Век Эйнштейна

admin Рубрика: Оптимизм
Комментарии к записи Век Эйнштейна отключены
Нажмите эту ссылку .

Тот период научно-технического прогресса, который является сейчас объектом прогноза, называют атомным веком. Он, как уже говорилось, не сводится к превращению атомных станций в основу энергетического баланса; это понятие включает резонансные эффекты, связанные прямо или косвенно с атомной энергетикой. Но даже такое расширенное понятие атомного века не покрывает ряда существенных особенностей науки конца XX в. Характеристика «атомный век» указывает на количественные масштабы атомной энергетики, на уровень автоматизации, на степень использования электроники (с этим мы познакомимся подробнее в следующих главах), но она не определяет свойственной XX–XXI вв. новой динамики производства и культуры.

Между тем именно в этом тайна новой научно-технической революции. Предыдущий период был тоже динамичным: производство уже с XVIII в. меняет структуру, размещение, энергетическую базу, уровень механизации, технологию. Но, как уже говорилось в предыдущей главе, для научно-технической революции нашего столетия характерна иная, более высокая динамика: сейчас непрерывно меняются не только промышленные конструкции и технологические рецепты, но и идеальные циклы, идеальные модели технического прогресса.
Что же лежит в основе такого изменения, почему в нашем столетии началось столь быстрое изменение этих идеальных моделей, изменение представлений о физических процессах, представлений о распространении полей, движении и трансмутациях частиц и трансформациях энергии?
Непосредственной движущей силой этой научной составляющей новой революции был переход к новому физическому идеалу. Вместо статичного идеала классической науки перед исследователем появился иной, существенно неклассический идеал. Он уже не может быть выражен в виде окончательного объяснения мира, оставляющего будущему лишь детализацию окончательно установленной схемы мироздания. Сейчас идеальная физическая теория — это теория, в наибольшей степени приближающаяся к пониманию объективной гармонии Вселенной и в наибольшей степени соответствующая всей сумме экспериментальных данных. Это — динамичный критерий. Он соответствует новому гносеологическому кредо науки. Мысль, высказанная уже в давние времена: «истина — дочь времени», — мысль о бесконечном приближении к истине, мысль, развивавшаяся после этого в течение столетий, воплотилась теперь в непосредственные критерии выбора научной теории.
Новые критерии научной теории, новые, динамичные идеалы научного творчества — это один из важнейших итогов науки XX в. Когда мы говорим о науке в 2000 г., мы хотим прежде всего понять, каковы эти итоги, что внесла наука нашего столетия в движущие силы прогресса, в его динамику. «Наука в 2000 г.» — это условное обозначение основного смысла развития науки в XX в., ответа на вопрос: с каким эпитетом войдет XX век в историю науки и культуры?
XVIII век был назван веком разума, а XIX — веком науки. Остановимся на смысле этих эпитетов, они помогут нам ответить на поставленный только что вопрос об эпитете XX в.
Уже в эпоху Возрождения разум провозгласил свою суверенность, а в XVII в. он начал претендовать на гегемонию. Но XVII в. — это еще утро рационализма, с мягкими и меняющимися красками. В следующем, XVIII столетии была создана рационалистическая схема мироздания, согласующаяся с данными эксперимента. Такой схемой была механика Ньютона. Она оказала очень большое влияние на все стороны жизни европейского общества. Энгельс говорил о линиях, соединяющих науку XVIII в., с одной стороны, с французским Просвещением и Великой французской революцией, а с другой — с английским промышленным переворотом[29]. Культура XVIII в. была пронизана строгим и четким рационалистическим духом. Идеалом науки было сведение всей многокрасочной картины мира к одноцветному чертежу — схеме движений тел, подчиняющихся механике Ньютона. Это был статичный идеал научного объяснения, предел научного познания.
Соответственно и общественные идеалы XVIII в. были статичными. Ссылаясь на систему Ньютона и превращая английского мыслителя в демиурга Вселенной, Шарль Фурье конструировал идеальное общество, в котором отвлеченная мысль определяет не только рациональную организацию фаланстеров, но и упорядоченную природу с благонамеренными «антильвами» и «антиакулами» и точно определенной (144 года) продолжительностью жизни человека. При всей их фантастичности конструкции Фурье были связаны со стилем науки XVIII в., и великий утопист недаром получил имя «социального Ньютона».
Статичными были и критерии технического творчества. Промышленный переворот — по крайней мере в его первой фазе — состоял в сооружении станков, наименее отличающихся от идеальных механических схем. Как уже говорилось, техническое творчество имело перед собой идеальную физическую схему, которая была пределом технических усовершенствований.
