Физика и философия - Гейзенберг Вернер Карл (лучшие книги читать онлайн .txt) 📗
В философии Демокрита все атомы состоят из одной и той же субстанции (материала), поскольку вообще здесь можно применить это слово. Элементарные частицы современной физики имеют массу. По теории относительности масса и энергия, в сущности, одно и то же, и поэтому можно сказать, что все элементарные частицы состоят из энергии. Таким образом, энергию можно считать основной субстанцией, первоматерией. Фактически она обладает существенным свойством, принадлежащим понятию субстанции: она сохраняется. На этом основании, как уже упоминалось, представления современной физики очень сходны с представлениями Гераклита, если только элемент «огонь» интерпретировать как энергию. Энергия есть движущее. Она рассматривается как конечная причина всех изменений и может превращаться в материю, теплоту и свет. Борьба противоположностей, характерная для философии Гераклита, находит здесь свой прообраз во взаимодействии различных форм энергии.
В философии Демокрита атомы являются вечными и неразложимыми единицами материи: они не могут превращаться друг в друга. Современная физика выступает против положения Демокрита и встаёт на сторону Платона и пифагорейцев. Элементарные частицы не являются вечными и неразложимыми единицами материи, фактически они могут превращаться друг в друга. При столкновении двух элементарных частиц, происходящем при большой скорости, образуется много новых элементарных частиц; возникая из энергии движения, столкнувшиеся частицы могут при этом исчезнуть. Такие процессы наблюдаются часто и являются лучшим доказательством того, что все частицы состоят из одинаковой субстанции — из энергии. Но сходство воззрений современной физики с воззрениями Платона и пифагорейцев простирается ещё дальше. Элементарные частицы, о которых говорится в диалоге Платона «Тимей», ведь это в конце концов не материя, а математические формы. «Все вещи суть числа» — положение, приписываемое Пифагору. Единственными математическими формами, известными в то время, являлись геометрические и стереометрические формы, подобные правильным телам и треугольникам, из которых образована их поверхность. В современной квантовой теории едва ли можно сомневаться в том, что элементарные частицы в конечном счёте суть математические формы, только гораздо более сложной и абстрактной природы. Греческие философы думали о статических, геометрических формах и находили их в правильных телах. Естествознание нового времени при своём зарождении в XVI и XVII веках сделало центральной проблемой проблему движения, следовательно, ввело в своё основание понятие времени. Неизменно со времён Ньютона в физике исследуются не конфигурации или геометрические формы, а динамические законы. Уравнение движения относится к любому моменту времени, оно в этом смысле вечно, в то время как геометрические формы, например орбиты планет, изменяются. Поэтому математические формы, представляющие элементарные частицы, в конечном счёте должны быть решением неизменного закона движения материи.
В последующие годы развитие физики пришло к такому состоянию, что физики стали стремиться сформулировать основной закон для материи. Экспериментальная физика собрала большой материал о свойствах элементарных частиц и их превращений. Теоретическая физика может попытаться, исходя из этого материала, вывести основной закон для материи. Ещё раньше был предложен простой вид этого уравнения материи. Хотя лишь в будущем выяснится, насколько верно это уравнение, всё же эта первая попытка показывает такие черты физики и философии, которые с большой вероятностью могут быть установлены из изучения элементарных частиц, что по крайней мере качественно эта попытка здесь должна быть описана.
В проблеме основного уравнения речь идёт о нелинейном волновом уравнении для операторов поля. Это уравнение рассматривается как математическое представление всей материи, а не какого-либо определённого вида элементарных частиц или полей. Это волновое уравнение математически эквивалентно сложной системе интегральных уравнений, которые, как говорят математики, обладают собственными значениями и собственными решениями. Собственные решения представляют элементарные частицы. Следовательно, они суть математические формы, которые заменяют правильные тела пифагорейцев. Между прочим, здесь следует вспомнить, что собственные решения основного уравнения получаются посредством математической процедуры, с помощью которой из дифференциального уравнения натянутой струны выводятся гармонические колебания струны пифагорейцев.
