 | Поиск |
Скачать 1.99 Mb.
|
| К счастью, физикам-теоретикам удалось найти выход из этой трудности. При вычислении в рамках квантовой электродршамики наблюдаемых физических величин члены, соответствующие отрицательным вероятностям, сокращаются и не входят в конечный результат. Но в последнее время “духи” появляются все чаще и чаще в теории сильных взаимодействий и других теориях. Физики все чаще рассуждают о возможностях их физической интерпретации. В заключение приведем одну притчу, придуманную Эддингтоном совсем по другому поводу'. Древние люди считали Землю плоской. Поэтому они были уверены, что на карте все земные расстояния отображаются правильно, без искажений. На самом же деле 1 См. А. Эддингтон. Относительность и кванты. М.-Л, 1933, стр. 78. 199 любая карта вносит некоторые искажения, связанные с шарообразностью Земли. Например, в проекции Меркатора размеры Гренландии выглядят непомерно увеличенными. Но по мнению сторонников плоской Земли, карта показывает правильные размеры Гренландии. Как же с такой точки зрения объяснить, почему действительные расстояния кажутся путешественникам значительно короче расстояний, отмеченных на карте? Возможно, сторонникам плоской Земли пришлось бы признать, что в Гренландии существует какой-то демон, помогающий путешественникам ходить... Подобным же образом мы часто считаем, что наша пространственно-временная карта микромира правильно отображает его геометрическую структуру. Когда же в ней обнаруживаются несоответствия, приходится мириться с наличием различного рода “духов” и утешать себя тем, что они не встречаются “за пределами Гренландии”. Универсальны ли протяженность и длительность? В связи с рассмотренными трудностями возникает вопрос, следует ли признать, что протяженность и длительность являются свойствами лишь макропространства и макровремени? Если мы это признаем, то в микромире теряют смысл понятия длины и рас-200 стояния: не существует большого и малого, невозможно сравнивать более близкие и более далекие события. Теряет смысл и понятие временного интервала: нельзя сопоставлять большие и меньшие промежутки времени. Мы уже говорили, что существуют математические пространства, в которых невозможно ввести понятие расстояния. Такие пространства называют “пеметризуемымн топологическими пространствами”. Если пространство микромира действительно немет-ризуемо, ему будут присущи только топологические отношения, а любые метрические отношения в нем будут отсутствовать. В пользу возможности подобного подхода высказывались многие мыслители, в том числе Б. Риман ' и А. Эйнштейн. Так, Эйнштейн еще в 1926 г. писал: “Однако мы должны постоянно помнить, что та идеализация, которая состоит в утверждении, что в природе действительно существуют неизменяемые масштабы, может потом оказаться либо совсем неприменимой, либо оправдываемой только по отношению к некоторым определенным явлениям природы. Общая теория относительности уже доказала неприменимость этого понятия ко всем областям, размеры которых не могут считаться малыми с точки зрения астрономии. Быть может, теория квант будет в состоянии показать неприменимость этого понятия на расстояниях по- 1 См. В. Риман. О гипотезах, лежащих в основании геометрии. Сочинения. М.—Л., 1948, стр. 280. 201 рядка размеров атомов. И то и другое считал возможным Риман” '. Таким образом, даже Эйнштейн, положивший понятие пространственно-временной метрики в основу своих исследований, допускал существенное изменение характера протяженности и длительности в микромире, хотя и не конкретизировал, в чем это изменение может состоять. Развивая эту мысль, А. Л. Зельманов высказал предположение, что в микромире вообще отсутствуют метрические отношения2. Он подчеркнул то обстоятельство, что существование эталонов длины и времени связано с миром атомов и молекул: эталоном длины служат кристаллические решетки, а эталоном длительности — атомные колебания. Но при очень малых масштабах или при особых физических условиях (например, при сверхвысоких плотностях) эти эталоны существовать не могут. Следовательно, в этих случаях теряют смысл и самые понятия длины и промежутка времени. Нередко обращают внимание и на то, что физическая реальность на микроуровне не поддается разложению на четко определенные элементы, между которыми можно было бы установить метрические отношения3. Например, квантовые переходы, то есть перехо- 1 А. Эйнштейн. Неэвклидова геометрия и физика. Собрание научных трудов, т. П. М., I960, стр. 181. 