Философия физики: основная парадигма

На страницах данного учебника читатель неоднократно встречался с понятием интерпретационного ряда теорий или дисциплин. Мы воспользуемся этим обстоятельством для представления в концентрированном виде всей истории физики. В любой отрасли науки происходит нескончаемая сепарация теорий. Безнадежно устаревшие теории сдаются в музей истории науки. Частично устаревшие теории обновляются с учетом их более счастливых соперниц. Та теория, которая еще вчера знаменовала собой вершину человеческого знания, сегодня приобретает подчиненное значение. Именно так развивались события в физике.

Великий Аристотель еще в IV в. до н.э. написал трактат «Физика». В древнегреческом слово физика (physike) происходит от слова природа (physis). Согласно Аристотелю физика есть учение о механическом движении в природе. Такими ключевыми физическими концептами, как энергия и сила, он не владел. На протяжении 2 тыс. лег не без труда вырабатывалось понятие силы. Вплоть до Галилея ученые считали, что скорости тел пропорциональны величине силы. Но даже Галилей не умел объяснять изменение скорости тел действием сил.

Книга И. Ньютона «Математические начала натуральной философии», опубликованная в 1676 г., имела грандиозное значение для физики. Никогда ранее физические понятия не получали столь рафинированного выражения. Впервые был написан дифференциальный закон механического движения, а это означало, что, зная параметры механических явлений настоящего, можно предсказать их будущее. Отныне физики с огромной точностью предсказывали ход многих физических процессов, например движение Луны вокруг Земли. Ньютон создал классическую механику.

(Тклм);

Через 200 лет после создания классической механики стало появляться все больше свидетельств того, что классическая механика не в состоянии представить теорию релятивистских явлений, т. е. процессов, при которых физические объекты движутся со скоростями, близкими к скорости света в вакууме. Прошло несколько десятилетий, прежде чем была создана релятивистская механика (Грм). Годом ее создания считается 1905 г. Решающий вклад в создание релятивистской механики внес А. Эйнштейн.

Релятивистская механика позволила осознать многие затруднения классической механики. Но она не была в состоянии объяснить устойчивость атомов и, соответственно, дискретные оптические спектры, ныне объясняемые переходами электронов с одной орбитали на другую. Новая проблемная ситуация была разрешена в 1925 г. Усилиями большой плеяды ученых, среди которых грандиозными открытиями отметились немцы В. Гейзенберг и Э. Шрёдингер, была создана сначала нерелятивистская, а затем и релятивистская квантовая механика (Грквм).

Квантовая механика принесла с собой многие исключительно оригинальные концептуальные ходы, усваиваемые не без труда даже первоклассными физиками. Однако и она не оказалась всесильной. Физикиэкспериментаторы открывали все новые элементарные частицы, которые участвовали в различного рода превращениях. Объяснить их с позиций квантовой механики не удавалось. Новая теория, которая выявила недостатки квантовой механики, была названа квантовой теорией поля (Гквтп). Здесь физиков поджидала новая неожиданность. Оказалось, что квантовая теория поля внутренне значительно более неоднородна, чем классическая, релятивистская и квантовая механика. Физикам пришлось разделить ее на четыре региона применительно к электромагнитным, слабым, сильным и гравитационным взаимодействиям.

Первой из квантово-полевых теорий стала квантовая электродинамика, созданная в 1948—1949 гг. Основной вклад в ее развитие внесли С. Томонага, Р. Фейнман и Дж. Швингер, лауреаты Нобелевской премии по физике в 1965 г. К 1973 г. была создана последовательная квантовая теория слабых взаимодействий, причем выяснилось, что при всем их своеобразии они должны рассматриваться совместно с электромагнитными взаимодействиями. Наибольший вклад в развитие квантовой теории электрослабых взаимодействий внесли С. Вейнберг, Л. Салам, III. Глэшоу (Нобелевская премия в 1979 г.), Г. ‘т Хоофт и М. Велтман (Нобелевская премия в 1999 г.).

