Для тех, кто хочет верить разумно
Киевская Русь > Разделы сайта > Вера и наука > Что такое реальность с точки зрения физики?

Вера и наука

Что такое реальность с точки зрения физики?


Милый друг, иль ты не видишь, 
Что все видимое нами — 
Только отблеск, только тени 
От незримого очами?

Вл. Соловьев

В период господства коммунистического режима в России (1917-1991 гг.) диалектический материализм играл в этой стране, по меткому замечанию М. Борна, роль государственной религии и принудительно навязывался физике в качестве «единственно верной научной методологии» — несмотря на то, что даже В. Ленин отмечал невозможность опровергнуть последовательно мыслящего идеалиста логическим путем, утверждая при этом, что право на окончательный приговор принадлежит критерию общественной практики. Однако и «общественная практика» конца XX века с ее основным итогом — глобальным крушением мировой коммунистической системы — вряд ли свидетельствует в пользу диамата и его аппликаций вроде «материалистического понимания истории», «единственно верной методологии естественнонаучных дисциплин» и т. д. В этой связи представляется уместным предпринимаемый здесь опыт обсуждения корреляций между современной теоретической физикой и объективным идеализмом — хотя бы во имя целей программы интеллектуальной свободы, провозглашенной А. Сахаровым. Впрочем, главным поводом для такого обсуждения представляется отнюдь не изменение политической конъюнктуры, дозволяющее запоздалую фрондерскую «смену вех», а начавшаяся на заре XX века с появлением специальной теории относительности (СТО) смена парадигм внутри самой физики. И если физика XIX столетия, характеризовавшаяся открытием закона сохранения и превращения энергии, успехами молекулярно-кинетической теории вещества и т. п., представлялась созвучной материализму Демокрита — Энгельса, то физике нашего века, по нашему мнению, более созвучен идеализм Платона, Канта и Гегеля.

Некогда Э. Резерфорд заметил: «Все науки о природе делятся на физику и коллекционирование марок». В самом деле, из всех естественно научных дисциплин лишь физике удалось радикальным образом преодолеть период «описательной зоологии», заменяя представление о ряде «клеток с различными зверями» представлением о ряде состояний «одного и того же зверя». Пример тому — формализм изотопического спина В. Гейзенберга, позволяющий описывать дотоле «разные» частицы — протон и нейтрон — как разные состояния одной и той же частицы — нуклона и легший в основу программы описания чрезвычайно многочисленного «зверинца» элементарных частиц и их резонансов как набора разных состояний одной и той же сущности — спинорной праматерии, находящейся, однако в области «незримой онтологии», т.е. в платоновом мире идей — эйдосе.

Главным инструментом преодоления «описательной зоологии» в физике, «бритвой Оккама», радикально устраняющей излишние сущности, выступает математический аппарат: его «непостижимая эффективность» (Е. Вигнер) в физике как раз и выделяет эту последнюю из остальных ветвей естествознания. Но, согласно И. Канту, математика внедрима в ту или иную науку в той только мере, в какой в этой науке присутствует априорное знание: «Так как во всяком учении о природе имеется науки в собственном смысле лишь столько, сколько имеется в ней априорного знания, то учение о природе будет содержать науку в собственном смысле лишь в той мере, в какой может быть применена в нем математика».

Существует ригидный стереотип мышления: «физика — прежде всего наука опытная». Разумеется, в основании физического знания с неизбежностью присутствует экспериментальная компонента, но ее удельный вес там значительно ниже, чем, например, в ботанике. Главной эвристической мощью в физике обладают априорные принципы (такие, как, например, экстремальные принципы Ферма и Гамильтона, принципы относительности Галилея и Эйнштейна, принцип суперпозиции в квантовой механике и т.д.).

Мы не затрагиваем здесь проблему природы, «источника» априорного знания. Отметим лишь, что оно игнорируется диалектическим материализмом и другими сенсуалистическими учениями, утверждающими, что «нет в разуме ничего того, что не присутствовало бы ранее в ощущениях», но наличествует во всех построениях объективного идеализма, начиная от платонова анамнезиса (воспоминания души о мире идей) до архетипов коллективного бессознательного у К. Юнга.

