Физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности

2. Квантово-релятивистская картина мира как основа формирования неклассической рациональности

2.1 Формирование логической структуры релятивистской картины мира как важный этап становления неклассической рациональности

Появление новой парадигмы в науке - длительный процесс. Она связана с перестройкой оснований исследования, изменением стратегии научного поиска. Но сам процесс её формирования и утверждения всегда происходит в борьбе с прежними установками и традиционным видением реальности. Кроме того, принятие новой научной парадигмы вовсе не сводится только к объяснению новых фактов и генерации конкретных моделей физической реальности. Генерируемые в рамках новой парадигмы знания должны также вписываться в культуру соответствующей исторической эпохи и согласовываться с лежащими в её фундаменте ценностями и мировоззренческими структурами.

В этом смысле появление релятивисткой парадигмы действительно радикально изменили наши представления о пространстве и времени, об их связи и зависимости от движущейся материи. Но её появление надо рассматривать как процесс разрешения многих накопившихся противоречий между новыми фактами, требующими физического осмысления, и старыми физическими теориями, в рамках которых они не получили адекватного объяснения. Суть этих противоречий можно классифицировать следующим образом:

1. Неудовлетворительные методологические основания классической физики, в особенности противоречия между классической механикой и некоторыми требованиями теоретико-познавательного характера. Неудовлетворительность философских основ классической физики.

2. Внутритеоретические противоречия классической механики. Неудовлетворительность самих физических основ классической механики.

3. Противоречия между классической механикой и термодинамикой, теорией излучения, электродинамикой, волновой оптикой.

4. Противоречия между результатами различных опытов. Противоречия между различными частными физическими теориями.

Неудовлетворительными с точки зрения самой физики были и такие основные понятия, как «абсолютное движение», «абсолютное пространство», «абсолютное время». По мнению М.Э. Омельяновского, «конфликт между классической механикой и электродинамикой вылился в противоречие между принципом относительности и утверждением, что свет в пустоте распространяется с определённой скоростью, не зависящей от состояния движения излучающего тела. Оба они убедительно подтверждались экспериментами, но представлялись логически несовместимыми». Омельяновский М.Э. Развитие оснований физики XX века и диалектика. - М., 1984. - С. 82. Кроме того, общее представление о пространстве и времени, сложившееся в рамках механистической картины мира, не позволяло соблюсти важнейший принцип физики - принцип относительности.

Как выяснилось, уравнения Максвелла не были инвариантными относительно преобразований Галилея, т. е. к электромагнитным процессам галилеевский принцип относительности оказался неприменим. Из этого следовал вывод, что в эксперименте можно выявить скорость равномерного прямолинейного движения объекта относительно поля (эфира). Однако сопоставление этих теоретических следствий с экспериментальными данными обескуражило физиков: в одних опытах (например, в явлении аберрации, т. е. кажущемся смещении наблюдаемых в телескоп звезд из-за движения Земли) эфир следовало считать абсолютно неподвижным; в других (например, в опытах по измерению скорости света в движущейся воде) - результат был таков, как если бы эфир частично увлекался движением воды; в знаменитых опытах Л. Майкельсона - Э. Морли по сравнению величин скорости света вдоль движения Земли и в поперечном направлении ожидаемое различие вообще не обнаруживалось, а это можно было объяснить тем, что при движении Земли эфир полностью увлекается и имеет такую же скорость, как и Земля. Эти результаты были настолько логически несовместимы, что возникла, казалось бы, безвыходная ситуация.

Различный спектр мнений и предложений, возникших с связи с вышеуказанной коллизией «неподчинения уравнений Максвелла механическому принципу относительности», можно выразить тремя основными точками зрения:

1. Согласно первой следует отказаться от уравнений Максвелла или внести в них необходимые поправки, лишь бы сделать их инвариантными относительно галилеевских преобразований. Однако уравнения Максвелла демонстрировали высочайшую степень совпадения теории с экспериментом, а все вносимые поправки оказывались неподтверждаемыми.

2. Вторая точка зрения отстаивалась А. Пуанкаре и Г. Герцем, считавшими принцип относительности обязательным для описания не только механических явлений, но и электромагнитных. В 1890 г. Герц принимает гипотезу, высказанную ранее Д. Стоксом, о существовании эфира, полностью увлекающегося движущимися телами. Исходя из этих принципов, он выводит уравнения, инвариантные по отношению к галилеевым преобразованиям координат и времени при переходе из одной инерциальной системы отсчёта в другую. В частном случае покоящегося тела эти уравнения переходят в уравнения Максвелла. Герц получил «наиболее очевидное обобщение теории Максвелла на случай движущихся тел, но оно оказалось несовместимым с результатом эксперимента», ибо противоречило эксперименту Физо по распределению света в движущейся жидкости.

3. Точка зрения, отстаиваемая Х. Лоренцем. Известно, что Лоренц являлся сторонником атомной теории строения вещества, а после открытия в 1897 г. У. Томсоном отрицательно заряженной частицы - электрона - создал теорию, в которой уравнения Максвелла включают в себя идею о дискретной структуре электричества. При этом Лоренц использует гипотезу эфира, рассматривая электромагнитное поле как свойство эфира, противопоставляя его веществу, состоящему из электрически заряженных частиц. Лоренцу удалось всю электродинамику покоящихся и движущихся тел свести к уравнениям Максвелла, дать на этой основе объяснение большому числу экспериментальных фактов. Но при этом он вводит абсолютно покоящуюся выделенную среди прочих систему отсчёта, связанную с неподвижным эфиром, в которой только и выполняются уравнения Максвелла.

