Признание объективного существования физического мира, т.е. его существования до и независимо от человека и его сознания.

2. В отличие от классической физики, которая рассматривала мир физических элементов как качественно однородное образование, современная физика приходит к выводу о наличии трех качественно различающихся структурных уровней мира физических элементов: микро-, макро- и мегауровней.

3. Явления микромира, микропроцессы обладают чертами целостности, необратимости и неделимости, которые приводят к качественному изменению представлений о характере взаимосвязи объекта и экспериментальных средств исследования.

4. Причинность как один из элементов всеобщей связи и взаимообусловленности вещей, явлений, событий материального мира присуща и микропроцессам. Но характер причинной связи в микромире отличен от механистического детерминизма. В области микроявлений причинность реализуется через многообразие случайностей, и потому микропроцессам свойственны не динамические, а статистические закономерности.

5. Микроявления принципиально познаваемы. Получение полного и непротиворечивого описания поведения микрочастиц требует выработки нового способа познания и новых методологических установок познания.

6. Основа познания - эксперимент, непосредственное материальное взаимодействие между средствами исследования субъекта и объектом. Так же, как и в классической физике, исследователь свободен в выборе условий эксперимента.

7. Кардинальные изменения в методологии неклассической физики по сравнению с классической физикой связаны с выявлением зависимости описания поведения физической объектов от определенных условий познания. В релятивистской физике - это учет состояния движения систем отсчета при признании постоянства скорости света в вакууме. В квантовой физике - фундаментальная роль взаимодействия между микрообъектом и измерительным устройством, прибором. Речь здесь идет об изменении познавательного отношения субъекта и объекта. В квантовой физике она разрешается принципом дополнительности.

8. Если в классической физике все свойства объекта могут определяться одновременно, то уже в квантовой физике существуют принципиальные ограничения в этом, выражаемые принципом неопределенности.

9. Неклассические способы описания позволяют получать объективное описание природы. Но объективность знания не должна отождествляться с наглядностью. Создание механической наглядной модели вовсе не выступает синонимом адекватного физического объяснения исследуемого явления.

10. Физическая теория должна содержать в себе не только средства для описания поведения познаваемых объектов, но также и средства для описания условий познания, включая процедуры исследования.

11. В неклассической физике, как и в классической, игнорируется атомная структура экспериментальных устройств.

12. Структура процесса познания не является неизменной. Качественному многообразию природы должно соответствовать и многообразие способов ее познания. На основе неклассических способов познания (релятивистскому и квантовому) со временем должны сформироваться новые способы познания.

Во второй половине ХХ века основное внимание в физике обращено на создание теорий, раскрывающих 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). На основе представления о различных калибровочных симметриях созданы и получили хорошее эмпирическое обоснование квантовая электродинамика, теория электрослабого взаимодействия, квантовая хромодинамика (теория сильного взаимодействия), есть перспективы на создание единой теории электромагнитного, "слабого" и "сильного" взаимодействий. Физики ожидают, что в отдаленной перспективе к ним должно быть присоединено и гравитационное взаимодействие, о природе которого высказываются разные точки зрения (искривление пространства-времени, некоторое силовое поле с гравитоном как его квантом, и то и другое вместе, и др.). Трудно сказать, как далеко находится наука от реализации этой великой цели - создания единой теории структуры материи.

Роль квантовой механики в формировании неклассического научного стиля мышления.

 Особенности развития неклассической теории обусловлены динамикой оснований науки, которые определяют “стратегию научного поиска и во многом обеспечивают включение его результатов в культуру соответствующей исторической эпохи”. Идеалы и нормы, характерные для неклассической науки, связаны “с отказом от прямолинейного онтологизма и пониманием относительной истинности теорий”. При этом “принимаются такие типы объяснения и описания, которые в явном виде содержат ссылки на средства и операции познавательной деятельности. В отличие от классических образцов обоснование теории в квантово-релятивистской физике предполагало экспликацию в изложении теории операциональной основы вводимой системы понятий”.

Таким образом, становление нового образа науки поставило перед методологами проблему критериев неклассичности и разработки логико-методологической концепции неклассической теории.