Квантовая теория сильных взаимодействий (квантовая хромодинамика) также была создана в середине 1970;х гг. Основной вклад в ее развитие внесли Д. Гросс, Ф. Вильчек и Д. Политцер (Нобелевская премия по физике в 2004 г.). К сожалению, до сих пор не создана полновесная квантовая теория гравитационных взаимодействий. Несмотря на эту отдельную неудачу именно квантовая теория поля является на сегодняшний день образцовой физической теорией^[1].

Рассмотренные грандиозные революции, случившиеся в физике, сформировали ее интерпретационный строй, во главе которого находится квантовая теория поля. Записать его можно следующим образом:

Как свидетельствует эта запись, содержание классической, релятивистской и релятивистской квантовой механики скорректировано с позиций достижений квантовой теории поля, которую часто называют стандартной моделью. Ряд (3.1), естественно, вобрал в себя множество научных открытий. Некоторые из них отчасти рассматривались выше, но, думается, есть резон обсудить их более детально.

В дедуктивном отношении все физические теории стартуют с принципа наименьшего действия, согласно которому действие 5, равное интегралу по времени (t) от лагранжиана L, равного разности кинетической и потенциальной энергии, всегда минимально. Записывается это следующим образом:

Содержание принципа наименьшего действия имеет первостепенное значение для характеристики физики. В кратчайшем определении физика есть совокупность теорий, возглавляемых принципом наименьшего действия. Важнейшей динамической характеристикой физики является действие, а вместе с ним также кинетическая и потенциальная энергия. Разумеется, актуальным концептом является также время, но в отличие от энергии оно считается не динамическим, а кинематическим концептом. Динамика определяет кинематику.

Другим важнейшим принципом всех физических теорий является принцип инвариантности, согласно которому все физические законы во всех инерциальных системах отсчета являются одними и теми же. Они неизменны, т. е. инвариантны.

Во всех квантво-иолевых теориях выполняются законы сохранения энергии, импульса и момента импульса, а также электрического, барионного и лептонного зарядов. В них сохраняется также так называемая СРТ-четность. Странность, очарование, истинность, прелесть, Р-четность, С-четность, CP-четность и Т-четность сохраняются в электромагнитных и сильных, но нарушаются в слабых взаимодействиях.

Во всех физических теориях руководствуются принципом детерминизма, согласно которому физические изменения вызываются определенными признаками. В классической механике такими признаками являются силы. Знаменитый второй закон Ньютона состоит в том, что силы вызывают изменение скорости и импульса, а также деформацию объектов. Указанными динамическими признаками не обладают, например, протяженности и длительности.

В релятивистской механике также используется понятие силы. Оно, впрочем, несколько модифицируется. В квантовой механике динамические факторы выступают в форме потенциалов полей. Еще более разительные модификации вводит в представление о физической детерминации квантовая теория поля. Элементарные частицы обмениваются квантами взаимодействий. Для каждого типа взаимодействий характерны особые кванты взаимодействий. Фотоны для электромагнитных взаимодействий, W⁺, W", Z° — бозоны для слабых взаимодействий, глюоны восьми типов для гравитационных взаимодействий, гравитоны для гравитационных взаимодействий. Все эти кванты взаимодействий за исключением гравитонов обнаружены экспериментально. Открытие гравитонов проблематично. Дело в том, что пока в экспериментах физики достигли энергетического масштаба порядка 10⁴ ГэВ^[2]. Для открытия гравитонов необходим масштаб порядка 10¹⁹ГэВ.

В квантовой теории поля понятие силы, которое тянет за собой шлейф классических представлений, не используется. Здесь предпочитают говорить о взаимодействии элементарных частиц посредством квантов взаимодействий. Механизм квантовых взаимодействий позволяет объяснить многие законы сохранения. За счет квантов взаимодействий происходит перераспределение динамических характеристик между объектами, но их суммарная количественная мера остается одной и той же. Указанный механизм объясняет, например, природу законов сохранения электрического, барионного и лептонного заряда.

