Абстрактное мышление и представление в физическом познании природы

 

 

В квантовой теории в очень рельефной форме решается на почве физики вопрос о взаимоотношении абстрактного мышления и представления в познании истины. Проблема эта в физике—если применять терминологию современных авторов—выступает в форме взаимоотношения абстрактно-логического (математического) и наглядного, или математического аппарата (формализма) теории и наблюдаемых в опыте данных (описываемых посредством нашего обычного языка).

Уже в классическом естествознании существовала названная проблема. Ньютон, который мыслил физическую теорию построенной, по образу и подобию геометрии Эвклида, утверждал вместе с тем: «...Геометрия основывается на механической практике и есть не что иное, как та часть общей механики, в которой излагается и доказывается искусство точного измерения» [16, стр. 2].

 

Развитие геометрии — как свидетельствует ее история и прежде всего переломные годы этой истории, когда вопрос об отношении геометрической теории к объективной реальности приобретал сугубую остроту,— не замыкалось исключительно в сфере абстрактно-логического. И если Гауссу не удалось подтвердить измерениями идей неэвклидовой геометрии, то это сделала по-своему и на более высоком уровне развития математики и физики теория Эйнштейна.

 

Самому Эйнштейну в аспекте рассматриваемой проблемы о взаимоотношении абстрактного и наглядного в познании объективной реальности принадлежит идея, имеющая для физики существенно философское значение. Она заключается в том, что само по себе абстрактнологическое ничего еще не говорит об объективно реальном; абстрактно-логическое (математическое) лишь з связи с наглядным, т. е. единство логического (математического) и наглядного (а не каждое из них, взятое произвольно порознь), отражает объективно реальное и является предметом проверки на опыте [17, стр. 86]. Эта глубоко диалектическая идея отклоняет с самого начала конвенционалистскую и позитивистскую схему решения поставленной проблемы. Она получила дальнейшее обобщение в работах физиков по квантовой механике [18].

 

Вообще говоря, физическая теория в своей логически развитой, или замкнутой, форме охватывает свой объект как бы сразу в двух планах: представления и мышления. Экспериментальные средства — эти своего рода продолжения человеческих органов чувств — дают чувственно воспринимаемые данные об исследуемых явлениях, а с помощью математического аппарата теории эти данные поднимаются на уровень теоретических обобщений, которые отражают связи и законы исследуемых явлений. С этой точки зрения физические понятия предстают как результаты синтеза чувственного и абстрактного познания. Ни одна физическая теория, которая отражает (или должна отражать) объективную реальность, не может обходить необходимость нахождения связи ее математического аппарата с показаниями экспериментальных средств: вне этой связи, т. е. без раскрытия физического смысла математических абстракций, не существует физической теории. Философское обоснование этого заключается в том, что природа, с которой имеет дело естествознание, есть движущаяся материя, а познание материн невозможно, если она не воздействует (прямо или косвенно, через экспериментальные средства) на человеческие органы чувств. Другими словами, не существует «объективного мира формул» без отношения к «наглядности»; в физической теории ее абстрактная (математическая) часть и ее, так сказать, наглядная часть необходимо связаны одна с другой. Борн, утверждая, что, по мнению материалистов, допустим «объективный мир формул без отношения к наглядности» [19, стр. 444], излагает неверно позицию материалистов.

 

В классической механике физические понятия обычно представляют непосредственные обобщения понятий, возникших в повседневном опыте (абстракции, так сказать, первого уровня). Они образуются таким путем, когда физик переходит от показаний экспериментальных средств к математическим понятиям, связывая эти показания и понятия между собой по определенным правилам.

 

Возможен и противоположный путь образования физических понятий, когда физик от математических абстракций в уравнениях теории переходит к воспринимаемым показаниям экспериментальных средств. Он встречается в классических теориях, когда исследуемые объекты или явления непосредственно не воспринимаются органами чувств; примером может служить понятие напряженности поля в теории электромагнетизма Максвелла. Но типичным этот путь является для неклассических теорий. Так, в квантовой механике сначала было' сформулировано волновое уравнение с волновой функцией, а потом уже был найден физический смысл последней.