Таков был век разума, век, который, разумеется, только очень условно входил в хронологические рамки XVIII в. Впрочем, условный характер хронологических рамок столетий (включая и наш 2000 год) становится очевидным, когда столетия получают интегральные характеристики. С такой оговоркой XIX век можно назвать веком экспериментальной науки. Теперь развитие науки уже не ограничивалось наполнением неизменных априорных форм новыми эмпирическими данными. Когда разум сталкивался с экспериментом, он был вынужден переходить ко все новым, отнюдь не априорным логическим и математическим формам. Вспомним уже приводившуюся фразу Лапласа о разуме, «которому труднее углубляться в себя, чем продвигаться вперед». В начале столетия углубление разума в самого себя (иными словами, разработка новых логических и математических форм) было более трудным делом, чем продвижение разума вперед, т. е. заполнение уже установившихся форм новым эмпирическим содержанием. Но это было неизбежным. В XIX в. наука все время находила закономерности, заставлявшие вспоминать шекспировское «есть многое на свете…» Не снившийся мудрецам и открытый Карно необратимый переход к состояниям с большей энтропией, не снившийся им новый тип физической реальности — электромагнитное поле, подобные не предусмотренные априорными схемами факты последовательно расшатывали мысль о некой окончательной цели науки — сведении всех частных закономерностей к единой схеме. Сомнения подтачивали только идею сведения всего, что происходит в мире, к механике; почти никто не сомневался в том, что сама механика мыслима лишь как ньютонова механика. Еще меньше сомневались в абсолютной точности геометрии Эвклида. Но в природе не находили ее абсолютно точных эквивалентов. Гладкая поверхность тела не могла служить прообразом плоскости — она, как выяснилось, состоит из отдельных молекул. Луч света не может служить прообразом линии — он представляет собой движение волны. Освободившись от таких прямых физических эквивалентов, геометрия могла свободно создавать самые неожиданные конструкции — они были «углублением разума в самого себя», которое оторвалось от «продвижения вперед». Возникли многомерные геометрии, многомерные абстрактные пространства, в которых положение точки определяется не тремя, а четырьмя и больше координатами. Возникла геометрия Лобачевского с треугольниками, в которых сумма углов меньше двух прямых углов, и геометрия Римана, в которой сумма углов треугольника больше двух прямых углов. Это были взлеты разума, свободного от физических эквивалентов, разума, который конструировал все новые парадоксальные логико-математические формы, удивляясь их непротиворечивости, их логической безупречности, но не помышляя сколько-нибудь систематически об этих парадоксальных формах как о формах парадоксального бытия.
Теория относительности изменила соотношение между разумом, «углубляющимся в самого себя», и разумом, «идущим вперед». В специальной теории относительности четырехмерная геометрия обрела физические эквиваленты, в общей теории относительности их обрела неэвклидова геометрия. Так появилось представление не только о парадоксальном мнении, взгляде, теории, но и о парадоксальном бытии. Оно оказалось величайшей революционной силой, оно сообщило науке и технике XX в. более высокий динамизм.
Парадоксальность бытия — это появление нетрадиционных и несовместимых с традицией основных принципов науки и идеалов научного объяснения. Цели научного творчества меняются, они становятся движущимися, и научный прогресс приобретает ускорение.
Сейчас мы остановимся на том характерном для XX в. синтезе преобразования логико-математического аппарата науки и эксперимента, который придает науке подобный более высокий динамизм.
Создавая теорию относительности, Эйнштейн пользовался двумя критериями выбора физической теории. Они уже упоминались, и здесь об этих критериях следует сказать несколько подробней, в связи с чем вкратце и популярно изложить некоторые идеи теории относительности. До сих пор можно было упоминать о ней без такого изложения, но теперь представление о критериях выбора физической теории должно стать более конкретным.
Критерии, о которых идет речь, вели науку к слиянию лапласовского «движения разума вперед» с «его углублением в самого себя». Первый критерий Эйнштейн назвал внешним оправданием: оно состоит в соответствии теории и эмпирических наблюдений. Если теория соответствует наблюдениям, в том числе новым, неожиданным, парадоксальным, значит, выдвигая эту теорию, разум движется вперед, охватывая объяснением новые факты. Второй критерий — «внутреннее совершенство» теории: она по возможности не должна включать допущения ad hoc, т. е. специально выдвинутые для объяснения данного факта, она должна исходить из возможно более общих исходных допущений. Великое значение теории относительности Эйнштейна для науки, культуры и стиля мышления людей вытекало из того, что Эйнштейн объяснял некоторые парадоксальные факты, исходя из таких общих принципов, которые означали преобразование самого разума, новые формы познания природы, новые идеалы науки.
Каковы эти факты и в чем состояло объяснение?