2 См. А. Л. Зелъманов. Многообразие материального мира и проблема бесконечности Вселенной. “Бесконечность и Вселенная”. М., 1969, стр. 323. 3 См. //. 3. Цехмистро. Понятие протяженности и описание физической реальности. “Вопросы философии”, 1968, № 11, стр. 65. 202 ды квантовой системы из одного состояния в другое, происходят скачком, так что невозможно установить какие-либо детали процесса. Квантовые системы обладают, по выражению Д. Бома, “неделимым единством”, так как “кванты, связывающие объект и окружающую его среду, образуют неисчезающее звено, которое в любой момент зависит в равной мере от обеих частей” '. Однако в ответ на эти аргументы можно было бы возразить, что в них не различается макроскопическая протяженность и длительность, реализуемая стандартными пространственно-временными эталонами, и протяженность и длительность, трактуемая в гораздо более широком смысле — в смысле наличия у пространства и времени некоторого комплекса метрических свойств. Ведь метрические отношения на микроуровне могут иметь качественно иной характер, чем макроскопические, и “облекаться в плоть и кровь” особыми типами физической реальности, отличными от используемых в обычных эталонах. Кроме того, очевидно, что суждения о разложимости или неразложимости физической реальности на элементы сами зависят от используемой нами пространственно-временной модели. Микрообъекты не даны нам непосредственно, подобно макрообъектам. Поэтому незаконно ссылаться на неразложимость квантовых процессов как на что-то данное и выводить отсюда крах понятий протяженности и длительности. 1 Д. Вам. Квантовая теория. М., 1961, стр. 202. 203 Гипотеза о макроскопической .природе пространства-времени Имеется еще более радикальная точка зрения на роль пространственно-временных понятий в современной микрофизике. Согласно гипотезе, выдвинутой Циммерманом, Чу и некоторыми другими физиками и философами ', пространство и время — это сугубо макроскопические феномены, подобные, скажем, теплоте и температуре. Представим себе, что для обсуждения этого предположения собрались Физик, Философ и Теолог. Задача Физика, убежденного сторонника данной гипотезы,— последовательное изложение аргументов в ее защиту. Задача Философа и Теолога — прокомментировать его аргументы. Оговоримся, что данная гипотеза принимается лишь меньшинством физиков-теоретиков. Поэтому наш Физик отнюдь не выражает общепринятую точку зрения (это не тот Физик, который выступал в предыдущих дискуссиях). 1 Е. J. Zimmerman. The macroscopic nature of space-time. “American Journal of Physics”, 1962, vol. 30, No. 2, p. 99; G. F. Chew. The dubious role of space-time continuum in microscopic physics. “Science “Progress”, 1963, vol. 51, No. 204, p. 529. И.О. Алексеев. Пространство и квантовая механика. “Философские вопросы квантовой физики”. М., 1970, 204 Ф и з и к. Универсальность пространственно-временного описания была поставлена под сомнение уже в нерелятивистской квантовой механике. Согласно принципу дополнительности Бора, в квантовой физике имеет место дополнительность пространственно-временного и причинного описания микрообъектов. Либо мы описываем микрообъект как корпускулу, локализованную в пространстве-времени, но не подчиняющуюся принципу причинности, либо представляем его как абстрактную “волну вероятности”, подчиняющуюся принципу причинности, но не локализованную в пространстве-времени. Следовательно, понятия пространства и времени применимы не во всех квантовомеханических ситуациях. Ограниченность понятия пространства вытекает также из принципа неразличимости одинаковых частиц в квантовой механике. Если имеется система квантовых частиц, например электронов, то в принципе невозможно пометить какую-то одну из этих частиц, то есть как-то выделить ее из множества других. Квантовые частицы не поддаются индивидуализации, их перестановка ничего не меняет в мире наблюдаемых явлений. Но понятие пространства эффективно лишь в том случае, если возможны экспериментальные операции отождествления и различения объектов. Поэтому можно присоединиться к точке зрения, выдвигавшейся в свое время еще Гейзенбергом, что физическое пространство и время носят сугубо макроскопический характер и отсутствуют в “фундаменте” материи. 