Ограниченная роль опыта в генезисе физического знания обусловлена, прежде всего, тем, что круг наших экспериментов очерчивается нашим же разумом. По этому поводу В. Захаров замечает: «Лет 400 назад черт был явлением опыта: он являлся даже весьма образованным, отнюдь не суеверным людям, и М. Лютер даже запустил в него чернильницей». В том, что утверждение это не является столь уж сильным преувеличением, можно убедиться, вспомнив, какую фундаментальную роль на протяжении более двух с половиной веков в истории физики играл гипотетический эфир: ему не только посвящались теории (X. Гюйгенс, Г. Лоренц), но с ним интенсивно проводились эксперименты (А. Физо, А. Майкельсон), пока А. Эйнштейн, не создав СТО, не «запустил в него чернильницей». Мы видим, таким образом, что в «опытной науке» столетиями могут продолжаться опыты над фантомом.

Экспериментальные возможности макроскопических приборов ограничены не только точностью их измерений (относительно которой всегда сохраняется оптимистическая — и совершенно оправданная — надежда на ее повышение). В мегамире налицо принципиальная невозможность постановки глобально-космического эксперимента для выбора между космологическими сценариями общей теории относительности (ОТО); в микромире воздействие макроприбора на микрообъект приводит к утрате половины информации о последнем, что описывается соотношениями неопределенностей В. Гейзенберга; кроме того, макроскопичность наблюдателя, обуславливающая — в силу 2-го начала термодинамики — необратимость его бытия, лишает его возможности, как будет подробнее проиллюстрировано ниже, адекватно регистрировать с помощью макроскопических и трехмерных приборов принципиально обратимые во времени микропроцессы. Наконец, экспериментирование с ультрарелятивистскими скоростями массивных тел принципиально ограничено необходимостью затратить бесконечно большую энергию для сообщения тардиону скорости света в пустоте (т. е. невозможностью сделать тардион люксоном).

Однако и «достоверные» результаты экспериментов в рамках перечисленных выше ограничений имеют неустранимый «привкус» выбора системы отсчета, вольно или невольно используемой наблюдателем. Как сделалось хорошо понятным с появлением СТО в 1905 году, наблюдатели, движущиеся с различными скоростями друг относительно друга, найдут различными размеры одного и того же тела и длительность одного и того же процесса (более того, конечный во времени для одного из наблюдателей процесс оказывается бесконечным для другого). Словом, как сказал Г. Минковский в самом начале знаменитого доклада «Пространство и время», прочитанного им за три месяца до своей кончины, «отныне время само по себе и пространство само по себе должны сделаться всецело тенями и только особого рода их сочетание сохранит самостоятельность». Этой «самостоятельностью», или, точнее говоря, реальностью, обладает 4-мерный интервал между событиями; однако, он находится в области «незримой онтологии», а наши приборы измеряют лишь его «тени — пространственную и временную проекции, оказывающиеся различными для различных наблюдателей. Таким образом, в физике адекватно реализуется мысль, заключенная в четверостишии из стихотворения Вл. Соловьева, использованном в качестве эпиграфа к данной статье.

То же самое относится решительно ко всем результатам физических измерений: они регистрируют лишь тени на стене платоновой пещеры. Пусть, к примеру, физик А экспериментирует в своей лаборатории с неподвижными электрическими зарядами; он наблюдает при этом только электростатическое поле. Пусть мимо последней движется физик В; как и всякий другой, он имеет право на «эгоизм наблюдателя» (выражение А. Эддингтона, обозначающее право любого наблюдателя считать покоящимся именно себя, право пользоваться собственной системой отсчета). Очевидно, что физик В зарегистрирует в лаборатории своего коллеги А также и магнитное поле, ибо заряды в этой лаборатории будут восприниматься им как электрический ток.