Теория относительности исходит из эксперимента, показавшего, что свет распространяется с одной и той же скоростью в системах, которые движутся одна относительно другой. По отношению к подобным системам скорость света одна и та же. Такое постоянство скорости света во всех этих системах противоречит классической механике и, на первый взгляд, противоречит очевидности. Оно противоречит классическому правилу сложения скоростей. Если человек идет со скоростью 5 км в час по коридору вагона в поезде, движущемся со скоростью 70 км в час, и идет в сторону движения поезда, то его скорость по отношению к рельсам будет 70 + 5 = 75 км в час. Оказывается, свет движется в поезде с неизменной скоростью 300 тыс. км в секунду по отношению к поезду, к рельсам и даже к встречному поезду. Из этого парадоксального факта и исходил Эйнштейн. Он увидел здесь весьма общий принцип: движение состоит в изменении расстояний между движущимся телом и другими телами — телами отсчета. Можно с тем же правом считать эти тела движущимися, а телу, которое мы рассматривали как движущееся, приписать покой. Тела движутся взаимно, одно относительно другого, и движение, не отнесенное к другим телам, абсолютное движение, — это понятие, не имеющее физического смысла.
Подобный принцип был уже с XVII в. известен в механике: если система движется без ускорения, то внутри этой системы не происходит ничего такого, что демонстрировало бы ее движение. Уже Галилей говорил о каюте корабля, где летают бабочки, вода каплет в узкое отверстие, дым поднимается вверх, и все эти процессы происходят одним и тем же образом в неподвижном и движущемся корабле. Если по внутренним механическим процессам нельзя судить о движении, значит, оно состоит только в изменении расстояний между телами и имеет относительный смысл.
Но в отношении оптических процессов в классической физике существовала иная точка зрения. Считалось, что все мировое пространство заполнено эфиром и в нем движутся волны, которые являются электромагнитными волнами, светом. Движение по отношению к эфиру — абсолютное движение, его можно обнаружить по ходу внутренних процессов в движущейся системе. Если в каюте того же корабля, о котором говорил Галилей, расположены фонарь со стороны носа и экран со стороны кормы, т. е. сзади по движению корабля, то свет от фонаря до экрана дойдет скорее, когда корабль движется. В этом случае экран и свет движутся навстречу друг другу. Однако оптические опыты уже в конце XIX в. непререкаемым образом показали, что свет распространяется с одинаковой скоростью в неподвижной по отношению к эфиру и в движущейся системах. Оставалось отказаться от классического правила сложения скоростей и признать, что и оптика не спасает понятия абсолютного движения, что никаким способом нельзя обнаружить движения по внутренним эффектам в движущейся системе.
Лоренц попробовал спасти классическую точку зрения, предположив, что все тела, движущиеся в эфире, изменяют свои размеры в такой мере, которая компенсирует изменение скорости света в этих телах. Таким образом, абсолютное движение существует, оно проявляется в изменении скорости света, но эти проявления нельзя обнаружить. Гипотеза Лоренца обладала «внешним оправданием», она соответствовала наблюдениям, но в ней не хватало «внутреннего совершенства», она была искусственной, придуманной ad hoc специально для объяснения результатов оптических экспериментов.
Эйнштейн обратился к весьма общим допущениям. Он обратил внимание на физическую бессодержательность понятий абсолютного времени и абсолютной одновременности.
В классической физике принимали как нечто само собой разумеющееся, что некоторое единое, тождественное, одно и то же мгновение наступает повсюду во всей Вселенной. Из таких одновременных мгновений состоит охватывающий Вселенную поток абсолютного времени. Но что, собственно, означает физически тождественность двух мгновений, одновременность событий, происшедших в эти мгновения? Эйнштейн отказывает в физическом смысле понятию одновременности событий в отдаленных точках пространства, если нет возможности синхронизировать события, доказать, что часы в точках, где они происходят, идут синхронно. Ньютон мог говорить о такой синхронизации. Он допускал мгновенное, происходящее с бесконечной скоростью распространение сил. Если Солнце притягивает Землю и их взаимодействие распространяется мгновенно, то можно говорить об одновременности: в одно и то же мгновение импульс исходит от Солнца и воздействует на Землю. Такую же возможность идентификации мгновений и синхронизации отдаленных событий дал бы мгновенно движущийся световой сигнал. Можно было бы также синхронизировать часы в одной точке и часы в другой точке, соединив их абсолютно жестким валом. Но все это, строго говоря, иллюзии. В природе и силовые поля, и световые сигналы, и напряжения в валах передаются с конечной скоростью. Остается отождествить мгновения: 1) выхода сигнала из одной точки и 2) прихода его в другую точку минус время, затраченное на движение сигнала. Это легко сделать, если указанные точки неподвижны по отношению к эфиру или если их движение отнесено к эфиру. Но опыт показал, что покой и движение относительно эфира не имеют смысла. Если же время распространения сигнала измеряется в различных движущихся одна относительно другой системах, то получаются различные значения для этого времени. Если на палубе корабля, в ее центре, зажечь свет и осветить экран, расположенный на носу корабля, то легко сверить часы на носу и в центре палубы: достаточно внести поправку на скорость света относительно корабля, вычесть из времени, когда осветился экран, время, в течение которого свет распространялся от источника до экрана. Это и будет время вспышки света. Но при наблюдении света и освещенного экрана с берега, вдоль которого движется корабль, путь, пройденный светом, и время его прохождения окажутся большими: экран как бы уходит от света. Поэтому подобная синхронизация возможна только в том случае, когда тела, на которых расположены отдаленные точки и происходят синхронизируемые события, неподвижны по отношению друг к другу либо рассматриваются в одной и той же системе отсчета. Но, как показал Эйнштейн, их с тем же правом можно рассматривать в другой системе; тогда то, что казалось неподвижным, окажется движущимся, и наоборот; соответственно синхронизация дает другие результаты. Согласно теории относительности то, что представляется одновременным в одной системе, будет неодновременным в другой. Абсолютной одновременности, независимой от системы отсчета, нет.