205 Теолог. Из сказанного вами следует, что микрообъекты существуют вне пространства и времени. Но локализация объектов в пространстве и во времени рассматривается материализмом как один из важнейших признаков материальности. Следовательно, исходя из логики самого же материализма, вы должны допустить нематериальность микрообъектов. Более того, так как все макрообъекты построены из микрообъектов, необходимо признать, что в основе всех вещей лежит некое нематериальное первоначало! По-моему, невозможно отрицать, что квантовая физика столкнулась с такими явлениями, которые необъяснимы с позиций материализма. Сюда относятся и индетерминистическое поведение электрона, не подчиняющееся принципу причинности, и трудности его пространственно-временной локализации. Как писал немецкий философ Алоиз Венцль, в исследовании микрообъектов мы имеем дело с “миром низших духов”, взаимоотношения между которыми могут быть выражены в математической форме. Так как последняя имеет не материальное, а божественное происхождение, мы не знаем, каково значение этой формы, мы знаем лишь саму эту форму. Таким образом, развитие квантовой физики ведет к тому, что все большее число не только философов, но и физиков осознают совместимость религии и науки. Например, Артур Эддингтон писал, что для трезво мыслящего ученого вера в бога стала возможной с 1927 года — года построения квантовой механики. 206 Ф и з и к. Известно, что впоследствии Эддингтон отказался от этого своего слишком поспешного заключения, а большинство физиков считает подобные суждения бессмысленными. Но дело не в этом. Микромир не менее материален, чем макромир, и квантовая механика не вносит ничего нового в это бесспорное положение. Нет никаких сомнений в том, что микрообъекты, подобно макрообъектам, не зависят от нашего сознания, то есть они материальны, и подчиняются объективным физическим закономерностям, таким, как уравнение Шредингера. Поэтому, несмотря на соотношение неопределенностей, не может быть и речи о каком-то индетерминизме в квантовой физике. Но если моя исходная аргументация правильна, пространственно-временное описание применимо к микрообъектам лишь на эмпирическом уровне научного исследования, в сфере макроскопического эксперимента. Что же касается теоретического уровня, то здесь понятия времени и пространства становятся необязательными. Философ. Я не вижу серьезных оснований для столь радикальных выводов. Дополнительность пространственно-временного и причинного описаний квантовых объектов, о которой вы говорили, означает, строго говоря, лишь неприменимость при описании микромира пространственно-временных и каузальных представлений нашего макроскопического опыта. Использование слишком узких понятий — макроскопического пространства-времени, с одной стороны, и макропри- 207 чинности, с другой, заставляет выйти за пределы хотя бы одного из них в любом описании микрообъектов. Но отсюда вовсе не следует, что невозможно ввести такие (отличающиеся от классических) понятия пространства и времени, которые были бы применимы при описании любых явлений микромира. Что касается упомянутого вами нарушения в квантовой механике классических представлений о тождестве и различии, оно может быть вызвано, например, тем, что используемые нами классические пространственно-временные представления неправильно отражают топологию микропространства. Физик. Ваши сомнения в сделанных мною выводах вполне понятны. Ведь я еще не изложил других, гораздо более серьезных аргументов в пользу моей точки зрения. Один из них состоит в том, что, согласно квантовой теории поля, ультрамалые пространственно-временные интервалы являются в принципе ненаблюдаемыми с помощью физического эксперимента. Поэтому я полагаю, что отказ от пространственно-временного континуума в микромире был бы в современных