В этом примере, как и в предыдущем, подлинной, но незримой реальностью оказывается единый тензор электромагнитного поля — тензор 2-го ранга в 4-мерном мире Минковского; наши же 3-мерные приборы измеряют лишь те или иные его «тени» — отдельные его проекции, компоненты, воспринимая их как отдельно электрическое и отдельно магнитное поле или даже только одно из них.

Эту ситуацию удобно иллюстрировать следующей аналогией. Известно, что в языке эскимосов прошлого века (до появления в нем иноязычных заимствований) отсутствовало слово «морж», несмотря на то, что охота на моржей занимала значительную часть их времени (а, может быть, именно поэтому: чрезвычайная вовлеченность в эмпиризм может иметь своим следствием определенную «зашоренность» в сфере генерирования общих понятий): «морж на льдине» обозначался в этом языке одним существительным, «морж в воде» — другим и т.д.

Таким образом, трактовка одних экспериментов как измерение характеристик только электрического поля, а других — как только магнитного, может быть охарактеризована, шутливо выражаясь, как «эскимосская точка зрения». На деле же, в реальности, в незримой онтологии есть только один-единственный «морж» — электромагнитное поле, а наши трехмерные приборы позволяют нам видеть порознь его «спинку» и «брюшко», обозначаемые нами как только электрическое или только магнитное поле.

В 1928 г. П. Дирак впервые со всей недвусмысленностью ввел в физику представление о принципиально не наблюдаемой сущности: он предложил рассматривать вакуум не как пустое пространство. А как среду, в каждой точке которой находится электрон в состоянии с отрицательной энергией (именно потому, что в «каждой», а потому не уловима для приборов — принципиально не наблюдаема). Надо ли говорить, что дираковский вакуум в высокой степени соответствует платонову мэону (состоянию «относительного небытия»)? В случае, когда электрон в таком состоянии получает извне (например, от фотонов) энергию, достаточную для преодоления пограничной полосы шириной в две его энергии покоя, он обретает положительную энергию и становится наблюдаемым для экспериментатора, который фиксирует одновременно с ним и оставленную им «дырку в вакууме», воспринимаемую прибором как позитрон. Так на стене платоновой пещеры, или, пользуясь терминологией адвайта-веданты, на «покрывале майи» экспериментатор наблюдает рождение пары электрон — позитрон, тогда как на деле происходит переход одной-единственной частицы — электрона — в новое состояние: в состояние положительных энергий.

Вспомним теперь, как в квантовой электродинамике на сущностном уровне объясняется процесс, обратный рождению пары — аннигиляция частицы и античастицы. Как и в предыдущем случае, в «незримом очами» присутствует лишь одна частица (например, электрон), которая совершает поворот в обратную сторону по оси лабораторного времени (образно говоря, она уходит во вчерашний день. Напомним, что в микромире — в отличие от макромира — процессы обратимы). Трехмерный макроприбор воспринимает

проекции двух участков мировой траектории электрона (до и после его поворота в лабораторном времени) как траектории двух разных частиц — электрона и позитрона, ориентированные в направлении стрелы лабораторного времени.

В советский период отечественной науки лишь немногие отважные одиночки находили в себе мужество печатно признать платонов дух физики XX века: «Итак, исследователь, имеющий дело с современной теорией элементарных частиц, напоминает тех, кто сидит в платоновой пещере спиной к огню и пытается по пляскам теней на стене определить, что происходит с предметами, движущимися у него за спиной и отбрасывающими эти тени. Мы не знаем, что представляет собой «внутренний мир»элементарных частиц, какова природа внутренних симметрий. Тем не менее по отражениям этих внутренних свойств, улавливаемым нашими приборами, макроскопическими и 3-мерными, мы пытаемся восстановить происходящее в этом загадочном и недоступном мире, который называется «элементарная частица». Но если мы не можем «обернуться» и «увидеть сущность», то можно попробовать понять, как получается «тень» и что такое «огонь». Видя отражение и зная, как оно получается, мы могли бы построить сущность».

