Проблемы синтеза в развитии основ современной физики

При построении новых физических теорий современные исследователи, как правило, сосредоточивают внимание на подборе соответствующего математического формализма. Зачастую новый формализм использует понятия, величины и связи между ними, физический смысл которых пока еще не ясен, и требует дальнейшего установления их соотнесенности с реальными объектами. Главным условием включения в теории таких гипотетических понятий-объектов являются их связь и соответствие фундаментальным законам физики. Наряду с этим необходимо, чтобы гипотетические понятия-объекты соответствовали и философско-методологическим требованиям, принципам. В случае их несовместимости с этими требованиями возникают определенные сомнения в существовании реальных референтов этим понятиям. Такими методологическими нормами-принципами являются принцип всеобщего универсального взаимодействия, принцип причинности, принцип материального существования и др.

Знакомство с современными концепциями, развивающими неклассические теории, позволяет заключить, что особая роль в построении понятийного аппарата постнеклассической физики принадлежит принципам симметрии и инвариантности. Е.Вигнер называет их сверхпринципами. Действительно, если физический закон устанавливает некое тождество (единообразие) в классе явлений, то принцип инвариантности устанавливает уже единообразие в классе физических законов, т.е. некоторую их тождественность по отношению к математическим преобразованиям (переносам, сдвигам, вращениям и т.д. в физическом пространстве-времени). «Именно переход с одной ступени на другую, более высокую, – пишет Е.Вигнер, – от явлений к законам природы, от законов природы к симметрии, или принципам инвариантности, – представляет собой то, что я называю иерархией нашего знания об окружающем мире».
Опираться на подобные “метазакономерности” совершенно необходимо при проведении междисциплинарных исследований, характерных для постнеклассической физики. Использование этих принципов в построении физических теорий основывается на убежденности в объективной истинности принципа материального единства мира. Как замечают Д.А.Киржниц и А.Д.Линде, “есть все основания ожидать, что дальнейшие исследования приведут к еще более яркому подтверждению единства физической картины мира на всех его ступенях – от мира элементарных частиц до Вселенной как целого”. Данная мировоззренческая установка позволяет искать и находить для каждого уровня реальности общие, инвариантные свойства, математически описываемые той или иной симметрией. Особый интерес представляют такие свойства любых объектов, которые остаются неизменными при любых их преобразованиях. Очевидно, это и будут самые общие, атрибутивные, абсолютные свойства изучаемой части мироздания.
«Принцип симметрии тесно связан с принципом инвариантности: каждой симметрии соответствует определенная инвариантность. В самом общем виде симметрия представляет собой единство противоположностей изменения и инвариантности». Принцип инвариантности, как и принцип симметрии, является абсолютным принципом в том смысле, что всегда, когда есть сомнения в его «нарушении», это становится поводом для его обобщения. Инвариантность, как методологический принцип, выражает тенденцию в развитии физического знания: искать и открывать неизменные величины. Очевидно, любая константа теории уже говорит об инвариантности. В этом отношении от постнеклассического этапа развития физики следует ожидать, в первую очередь, нового понимания роли и природы фундаментальных постоянных. На смену использованию их неклассическими теориями в качестве не связанных между собой чисто феноменологических величин в постнеклассической физике должно прийти понимание единых онтологических оснований приписываемых мировым константам свойств, сопровождающееся качественным скачком в оценке их методологической роли. А.Эйнштейн утверждал, что выяснение смысла постоянной Планка – «важнейшая цель будущих десятилетий» – составляет содержание важнейшего направления развития новой теоретической физики.
Наряду с другими важными признаками качественной обособленности этапов развития физики эти этапы можно, по-видимому, отличать по той роли, которая отводится мировым постоянным в соответствующих фундаментальных теориях. Этот подход базируется на том, что фундаментальные физические постоянные, являясь «узловыми точками теорий», определяют их вид и структуру. В классических физических теориях мировые постоянные либо не участвуют вовсе, либо присутствуют на правах обычного коэффициента пропорциональности, как, например, гравитационная постоянная в законе всемирного тяготения Ньютона и скорость света в электродинамике Максвелла. Так, гравитационная постоянная не наделяется особым качеством по сравнению, скажем, с коэффициентом, учитывающим упругие свойства пружины, в законе Гука. Их различие носит чисто количественный характер: коэффициент в законе Гука может принимать разные значения, в то время как значение гравитационной постоянной универсально. Однако это различие является не более чем следствием уникальности данной нам Вселенной, свойства которой характеризует гравитационная постоянная. При этом если попытаться представить существование множества Вселенных, то придется в общем случае полагать изменчивость гравитационной постоянной: сколько различных Вселенных, столько и значений коэффициента в законе гравитации (совершенно аналогично тому, как каждой пружине соответствует свое значение коэффициента в законе Гука).