Устранение мгновенных процессов заставляет расстаться с классическим представлением о соотношениях пространства и времени. Если в природе может существовать мгновенный процесс, т. е. процесс, развертывающийся только в пространстве в ноль времени, то понятие трехмерного пространства обладает физическим смыслом. Но в релятивистской физике, т. е. в физике, исходящей из теории относительности, это понятие теряет подобный физический смысл. Все, что происходит в мире, — это движения с конечной скоростью, движения в пространств и во времени. Физическим эквивалентом обладают не пространство и время в отдельности, а только четырехмерное пространство-время. Каждое элементарное событие— пребывание частицы в данной точке в данный момент — характеризуется четырьмя координатами: тремя пространственными координатами точки и четвертой временной координатой, т. е. временем указанного события.
Четыре числа (три пространственные координаты и четвертая временная) образуют мировую точку, они определяют пространственно-временную локализацию частицы. Смена таких локализаций — движение частицы — изображается четырехмерной мировой линией, совокупностью мировых точек. Эти понятия уже упоминались и первой части книги.
Таким образом, «углубление разума самого в себя», конструирование новых логико-математических форм (в данном случае многомерной геометрии) получило физический смысл, слилось с объяснением новых фактов, с «продвижением разума вперед».
Эйнштейн показал, что скорость света — это предельная скорость, к которой может приблизиться и с которой может совпасть скорость движущегося физического объекта — того, что Эйнштейн назвал сигналом. Через подобные сигналы осуществляется причинная связь в природе. Цепи причин-следствий — это процессы в пространстве-времени, они обладают предельной скоростью, равной скорости света. Эти замечания дают представление о релятивистской причинности.
Как только что было сказано, частица не может двигаться быстрее света. Если частица получает все новые импульсы одной и той же интенсивности, эффект их становится все меньше по мере приближения скорости частицы к скорости света. Это можно выразить и так: по мере приближения скорости частицы к скорости света и соответственного возрастания энергии частицы ее масса растет и стремится к бесконечности, когда скорость стремится к скорости света. Масса тела пропорциональна его энергии. Эйнштейн распространил эту пропорциональность и на покоящуюся частицу. В.уже известном нам уравнении, связывающем энергию и массу, содержалась в зародыше релятивистская цивилизация — атомная энергетика и ее энергетические, технологические, культурные, экономические и научные резонансы.
Пора, однако, попросить у читателя прощения. Вместо прогнозов мы надолго занялись популярным изложением теории относительности — теории, появившейся в начале столетия, конец которого является объектом прогнозов. Однако определение XX столетия в целом невозможно без знакомства с идеями Эйнштейна — они остаются важнейшей опорой научных прогнозов не только на конец XX в., но и на XXI век. Но если речь идет об идеях Эйнштейна, то неизбежно хотя бы самое беглое знакомство с теорией относительности: давно известно, что, отправившись на спектакль «Гамлет», не следует удивляться, увидев на сцене датского принца.
Все сказанное о теории относительности следует еще дополнить следующим замечанием.
Каждая физическая теория не может быть исчерпывающим описанием природы и в этом смысле полной. Но теория относительности была одной из первых теорий, заведомо указавших на свою незавершенность и, мало того, на пункты, где следует искать пути дальнейшего, более полного (но опять-таки не исчерпывающего) объяснения. Таков стиль неклассической физики. По поводу теории относительности Эйнштейн говорил, что в ней существует явный пробел. Это сказано в автобиографическом очерке, написанном в 1949 г., — в очерке, который стал научным завещанием Эйнштейна. Здесь определяется понятие системы отсчета: тело, которое может быть неограниченно продолжено во все стороны и состоит из перекрещивающихся линеек, так что каждое тело, движение которого мы изучаем, может соприкоснуться с линейками. Такое соприкосновение определяет пространственное положение тела. Система четырехмерного пространственно-временного отсчета содержит, кроме того, часы — какой-то периодически повторяющийся процесс, необходимый для отсчета времени. Часы могут быть помещены возле каждого скрещивания трех линеек, и тогда можно определить не только пространственное положение, но и положение во времени — четырехмерную, пространственно-временную локализацию описываемого тела.