«Пляски теней на стене» (т.е. регистрируемые нашими приборами явления) подчинены закономерностям, наблюдаемым нами на опыте: это — эмпирические законы. Можно построить теорию, обобщающую данные опыта и объясняющую эти законы (такого рода теории называют сегодня феноменологическимипротивопоставляя их онтологическим теориям, описывающим связи между сущностями внутри эйдоса, который, таким образом, в соответствии с учением Платона , оказывается умопостигаемым и объясняющим попутно изнутри происхождение «теней»). Феноменологическая теория, создаваемая для объяснения нами же очерченного круга явлений опыта, очевидным образом будет всегда соответствовать последнему: сопоставление феноменологической теории с опытом имеет характер трюизма, тавтологии типа А=А. Такого рода теории, писал А. Эйнштейн, полезны лишь для инженеров и лавочников. Если же теория построена на основе формального априорного принципа, то ее соответствие с экспериментом носит поистине доказательный характер. В том-то и проявляется удивительная диалектика познания, что теория только тогда верифицируется опытом, когда она построена на началах, не зависящих от опыта! СТО, ОТО, квантовая механика и т.д., построенные на априорных принципах, с огромной точностью были подтверждены всеми экспериментами.

Среди эмпирических закономерностей наиболее общими, а потому наиболее «респектабельными» являются законы сохранения. Однако в структуре физического знания они напоминают подчас ограниченных бухгалтеров, способных при случае санкционировать бессмысленную, запрещенную природой сделку (так, закону сохранения энергии не противоречило бы создание вечного двигателя 2-го рода, запрещаемое априорным принципом возрастания энтропии — «директором Вселенной»). Подлинный «директорат природы», определяющий направление происходящих в ней процессов и выбор путей для них, полностью находится в эйдосе, в мире незримой онтологии. Это — априорные принципы наименьшего действия, максимальной энтропии, суперпозиции волновых функций, относительности, эквивалентности и т. д.

И — в связи с этим — еще об одной диалектической закономерности. Наши измерения «теней» (ощутимых приборами проекций незримой реальности) вполне однозначны: длина стола — столько-то сантиметров. Масса электрона — столько-то граммов. Сами же объекты незримой онтологии чрезвычайно неоднозначны и надежно защищены от любой возможности их измерить: тензор энергии импульса можно калибровать на дивергенцию от суперпотенциала — любого антисимметричного по двум индексам тензора третьего ранга, лагранжиан поля — на дивергенцию от любой вектор-функции от потенциала этого поля, квантовомеханическую волновую функцию можно умножать на любую постоянную, действие можно определить лишь с точностью до произвольного слагаемого и т.д., и т.п. — и все это не изменит результатов измерения их «теней», наблюдаемых в данной системе отсчета.

Как известно, знаменитая теорема Нетер позволяет вывести всю совокупность законов сохранения в физике полей и частиц из свойств симметрии пространства — времени, а также из внутренних симметрий; доказательство же этой теоремы опирается на экстремальный вариационный принцип (применительно к физике это — принцип наименьшего действия, из которого вариационным путем выводятся уравнения движения и уравнения поля. Таким образом, из априорного принципа наименьшего действия и из априорно постулируемых свойств пространства времени (то и другое относится к платонову миру идей) мы объясняем феноменологические законы сохранения, которым подчинены события, наблюдаемые на стене платоновой пещеры.