Таким образом, можно сказать, что, не признавая за гравитационной постоянной и скоростью света качественных особенностей, классическая физика в соответствии с традицией механицизма уподобляет Вселенную некой механической системе, управляемой качественно однородными (линейными) закономерностями, область действия которых считается потенциально бесконечной. Становление неклассической физики, как известно, сопровождается появлением в теориях фундаментальных констант (скорости света c и постоянной Планка h), которые обладают принципиальным качественным отличием от любых других коэффициентов. Их качественная специфика заключается в их инвариантности и предельности. Это особенно заметно на примере различия смысла скорости света в классической электродинамике Максвелла и смысла скорости света в специальной теории относительности. Предельность постоянной Планка проявляется в соотношениях неопределенностей Гейзенберга, хотя традиционная интерпретация этого принципа не онтологизирует указанное свойство постоянной Планка, ограничиваясь гносеологическим истолкованием данной закономерности.
Характерной особенностью фундаментальных неклассических теорий – специальной теории относительности и квантовой механики – является то, что каждая из них содержит одну мировую постоянную, на основе свойства предельности (инвариантности) которой строит свой собственный формализм, и соответственно описывает лишь одну из сторон физической реальности. В результате объединительной тенденции в физике сформировались и продолжают развиваться «двухконстантные» фундаментальные теории – релятивистская квантовая механика, общая теория относительности. Эти теории уже выходят за рамки основ неклассической физики (что видно по изменениям элементов физической картины мира), но не достигли еще своей цели, которая состоит в построения единой физической теории. Поэтому их следует рассматривать как промежуточные, вспомогательные теоретические конструкции на этапе формирования основ постнеклассической физики. Единая теория, очевидно, должна строиться с учетом всех фундаментальных постоянных, характеризующих физические взаимодействия: скорости света c, постоянной Планка h и гравитационной постоянной G. Это мнение основывается на том, что только соответствующая интерпретация и представление всех фундаментальных констант в виде единой замкнутой системы создают почву для разработки единой физической теории, которая была бы связана со всеми уровнями физического мира. Кроме того, подобный подход обеспечивает наиболее полную реализацию принципов инвариантности и симметрии.
Следует обратить внимание на то обстоятельство, что, согласно предложенной классификации фундаментальных физических теорий, приходится констатировать незавершенность знания неклассической физики, связанную, в частности, с отсутствием нерелятивистской неклассической теории гравитации. Подобная фундаментальная теория должна строиться на основе постулата об особых свойствах соответствующей мировой постоянной. С этой точки зрения общая теория относительности является «симбиозом» классического закона всемирного тяготения и неклассической механики. По-видимому, в случае успешного построения нерелятивистской неклассической теории гравитационных явлений возникнет необходимость пересмотра (обобщения) общей теории относительности, связанного с разработкой последовательной двухконстантной теории.
Единая теория соответствует представлению о том, что физические процессы по своей объективной природе едины, органически связаны друг с другом. Эта связь прослеживается не только в сфере однопорядковых по масштабам и природе явлений, – она простирается, и притом сквозным образом, от субмикроскопических явлений до гигантских процессов мегамира. Именно на основе выявления единого плана строения, казалось бы, весьма удаленных друг от друга объектов мы можем описывать их одной и той же группой, в одних и тех же терминах симметрии. С этой точки зрения теория симметрии – специфическое, теоретико-групповое учение о единстве многообразия и многообразии единства. В ней не только единое многими способами раздваивается на противоположности, но и в соответствии с принципом материального единства мира выявляются условия взаимного перехода, превращения, тождества противоположностей. Сама же физическая реальность в результате такого подхода демонстрирует исключительное разнообразие единства и единство разнообразия, а одновременно и глубокую внутреннюю раздвоенность, противоречивость. Широкое стихийное использование идей и методов теории симметрии в качестве методологической базы построения большинства новейших объединительных физических концепций может быть объяснено присущей в той или иной мере этим методам внутренней диалектичностью, обеспечивающей их адекватность объективным свойствам описываемой реальности.
Тенденция расширения круга физических объектов и процессов, объединенных симметрией, обусловливает развитие общенаучного уровня методологии, формируемого путем обобщения частнонаучной методологии (основанной на групповом анализе свойств симметрии) на базе определенного философского подхода, а также путем конкретизации на общенаучном уровне философских методологических принципов (в первую очередь – принципов инвариантности). С другой стороны, можно сказать, что через использование идеи симметрии в физических теориях прокладывает себе путь новая общенаучная методология – методология постнеклассической физики.