Таким образом, точка зрения, отстаиваемая Лоренцом, говорила о несостоятельности самого принципа относительности. На место абсолютного пустого неподвижного ньютоновского пространства он ставит абсолютное тело отсчёта - неподвижный эфир, то есть вводит привилегированную систему отсчёта. Однако все имеющиеся опытные данные, в том числе и опыт А. Майкельсона, свидетельствовали в пользу принципа относительности, свидетельствовали об эквивалентности всех инерциальных систем отсчёта. Кроме этого, названный опыт устанавливал факт постоянства скорости света в любой системе отсчёта. А. Эйнштейн писал, что «специальная теория относительности обязана своим происхождением этой трудности, которая, ввиду её фундаментального характера, казалась нетерпимой». Эйнштейн А. По поводу книги Эмиля Мейерсона «Релятивистская дедукция» // Сборник научных трудов: В 4 т. - М.: Наука, 1965. Т. 4. - С. 98-102. Следует сказать, что Х. Лоренц и ряд других физиков, среди которых Д. Лармор, Фицджеральд и др., предпринимали многочисленные попытки, пытаясь согласовать отрицательный результат опыта Майкельсона с идеей абсолютной системы отсчёта. Была выдвинута гипотеза о сокращении линейных размеров тел в направлении их движения относительно эфира. При этом Лоренц и Фицджеральд считали, что тела действительно сокращают свои размеры в направлении движения. Это сокращение должно было полностью компенсировать влияние относительного движения на скорость распространения света, почему и казалось, что скорость света остаётся постоянной во всех инерциальных системах отсчёта. Несмотря на то, что высказанная гипотеза выглядела очень искусственной и оказалась неверной, как это выяснилось впоследствии, она привела к нахождению уравнений преобразований кинематических параметров, отличных от преобразований Галилея, которые называют преобразованиями Лоренца.

Возникновение подобной проблемной ситуации в электродинамике движущихся сред означало, что представления о логико-методологическом фундаменте теории Максвелла, о содержании физической картины мира, адекватной этой теории, не были полными и в должной мере самосогласованными. В этот период новые в принципиальном отношении законы, выраженные уравнениями Максвелла, ещё пытались соединить с некоторыми фундаментальными представлениями, заимствуемыми из картины мира Галилея - Ньютона.

Только Эйнштейну удалось довести до логического завершения процесс создания собственного концептуального фундамента теории Максвелла. Чтобы признать преобразования Лоренца отражающими не кажущиеся эффекты и не случайно возникшие соотношения, а фундаментальные законы природы, надо было изменить классические представления о свойствах пространственно-временных отношений. И здесь А. Эйнштейн внес решающий вклад.

Следует отметить принципиальное отличие специальной теории относительности от, например, полевой теории электромагнетизма, хотя само появление теории Фарадея - Максвелла было безусловно глубоким изменением в понимании природы. Однако существует ряд существенных особенностей, отличающих появление специальной теории относительности от появления полевой теории. К ним, в частности, относятся следующие:

1. Если теория электромагнетизма возникла в рамках исключительно классических представлений о пространстве и времени и лапласовского понимания причинности, то формулировка специальной теории относительности связана с кардинальным изменением в понимании этих категорий.

2. Если полевая теория Фарадея - Максвелла не связана с предшествующими теориями (механикой Ньютона) соотношением типа принципа соответствия (она как бы «параллельна механике Ньютона), то специальная теория относительности попадает в действие этого принципа, когда предшествующая теория включается как частный момент отношения предельного перехода.

Таким образом, отмеченные особенности возникновения специальной теории относительности позволяют утверждать, что специальная теория относительности должна интерпретироваться как неклассическая теория. Действительно, если классическая физика до создания специальной теории относительности акцентировала внимание исключительно на объекте познания, элиминировав всё, что относится к субъекту, средствам и операциям его действительности, то появление специальной теории относительности продемонстрировало необходимость учёта связей между знаниями об объекте и характером средств и операций деятельности. Кроме того, в специальной теории относительности, в отличие от предшествующих ей теорий, был выявлен новый принцип независимости законов природы от состояния равномерного и прямолинейного движения. «Симметрия теории в ней задаётся группой Лоренца. Природа такой симметрии хотя и идентична геометрическим симметриям, лежащим в основе классических теорий, но отличается от них в одном важном отношении: в неё одновременно входят пространство и время». См: Абдулкадыров Ю.Н. Роль принципа симметрии в научном познании. - Махачкала, 2007. - С. 86. Особенность ситуации состоит в том, что симметрия, основанная на группе Лоренца, характеризуется вращением в едином пространстве-времени, и это означает, что часть пространственного интервала проектируется на время и наоборот.

Теория относительности, по словам самого А. Эйнштейна, начинается с двух положений:

1. Скорость света в вакууме одинакова во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.

2. Все законы природы одинаковы во всех системах координат, движущихся прямолинейно и равномерно относительно друг друга.

Принцип постоянства скорости света и принцип относительности - это два основополагающих принципа специальной (частной) теории относительности А. Эйнштейна. Фактически принцип постоянства скорости света является следствием принципа относительности. Утверждение о постоянстве скорости света в вакууме, т. е. независимости скорости света от скорости источника наблюдателя, явилось естественным выводом из многих экспериментальных фактов, выдержало многочисленные экспериментальные проверки. Главным же его подтверждением является согласие с экспериментом всех тех выводов, которые из него следуют. Эти подтверждения очень многочисленны, потому что вся современная физика больших скоростей и высоких энергий основывается на постулате постоянства скорости света.

Тем не менее, в своём абсолютном виде утверждение о постоянстве скорости света является постулатом, т. е. допущением, выходящим за пределы экспериментальной проверки. Это связано с конечной точностью экспериментальных проверок, о чем было сказано выше в связи с постулативным характером принципа относительности.