Согласно диамату, пространство и время не априорны: они суть «всеобщие формы бытия материи, ее важнейшие атрибуты». Мы придерживаемся иной точки зрения, которая будет аргументирована ниже. Обратимся к общеизвестному ленинскому определению материи, десятилетиями выполнявшему для нас роль обязательного догмата, согласно которому последняя есть «… философская категория для обозначения объективной реальности, которая дана человеку в ощущениях его, которая копируется, фотографируется, отображается нашими ощущениями, существуя независимо от них». Мы не оспариваем этого определения в целом (просто в предпочитаемой нами схеме материя есть не более, чем покрывало майи, стена платоновой пещеры), но вот утверждение о копировании и фотографировании находим, мягко говоря, неточным. Вот наглядный контрпример: опыты Э. Резерфорда 1911 года доказали, что ядро атома занимает в нем столько места, сколько горошина в небоскребе. Между тем, когда я стучу кулаком по столу, «резерфордовы пустоты» моего кулака отнюдь не проваливаются в такие же пустоты стола. А. Эддингтон, один из наиболее ранних приверженцев Эйнштейна, экспериментально подтвердивший астрономические следствия из ОТО, считал результаты опытов Резерфорда гораздо более удивительными, чем даже ОТО: «Разница между современными и прежними представлениями о Вселенной заключается не столько в перестройке понятий пространства и времени, произведенной Энштейном, сколько в том, что все, считавшееся наиболее прочным, теперь рассматривается как совокупность крошечных сгустков, движущихся в пустоте. Это последнее обстоятельство особенно сильно бьет по тем, которые думают, что истинная природа вещей более или менее соответствует их внешнему виду». То есть, добавим мы, по тем, кто уповает на копирование и фотографирование реальности нашими ощущениями. По-видимому, худшим из заблуждений является вера в очевидность.

В целом же ленинское определение материи напоминает дефиницию любви у Ф. Саган: «Любовь — это контакт двух кож»; определение неоспоримо, хотя и чересчур поверхностно. Действительно, наличествуют две «кожи»: 1) покрывало Майи; 2) моя «кожа» — совокупность моих рецепторов, усиленных физическими приборами. Но за второй из этих «кож» — мой разум, пусть слабый и блуждающий в поисках истины, а за первой — платонов эйдос, подлинная реальность, принципиально умопостигаемая (последнее обстоятельство, несомненно, указывает на высокое предназначение Человека в платоновой схеме).

Что же касается пространства и времени, то мы не можем признать их атрибутами материи, ибо их свойства не могут быть найдены из наблюдений за «пляской теней». Это отчетливо понял еще А. Пуанкаре в конце XIX века, в рамках своей доктрины конвенционализма показавший, что внешний мир может быть описан любой геометрией, хотя разные геометрии по-разному описывают свойства пространства. Концепция Пуанкаре была поддержана и развита А. Эйнштейном в его известной работе «Геометрия и опыт», в которой подчеркивается, что предметом проверки на опыте является не чистая геометрия G, а — всякий раз — сумма G+F, где F — физическое поле, подобранное в соответствии с выбором той или иной геометрии так, чтобы теория, основанная на сумме G + F, хорошо соответствовала бы опыту. Очевидную уязвимость таких теорий, впоследствии названных «жесткими», обычно иллюстрируют шутливым силлогизмом Б. Рассела: «Хлеб — каменный; камень съедобен; следовательно, хлеб съедобен». Избежать центрального порока «жестких» теорий, заключающегося в произвольности выбора геометрии пространства (и ассоциированного с ней физического поля), можно, лишь построив так называемую «мягкую», т.е. полностью геометризованную теорию, в которой физическое поле исключено вовсе, а свойства пространства — времени априорны; они не являются более реальностью, они — принадлежность нашего ума, наш способ познания реальности. Такой — исторически первой — «мягкой» теорией явилась ОТО, в которой априорно выбирается псевдориманово пространство — время в качестве хроногеометрии реального (эйдетического) мира. Таким образом, ОТО возвращает нас к кантовым представлениям об априорности пространства — времени. Наблюдаемая нами на покрывале майи евклидова геометрия иллюзорна: достаточно стать на вращающуюся платформу — и геометрия мира перестанет быть евклидовой. Подлинной реальностью, управляющей наблюдаемым на опыте движением тел, оказался псевдориманов 4-мерный мир. Как и всякая онтологическая теория, ОТО идет от идеального к реальному (т.е. от реального — к «пляскам теней на стене пещеры»), тогда как феноменологические теории идут от материального к материальному же, оставаясь в порочном кругу тавтологий.