Известно, что образ классической науки основан на традиционной математике формальных объектов, построенных методом абстрактного отождествления элементов. Они характеризуются признаками определенности и точности понятий и измерений, полноты и замкнутости теории, непрерывности, что составляет критерии классического мышления. Оно наиболее ярко выражено, в частности, в характеристике фундаментализма как модели познавательной деятельности с жестко фиксированным базисным знанием, задающим осмысленность утверждений в оценках истинности — ложности. Последние привносятся в систему идеального языка науки и определяются внелогическим путем (Л. Витгенштейн), близким к априоризму (И.Кант).

Идея множественности описания одного и того же объекта в неклассической науке получает логико-методологическое обоснование при использовании такой же абстракции отождествления элементов, как и в случае классической науки. Однако эта познавательная процедура не должна накладывать ограничений на выбор признаков отождествления. Результаты взаимного приравнивания элементов будут изменяться вместе с изменениями выбранного признака. Реализация такого подхода приводит к принципу множественности описания (В.И. Беляев), полилога (Г.П. Щедровицкий, С.И. Котельников), неопределенности как антропоморфной познавательной модели (А.С. Кариньяни, В.С. Лозовский), нелинейности и многозначности логик (Н. Белкап, Т. Стил), индуктивного программирования (А.Г. Ивахтенко), многоаспектности познания (К.И. Бахтияров).

Существенной чертой неклассической науки выступает изменение идеальной модели реальности при изменении ее элементов или признаков. В неклассической науке также существует зависимость теоретических конструктов от признаков, приписываемых им принципами. На эту тонкость теоретического познания одним из первых обратил внимание А.Пуанкаре, который отметил, что понятие одновременности зависит от принципа постоянства скорости света. Если же принцип в своем становлении проходит стадию предположения, как в частности показал А. Эйнштейн на примере принципа эквивалентности инерционной и гравитационной масс, и при этом не может быть эмпирически проверен, то он принимается в виде некоторого соглашения, конвенции.

Таким образом, конвенционализм в своем возникновении порожден стремлением сохранить классический идеал описания на неклассическом уровне. Позиция А. Пуанкаре была направлена против априоризма в науке, который допускает интуитивное знание и абсолютизирует его. Дальнейшее развитие методологии науки в трудах А. Эйнштейна, Э. Бауэра, Н. Бора преодолевает методологию Канта, оставившую открытым вопрос “об основаниях той самой обосновывающей процедуры, с помощью которой он хотел подвести прочный фундамент и под науку о природе, и под науку о человеке”. Однако, последующее развитие философии показало, что логическим основанием этой процедуры является диалектический метод мышления, наиболее ярко выраженный в восхождении от абстрактного к конкретному, а основанием мировоззренческим — понятие практики в качестве материальной деятельности людей как принятия истинности.

Неклассическое мышление связано с переходом к неаприорной логике, содержательной и зависящей от своего предмета. Так, Н. Бор заметил, что понятия пространства и времени приобретают определенный смысл лишь при абстрагировании от взаимодействия со средствами измерения, а гипотеза квантов энергии М. Планка поставила физику в положение, подобное ситуации, вызванной открытием конечности скорости света: Бор отмечает, что из ограниченности применимости классических представлений следует подчиненность результатов, достигнутых при каждом измерении атомных величин, с присущими им самим ограничениями. Это положение было сформулировано В.Гейзенбергом в виде квантовомеханического закона, согласно которому произведение средних ошибок, с которыми одновременно измеряются две канонически сопряженные механические величины, не может быть меньше кванта действия. Внутренним источником становления квантовой механики явилось превращение мнимой проблемы: “является свет волновым или корпускулярным процессом?” в реальную — “является свет одновременно волновым и корпускулярным процессом или нет?”. Положительный ответ на последний вопрос вывел физику за пределы законов двухвалентной классической логики и привел к дополнительности понятий, взаимно исключающих друг друга и теряющих одно без другого физический смысл. Неклассичность квантовой теории проявляется в ряде аспектов: в свойстве редукции волновой функции, носящей нелинейный характер (И. Пригожин), в неточности измерения наблюдаемых состояний системы, в нелокальности, которая трудно совместима с причинностью.