А. Эйнштейн в 1905 г. показал, что закон постоянства скорости распространения света в пустоте (300000 км/с) и принцип относительности совместимы. Это положение составило основу специальной теории относительности.

Из специальной теории относительности следует, что длина тела и длительность происходящих в нём процессов являются не абсолютными, а относительными величинами. При приближении к скорости света все процессы в системе замедляются, продольные (вдоль движения) размеры тела сокращаются и события, одновременные для одного наблюдателя, оказываются разноименными для другого, движущего относительно него. Абсолютности времени больше нет, каждая система характеризуется своим собственным временем. Указывая момент времени, надо указывать также на соответствующую систему отсчёта. Всё это явно проявляется лишь при достаточно больших относительных скоростях систем, если же v << c, то преобразования Лоренца переходят в преобразования Галилея, и специальная теория относительности переходит в классическую механику как в свой предельный случай.

В специальной теории относительности вводится понятие физического события, замещающего образ материальной точки, в качестве фундаментальной парадигмы новой физической картины мира. «Желая описать движение какой-нибудь материальной точки, - писал А. Эйнштейн, - мы задаём значения её координат как функций времени. При этом следует иметь в виду, что подобное математическое описание имеет физический смысл только тогда, когда предварительно выяснено, что подразумевается здесь под «временем». Мы должны обратить внимание на то, что все наши суждения, в которых время играет какую-либо роль, всегда являются суждениями об одновременных событиях». Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. Т. I. - С. 36.

Оказывается, что самосогласованная теоретическая система, основанная на теории Максвелла, дополненной специальной теорией относительности, могла непротиворечиво сочетаться только с элементарным понятием события, а не с понятиями «материальная точка», «вещь», «находящиеся в пространстве и во времени», характерными для физики Ньютона. Позднее (в 1921 г.) в работе «Сущность теории относительности» Эйнштейн более подробно объяснил это принципиальное различие двух картин мира: «О точках пространства и моментах времени говорили так, как будто они были абсолютной реальностью. Не замечалось, что истинным элементом пространственно-временной локализации является событие, определённое четырьмя числами - х, у, z, t. Представление о чем-либо происходящем есть всегда представление о четырёхмерном континууме… Физической реальностью обладает не точка пространства и не момент времени, когда что-либо произошло, а только само событие… Законы природы примут наиболее удовлетворительный, с точки зрения логики, вид, будучи выражены как законы в четырёхмерном пространственно-временном континууме». Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. Т. II. - С. 25. Принципиальная необходимость перехода на язык физических событий в релятивистской физике выражена здесь уже вполне отчётливо, причём этот переход непосредственно связан с новыми представлениями о пространстве и времени.

Таким образом, физическая картина мира Галилея - Ньютона, в которой мир отображён как множество материальных точек, движущихся в пространстве с течением времени, замещается в специальной теории относительности Эйнштейна картиной мира, представленной множеством точечных пространственно-временных материальных событий.

Большой интерес в раскрытии сущности относительности пространства представляет введенное Эйнштейном различие между геометрической и кинематической формами тела. Геометрическая форма тела - это его конфигурация, определяемая посредством твёрдых стержней, покоящихся в системе отсчёта данного тела. Кинематическая форма по Эйнштейну, определяется следующим образом: «Пусть тело, состоящее из материальных точек Р, как-то движется относительно системы отсчёта S. К моменту времени t в системе S каждая материальная точка Р обладает в S определенным положением, т. е. совпадает с определённой покоящейся относительно Р точкой П. Совокупность положений точки П относительно системы координат S мы назовём положением, а совокупность взаимных связей между положениями точки П - кинематической формой тела относительно S в момент времени t». Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. - Т. I. - С. 70. Когда тело покоится, то обе его формы расщепляются. В своей собственной системе отсчёта тело характеризуется конфигурацией точек, составляющих его геометрическую форму, а в системах отсчёта, относительно которых тело движется, оно имеет кинематическую форму.

Развивая идеи, высказанные в 1905 г. Анри Пуанкаре, немецкий математик и физик Герман Минковский (1864 - 1909гг.) дал в 1907 - 1908 гг. геометрическую интерпретацию кинематики специальной теории относительности, введя четырёхмерное пространство, объединяющее физическое трехмерное пространство и время (пространство Минковского). Положение физического события задаётся четырьмя координатами - тремя пространственными и одной временной. События описываются как x²+ y²+ z²-c²t²=0. В таком случае преобразования Лоренца могут формально рассматриваться как чисто геометрическое преобразование (поворот осей), выполняемое, однако, не в обычном трехмерном пространстве, а в четырёхмерном континууме. Образ четырёхмерного континуума позволяет рассматривать пространство и время как общие формы координирования материальных явлений, а не как самостоятельно существующие независимо от материи начала. Геометрическая интерпретация теории относительности позволила, во-первых, передать всем релятивистским эффектам определённую наглядность и, во-вторых, выявить глубокую диалектическую связь относительного и абсолютного.

Из релятивистской парадигмы вытекало, что с увеличением скорости тела кинетическая энергия как бы увеличивает его сопротивление движению, а масса тела при этом возрастает. Кроме того, из теории вытекало, что масса тела есть мера содержащейся в нём энергии. Позднее был сформулирован следующий чрезвычайно важный вывод специальной теории относительности: масса и энергия эквивалентны друг другу. Это обстоятельство существенно изменило не только наше понимание мира, оно изменило сами картины мира - механистическую и электромагнитную. «Таким образом, можно говорить о еще одной, второй онтологической парадигме в основаниях физического знания, в которой первичным существованием обладает не объект, а его свойства, проявляемые через его связи, и сам объект является функциональной совокупностью связей, которые выступают онтологически первичной реальностью. Эту парадигму в основаниях физического знания можно назвать «реляционной онтологической парадигмой». Тогда субстанциональную онтологическую парадигму можно рассматривать как частный, предельный случай реляционной парадигмы. По мере развития физического знания в ХХ, а особенно в XXI в., выхода физического знания за пределы макромира значимость реляционной онтологической парадигмы оснований физического знания возрастает всё более и более». Тарароев Я.В. О двух онтологических парадигмах в генезисе оснований физического знания // Вопросы философии. 2008. № 12. - С. 114.