Математическая симметрия, играющая центральную роль в правильных телах платоновской философии, составляет ядро основного уравнения. Уравнение — только математическое представление всего ряда свойств симметрии, которые, конечно, не так наглядны, как платоновские тела. В современной физике речь идёт о свойствах симметрии, которые соотносятся с пространством и временем и находят своё математическое выражение в теоретико-групповой структуре основного уравнения. Важнейшая группа — так называемая группа Лоренца в теории относительности — определяет структуру пространства и времени. Кроме того, имеются и другие группы, найденные только в последнее время и связанные с различными квантовыми числами элементарных частиц.
Хотя само основное уравнение имеет очень простую форму, оно содержит большое количество различных свойств симметрии, и, по-видимому, богатый экспериментальный материал о превращении элементарных частиц точно соответствует этим свойствам симметрии.
Следовательно, современная физика идёт вперёд по тому же пути, по которому шли Платон и пифагорейцы. Это развитие физики выглядит так, словно в конце его будет установлена очень простая формулировка закона природы, такая простая, какой её надеялся видеть ещё Платон. Трудно указать какое-нибудь прочное основание для этой надежды на простоту, помимо того факта, что до сих пор основные уравнения физики записывались простыми математическими формулами. Подобный факт согласуется с религией пифагорейцев, и многие физики в этом отношении разделяют их веру, однако до сих пор ещё никто не дал действительно убедительного доказательства, что это должно быть именно так.
Можно привести соображение, касающееся вопроса, часто задаваемого дилетантами относительно понятия элементарной частицы в современной физике. Почему физики говорят о том, что элементарные частицы не могут быть разложены на меньшие частицы. Ответ на этот вопрос отчётливо показывает, насколько современное естествознание абстрактнее греческой философии. Наше соображение на этот счёт примерно такое: как можно разложить элементарные частицы? Единственные средства эксперимента, имеющиеся в нашем распоряжении, — это другие элементарные частицы. Поэтому столкновения двух элементарных частиц, обладающих чрезвычайно большой энергией движения, являются единственными процессами, в которых такие частицы, пожалуй, могут быть разложимы. Они распадаются при таких процессах иногда даже на много различных частей. Однако сами составные части снова элементарные частицы, а не какие-нибудь маленькие части их, и их массы образуются из энергии движения столкнувшихся частиц. Другими словами: благодаря превращению энергии в материю составные части элементарных частиц — снова элементарные частицы того же вида.
После такого сравнения современных представлений атомной физики с греческой философией мы обязаны высказать предостережение, которое исключало бы возникновение непонимания. С первого взгляда всё это может выглядеть так, как будто греческие философы благодаря гениальной интуиции пришли к таким же или по крайней мере к очень сходным результатам, к которым мы продвинулись в новое время после нескольких веков труднейшей работы в области эксперимента и математики. Но такое толкование нашего сравнения несло бы в себе опасность грубого непонимания. Существует очень большое различие между современным естествознанием и греческой философией, и одно из важнейших состоит именно в эмпирическом основании современного естествознания. Со времён Галилея и Ньютона естествознание основывается на тщательном изучении отдельных процессов природы и на требовании, согласно которому о природе можно делать только высказывания, подтверждённые экспериментами. Мысль, что посредством эксперимента можно выделить процессы природы, чтобы изучить их детально и при этом вскрыть неизменные законы, содержащиеся в постоянном изменении, не возникала у греческих философов. Поэтому современное естествознание покоится на более скромном и более прочном фундаменте, чем античная философия. Если, например, Платон, говорил, что наименьшие частицы огня суть тетраэдры, то нелегко предположить, что он в действительности думал. Символически ли форма тетраэдра принадлежит элементу огня или наименьшие частицы огня ведут себя механически как жёсткие или упругие тетраэдры, и посредством какой силы они могут быть разложены на треугольники, о которых писал Платон? Современное естествознание должно бы, наконец, спросить: как можно экспериментально решить, что атомы огня суть тетраэдры и не могут быть чем-либо иным, например кубами. Поэтому если современная теория поля утверждает, что протон представляется посредством некоторого определённого собственного решения основного уравнения материи, то это означает, что из данного решения математически выводятся все возможные свойства протона и что правильность решения может быть доказана в каждом отдельном случае посредством эксперимента. Возможность экспериментально доказать справедливость высказывания с очень большой точностью придаёт высказываниям современной физики больший вес, чем тот, которым обладали высказывания античной натурфилософии.
