Тайны пространства и времени

Итак, надо потрудиться – проблема того стоит.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В первой и второй частях нашей книги мы познакомили читателей главным образом с основными свойствами пространства и времени как основополагающих форм существования материи, материального мира. Заключительную же часть книги мы посвятили физическим и некоторым другим процессам, которые протекают в пространстве и времени окружающего нас мира.

Глава 1 ВЕЛИКИЕ ПРИНЦИПЫ НАУКИ

Известный физик-теоретик Е. Вигнер в одной из своих работ заметил, что в современной физике можно выделить три уровня понимания явлений природы: первый – информация о различных явлениях, второй – законы природы, определяющие связи между явлениями; и третий – так называемые симметрии, устанавливающие связи между законами.

Однако к этому следует добавить, что в физической науке существуют еще и так называемые принципы, занимающие совершенно особое место и охватывающие широкий круг разнородных явлений. Порой такие принципы вытекают из анализа реальных фактов и явлений, обобщения общепризнанных фундаментальных физических теорий, порой они формулируются на основе общечеловеческого опыта и здравого смысла. Иногда они определяют направление исследований в той или иной области, становятся идейной основой фундаментальных научных теорий, иногда носят характер «запретов». Но в любом случае они играют важнейшую роль в процессе научного познания окружающего мира, в развитии естествознания. В то же время, воспринятые как некие «абсолютные истины», они могут превращаться в своеобразные тормоза, препятствующие дальнейшему развитию науки. Опыт истории естествознания показывает, что от некоторых принципов с течением времени приходилось отказываться, другие, в свое время возникнув, продолжают существовать и по сей день.

С некоторыми из них мы подробно познакомили читателей в первых двух частях этой книги. И о них мы лишь кратко упомянем в данной главе, обратив внимание на некоторые важные аспекты, которых мы до этого не касались или почти не касались.

От детерминизма к вероятности

Как мы уже говорили, в фундаменте классической физики, основанной Галилеем и Ньютоном и их последователями, лежал объединяющий принцип «механического детерминизма». Речь идет о связи причин и следствий, о том, что одинаковые явления всегда порождают абсолютно одинаковые следствия. Из этого следовало, что зная «начальные условия», можно с точностью вычислить развитие дальнейших событий сколь угодно далеко в будущее.

Однако претензии классической механики на абсолютно точное и исчерпывающее описание всех без исключения событий и явлений на основе чисто механических закономерностей потерпели крушение. Оказалось, что природа устроена гораздо сложнее. Это особенно отчетливо проявилось при изучении явлений микромира.

В рамках классической механики, в тех случаях, когда изучается движение какого-либо тела, например, кометы или артиллерийского снаряда, выпущенного из артиллерийского орудия, мы в принципе можем с какой угодно точностью одновременно измерить скорость его движения и положение в пространстве. Но если речь идет о движении микрочастицы, то вступает в действие так называемый принцип неопределенности, впервые сформулированный выдающимся немецким физиком Вернером Гейзенбергом и пришедший на смену принципу механического детерминизма. Если мы станем одновременно измерять скорость движения интересующего нас микрообъекта и его координаты, то чем точнее мы определим скорость, тем неопределеннее окажется его положение в пространстве. И наоборот. Это означает, что в микромире законы классической механики принципиально неприменимы, и мы не в состоянии точно вычислить траекторию микрочастицы. И не потому, что не умеем это сделать, а потому, что такой траектории не существует. Получается, что одна и та же частица может в одно и то же время находиться… и «там», и «здесь». Не частица, а своеобразное облако.

Это, в частности, связано с тем, что всякое измерение изменяет состояние микрообъекта. Иными словами, человек-наблюдатель оказывается активным участником познавательного процесса. Мы можем только вычислить вероятностное поведение ансамбля микрообъектов.