Известно, что до создания специальной теории относительности законы сохранения энергии и массы также рассматривались как два самостоятельных закона сохранения. Теперь же оба этих закона слились в один. По выражению Эйнштейна, масса должна рассматриваться как «сосредоточие колоссального количества энергии».

Эти факты свидетельствуют о том, что специальная теория относительности вышла за пределы тех проблем, из которых она возникла. Она сняла многие трудности и противоречия классической механики и теории поля, позволила построить новую физическую картину мира. Но для решения вновь возникших проблем понадобилось введение новых принципиальных идей и представлений. Эти представления были систематизированы и развиты в общей теории относительности. Её создание можно рассматривать как дальнейший процесс становления новой неклассической формы научной рациональности. Само возникновение общей теории относительности опиралось: 1) на результаты обобщения принципа относительности (законы природы должны быть инвариантными во всех системах отсчёта), 2) на постулат о равенстве тяжелой и инертной массы. Отсюда были выведены уравнения, которые связывают между собой геометрию пространства и состояние материальной среды. Эти уравнения (G_ik - Ѕ g_ik G = -х Т_ik) представляли собой систему дифференциальных уравнений в частных производных. Левая часть уравнений описывает гравитационное поле и одновременно геометрическую структуру пространства-времени, которые в рамках этой теории отождествляются. Правая часть уравнения описывает распределение и плотность «материи». Основная идея, выражаемая уравнениями, состоит в том, что «материя» определяет гравитационное поле и, следовательно, геометрию пространства времени, а последнее, в свою очередь, обуславливает характер распределения и движения материи. Из этих уравнений следует, что метрика пространства (соотношение отрезков и углов), то есть геометрия и гравитационное поле, - это два эквивалентных способа описания одной и той же реальности, каковой является материальное «наполнение» мира. И гравитация, и геометрия пространства есть проявление и следствие распределения материальных объектов. Гравитационное поле в этом случае рассматривается как отличие геометрии пространства от евклидовой, а метрика - как проявление гравитационного поля. Это означает, что геометрия определяется распределением тяготеющих масс. Следует отметить, что согласно общей теории относительности, материальные массы оказывают влияние на геометрию пространства-времени, если они наличествуют в данном пространстве, и общая теория относительности, по существу, открыла вид материи, ответственный за геометрию пространства. Им является гравитация. Кроме того, в рамках этой теории выявлена связь математического риманова пространства с гравитационным полем. Причём это было сделано в виде гипотезы, согласно которой функции g_ik описывают в произвольно выбранной системе координат метрические соотношения как в пространственно-временном континууме, так и в гравитационном поле. Отсюда особая роль гравитационного поля для геометрии пространства. Гравитационное поле здесь выступает не просто как физический феномен, но и как проявление геометрических свойств пространства-времени. «Действительно, первоначально возникшая у Эйнштейна идея об общей теории относительности как теории, обобщающей принцип относительности для произвольно выбранной системы отсчета, в конечном счете, привела к релятивистской теории тяготения. Общая теория относительности, таким образом, являет собой яркий пример того, как абстрактный исходный пункт может привести теорию, благодаря сложности и противоречивости самого процесса ее развития, к конечным результатам, первоначально даже трудно предполагаемым». Князев В.Н. Концепция взаимодействия в современной физике. - М.: Прометей, 1991. - С. 56.

Создание общей теории относительности устранило один из основных доводов в пользу ньютоновской концепции пространства и времени - наличие только одной евклидовой геометрии. Новые геометрии отражали новые, неизвестные ранее свойства пространства. Они исходят из материалистического принципа зависимости геометрических свойств пространства от материи, от происходящих материальных процессов. Эти идеи значительно подорвали метафизическое представление об однородности и абсолютности пространства. Вместе с тем эти новые идеи явились сильнейшим ударом по априоризму Канта, который рассматривал пространство и время как априорные формы человеческого созерцания, предшествующие всякому опыту. Тем самым было продемонстрировано, что пространственные формы присущи самому объективному миру и что геометрические положения отражают свойства реального пространства, имеют опытное происхождение.

В соответствии с общей теорией относительности массы, создающие поля тяготения, искривляют пространство и меняют течение времени. Масса изменяет структуру самого пространства - она как бы искривляет его, делая кратчайшим расстоянием не прямую, а кривую линию. Здесь тяготение - не причина кривизны пространства, это и есть сама кривизна. Чем сильнее поле, тем медленнее течёт и время по сравнению с течением времени вне поля. Тяготение зависит не только от распределения масс в пространстве, но и от их движения, от давления и натяжения, имеющихся в телах, от электромагнитного и всех других физических полей. Изменения гравитационного поля распределяются в вакууме со скоростью света. В теории Эйнштейна материя, расположение и движение тяготеющих масс влияют на свойства пространства и времени.

Общая теория относительности сводит гравитационное поле к особенностям геометрии в том смысле, что гравитация вообще уже не является реально существующим физическим полем. Такого рода идею «геометризации физики» стремился довести до логического конца Дж. Уиллер. Его программа состояла в том, чтобы все физические взаимодействия и даже сами физические объекты - поля и частицы - полностью свести к особенностям геометрии и топологии пространства-времени. См: Уиллер Дж. Гравитация, нейтрино и Вселенная. - М.: ИНОГИЗ, 1962. - С. 67; Его же. Предвидение Эйнштейна. - М.: Мир, 1970. - С. 64.