Междисциплинарность исследований, характерная для постнеклассического этапа, придает особую актуальность развитию общенаучного уровня методологии. В частности, в постнеклассической физике существенно повышается общность используемых понятий, они уже вплотную приближаются к соответствующим философским категориям. Такие используемые физикой фундаментальные понятия, как абсолютное и относительное (пространство-время, движение), часть и целое, объект и процесс (частица и волна), элементарное и составное, конечность и бесконечность (величин), дискретность и непрерывность разнообразие и др., в постнеклассической физике должны находиться в диалектической связи, представляя собой, по существу, новые понятия, синтезирующие традиционные противоположности. Например, из философского положения о нерасторжимости, неразрывности материи и движения вытекает, что процессуальное изменение, являющееся принципиальной чертой совершаемого объектом движения, «не может пониматься как не принадлежащее объекту, как не выражающее его природу, как не относящееся к нему самому» [7; с. 93].
Новое содержание фундаментальных понятий непосредственно связано с изменением системы принципов с онтологическим основанием, входящих в формирующуюся «постнеклассическую» физическую картину мира. Это изменение не предполагает отбрасывания существующей базы, но происходит в результате диалектической критики существующих положений. Следовательно, в каждом случае необходимо от тезиса переходить к антитезису и на его основе пробовать прийти к синтезу – к такому новому пониманию проблемы, при котором прежние положения представлялись бы как подчиненные моменты новой, более совершенной концепции. Например, критикуя лапласовский детерминизм, необходимо принять антитезис квантовой физики о неопределенности и на его основе попробовать достичь высшего, синтезного понимания, при котором прежнее понимание детерминизма и индетерминизма оказалось бы подчиненным моментом новой концепции. Иначе говоря, в антитезисе неопределенности, который появился вначале абстрактно, необходимо попытаться вскрыть новую конкретную определенность. Вполне вероятно, что на этом пути от абстрактного к конкретному окажется возможным интерпретировать индетерминизм как новую форму детерминизма [2; с. 110]. Тогда оправдается надежда, высказанная П.Дираком: «Может быть, какое-то достижение в будущем и поможет нам вернуть детерминизм, но только за счет утраты чего-нибудь другого, путем отказа от какого-то иного предрассудка, которого мы пока еще твердо придерживаемся в настоящее время” и тогда “в конце концов прояснится проблема выбора между детерминизмом и индетерминизмом» [2; с. 112].
Другими словами, опровергнуть систему взглядов – значит не отбросить ее, а развить дальше, не заменить другой, односторонней, противоположной, а включить в систему более высокого уровня. В истине нет антитез, один взгляд не исключает другого. «Отчетливым признаком истинного познания является отсутствие в нем всякого отрицания, прежде всего отрицания противоположного взгляда. «Реальное» (т.е. многомерное и полное) познание отличается от материального или логического (т.е. нереалистичного) познания, главным образом, тем, что оно не исключает противоположные взгляды. Истинное познание включает в себя все противоположные взгляды... Истина включает в себя все, а что не может войти в нее, уже тем самым показывает свою неправильность и ложность» [4;c. 278].
В постнеклассической физике синтезу должны быть подвергнуты не только те понятия, которые в неклассической физике связаны принципом дополнительности: «волна» и «частица», «вещество» и «поле», «статистические законы» и «динамические законы», «случайность» и «необходимость», – но также и те понятия, которые пока на конкретно-научном уровне мыслятся взаимоисключающими: «элементарное» и «составное», «дискретное» и «непрерывное», «конечное» и «бесконечное», «бесконечно малое» и «бесконечно большое», «абсолютное» и «относительное»... Например, в неклассической физике нередко встречаются утверждения, будто микрообъекты проявляют волновые свойства в одних условиях, а корпускулярные – совсем в других, несовместимых с первыми. Отсюда вывод: о таких свойствах нельзя говорить как об одновременно принадлежащих микрообъектам и, следовательно, в самой природе микрообъектов нет никакого внутреннего противоречия, выражаемого в терминах «корпускула» – «волна». Имея дело с такими объектами, мы просто «дополняем» то, что знаем об объекте, когда он находится в одних условиях, тем, что нам известно о нем, когда он существует в совсем иных условиях. Подобная трактовка далека от истинного синтеза понятий. В качестве примера можно упомянуть основы квантовой теории поля, призванной развивать неклассическую физику и направленной на изучение специфических квантово-релятивистских эффектов, которые не укладываются в рамки принципов специальной теории относительности и нерелятивистской квантовой механики, взятых в отдельности. Стало быть, их адекватное описание требует синтеза этих принципов. То обстоятельство, что «синтез», осуществленный в квантовой теории поля, приводит к физически бессмысленным результатам, свидетельствует о том, что та конкретная форма «синтеза», которая реализуется в квантовой теории поля, в каком-то отношении логически непоследовательна. Это и неудивительно, ибо в данной теории:

1) речь идет об устранении конфликта между релятивистскими и квантовыми принципами только в одном пункте (проблема ковариантности фундаментальных уравнений);

2) «синтез» мыслится лишь как формальное объединение специального принципа относительности с принципами нерелятивистской квантовой механики;

3) не выдвигается каких-либо новых физических принципов.

Говоря о неклассической физике и современных релятивистских квантовых теориях, приходится также признать, что в их системах принципов с онтологическим основанием не содержится необходимой гносеологической базы для синтеза упомянутых противоположных понятий [9; с. 45]. Это обстоятельство само по себе, конечно, не может быть основанием для «отбрасывания» этих теорий. Согласно Гегелю, принципы нельзя отрицать – отрицают границы их применимости, их претензии на универсальность. Иначе говоря, следует признать, что основания неклассической физики обеспечивают адекватное описание той части реальности, которая для этого не требует обязательного учета аспекта единства перечисленных выше противоположностей. Однако переход к изучению более фундаментальных свойств на основе объединительных и междисциплинарных концепций как раз и ведет к отрицанию “претензий на универсальность” неклассических представлений о физической реальности, актуализируя проблему синтеза взаимоисключающих представлений. Современные теории, базирующиеся на фундаментальных представлениях неклассической физики (и космологии), дают достаточно подтверждений выводу о необоснованности подобных «претензий». Эти подтверждения имеют, в частности, форму парадоксов и гносеологически тупиковых ситуаций. К ним можно отнести в первую очередь разного рода расходимости и сингулярности, возникающие в известных теориях при попытках описания реальности на предельно малых (стремящихся к нулю) пространственно-временных масштабах или в области предельно больших (стремящихся к бесконечности) энергетически-импульсных характеристик. Давно известна, например, «ультрафиолетовая расходимость» в квантовой теории поля. «Этим термином принято обозначать обращение в бесконечность вероятности перехода квантового поля из одного состояния в другое (т.е. вероятности рассеяния и взаимопревращения частиц), не связанное с неприменимостью теории возмущений к соответствующим процессам (в отличие, например, от так называемой инфракрасной расходимости)». Следует отметить, что существует ряд процедур (теорий), с помощью которых удается устранить некоторые расходимости. Одна из них носит название «перенормировка» и играет важную роль в квантовой теории поля, позволяя в ряде случаев получать результаты, которые с “рекордно” высокой точностью совпадают с экспериментальными данными. Однако обоснование этой процедуры состоит “скорее, в том, что она приводит к разумным результатам”, а не в том, что базируется на каких-либо физических принципах. Поэтому даже в тех случаях, когда расходимости устраняются, ситуация с методологической точки зрения остается неудовлетворительной. Методологическое рассмотрение современного состояния таких фундаментальных разделов науки как физика, космология и математика, убеждает нас в том, что они находятся на пороге новой научной революции, выражающейся в переходе от неклассического этапа к постнеклассическому. У физиков нет никаких сомнений в том, что и сегодня, как и в начале века, в физике остро нужна «новая физика» – нужны новые идеи и представления, а также соответствующий им математический формализм для того, чтобы ответить на нерешенные вопросы и устранить уже известные трудности.