Пространственно-временная система отсчитывает различные пространственно-временные интервалы, т. е. отрезки мировых линий, в зависимости от того, как движутся в пространстве тела, из которых состоит мир. Структура мира распадается на мировые линии составляющих его частиц. Но само тело отсчета оказывается в этом мире государством в государстве. Оно как бы не состоит из частиц; внутри тела отсчета, внутри линеек и часов не проходят мировые линии, во всяком случае теория относительности ничего не говорит о них, она закрывает глаза на дискретную структуру линеек и часов. В своих автобиографических заметках Эйнштейн писал о теории относительности, что она вводит два рода физических предметов: 1) масштабы и часы и 2) все остальное. «Это в известном смысле нелогично, — говорил Эйнштейн, — собственно говоря, теорию масштабов и часов следовало бы выводить из решений основных уравнений (учитывая, что эти предметы имеют атомистическую структуру и движутся), а не считать ее независимой от них»[30]. Об этом же говорил впоследствии Гейзенберг. По его мнению, масштабы и часы «построены, вообще говоря, из многих элементарных частиц, на них сложным образом воздействуют различные силовые поля, и поэтому непонятно, почему именно их поведение должно описываться особенно простыми законами» [31].
Связать поведение масштабов и часов с их дискретной структурой — значит вывести макроскопические законы движения тел, как их рисует теория относительности, из существования и поведения мельчайших частиц.
Такова весьма широкая научная задача, которую поставила физика первой половины XX в. перед следующим периодом. Об этом — дальше. Сейчас следует только сказать, что теория относительности сама указывала на свои границы, рассматривая их не как абсолютные границы познания, а как выходы к новой, более общей теории. Критика теории относительности в автобиографии Эйнштейна была по существу прогнозом будущего развития теории. Она указывала на незамкнутую сторону теории и тем самым определяла некоторые абрисы новой, будущей теории, обладающей большим «внутренним совершенством» и большим «внешним оправданием». Поэтому приведенное замечание так важно для научного прогноза в наши дни.
Его важность станет яснее, если мы вспомним о другой незамкнутой грани специальной теории относительности, о другом подходе к более общей («внутреннее совершенство»!) и более точной («внешнее оправдание»!) теории. О подходе, реализованном самим Эйнштейном в 1916 г.
Речь идет об общей теории относительности. Теория, выдвинутая Эйнштейном в 1905 г., называется специальной теорией относительности потому, что она справедлива только для одного специального вида движения — для движения по инерции, без ускорения, с неизменной скоростью, т. е. для прямолинейного и равномерного движения. Только равномерное и прямолинейное движение нельзя зарегистрировать по внутренним процессам в движущейся системе. Если эта система, например корабль, о котором писал Галилей, испытывает ускорение, находящиеся в системе тела получают толчок. Этот толчок связывают с силами инерции. Если система начнет вращаться, в ней появятся центробежные силы инерции. Здесь, по-видимому, уже нет равноценности координатных систем. Ньютон приводил в защиту абсолютного характера ускоренного движения следующий эксперимент. Ведро с водой вращается на закрученной веревке. Центробежные силы заставляют воду подниматься к краям ведра. Если бы ведро висело неподвижно, а все остальные тела вращались вокруг него, вода бы не поднялась. Значит, дело не во взаимном относительном движении ведра и других тел; значит, причина центробежных сил не вращение ведра с водой относительно других тел, а его вращение по отношению к самому пространству, т. е. абсолютное вращение.
Эйнштейн лишил силы этот аргумент и распространил принцип относительности на ускоренное движение, обратив внимание на то, что силы инерции и силы тяготения при некоторых условиях неразличимы. Эйнштейн приводил пример кабины лифта, которая стоит на месте и находится в поле тяготения Земли, и кабины, которая не испытывает тяготения, но движется вверх с таким же ускорением, какое было бы вызвано тяготением. Все проявления в первом случае — сил тяготения, а во втором — сил инерции, будут одни и те же. Силы инерции при ускоренном подъеме прижмут подошвы людей к полу и натянут нити, на которых подвешены к потолку кабины грузы, таким же образом, как их натянут в случае неподвижной кабины силы тяготения.
Неразличимость сил тяготения и сил инерции не позволяет видеть в силах инерции доказательство абсолютного движения. Те же явления будут происходить в неподвижной или равномерно движущейся системе, если в последней действуют соответствующие силы тяготения. Исчезает критерий абсолютного движения, и теория относительности становится общей теорией: как бы ни изменялось состояние движения, в какую бы систему отсчета мы его ни переносили, какой бы ни оказалась в этой системе отсчета наша система тел — покоящейся, движущейся равномерно и прямолинейно или движущейся с ускорением — все равно внутренние процессы не позволят нам обнаружить эти изменения.