Она не могла быть реализованной по многим причинам, в том числе по причине того, что здесь не учитывается должным образом специфика отражения физической реальности, имеющая место уже в рамках специальной теории относительности, а именно - опосредованный характер отражения полей и частиц через образы пространственно-временных событий. Общая теория относительности, как и её предшественница, оперирует четырёхмерным пространственно-временным многообразием. Это означает, что в общей теории относительности, как и в специальной, физическая реальность представлена опосредованно, через множество событий и отношений между событиями. В таком случае нет оснований утверждать, будто в ней физические поля теряют реальность и заменяются геометрией. Поля реально существуют, в том числе и гравитационное поле, но и в теориях реальность полей отражена через образы отношений между физическими событиями. Об этом неоднократно высказывался А. Эйнштейн: «Пустое пространство, т. е. пространство без поля, не существует. Пространство-время существует не само по себе, но только как структурное свойство поля». Эйнштейн А. Сборник научных трудов. - М.: Наука, 1965. Т. II. - С. 758. Способ отражения физической реальности в общей теории относительности в основном и главном совпадает с тем, который был разработан в специальной теории относительности. Эти две фундаментальные теории опираются на единую существующую основу. Хотя это вовсе не означает, что с созданием общей теории относительности не возникло никаких концептуальных сдвигов в представлениях о картине мира.

При переходе к космическим масштабам геометрия пространства перестаёт быть евклидовой и изменяется от одной области к другой в зависимости от плотности масс в этих областях и их движений. Вблизи массивных тел пространство задается геометрией Римана.

А. Эйнштейн для создания общей теории относительности применил интерпретацию геометрии посредством твердых тел. Данная интерпретация, в частности, явилась основой для вывода о том, что пространство неинерциальных систем и гравитационных полей имеет неевклидову геометрию. Понятие твердого тела, считал Эйнштейн, даёт возможность приписать объективную геометрическую структуру физическому пространству. Такое предпочтение твердому телу как дефиниции конгруэнтности имеет смысл только в рамках оснований физики, при построении общей теории относительности. Посредством конструкции твёрдого тела Эйнштейну удалось перейти от специальной теории относительности к общей. Если при построении теории относительности понятие твёрдого тела является эффективным инструментом, то в случаях, связанных с её приложением, практически более эффективным оказываются световые лучи. Эйнштейн, однако, не использовал световые лучи в качестве дефиниции конгруэнтности в силу того, что траектория светового луча в гравитационном поле без заранее постулируемой теории гравитации лишена геометрической определенности.

А. Эйнштейн в процессе создания общей теории относительности широко опирался на так называемый принцип Маха, суть которого состоит в том, что происхождение сил инерции объясняется наличием масс удалённых звёзд. Применительно к уравнениям общей теории относительности принцип Маха означал: кривизна пространства-времени полностью определяется суммарной массой Вселенной. Однозначность и неразрывность связи принципа Маха и общей теории относительности была подвергнута сомнению после результатов, полученных де Ситтером, в которых пространственно-временная структура была неевклидовой и в отсутствие материальных масс. Отсюда вытекает, что обязательность наличия масс для объяснения кривизны пространства является требованием не самой теории относительности, а принципа Маха. Это означало независимость принципа Маха от принципов, лежащих в основе общей теории относительности. Вклад общей теории относительности в решение проблемы связи материи с пространством-временем не эквивалентен принципу Маха. Он состоит, в том, что общая теория относительности показала, во-первых, что материальные тела, находящиеся в данном пространстве, определяют геометрию пространства-времени, во-вторых, что гравитация является видом материи, ответственной за геометрию пространства. Более того, гравитационное поле в общей теории относительности выступает не просто как физический феномен, а как проявление геометрических свойств пространства-времени.

Возможность анализа на основе уравнений общей теории относительности пространственных и временных свойств всей Вселенной со всей эффективностью была продемонстрирована А.А. Фридманом, который получил целую серию нестационарных решений как с геометрией Лобачевского, так и с геометрией Римана. Эти решения положили начало развитию эволюционной космологии и формированию новой картины мира.

Особенностями такой картины, в отличие от ньютоновской, являются:

1. Тождество принципа относительности, суть которого сводится к тому, что любой наблюдатель? находящийся в любой точке Вселенной увидел бы одинаковую картину разворачивающихся событий, то есть удаляющиеся по всем направлениям галактики, скорость которых подчинялась бы закону Хаббла, по любому направлению он видел бы одинаковое распределение галактик и в любой точке обнаружил бы одну и ту же плотность.

2. На основе фридмановских моделей получили объяснение такие ранее не разрешаемые проблемы, как фотометрический парадокс Ольберса и гравитационный парадокс Зеелигера. В релятивистских моделях они просто не возникают. И это объясняется тем, что в связи с релятивистскими эффектами энергия от все более удалённых галактик стремится к нулю, так что суммарная энергия в любой точке пространства является вполне конечной и определённой величиной.

3. Возможность решения проблемы «границы» Вселенной в новой постановке проблемы бесконечности. Релятивистские модели показали, что понятие границы Вселенной с неевклидовой геометрией не имеет смысла. Впервые применительно к реальному трехмерному пространству было показано, что понятия «безграничность» и «бесконечность» не тождественны даже в конечном объёме Вселенной с геометрией Римана.