Вместе с кантианской концепцией априорности пространства и времени эйнштейнова ОТО с ее космологическими сценариями вынуждает вспомнить и знаменитые антиномии Канта. Согласно его Первой антиномии, чистый разум может одинаково принимать нижеследующие альтернативы: мир как целое и конечен и бесконечен; и вечен, и не вечен. Релятивистская космология сообщает Первой антиномии физико-математическое обрамление, а вместе с ним и новое, современное звучание. Как известно, в ОТО доказывается, что сам факт конечности или бесконечности 3-мерного объема космологической модели не инвариантен: в одной системе этот объем конечен, в другой — бесконечен. Более того, оказалось, что 4-мерный эйнштейнов мир, в котором 3-мерный объем Вселенной бесконечен, может быть частью 4-мерного мира, в котором 3-мерный объем Вселенной конечен (таковыми оказались эйнштейновы миры, описываемые решениями Леметра, Робертсона, Фридмана). Итак, бесконечное «размещается» внутри конечного! Это противоречит здравому смыслу (чему, по А. Эддингтону, не стоит огорчаться, ибо мы унаследовали последний от обезьяны), но превосходно иллюстрирует Первую антиномию Канта..

Что же касается времени жизни Вселенной, то релятивистская космология предлагает нам (за вычетом экзотических сценариев типа steady state варианта) две альтернативы: 1) вечная цикличность с переходом каждый раз через сингулярность, означающим полное разрушение всех форм структуры материи (эта альтернатива созвучна древнеиндийской мифологической идее смены «дней Брамы»); 2) Большой Взрыв -одноактное творение Вселенной (созвучие с версией Ветхого Завета). Физики, исходя из 2-го начала термодинамики, обычно предпочитают вторую альтернативу, поскольку в ней энтропия в начале жизни мира минимальна, а в циклическом сценарии она максимальна (вследствие полного разрушения мира в момент сингулярности). Кроме того, так как в циклическом сценарии при переходе через сингулярность полностью утрачивается любая информация о предыдущей жизни Вселенной (что дало повод известному космологу XX века аббату Леметру охарактеризовать предшествующую сингулярности стадию как «метафизическую в худшем смысле этого слова»). Космологическая модель представляется предпочтительнее с точки зрения критерия «бритвы Оккама». Тем не менее нет достаточных оснований, чтобы отбросить вовсе как альтернативу сценарий «дней Брамы», так что релятивистская космология и здесь подтверждает Первую антиномию Канта: мир может быть и вечным, и не вечным.

Ныне, в конце XX века, чрезвычайно активно обсуждается роль так называемого антропного принципа в космологии, «сильный» вариант которого требует того, что Вселенная должна была развиваться только таким образом, чтобы обусловить появление человека и — благодаря ему — «познать себя внутри себя». Легко видеть, что космологический антропный принцип самым тесным образом коррелирует с гегелевской концепцией самосознания абсолютной идеи, реализующегося в человеке.

В заключение отметим, что развиваемый здесь подход вовсе не рассматривается нами как попытка теоретико-физического обоснования религии: подобная попытка представляется нам бесплодной, ибо, по нашему мнению, научные и религиозные средства постижения реальности не могут быть объединены структурно в логическую схему: они находятся в соотношении дополнительности, и синтез религиозной и научной картин мира может быть достигнут лишь путем их соответствий, созвучий, гармонии.

Цели настоящей работы иные. Как писал А. Эйнштейн своему другу М. Соловину в 1938 году, «люди так же поддаются дрессировке, как и лошади, и в любую эпоху господствует какая-нибудь мода, причем большая часть людей даже не замечает господствущего тирана». Мы стремились обратить внимание читателя на возможность выйти из-под сохраняющейся по инерции тиранической опеки бывшей «государственной религии» — диалектического материализма.

Основная же наша цель — показать с помощью настоящего наброска наличие глубинных корреляций между современной теоретической физикой и объективным идеализмом Платона, Канта и Гегеля. При этом мы совершенно отчетливо сознаем неполноту данного эскиза, его предварительный и (хотелось бы надеяться) провоцирующий дискуссию характер.

Дата публикации: 05.01.2004