Научные данные свидетельствуют о том, что не только микрообъекты, но и Вселенная обладает квантовыми свойствами, и акции, связанные с ее изучением, неизбежно изменяют ее состояние. В связи с этим некоторые философы стали говорить о «субъект-объектном» взаимодействии. Речь идет о том, что открываемые наукой законы не являются зеркальной копией законов природы – они содержат «человеческую составляющую».

«Да» или «нет»?

На рубеже XIX и XX столетий, когда своего наивысшего расцвета достигла «классическая наука», в основе которой лежали механические представления о природе, ученые непоколебимо верили в то, что все события и явления можно разложить на чисто механические составляющие и все происходящее и предстоящее абсолютно точно рассчитать и предусмотреть.

Задавая свои вопросы природе, ученые классической эпохи отчетливо представляли себе, чего хотят добиться. А хотели они на свои вопросы получить однозначные окончательные ответы типа «да» или «нет». Основу естествознания составляла так называемая формальная логика, одним из главных принципов которой является «закон исключенного третьего» – либо «да», либо «нет», третьего быть не может, третье «от лукавого».

Такое положение вещей выглядело вполне естественным и с точки зрения повседневного здравого смысла. Ведь и в обыденной жизни мы, как правило, стремимся к определенности, к однозначности. Уж лучше твердое «нет», чем раздражающая неясность, расплывчатая неопределенность. А еще хуже, когда ситуация то и дело меняется: сегодня «да», завтра «нет», а послезавтра снова «да». Хочется раз и навсегда все «разложить по полочкам», все предусмотреть наперед. Впрочем, на практике жизнь оказывается значительно сложнее.

Классическая же физика на протяжении весьма длительного времени была лишена на этот счет и тени сомнения. Однозначность казалась в рамках этой науки незыблемой и нерушимой. Тем более что она была заложена уже в основных ее понятиях.

К концу XIX столетия механическая картина мира представлялась практически завершенной. И любые трудности, которые могли встретиться на ее дальнейшем пути, выглядели в глазах ее последователей чисто техническими, вычислительными, а потому принципиально преодолимыми. Однако новая «неклассическая» физика, пришедшая на смену физике XIX века, открыла нам мир с совершенно иной, неожиданной стороны.

С принципом неопределенности, о котором говорилось выше, связана и еще одна «неоднозначность», обнаруженная новой физикой в результате ее проникновения в глубины микромира. Речь идет о так называемом квантово-волновом дуализме. С точки зрения классической физики, частица – это всегда частица, а волна – всегда волна. Квантовая же физика пришла к заключению, что одно и то же «образование» в одних условиях может проявлять себя как частица, а в других – как волна.

А вот и еще один «сюрприз», преподнесенный теорией относительности. До ее появления считалось, что масса того или иного тела, если к нему ничего не прибавлять и от него ничего не отнимать, есть величина постоянная. Но оказалось, что в действительности это не так. Чем выше скорость тела, тем больше его масса. И поэтому масса, скажем, протона – ядра атома водорода, при достаточно большой скорости в принципе может превзойти массу Земли, массу Солнца и даже массу нашей звездной системы Галактики.

Более того, выяснилось, что «не абсолютна» не только масса, но и длина отрезков. Чем ближе скорость движения наблюдателя к скорости света, тем короче становятся отрезки, мимо которых он проносится.

В физике существует закон, который называется «принципом наименьшего действия». Суть его в том, что из различных возможных вариантов движения механической системы осуществляется тот, для которого так называемое действие, то есть произведение величины энергии на время, минимально.

Другой аналогичный принцип – «принцип Ферма», относится к процессу распространения света и состоит в том, что световой луч, проходя через различные среды, распространяется таким образом, чтобы время его прохождения было минимальным.

О «рациональном поведении» неживых систем

Как известно, любое человеческое действие предполагает наличие определенной цели. Однако целесообразное поведение присуще только живым системам, и лишь существа, наделенные разумом, способны ставить перед собой сознательные цели и сознательно добиваться их осуществления.

Может ли в таком ключе действовать неодушевленная природа? Ведь даже саморегулирующийся природный объект, например звезда, всего лишь существует и функционирует – и не более того!