 

В каждой замкнутой физической теории (классической механике, классической теории электромагнетизма, теории относительности, например) существует свой математический аппарат, или формализм (в классическом формализме фигурируют числа и векторы, в формализ Me теории относительности — четырехмерные векторы и тензоры, в квантовом формализме — операторы определенного класса). Каждому формализму (каждой теории) оДнечают свои специфические правила связи его математических понятий с показаниями экспериментальных средств. Эти правила должны входить в систему принципов определенной теории. Во всех этих различиях (математических аппаратов теорий и соответствующих им правил связи) выражаются качественные различия законов (область медленных движений, область быстрых движений и электромагнитных явлений, мир явлений атомного масштаба и т. д.).

 

При переходе от математических понятий в уравнениях классической механики к наблюдаемым данным не возникает и не может возникнуть никаких парадоксов (при условии, если уравнения рассматриваются в пределах их применимости). Это определяется тем, что наблюдаемые данные описываются посредством классических понятий, а уравнения классической механики были найдены после установления связи математических понятий с показаниями экспериментальных средств.

 

При переходе от математических понятий в уравнениях квантовой механики к наблюдаемым данным неизбежно появляются парадоксы. Источником их являются определенные обстоятельства. Во-первых, квантовая механика, как физическая теория, не может обойти классические понятия, ибо только посредством их описываются наблюдаемые в опыте данные (с которыми должны связываться понятия квантового формализма).

 

Во-вторых, квантовый формализм должен отразить свойства и поведение микрообъектов, которые по своей природе отличаются от «классических» частиц и «классических» волн, но это он может сделать только через классические понятия, выработанные на почве исследования макроскопического мира.

 

Развитие квантовой механики, как физической теории, позволило разрешить эти парадоксы. Логика такого решения представляет с точки зрения диалектики большой интерес. Разбор относящихся сюда вопросов сводится к анализу проблемы: каким образом возможно выразить физический смысл понятий квантового формализма, обращаясь к данным (или результатам) наблюдения. которые описываются посредством классических понятий? Здесь физические понятия поднимаются нй высший уровень абстракции по сравнению с понятиями классической физики.

5.            Проблема элементарности частиц

 

Эту проблему коротко рассмотрим в настоящем последнем параграфе [20]. В доквавтовой физике проблема элементарности частиц решалась, как известно, следующим образом: в фундаменте материи находятся стабильные, неделимые, обладающие способностью сколь угодно точной локализации в пространстве и времени частицы, которые образуют структуру более сложных форм материи. В химии в какой-то мере осуществилась эта идея; в ней так или иначе была реализована гипотеза Проута: химические элементы состоят из водорода,— только роль последнего играет заряд атомного ядра, определяющий число электронов в оболочке атома и место элемента в периодической системе Менделеева.

 

В связи с открытием современной физикой обилия элементарных частиц с их различного типа взаимодействиями и целым набором разнообразных квантовых свойств вновь возникла проблема элементарности. Может ли она быть решена так, как принято было решать эту проблему до открытия элементарных частиц, или же здесь необходимы новые подходы? Для уяснения ситуации следует учесть, что нельзя, например, рассматривать стабильные, без внешнего воздействия не распадающиеся частицы (к ним относятся протон, электрон, фотон и нейтрино) в качестве истинно элементарных, а все остальные элементарные частицы (метастабильные и резонансы) , претерпевающие самопроизвольные распады, считать -сложными. Так, нейтрон не состоит из протона, электрона и антинейтрино, хотя, будучи в свободном состоянии, нейтрон распадается на эти три частицы.

 

Представляется разумным проблему элементарности свести к наличию некоторой последовательности уровней материи, в которой каждый из них является «элементарной» ступенью для последующего высшего уровня и «сложной» ступенью для предшествующего глубокого уровня. Такого рода идея иерархии элементарности нань ла одно из своих воплощений в ньютоновой концепции М&терйй как системы частйц последовательно увеличивающейся степени сложности и находит в определенной мере выражение также в современном понимании строения материи.