Но здесь необходимы добавочные предположения. Представим себе, что кабину пересекает тонкий луч света. Если кабина движется вверх, зайчик на противоположной стене сместится вниз; если же на неподвижную кабину действует тяготение, такого смещения, казалось бы, не произойдет. Мы получили бы абсолютное доказательство движения. Но это доказательство исчезает, если свет обладает весом, т. е. если на него действует тяготение. Общая теория относительности остается справедливой, если свет обладает весом. Как оказалось, свет действительно обладает весом; это подтвердилось в 1919 г., когда обнаружили отклонение световых лучей, проходящих вблизи Солнца.
Существует еще одно осложнение в общей теории относительности. В кабине лифта практически нельзя заметить, что силы тяготения и силы инерции направлены по-разному. Два груза, подвешенные на нитях к потолку кабины, натянут нити по параллельным направлениям, если кабина начнет двигаться с ускорением вверх, т. е. когда перед нами силы инерции. Но если кабина неподвижна и в ней действуют силы земного притяжения, т. е. силы тяжести, направления натянутых нитей не параллельны, нити направлены к центру Земли.
Здесь позволим себе небольшое отступление. При изложении теории относительности как одного из истоков новой научно-технической, экономической и культурной полосы, как одного из важнейших событий духовной и материальной истории человечества возникает недоуменный вопрос, о котором уже шла речь. Неужели то или другое направление пересекающего кабину луча, тот или другой наклон подвешенных в кабине грузов и десятки аналогичных воображаемых или реальных опытов могут вызвать коренные изменения стиля мышления людей и власти человека над природой?
Такой эффект бесчисленных схем с зеркалами, экранами, фонарями, часами, линейками и т. д. на самом деле удивителен. Но не более удивителен, чем эффект галилеевой каюты, где летают бабочки, вода каплет в подставленный сосуд и все происходит одинаково в неподвижном и в движущемся корабле (это описание помещено в «Диалоге» Галилея, вызвавшем процесс 1633 г., долгую реакцию во всем католическом мире и множество других исторических событий). И не более удивительно, чем эффект опытов, описанных в «Математических началах натуральной философии» Ньютона, от которых идут линии исторической связи к Великой французской революции и к английской промышленной революции. И не более удивителен, чем эффект абстрактных и туманных периодов Гегеля, в которых Герцен увидел «алгебру революции», что целиком подтвердилось во второй половине XIX в. и затем в нашем Столетии.
Мы вскоре вернемся к этим удивительным связям и эффектам, а пока продолжим краткое изложение общей теории относительности. Эйнштейн заметил различие между силами инерции и силами тяготения, состоящее в том, что силы тяготения, вообще говоря, неоднородны. Но эту неоднородность можно устранить. Не будем сейчас рассматривать, как это сделал Эйнштейн, укажем только на результат его усилий. Эйнштейн рассматривает тяготение как изменение геометрических свойств пространства. В отсутствие гравитационных полей эти свойства соответствуют эвклидовой геометрии: две параллельные линии сохраняют между собой одно и то же расстояние, сумма углов треугольника равна двум прямым углам, два перпендикуляра к одной и той же прямой параллельны, они не расходятся и не встречаются, как бы далеко мы их ни продолжили. Подчинение физических процессов такой геометрии состоит в том, что тела предоставленные самим себе, описывают траектории, соответствующие эвклидовым соотношениям: мировые линии тел — прямые мировые линии; эти линии образуют эвклидовы треугольники (сумма их углов равна двум прямым углам), и вообще эти линии существенно не отличаются от линий, описываемых геометрией Эвклида. Закон инерции можно выразить так: мировые линии тел, предоставленных самим себе (иначе говоря, поведение тел, зависящее не от их взаимодействия, а от свойств пространства), подчиняются геометрии Эвклида; геометрия мира — эвклидова геометрия (поскольку для времени применяются особые единицы, эта геометрия называется псевдоэвклидовой).
