Читать онлайн «За пределами мозга». Страница 17

Согласно теории относительности, пространство не трехмерно, а время не линейно; ни то, ни другое не является отдельной сущностью. Они теснейшим образом переплетены и образуют четырехмерный "пространственно-временной" континуум. Поток времени не равномерен и не однороден, как в ньютоновской модели, он зависит от позиции наблюдателей и их скорости относительно наблюдаемого события. Более того, в общей теории относительности, сформулированной в 1915 году и окончательно еще не подтвержденной экспериментально, утверждается, что присутствие массивных объектов влияет на пространство-время. Вариации гравитационного поля в разных частях Вселенной оказывают искривляющее действие на пространство, что заставляет время течь в различном темпе.

Любые измерения в пространстве и времени относительны, больше того, сама структура пространства-времени зависит от распределения материи — поэтому различие между материей и пустым пространством исчезает. Ньютоновское понятие о твердых материальных телах, движущихся в пустом пространстве с эвклидовыми характеристиками, теперь значимо только в "зоне средних измерений". В астрофизике и космологии понятие пустого пространства не имеет смысла, а развитие атомной и субатомной физики разрушило представление о твердой материи.

История субатомных исследований начинается на рубеже веков с открытия рентгеновских лучей и радиоактивных элементов. Опыты Резерфорда с альфа-частицами продемонстрировали, что атомы не являются твердыми и неделимыми единицами материи, а состоят из огромных пустот, в которых мелкие частицы — электроны — движутся вокруг ядер. При изучении атомарных процессов ученые столкнулись с несколькими парадоксами, возникавшими всякий раз, когда они пытались объяснить новые данные в рамках традиционной физики. В 20-х годах интернациональная группа физиков, в которую входили Нильс Бор, Луи Де-Бройль, Вернер Гейзенберг, Эрвин Шредингер, Вольфганг Паули и Поль Дирак, добилась успеха в поисках математического описания субатомных процессов.

Концепция квантовой теории и ее философские приложения воспринимались непросто, несмотря на то, что математический ее аппарат адекватно отражал рассматривавшиеся процессы. "Планетная модель" рассматривала атом как пустое пространство с мельчайшими частицами материи, а квантовая физика показала, что даже эти частицы не вещественны. Выяснилось, что у субатомных частиц очень абстрактные характеристики и парадоксальная, двойственная природа. В зависимости от организации эксперимента они проявляют себя иногда как частицы, а иногда как волны. Такая же двойственность наблюдалась при исследованиях природы света. В некоторых экспериментах свет проявлял свойства электромагнитного поля, в других же представал в форме отдельных квантов энергии, фотонов, не имеющих массы и всегда движущихся со скоростью света.

Тот факт, что один и тот же феномен проявляется и как частица, и как волна, конечно, нарушал аристотелевскую логику. Форма частицы подразумевает сущность, заключенную в малом объеме или в конечной области пространства, тогда как волна распространяется по огромным областям пространства. В квантовой физике эти два описания взаимоисключительны, но равно необходимы для полного понимания рассматриваемых явлений. Это нашло свое выражение в новом логическом приспособлении, которому H. Бор (Bohr, 1934; 1958) дал название принципа дополнительности.

Этот новый упорядочивающий принцип не разрешает парадокс, а только вводит его в систему науки. В нем принимается логическое противоречие двух аспектов реальности, взаимоисключающих и в то же время одинаково необходимых для исчерпывающего описания явления. Согласно Бору, это противоречие является результатом неконтролируемого взаимодействия между объектом наблюдения и наблюдательными средствами. В области квантовых взаимодействий не может быть речи о причинности и полной объективности в обычном их понимании. То, как разрешилось в квантовой теории кажущееся противоречие между понятиями частицы и волны, поколебало самые основы механистической теории. На субатомном уровне материя не существует с определенностью в данном конкретном месте, а скорее "проявляет тенденцию к существованию", внутриатомные события не происходят с определенностью в определенное время определенным способом, а скорее "выказывают тенденцию случаться". Эти тенденции могут быть выражены как математическая вероятность с характерными волновыми свойствами.

Волновую картину света или субатомных частиц не следует понимать буквально. Под волнами подразумеваются нетрехмерные конфигурации, а математические абстракции или "волны вероятности", отражающие вероятность обнаружения частицы в данное время и в данном месте. Квантовая физика таким образом предложила научную модель вселенной, резко контрастирующую с моделью классической физики. На субатомном уровне мир твердых материальных тел распался на сложную картину волн вероятности. Более того, тщательный анализ процесса наблюдения показал, что субатомные частицы не имеют смысла как отдельные сущности; их можно понять только как взаимосвязи между подготовкой эксперимента и последующими измерениями. Поэтому волны вероятности представляют собой в конечном счете не вероятности конкретных вещей, а вероятности взаимосвязей.