 

Действительно ли идея иерархической системы строения материи служит ключом к проблеме элементарности в современной физике?

 

Пусть последовательность уровней имеет начало с «элементарной» стороны. Тогда материя будет представляться как упорядоченная совокупность элементарных частиц и систем (частиц) различной степени сложности, состоящих в последнем счете из тех же элементарных частиц. Перед нами, таким образом, вариация классической атомистики. В современных концепциях элементарных частиц своеобразным выражением этой вариации может служить схема японского физика Саката трех фундаментальных частиц — протона, нейтрона и Л-гипе-рона (к ним присоединяются еще их античастицы), из которых строятся все сильно взаимодействующие частицы. Следует, однако, иметь в виду, что в схеме Саката по существу речь идет не столько о трех частицах-кирпичиках, сколько о трех законах сохранения электрического заряда, барионного числа и странности, имеющих место в процессах сильного взаимодействия.

 

Не так давно Гелл-Манн и Цвейг вернулись вновь к представлению о трех фундаментальных частицах, изменив и уточнив схему Саката. Выяснилось, что квантовые числа этих частиц (они были названы «кварками») должны быть дробными. Понятно, что только эксперимент может решить вопрос о существовании кварков.

 

Пусть теперь последовательность уровней материи бесконечна (т. е. не имеет начала) с «элементарной» стороны, причем эта бесконечность представляет постоянно возвращающийся переход от сложного к элементарному и обратно. Согласно этому допущению, «элементарность» объектов есть нечто только относительное, объекты же сами по себе представляются чем-то сложным. Мы приходим к мысли, что не существует «элементарных» объектов как таковых, т. е. что материя не состоит из элементарных частиц.

 

Многие современные физики придерживаются так или иначе этого взгляда на материю. Так, Р. Хофштадтер, открывший структуру нуклона, полагает, что «поис ки все меньших и более фундаментальных частиц будут продолжаться до тех пор, пока человек сохранит жажду знания» [21, стр. 206].

 

Высказанные выше замечания об элементарном и сложном похожи по своей логической сути на вторую антиномию Канта: существует только простое или то, что сложено из простого (тезис); вообще в мире нет ничего простого (антитезис) [22, стр. 410—411]. Кант из своих рассуждений сделал агностические выводы. Диалектическая критика (Гегель, марксистская философия) исправила рассуждения Канта и привела к разрешению его антиномий. Нам думается, что принципы диалектики позволяют наметить подход к проблеме элементарности, который не допускает понятия чисто относительной элементарности и также исключает точку зрения классического атомизма. Этот подход полностью отвечает тенденциям развития физики элементарных частиц.

 

Бесконечная последовательность уровней материи представляет собой, как указал еще Энгельс, различные узловые пункты, обусловливающие различные качественные формы существования всеобщей материи. С этой точки зрения материя не есть только элементарные частицы и их соединения, а также не есть только субстанция, не состоящая из элементарных частиц; материя в целом обладает одновременно свойствами и элементарного, и сложного.

 

В классической физике имеются основания отвлекаться от единства элементарного и сложного и рассматривать их обособленно друг от друга (и такое понимание подтверждается опытом). В квантовой физике ситуация в принципе меняется. Коренится это в том обстоятельстве, что чем дальше проникает физика в глубь материи, тем сильнее должно сказаться в ее теории открытие взаимопревращаемости всех элементарных частиц. В современной атомистике выступает на переднее место понятие «превращения одного в другое», в плане которого проблема элементарности и сложности ставится и разрешается совершенно иначе, нежели в классической атомистике (в которой превращение понимается в конечном итоге как «соединение и разъединение некоторых неизменных частиц»).

 

Понятия элементарного и сложного в применении к элементарным частицам теряют свою абстрактную про тивоположность друг другу и тем самым свой буквальный смысл. Элементарные частицы не элементарны в классическом смысле; они похожи на классические сложные системы, но они не являются этими системами. В элементарных частицах сочетаются в едином противоположные свойства элементарного и сложного, т. е. элементарная частица одновременно и элементарная сущность и система.