Такова геометрия мира с точки зрения классической физики. Пространство сохраняет движения тел прямолинейными и равномерными, мировые линии не изгибаются без внешних воздействий ни в пространстве (сохраняется прямое направление), н: х по отношению к временной оси (сохраняется абсолютная величина скорости). Искривления мировой линии приписываются взаимодействиям. В общей теории относительности мировые линии теряют свои эвклидовы свойства, пространство-время становится неэвклидовым. Это можно представить как его искривление. Возьмем кривую поверхность. Кратчайшие линии (соответствующие прямым на плоскости) будут подчиняться иной геометрии. Достаточно напомнить, что перпендикулярные к экватору меридианы пересекаются в полюсе и что в треугольнике, образованном отрезками двух меридианов и экватора, сумма углов больше двух прямых углов. Переход от эвклидовых свойств двумерного пространства, т. е. плоскости, к неэвклидовым свойствам можно рассматривать как искривление этого двумерного пространства. Искривление трехмерного пространства и тем более четырехмерного нельзя представить себе с такой легкостью. Тем не менее Эйнштейн сделал именно это. Он отошел от ньютоновского разграничения «плоского», т. е. эвклидова, пространства и взаимодействия тел, искривляющего их пути. Поскольку тяготение искривляет мировые линии всех физических объектов, его можно рассматривать как искривление всей совокупности мировых линий, всего четырехмерного пространства-времени. Закон тяготения Эйнштейна имеет вид уравнения, в котором, с одной стороны, стоят величины, измеряющие искривление пространства-времени, а с другой — величины, показывающие распределение масс, распределение всех средоточий энергии и импульса, всего того, что искривляет пространство-время, делает его неэвклидовым, иначе говоря, служит источником полей тяготения.
На нескольких предыдущих страницах специальная и общая теория относительности изложена крайне бегло. Она изложена лишь в той степени, которая необходима, чтобы иллюстрировать главную особенность стиля физического мышления XX в. — синтез «углубления разума самого в себя» и его «движения вперед». Этот синтез и является основой гигантского интеллектуального потенциала современной науки. Современная наука после Эйнштейна и Бора не останавливается ни перед одной трансформацией самых общих и фундаментальных представлений. То, что в начале века показалось бы выходящим за любые рамки по своей парадоксальности, сейчас встречает скептическое замечание: «Эта концепция недостаточно безумна, чтобы быть справедливой». Но этого мало. Самые смелые и парадоксальные предложения о смене фундаментальных принципов комментируются со стороны возможной экспериментальной проверки, возможного «внешнего оправдания», возможного накопления однозначных экспериментально проверенных констатаций, т. е. «продвижения разума вперед».
В этом — потенциал современной науки. Но для прогноза наряду с потенциалом нужно знать наиболее вероятные направления дальнейшего движения. Чтобы определить, куда направится течение воды, нужно знать не только уровень водохранилища, но и тальвег, по которому ринется поток. Такими тальвегами для науки служат ее нерешенные проблемы. С одной из них мы познакомились. Это выведение релятивистских законов поведения масштабов и часов из их корпускулярной структуры. Подобную задачу Эйнштейн сформулировал в итоговой характеристике специальной теории относительности. Подводя итоги общей теории относительности, он поставил другую задачу. Общая теория относительности — это теория тяготения. А другие поля? Когда создавалась общая теория относительности, кроме гравитационного поля было известно электромагнитное. Эйнштейн потратил тридцать лет на поиски единой теории, из которой вытекали бы не только законы тяготения, но и законы электромагнетизма. Эти поиски не привели к решению задачи. Единая теория поля не была построена. Было ли бесплодным величайшее напряжение самого гениального мозга, какой знает история физики? Были ли поиски единой теории поля бесперспективной тратой интеллектуальных сил? В 30—50-е годы многие думали, что эти поиски безрезультатны. Сейчас на поставленный вопрос уже нельзя ответить без некоторого уточнения понятия «результат», когда речь идет об усилиях физической мысли. Поиски единой теории остались безрезультатными в том смысле, что не были найдены уравнения, которые описывали бы не только гравитационное, но и электромагнитное поле. Более того, наука нашла множество иных полей помимо гравитационного и электромагнитного. Этим полям соответствуют различные виды элементарных частиц. Значит, задача теперь состоит не только в объединении теории тяготения и теории электромагнетизма, но в создании теории, выводящей значения массы, заряда и других свойств каждого типа частиц из единых уравнений.
Иногда поиски какого-то нового решения оканчиваются выяснением его невозможности. Таковы были поиски вечного двигателя. Таковы были впоследствии поиски явлений, демонстрирующих движение относительно эфира. В первом случае они окончились открытием сохранения энергии, во втором — теории относительности. Бывает и иначе. В истории науки безрезультатные поиски иногда были вопросом, на который наука еще не могла ответить, вопросом, объективно адресованным будущему. Эти вопросы, в отличие от ранее упомянутых, не умирают, они ставятся вновь и вновь и входят в наследство, которое каждая эпоха передает следующей. Это очень важный результат научной мысли каждой эпохи. Если иметь в виду не уровень знаний, а динамику, переход к новому уровню, то, что особенно важно для прогнозов, эта «вопрошающая» компонента науки оказывается не менее важной, чем положительные знания, чем «отвечающая» компонента.
Мы увидим позже, что основной прогноз на конец века — это получение ответа на поставленный Эйнштейном вопрос о единой теории поля, вернее, на вопрос о единой теории элементарных частиц, который приобретает в наше время все более настоятельный характер.