Исследование субатомного мира не закончилось открытием атомных ядер и электронов. Сначала атомная модель была расширена до трех "элементарных частиц" — протона, нейтрона и электрона. По мере совершенствования техники эксперимента и создания новых приборов число частиц продолжало расти, в настоящее время они исчисляются сотнями. В ходе экспериментов стало ясно, что завершенная теория субатомных явлений должна включать не только квантовую физику, но и теорию относительности, так как скорость частиц часто близка к скорости света. Согласно Эйнштейну, масса никак не связана с веществом, а является формой энергии; их соотношение выражено в его знаменитом уравнении: Е = мс2. Потрясающим следствием теории относительности явилось экспериментальное подтверждение того, что материальные частицы могут создаваться из чистой энергии и опять превращаться в чистую энергию при обратном процессе. Теория относительности коренным образом повлияла не только на концепцию частиц, но и на картину силовых взаимодействий между ними. Взаимное притяжение и отталкивание частиц при релятивистском описании рассматривается как обмен другими частицами. Следовательно, истоком силы и материи теперь считаются динамические паттерны, называемые частицами. Известные в настоящее время частицы не могут подвергаться дальнейшему делению. В физике высоких энергий, где используются процессы столкновения, материя может делиться многократно, но не на более мелкие части; осколки являются частицами, созданными из энергии процесса столкновения. Субатомные частицы являются, таким образом, разрушимыми и неразрушимыми одновременно.

Теория поля справилась с классическим различением материальных частиц и пустоты. Согласно теории гравитации Эйнштейна и теории квантовых полей, частицы неотделимы от пространства, которое их окружает. Они представляют собой не что иное, как сгущение непрерывного поля, присутствующего во всем пространстве. Теория поля предполагает, что частицы могут спонтанно возникать из пустоты и снова исчезать в ней.

Открытие динамического качества "физического вакуума" является одним из самых важных в современной физике. Вакуум находится в состоянии пустоты, ничтожности, и, тем не менее, потенциально он содержит все формы мира частиц.[13]

Обзор достижений современной физики будет неполон, если не упомянуть о радикальной школе мышления, имеющей особое значение для нашего дальнейшего обсуждения — о так называемом «шнуровочном» (Bootstrap) подходе Джеффри Чу (Chew, 1968). Он разрабатывался специально только для одного типа субатомных частиц — адронов, но своими следствиями представляет всестороннее философское понимание природы.

Согласно "шнуровочной философии", природу нельзя редуцировать к каким-либо фундаментальным сущностям вроде элементарных частиц или полей; она должна пониматься целиком в своей самодостаточности. В итоге, вселенная — это бесконечная сеть взаимосвязанных событий. Ни одно из свойств какой-либо части этой сети не является элементарным и фундаментальным; все они отражают свойства других ее частей. Вселенная не может рассматриваться — как это происходит в ньютоновской модели и производных от нее концепциях — в виде ансамбля сущностей, не поддающихся дальнейшему анализу и априорно данных.

"Шнуровочная" философия природы не только отрицает существование базисных составляющих материи, она вообще не принимает никаких фундаментальных законов природы или обязательных принципов. Все теории естественных явлений, включая законы природы, считаются здесь созданиями человеческого разума. Они являются концептуальными схемами, представляющими более или менее адекватные приближения, и их не следует смешивать с точными описаниями реальности или с самой реальностью. История физики двадцатого столетия — непростой процесс; он включает не только блестящие достижения, но и концептуальную путаницу, драматичные человеческие конфликты. Физикам потребовалось много времени, чтобы отказаться от базисных установок классической науки и согласованного взгляда на реальность. Новая физика повлекла за собой не только смену понятий материи, пространства, времени и линейной причинности, но и признание того, что парадоксы составляют существенный аспект новой модели Вселенной. Уже после того, как математический аппарат теории относительности и квантовой теории был завершен, принят и усвоен главным направлением науки, физики по-прежнему далеки от единодушия в вопросах философской интерпретации и метафизических приложений этой системы мышления. Только в отношении квантовой теории существует несколько интерпретаций ее математического аппарата (Jammer, 1974; Pagels, 1982).