 

Соответственно применительно к элементарным частицам изменяет свой смысл и понятие «состоять». Уже в ядерной физике понятие «состоять» испытывает некоторую метаморфозу.

 

Особенно бросается в глаза изменение понятия «состоять» в применении к частицам-резонансам. Например, частица А (1520) может распадаться либо на 2 и я, либо на А и х_, и, наконец, на А и два я, но это совсем не означает, что частица А (1520) «состоит» в буквальном смысле из тех частиц, на которые она «распадается».

 

Этим примером подчеркивается, что «элементарность» и «сложность» присущи взаимодействующим элементарным частицам не самим по себе, безотносительно к условиям, в которых совершаются их превращения, а в органической связи с этими условиями.

 

Чтобы участвующая во взаимодействии частица могла распадаться, необходимо выполнение определенных законов сохранения, которые в данном случае выступают в качестве условий возможности распада. В -сильных взаимодействиях, например, могут осуществиться только те распады, в которых исходная и образовавшаяся совокупности частиц обладают одинаковыми значениями всех сохраняющихся квантовых чисел. Для фактического осуществления возможности распада исходная частица должна иметь полную энергию (энергия покоя + кинетическая энергия), по крайней мере равную сумме полных энергий частиц, на которые она должна распасться, т. е. должен выполняться закон сохранения энергии.

 

Таким образом, взаимодействующую частицу нельзя считать элементарной или сложной без отсылки к полным энергиям всех участвующих в реакции частиц. В этом смысле понятия «элементарное» и «сложное» в применении к элементарным частицам представляют собой относительные понятия. Это понимание элементарности Не имеет ничего общего с пониманием элементарности в смысле чистой относительности. «Чисто относительная элементарность» немыслима без дополнительного утверждения: объект сам по себе сложен. С точки зрения, которая здесь развивается, дело обстоит, как мы видели, совсем по-другому. Относительность «элементарности» и «сложности» элементарных частиц аналогична относительности размеров тела и длительности процесса в теории Эйнштейна или относительности корпускулярных и волновых характеристик в квантовой механике, несмотря на различное содержание этих «относительностей». Без относительности в этом смысле нельзя было бы применять с необходимыми уточнениями классические понятия для описания тех явлений природы, которые не укладываются и которые вообще нельзя уложить в классические теории.

 

В заключение остановимся на понятии структуры в физике элементарных частиц.

 

Понятие структуры неотрывно от понятий множества и элемента, т. е. от понятия прерывности. Но, как доказано материалистической диалектикой, понятие прерывности едино со своим противоположным понятием — непрерывностью, т. е. противоположность этих понятий не абсолютна, как допускается метафизической философией. Квантовая теория пошла в этом принципиальном вопросе по пути диалектики: в квантовой механике корпускулярные (относящиеся к прерывности) и волновые (относящиеся к непрерывности) понятия рассматриваются в их внутренней связи.

 

Дух единства корпускулярных и волновых представлений, так сказать, сошел и на понятие структуры в квантовой физике. Специфически квантовые понятия виртуального процесса, виртуального состояния, виртуальной частицы имеют непосредственное отношение к проблеме структуры элементарных частиц.

 

В этой плоскости представляют большой интерес замечания В. Б. Берестецкого о композиции сильно взаимодействующих частиц. Он различает понятие «состоит» и понятие «составимо». Если, например, утверждается: «ядро состоит из нуклонов», то подразумевается, что, во-первых, ядро с квантовыми числами А и Z можно образовать из Z протонов и (А—Z) нейтронов и, во-вторых, дефект массы ядра мал. Но есть системы, для кото рых выполняется первое положение, а второе — не выполняется. В этом случае, указывает В. Б. Берестецкий, вместо «состоит» будем говорить «может быть составлено», или «составимо»; например, нестранные мезоны со-ставимы из нуклонов и антинуклонов [23, стр. 396].