Конечно, нужно напомнить, что здесь «прогноз» — это только псевдоним констатации наметившейся тенденции.
Чтобы придать слову «прогноз» несколько более прямой смысл, нам недостаточно характеристики интеллектуального потенциала науки (констатации общности и широты ее исходных допущений и синтеза «углубления в себя» и «продвижения вперед») и характеристики тальвегов — назревших и нерешенных проблем. Нам нужно еще обратиться к тем силам развития науки, которые связаны с ее эффектом и с тем объемом интеллектуальных и материальных усилий, которые общество выделяет для решения научных проблем.
Мы говорили до сих пор об идеях относительности, идеях единой теории поля, об идейных коллизиях, о синтезе логического углубления идей и экспериментального постижения мира. Мы видели во всем этом исходные звенья научного прогноза. Следует ли отсюда, что идеи правят миром, что они могут объяснить ход научного и общественного прогресса?
Нет, идеи не правят миром. Движущей силой общественного прогресса служит в последнем счете развитие производительных сил человечества. Такая роль производительных сил подтверждена всей историей человечества, и в наиболее яркой форме — историей последних десятилетий. Сейчас все знают, что освобождение атомной энергии определило важнейшие технико-экономические, социальные и культурные процессы современности. Вместе с тем все знают, что к освобождению атомной энергии привело не логическое саморазвитие идеи в умах людей, а развитие промышленности и эксперимента. Наука сейчас не отличается от промышленности в том отношении, что она входит вместе с промышленностью в единый комплекс, где каждая отрасль не может существовать и развиваться без других. Что же касается эксперимента, то современная наука насквозь экспериментальна — больше, чем когда-либо. Здесь следует вернуться к уже удивившему нас эффекту экспериментальных схем с зеркалами, лучами света и кабинами лифта. Все дело в том, что сейчас величайшие революции мысли, величайшие преобразования стиля и логики научного мышления (самые крупные «углубления разума самого в себя») неотделимы от однозначного постижения все новых и новых фактов («продвижения разума вперед»). Этот синтез двух движений разума, которые когда-то противопоставил друг другу Лаплас, является главной тайной науки XX в., он получил наиболее отчетливое выражение в слиянии критериев «внутреннего совершенства» и «внешнего оправдания», а наиболее важным результатом их слияния была теория относительности. Основная идея этой книги состоит в том, что перспектива дальнейшего, еще более глубокого синтеза «углубления разума самого в себя» и его «продвижения вперед» является исходным пунктом прогнозов научного прогресса. Подчеркнем еще раз, что речь может идти отнюдь не о логическом саморазвитии идей как фундаментальной движущей силы прогресса. Такое саморазвитие всегда опиралось на эксперимент, промышленность, эмпирическую проверку — на «внешнее оправдание». Теперь же развитие идей само происходит в форме мысленных и реальных экспериментов. Для теории относительности характерно радикальное исключение из концепции мира всех понятий, которые принципиально не ведут к эксперименту, всех представлений (например, представления о движении в эфире и самого эфира), которые не могут стать объектом экспериментальной проверки. Именно поэтому изложение теории относительности обычно требует экспериментальных схем с зеркалами и лучами света, схем, которые оказываются в последнем счете столь важными для духовной эволюции и развития производительных сил человечества.
Из экспериментального стиля современного научного мышления, из синтеза «внутреннего совершенства» и «внешнего оправдания», из синтеза «углубления в себя» и «продвижения вперед» вытекает более высокая форма динамичности, свойственная современной науке. В свое время научные концепции выводились из логических схем, казавшихся незыблемыми. Экспериментальные данные входили в науку, не колебля ее исходных принципов. Сейчас эксперимент служит основой радикального пересмотра исходных принципов. Отсюда — новая динамика научного и технического прогресса. Уже говорилось о контрольных исследованиях в заводских лабораториях как гарантии заданного технического уровня, о поисках новых конструкций и технических приемов как гарантии ненулевой скорости технического прогресса, о поисках новых идеальных физических схем как гарантии его ускорения и о фундаментальных исследованиях, приводящих к возрастанию самого ускорения. Именно динамизм исходных принципов, которые стали объектом экспериментальной проверки (в этом и состоят фундаментальные исследования), характерен для науки XX в., и связан он с синтезом логики и эксперимента, «углубления разума самого в себя» и его «продвижения вперед».
С таким синтезом связан явный характер той зависимости научного прогресса от развития производства, которая была открыта еще в XIX в. Сейчас мы попытаемся, исходя из этой зависимости, определить, какой более высокий синтез «углубления в себя» и «продвижения вперед» вытекает из широкого производственного применения релятивистской и квантовой физики. Мы убеждены, что такой синтез и является главным прогнозом для науки конца XX в.

« »

Comments are closed.