условиях столь же прогрессивным, каким был в свое время отказ от ненаблюдаемого механического эфира. Вы спросите: каким же образом строить теорию без понятий времени и пространства? Но подобная теория фактически уже создана: это аналитическая теория матрицы рассеяния, или S-матрицы. Эта теория была предложена в 1937 г. Дж. Уилером. В 1943 г. Гей-208 зенберг показал, что она может сыграть важную роль в физике элементарных частиц. Теория S-матрицы, как известно, служит для изучения микроявлений без углубления в интимные детали их взаимодействия, относящиеся к ультрамалым пространственно-временным масштабам. Она исходит из того, что единственный способ экспериментального изучения микропроцессов — это столкнуть несколько частиц друг с другом и наблюдать различные продукты этого взаимодействия. То, что происходит в момент взаимодействия частиц, остается всегда скрытым и не должно нас интересовать. Оператор S, который преобразует волновую функцию начального состояния частрщы в волновую функцию конечного ее состояния, есть матрица рассеяния. Если известна S-матрица для некоторого типа взаимодействий, можно теоретически предсказать результат любого процесса данного типа. В аналитической теории S-матрицы понятия макропространства и макровремени не экстраполируются па микропроцессы “сами по себе”. Эта теория позволяет судить о микрообъектах в тех предельных физических условиях, при которых еще оказываются применимыми классические представления о пространстве и времени, то есть условиях, характерных для макроскопического эксперимента. Исходя из этого, можно полагать, что понятия пространства и времени имеют статистическую природу, подобно понятию температуры. К самим микрообъектам они непри- 8 А. М. Мостепаненко 209 ложимы: о существовании пространственно-временного каркаса имеет смысл говорить лишь в случае наличия очень большого числа микросистем. Подобно тому как температура тела определяется средней кинетической энергией составляющих тело молекул, так и пространственно-временные характеристики возникают в процессе усреднения каких-то специфических свойств элементарных частиц. Теолог. Ясно, что, с вашей точки зрения, микрореальность “как таковая” находится вне нашего времени и пространства. Отсюда можно сделать вывод, что она вечна и неизменна, обладает, подобно богу, вневременным бытием. Вместе с тем она порождает, или обусловливает, пространство и время нашего мира. Не обнаруживаются ли здесь истоки акта божественного творения? Быть может, как раз в микромире мы соприкасаемся с той гранью, за которой находится высшая, духовная реальность — бог. Философ. Прежде всего необходимо четко разделить две проблемы: материальное происхождение нашего физического пространства-времени и универсальность (атрибутивность) пространственно-временных отношений. В связи с первой проблемой я хотел бы присоединиться к мнению уважаемого Физика, что свойства макроскопического пространства-времени обусловлены микроявлениями. Но при этом вторая проблема еще не решается. Пространство и время, понимаемые в широком философском смысле слова,— это формы существования материи, они 210 выражают порядок сосуществования и смены состояний всевозможных материальных объектов и явлений. Пространственно-временное описание материальных явлений не ограничивается привычными геометрическими моделями и может включать математические пространства с особым набором метрических и топологических характеристик. Поэтому нет оснований отказываться от атрибутивности пространственно-временных отношений. Микромиру могут быть свойственны свои, особо специфические пространственно-временные отношения. В самом деле, основная трудность, о которой здесь говорилось,— ненаблюдаемость ультрамалых пространственно-временных интервалов — не является непреодолимой. Более того, я согласен с выводом о том, что пространственно-временной континуум специальной теории относительности в ультрамалых масштабах уже “не работает”. Но отсюда вовсе не вытекает, что невозможна такая микрогеометрия, которая согласовывалась бы с принципом наблюдаемости! Важной целью современного научного познания как раз и являются поиски такой геометрии. |
| Поиск |