С созданием общей теории относительности физика вышла на новый качественный уровень описания, объяснения и предсказания по сравнению с теорией Ньютона. Если ньютоновская теория позволяла вычислить пути планет, наличие ещё не открытых планет, то общая теория относительности позволила предсказать существование принципиально новых объектов и явлений. Кроме грандиозного явления расширения Вселенной в результате «Большого Взрыва», радикально изменившего наши представления о происхождении и устройстве Вселенной, на базе общей теории относительности было предсказано существование таких качественно новых объектов, как нейтронные звезды-пульсары и черные дыры. «Имея нулевую кривизну, ее пространство является галилеевым, т. е. здесь справедливо приближение специальной теории относительности. Все это справедливо лишь для достаточно больших фрагментов Вселенной, конечные же ее фрагменты, включая и нашу Метагалактику, могут быть замкнутыми, подчиняясь общей теории относительности (ОТО) для искривленного пространства-времени» Хайтун С.Д. Эволюция Вселенной // Вопросы философии. 2004. №10. - С. 89..

Другой важный результат, полученный в общей теории относительности, - это обоснование равенства тяжелой и инертной масс тела, точнее теоретическое обоснование положения «тяжелая и инертная массы тела равны». Это означало в первую очередь понятийный выход за пределы тяготения Ньютона в построении теории, которая была бы своего рода метатеорией по отношению к теории Ньютона. В ней инертная и тяжелая массы тела, которые в физике Ньютона считались абсолютно раздельными и самостоятельными, рассматриваются как взаимоотносительные и диалектически едиными.

Следует отметить, что в соответствии с принципом эквивалентности Эйнштейна, предполагающим своего рода тождественность тяготения и инерции, невозможно отличить свободное движение в ускоренной системе отсчёта от движения тел в поле тяготения. Все явления в системе отсчёта, жестко связанной со свободно движущимся в поле тяготения телом, совершаются таким образом, как будто бы поля тяготения не существует. Необходимо, однако, подчеркнуть, что такого рода «устранение» поля тяготения можно осуществить лишь в некоторой малой области пространства. Эквивалентность тяготения и ускорения - явление, скорее всего, локальное. Своеобразная особенность теории относительности, в отличие от теорий классической физики, состоит в том, что в ней объективно существуют субъективные моменты. Их наличие более всего связано с неоднозначностью путей перехода от опыта к теории.

Кроме того, создание любой теории - это всегда творческий процесс, и он опирается не только на результаты наблюдений и экспериментов, но и на гипотезы, допущения, конвенции, эвристические принципы, объективная ценность которых может быть в полной мере выявлена лишь в ходе дальнейшего развития научного познания. Конвенции сыграли значительную роль и в создании теории относительности. В частности, определение содержания таких понятий, как длина, временной интервал, одновременность возможно только через определённые конвенции. «Целый ряд понятий не познаётся, - пишет академик Л.И. Мандельштам, - а определяется для познания природы. Эйнштейн показал, что именно этот момент был упущен из виду, и в этом его главная заслуга». Мандельштам Л.И. Лекции по оптике теории относительности и квантовой механике. - М., 1972. - С. 173.

Суть конвенциональности физических определений сводится к следующему. Связь определяемых понятий с физическими процессами устанавливается путём соглашения считать данные процессы реальным значениям определяемых понятий. Таким образом, физические определения несут в себя некий момент произвольности, хотя эта произвольность должна быть ограничена до тех пор, пока мы ограничиваем себя задачей соотношения термина с реальным предметом. Тогда никакое определение не может быть лучше другого. Все определения как бы «равноправны». Другое дело, когда мы выходим за рамки поставленной задачи и пытаемся сформулировать содержание теории. В этом случае может оказаться, что одни определения плодотворнее других.

Примером конвенционального определения является определение одновременности, данное Эйнштейном. Суть определения сводится к следующему. Два события А и В одновременны в том случае, если часы в точке А показывают время t_А¹ (время посылки сигнала из точки А и в точку В), а часы в точке В показывают время t _В = t¹ _А+ t² _А /2, где t² _А - время возвращения сигнала в точку А, измеренное по часам А. Отсюда видно, что определение одновременности реально связано с таким процессом, как скорость распространения света в двух противоположных направлениях. Опыт нам непосредственно не доказывает равенство скоростей света в двух противоположных направлениях. Оно (равенство) вводится постулативно определением одновременности. При этом его произвольность ограничена, поскольку оно отвечает требованиям однозначности, обратимости и транзитивности. «Важнейшим его достоинством является то, что оно привело к созданию более глубокой, чем классическая физика, теории относительности». Готт В.С., Гюхтин В.С., Гудинов Э.М. Философские проблемы современного естествознания. - М., 1974. - С. 40.

Идея одновременности по-новому ставит вопрос о статусе настоящего. Согласно теории относительности настоящее, которое понимается как совокупность событий, неинвариантно. Это означает, что наблюдатели, находящиеся в разных системах отсчёта, зафиксируют в качестве настоящего разную совокупность событий. Но в силу того, что все инерциальные системы равноправны, ни одно из этих настоящих нельзя рассматривать как истинно настоящее. Отсюда можно говорить о том, что сама релятивизация настоящего есть в определенном смысле и релятивизация бытия, хотя некоторые философы, в том числе и Грюнбаум, отрицают связь понятия настоящего с категорией бытия. По мнению Грюнбаума, для квалификации некоторого фиксированного момента времени как настоящего требуется концептуальное осознание субъектом событий как происходящих теперь. См: Грюнбаум А. Философские проблемы пространства и времени. - М., 1969. - С. 396-397.