И.Е.Тамм еще в 1965 г. заметил: «В настоящее время стало ясным, что развитие физики подвело нас к такой точке, когда стало необходимым изменение некоторых из наших фундаментальных физических представлений, и что изменение должно быть столь же коренным, как и то, которое связано с созданием теории относительности и квантовой механики» [6;с. 66].
Залогом преодоления кризиса оснований физики является реализация программы междисциплинарных исследований, включающей разработку системы методологических принципов построения физики «околопредельных состояний»; создание универсального неархимедового математического формализма и применение его в описании физических явлений; переинтерпретацию на этой основе ряда фундаментальных физических законов. Как видно, в намеченной исследовательской программе сделан особый акцент на методологии и математике. Это неслучайно, так как именно эти «обслуживающие» дисциплины являются и тормозом, и залогом успешного развития современной физики. Именно развитие новых математических формализмов и методологических норм, принципов должно стать той базой, на которую смогут опереться научные исследования, ведущие к становлению постнеклассической физики.
На проблемы фундаментальных научных теорий можно смотреть по-разному. Можно «не замечать» их существования, ограничиваясь решением частных задач, на которые эти проблемы непосредственно не влияют, и, питая уверенность, что проблемы разрешатся «сами собой» за счет изобретения в будущем способа их «изоляции» без изменения оснований соответствующей науки. Можно, напротив, воспринимать их как доказательство полного «краха» данной науки (концепции) и стремиться к отрицанию ее основ (например, заменять локальность нелокальностью и т.п.) [8; с. 14].

Предпочтительной же следует считать установку на поиск в самих существующих знаниях возможностей конструктивного решения проблем, не ведущего к отбрасыванию существующего знания. Обращение проблем науки на пользу ее дальнейшего развития возможно лишь на основе глубокого всестороннего анализа существа этих проблем путем приведения их к форме минимального числа антиномий, когда, очищенная от наслоений, беспристрастному взгляду откроется сущность проявляющегося неблагополучия концепции – коллизия определенных противоположностей, преодоление которой возможно лишь на пути синтеза, выработки принципиально новых обобщающих фундаментальных положений [ 8; с.16].

Заключение

Современная наука находится на пороге революции, которая характеризуется переходом от неклассического этапа к постнеклассическому. На проблемы фундаментальных научных теорий можно смотреть по-разному. Можно не замечать их существования, ограничиваясь решением частных задач, на которых эти проблемы непосредственно не влияют, и питая уверенность, что проблемы разрешатся «сами собой» за счет изобретения в будущем способа их «изоляции» без изменения оснований соответствующей науки. На мой взгляд, такой принцип неэффективен, так как не позволяет науке должным образом функционировать и развиваться. Создание новых теорий не означает опровержение старых взглядов, а всего лишь их развитие, включение этих принципов в новую теорию более высокого уровня. Очень многие науки, такие как биология, физика, математика уже сейчас претерпевают изменения. Говоря о современной физике, нельзя сказать о том, что полностью сформирована современная концепция этой науки, но с тем, что наука нуждается в фундаментальных изменениях, спорить никто не будет. Для этого необходимо разрешить некоторые проблемы в этой науке. Очевидно, что абсолютное решение проблемы детерминизма и индетерминизма займёт большое количество времени, возможно, лишь следующее поколение учёных придёт к какому-то единому мнению, но то, что некоторые подвижки в этом отношении уже сделаны, вселяет надежду. Цель реферата достигнута, задачи решены.