 

В этой схеме те частицы, из которых составима система, являются виртуальными частицами. Для них, как говорят, закон сохранения энергии не имеет места, или, правильнее, вопрос о применимости к ним понятия сохранения энергии лишен смысла. С этой точки зрения элементарные частицы входят в другие элементарные частицы не в реальном виде, а в виртуальном состоянии; другими словами, элементарные частицы имеют виртуальную структуру.

 

Понятие виртуальной структуры частицы довольно давно выработано в квантовой теории. Начало его лежит в идее, что взаимодействующая частица есть источник поля, кванты которого переносят взаимодействие. При взаимодействии частицы обмениваются виртуальными квантами поля; нуклон, например, обладая барионным зарядом, порождает и поглощает виртуальные я-мезо-ны — кванты ядерного поля.

 

Можно показать, что в сильном.взаимодействии вероятность порождения сразу двух и больше я-мезонов достаточно велика. В результате нуклон в среднем по времени оказывается в атмосфере из виртуальных я-ме-зонов. Эта атмосфера виртуальных мезонов (она имеет определенные размеры) и нуклон неотделимы друг от друга, и с этой точки зрения следует сказать, что нуклон имеет я-мезонную структуру.

 

Нуклон является источником, кроме я-мезонов, также /(-мезонов. Соответствующие рассуждения приводят к выводу, что нуклон порождает /(-мезоны с образованием гиперонов. Помимо я-мезонов и /(-мезонов для нуклона возможно также порождение виртуальных нуклон-анти-нуклонных пар. Они также вносят свой вклад в общую виртуальную структуру нуклона.

 

Итак, нуклон обладает виртуальной структурой вследствие его взаимодействия с другими элементарными частицами. В нуклоне совершаются виртуальные процессы: нуклон часть времени пребывает в состоянии нуклона с я-мезонами, часть времени — в состоянии гиперона с /(-мезонами, часть времени — в состоянии нуклона с па рами нуклон-антинуклон. Суперпозиция различного роДй множеств виртуальных частиц (различных виртуальных структур) и дает общую структуру нуклонов, которую возможно наблюдать в опыте.

 

Структура нуклона наблюдалась впервые в опытах Хофштадтера по рассеянию быстрых электронов на протонах. Структура нуклона из виртуальной становится реальной благодаря передаче энергии нуклону движущимися электронами. В опытах доказано, что протон рассеивает электроны таким образом, как если бы его заряд распределялся в пространстве, а не так, как если бы протон был заряженной точечной частицей.

 

В свете этих идей о структуре элементарных частиц большой философский интерес вызывает так называемая гипотеза «зашнуровки» (bootstrap), высказанная Чу и Фраучи. По этой гипотезе каждая сильно взаимодействующая частица помогает создавать другие частицы, которые в свою очередь образуют ее самое. Таким образом, современный атомизм меньше всего требует, чтобы многообразие известных частиц было сведено к немногим элементарным сущностям или, наоборот, чтобы элементарные сущности вообще были изгнаны из научного обихода. Элементарные частицы, образуя глубочайший известный ныне уровень материи, сочетают воедино свойство прерывного (частиц) и непрерывного (полей). Виды элементарных частиц отличаются друг от друга, и вместе с тем они — одно; эта особенность уровня элементарных частиц делает его непохожим на более высокие уровни материи, при рассмотрении которых при определенных условиях можно отвлекаться от органического единства прерывного и непрерывного.

 

Подводя итог, необходимо еще раз подчеркнуть, что современная квантовая теория насыщена трудностями и парадоксами; физики еще не нашли конкретных научных подходов, которые привели бы к успеху, хотя эти поиски усиливаются и становятся все более разнообразными по идеям и методам. Нужны новые фундаментальные идеи и принципы, которые в их связи с эмпирическим материалом позволили бы отобразить мир элементарных частиц.

 

Неисчерпаемость элементарных частиц, их взаимопревращаемость, диковинность их свойств служат опорой диалектического материализма, который, в свою очерёдь, даст современной физике и естесФвозйаййю в целом необходимую философскую основу для правильного понимания и разрешения возникающих трудностей и парадоксов.

Категория: Философия | Добавил: fantast (22.09.2019)
Просмотров: 23 | Рейтинг: 0.0/0