Следует подчеркнуть, что релятивизм не может быть отождествлён с субъективизмом, с гносеологическим анархизмом, отрицанием обязательности познавательных норм. Он не исключает признания абсолютов. Как верно указывал ещё М. Планк, «нет большего заблуждения, чем бессмысленное выражение «все относительно… Без предпосылки существования абсолютных величин вообще не может быть определено ни одно понятие, не может быть построена ни одна теория». Планк М. Сборник к столетию со дня рождения. - М., 1958. - С. 59. Перцептуальные и концептуальные абсолюты входят в знание через эпистемологические универсалии - законы освоения предметности. На эмпирическом уровне это происходит посредством инструменталистских, верификационных методик. На теоретическом уровне - посредством структурных правил преобразования, стандартизируемых генерацию внутренних единиц теории: инвариантность, фундаментальные константы, ковариантность. Релятивизм тезису об изменчивости свойств природы придаёт широкую общность: вариабельны не только характеристики вещей (величины), но и формы, способы, условия бытия вещности. Релятивизм внедрил и закрепил в науке идею естественного предела значений как величин, так и способов их фиксации. Как стиль мышления он детерминировал следующими основаниями:

1) онтологическим, который связан с зависимостью объективных характеристик предметности от фактических условий протекания реальных процессов;

2) эпистемологическим, который связан с отрицанием выделенных систем отсчёта, а также зависимостью аппарата науки от конкретных систем отсчёта, включающих определённые онтологические интервалы, сообщающие операционную и семантическую значимость используемым абстракциям.

В качестве специфической черты неклассики релятивизм связан с плюрализмом, свободой выбора и действия. См.: Философия науки / Под ред. С.А. Лебедева. - М., 2004. - С. 113.

Подводя итоги, необходимо отметить, что физическая картина мира получила своё дальнейшее развитие благодаря теории относительности А. Эйнштейна. Согласно теории относительности Эйнштейна, время и пространство не существуют сами по себе, они находятся в неразрывной связи с движущейся материей. Теория относительности, которая включает в себя частную и общую теорию относительности, вскрыла конкретные формы органичной взаимосвязи пространства и времени, установила их зависимость от распределения и движения материи, показав тем самым, что пространство и время не существуют отдельно друг от друга и от материи и что они не являются абсолютными в смысле классической физики. «Таким образом, в теории относительности появляется натуральная единица скорости - с. Все движения, скорости которых значительно меньше с, следует рассматривать как движения медленные, и при таких движениях приближенно справедливы законы механики Ньютона, причём тем точнее, чем меньше отношение v/c. Наоборот, движения со скоростями, близкими к скорости света, следует считать довольно быстрыми, при таких движениях относительность длин, промежутков времени, масс выступает с полной отчётливостью». Методологические и философские проблемы физики. - М.: Наука, 1982. - С. 131.

Обнаружением физической относительности не исчерпывается содержание принципа относительности. Глубокий смысл теории относительности заключается в том, что в ней абсолютность законов природы и относительность ряда свойств материальных объектов природы, и в первую очередь движения и геометрических свойств пространства, диалектически сочетаются.

2.2 Квантовая картина мира: сущность и особенности становления

Следующим этапом преодоления некритических догм классики явилось создание квантовой механики. Такой поворот в пласте духовности был подготовлен глубокими идейными процессами на рубеже XIX - первой четверти ХХ в. Новые признаки революционных изменений в физике были связаны в первую очередь с парадоксами, обнаруженными как в сфере применения молекулярно-кинетической парадигмы (программы Ньютона - Максвелла- Больцмана), так и в сфере применения парадигмы электромагнитного поля (программа Максвелла - Эйнштейна). Кроме того, был сделан ряд новых принципиальных открытий (рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и др.), которые вызвали переворот в научных взглядах физиков. Эти открытия явно не укладывались в рамки классических представлений, и для их объяснения потребовалось принципиальное изменение базисных парадигм - фундаментальных представлений физической картины мира. И первым шагом к такому изменению явилось введение гипотезы конечного кванта действия (М. Планк), согласно которой энергия электромагнитных волн принимает не любые непрерывные значения, а дискретные порции энергии. Гипотеза квантов принципиально изменила подход к изучению явлений природы. Такой подход был сначала успешно применен Эйнштейном для объяснения оптических явлений, в частности фотоэффекта. В дальнейшем гипотеза квантов получила подтверждение во многих экспериментах и стала доминирующей в изучении законов микромира.

Важной вехой на пути построения квантовой механики явилась атомная теория Н. Бора. Все эти открытия сформировали мнение, что свойства микрочастиц невозможно объяснить и понять на основании представлений классической физики. Стало совершено очевидно, что многие понятия и принципы классической физики адекватным образом не могут быть применимы для объяснения новых явлений. Следующий шаг на пути к созданию квантовой механики был сделан В. Паули, который сформулировал фундаментальный закон природы, согласно которому в квантовой системе две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же энергетическом состоянии.

Дальнейший поиск новых понятий, принципов и законов, адекватно объясняющих поведение микрочастиц, привел к созданию двух вариантов квантовой механики: матричной (В. Гейзенберг) и волновой (Э. Шрёдингер). Матричная механика и волновая механика стали различными формами более общей теории, получившей название квантовой механики.

К созданию матричной механики Вернер Гейзенберг пришёл в результате исследований спектральных закономерностей, а также теории дисперсии. В 1925 г. немецкие физики Макс Борн и Паскуаль Иордан придали идеям Гейзенберга строгую математическую форму. Они показали, что те величины, которые Гейзенберг поставил в соответствие классическим величинам, являются матрицами. В дальнейшем совместно с Гейзенбергом Борн и Иордан развивают математический аппарат матричной механики, применив его для решения ряда задач. Независимо от них английский физик Дирак, познакомившись с теорией Гейзенберга, разработал для новой теории линейные дифференциальные операторы.

Начало в формировании волновой формы квантовой механики положил Луи де Бройль, который высказал идею о волновой природе всех материальных микрочастиц. Эдвин Шрёдингер, развивая идеи де Бройля, построил волновую механику. Он получил волновое уравнение - основное динамическое уравнение нерелятивистской квантовой механики (уравнение Шрёдингера) и установил связь между квантовой и волновой механикой.