Попытка описывать область применимости неклассической теории (например, квантовой механики) классическим способом (механический детерминизм) приводит к проблеме скрытых параметров. Дальнейшее развитие неклассической теории, связанное с попытками объединения квантовой механики и СТО, начатого в 1928 году П.Дираком, было осуществлено в квантовой теории поля, содержащей общий подход к каждому из полей. Однако при вычислении некоторых квантовых эффектов были обнаружены теоретические парадоксы, состоящие в появлении бесконечных значений физических величин. Первой попыткой преодоления этих трудностей явилась квантовая электродинамика, описывающая взаимодействие электронов, позитронов и фотонов. Затем в конце 40–х годов Р.Фейнманом, Дж. Швингером и С. Томонагой были найдены методы вычислений, согласующиеся с внутренней симметрией теории, то есть метод перенормировок. Однако эта процедура применима лишь в квантовой электродинамике и теории сильных взаимодействий, где взаимодействия могут быть скомпенсированы постулативным изменением основных параметров (массы, заряда). В конце 70–х годов в работах Г. Хоофта, М. Вильсмана было показано, что единые полевые теории слабых и электромагнитных взаимодействий могут быть перенормированы, а квантовые теории гравитации еще страдали от бесконечностей. В избавлении физики от трудностей, связанных с бесконечностями, Д.Фридман и Л. ван Ньювенхейзен возлагают надежды на теорию супергравитации.

Развитие неклассической науки ведет к повышению степени конкретности теории. Вместе с тем восхождение к конкретному в теоретическом знании реализуется в более сложной форме, чем это изображено в гегелевской схеме триады. Развитие неклассической теории показывает, что стадия синтеза противоположных теоретических систем включает в себя многообразные формы, в частности, такие, как “метафоризм”. Однако метафоризм теории — это еще не диалектический, а эклектический синтез старых принципов, выполняющий функцию перехода от конкретных теоретических парадоксов старой теории к новым принципам как исходному абстрактному уровню (идеальной модели) новой теории. Что касается таких обобщенных теоретических построений, таких как теории суперструн, супергравитации, хромодинамики и флавиодинамики, то они представляют собой модификацию старых теоретических принципов, составляющую метафорический, эклектический вариант синтеза противоположностей. Построение новой неклассической теории, знаменующее собой диалектический синтез, предполагает решение таких проблем, как синтез релятивистских и квантовых принципов, а также — хроногеометрического и квантово-полевого подходов к построению теории элементарных частиц.

Помимо отмеченного выше, анализ развития неклассической теории позволяет сформулировать методологическое положение о дополнительности творческого и логического при смене фундаментальных теорий. Оно заключается в том, что сохранение старых моделей и принципов приводит к изменению логики, то есть делает ее паранепротиворечивой (метафоризм), а сохранение логики предполагает переход к новой идеализированной модели и новым теоретическим принципам. Данное положение просматривается на методе введения калибровочных полей как новых конструктов теории, без которых логика старых теорий становится паранепротиворечивой. Применение принципа дополнительности в таком методологическом качестве к анализу дискуссии Бора и Эйнштейна позволяет обосновать положение о различном типе неклассичности методологий Бора, который акцентировал внимание на возможности перехода к логике типа паранепротиворечивой, порожденной корпускулярно–волновым дуализмом, и Эйнштейна, который склонялся к поиску новой теоретической модели, способной объяснить новый тип квантово–механического детерминизма. Другими сторонами методологического принципа дополнительности являются дополнительность физики и геометрии, а также логики и топологии. Таким образом, анализ современной ситуации в развитии теории позволяет, с одной стороны, обогатить представление о методе восхождения от абстрактного к конкретному положением о многообразии форм синтеза теоретического знания (метафоризм), с другой — данный диалектико-материалистический метод представляет собой стратегию синтеза теоретических принципов.

https://kds.eparhia.ru/bibliot/kyrasov/nacalofiliinayki/part2_gl3/

https://istlesmash.narod.ru/catalog/