В физике микромира сложилась необычная ситуация. Две разные теории - волновая механика Шрёдингера и матричная механика Гейзенберга - при их применении для описания явлений микромира приводили к идентичным результатам. Это означало, что данные теории, по сути, представляют собой два аспекта одной и той же квантовой механики.

Следует отметить, что в теории Шрёдингера рассматривается уравнение для функции состояния (ш-функции), которая задаётся в 3-мерном конфигурационном пространстве. Отсюда потеря наглядности и усиление абстрактности математических построений теории. Но развитие науки показало, что относительно ненаглядные абстрактные математические построения с течением времени получают физическую пространственно-временную интерпретацию и становится элементами картины мира. В этом смысле теория внешне как бы отдалялась (в силу абстрактности своих математических построений) от действительности, а на самом деле глубже проникала в отражение сущности физического явления. Принципиальная новизна ситуации состояла в том, что для описания явлений микромира необходимо было разработать новый категориальный аппарат, новый язык научной теории. Для исследования квантово-механического объекта принципиально важно было не только сформировать идеи о нём, но и создать язык, на котором их можно выразить. Обращая на это внимание, В. Гейзенберг, в частности, отмечал: «…Теория, созданная и оформившаяся в 1927 году в Копенгагене, представляет собой не только однозначные правила объяснения экспериментов, но и язык, на котором можно говорить о природе в атомном масштабе». Гейзенберг В. Развитие интерпретации в квантовой теории / Нильс Бор и развитие физики. - М., 1958. - С. 28. ш-функция как некая математическая абстракция в теории Шрёдингера выразила глубинную сущность квантомеханического объекта. Первоначальные попытки придать волновой функции определенный физический смысл были в основном направлены на поиск некого природного аналога этого понятия (Э. Шрёдингер, Луи де Бройль и др.). Но такие попытки ни к чему не привели. В дальнейшем внимание было сосредоточено на выявлении её гносеологического смысла, поскольку только таким путём можно определить роль понятий в структуре научных теорий. Впервые подобный анализ ш-функции, приведенный М. Борном, привёл к вероятностной её трактовке. Согласно М. Борну, ш-функция описывает вероятности нахождения микрочастиц в различных их состояниях, как пространственно-временных, так и импульсно-энергетических. Дальнейший анализ гносеологического аспекта смысла волновой функции (Н. Бор, В. Гейзенберг) выявил глубокую связь понятия волновой функции с принципом неопределенности, корпускулярно-волновым дуализмом и относительностью свойств микрочастиц к средствам. На основе этих связей смысл волновой функции и её место в структуре квантовой механики определяется на основе следующих положений:

1. В квантовой механике объектами познания являются не сами по себе микрочастицы, а система «микрочастица+прибор».

В зависимости от характера физических процессов в ходе наблюдения у микрообъектов проявляются или корпускулярные, или волновые свойства. Эта важная особенность поведения микрообъектов заключается в том, что попытка наблюдения микрообъектов сопровождается неконтролируемым изменением характера их движения.

Проведенный анализ показал, что явление, понимаемое как целостная система «микрообъект + прибор», представляет собой элемент квантово-механической картины реальности, который по своему содержанию двуплановый. Во-первых, сюда входят характеристики самого объекта, которые образуют определенный план картины объекта. Во-вторых, определенность некоторых из этих характеристик сама в некоторой степени детерминирована условиями их наблюдения и образует некоторую картину наблюдения. Новизна ситуации состоит в том, что процесс наблюдения накладывает определенные ограничения на процесс познания из-за того, что сами характеристики наблюдения формируют картину объекта. Таким образом, картины объектов в квантово-механическом смысле существенно отличаются от аналогичных объектов классической физики, где объект рассматривается без учёта самого процесса наблюдения. Отсюда следует, что свойства микрообъектов являются относительными к нашим средствам наблюдения.

2. Появление корпускулярных или волновых свойств в квантово-механической картине реальности можно рассматривать как разные явления одного и того же объекта в приборах различных типов. Поскольку один и тот же объект ведёт разнопланово в зависимости от типа прибора, единство всего комплекса его характеристик обеспечивается в любых приборных ситуациях такими инвариантными свойствами, как заряд и масса. Кроме того, таким свойством обладает и сама волновая функция ввиду её математической представимости в двух дополнительных видах. Отсюда волновая функция интерпретируется как отображение потенциальных возможностей (В.А. Фок) микрообъекта к проявлению корпускулярных или волновых свойств в соответствующих макроуровнях. Такой тип единства квантово-механической реальности называют математическим. По нашему мнению, логически и философски согласованная система представлений о содержании физической картины квантового мира может быть получена лишь при условии признания того, что квантовым объектам реально, независимо от их наблюдения присущи два способа существования и два способа физического изменения (способа взаимодействия). В первом способе существования внешние физические воздействия или внутренние процессы изменяют лишь потенциальные возможности, объективно присущие квантовому объекту. При этом и сам квантовый объект реально существует как бы в форме носителя потенциальных возможностей. Такой способ существования и способ изменения (взаимодействия) непосредственно не наблюдаем, не регистрируется приборами, но познаваем. Именно он и отражен в формальном аппарате квантовой механики в виде волновой функции, изменяющейся по уравнению Шрёдингера. «Волновая функция полностью характеризует состояние системы. Зная её, можно вычислить вероятность обнаружения определённого значения не только координаты, но и любой другой физической величины, а также средние значения всех величин. Основное уравнение нерелятивистской квантовой механики - уравнение Шрёдингера - однозначно определяет эволюцию состояния во времени. По значению волновой функции в начальный момент времени определяется её значение в любой последующий момент времени». Философские проблемы естествознания. - М.: Высшая школа, 1985. - С. 241.