Вплоть до XX в. физикам не был известен механизм взаимодействий. В этой связи в классической механике руководствовались принципом дальнодействия, полагая, что тела действуют друг на друга без посредников на любом расстоянии, которое преодолевается мгновенно. Считалось, что электромагнитное и гравитационное взаимодействия передаются бесконечно быстро, со скоростью равной бесконечности. Таково содержание принципа дальнодействия. По мере уточнения представлений о природе электромагнитного поля, особенно в связи с теоретическими исследованиями Дж. Максвелла и экспериментами М. Фарадея, концепция дальнодействия была поставлена под сомнение. Случилось это в 1860—1880-е гг. В противовес принципу дальнодействия стали выдвигать принцип близкодействия, согласно которому взаимодействие передается с конечной скоростью, которую, впрочем, предстояло определить. Физики разумно предполагали, что эта скорость, не будучи равной бесконечности, тем не менее, может быть сколь угодно большой.

Развитие релятивистской механики позволило сделать окончательный выбор между соперничающими концепциями далыюи близкодействия. Оказалось, что максимальная скорость передачи взаимодействий не может быть больше, чем * 3 • 10⁸ м/с. С такой скоростью движутся частицы, не обладающие массой покоя, например фотоны и нейтрино, в вакууме. Принятие принципа близкодействия и вынудило ученых заменить классическую механику Ньютона релятивистской механикой Эйнштейна. В результате произошло переосмысление многих физических концептов. Так, было выяснено, что величину не только скорости, но также протяженностей и длительностей следует определять относительно систем отсчета. В движущейся и неподвижной системах отсчета их величины неодинаковы. В классической физике считали, что от систем отсчета зависит только величина скорости, но не величины протяженностей и длительностей. Релятивистская физика не осталась без инвариантов, но многие концепты были другими по сравнению с классической физикой.

Новая проблема физиков оказалась связанной с осмыслением теплового излучения тел. По мере сокращения длин волн этого излучения полная его мощность становилась равной бесконечности (это обстоятельство было названо ультрафиолетовой катастрофой). Как показывает развитие физики, ученым то и дело приходится противостоять бесконечности! Чтобы избежать ультрафиолетовой катастрофы, М. Планк предложил считать, что энергия волн пропорциональна их частоте. Коэффициентом же пропорциональности является некоторая постоянная величина — ее назвали постоянной Планка. Наиболее часто она записывается следующим образом: h * 1,054 • 10 ³⁴ Дж • с. Предстояло понять смысл введения представления о дискретности излучений. Новой теорией и стала квантовая механика, в которой решающее значение принадлежит понятию волновой функции.

Оказалось, что при описании квантовой системы следует учитывать все возможности, которые имеются в некоторой ситуации. Делается это посредством следующего уравнения:

где |/ — волновая функция системы в целом, /_;-(г = 1,2, /?) — совокупность волновых функций, характеризующих различные возможности системы, с_1? с₂, с" — произвольные числа, выбор которых определяется лишь условием нормировки, которая представлена формулой.

Ее физический смысл состоит в том, что речь идет о частице, которая с определенной долей вероятности может проявиться в избранном для рассмотрения объеме V.

Что касается постоянной Планка, то она фигурирует в показателе волновой функции, которая для свободной частицы, движущейся вдоль оси х, записывается в следующем виде:

где i — мнимая единица, Е — энергия, t — время, р_х— импульс в направлении оси х, х— координата.

К квантовым законам приходят посредством формулы.

л.

Ее смысл состоит в том, что действие оператора А позволяет выявить его собственные значения а. Физические величины, например энергия, импульс и протяженность, выступают в форме операторов. Концептуальное своеобразие квантовой механики выражается прежде всего волновой функцией, в показателе которой содержится постоянная Планка. Запишем ее как f_fr

Становление и развитие квантовой теории поля также было связано с чередой принципиальных новаций^[3]. Вместо понятия волновой функции стали использовать концепт операторно-значимой функции. В квантовой электродинамике был развит метод перенормировки, который позволил избавиться от бесконечных значений некоторых операторов. Квантовая теория слабых взаимодействий потребовала введения представления о спонтанном нарушении симметрии. Квантовая хромодинамика состоялась во многом благодаря понятию асимптотической свободы. Принципиальное значение имело введение операторов рождения и гибели частиц (а⁺, а).

С учетом прироста концептуального потенциала физических теорий ранее записанный ряд можно записать следующим образом:

Его вид, который мы представили в нарочито упрощенной форме, свидетельствует о том, что более развитая теория содержит потенциал для.

интерпретации менее совершенной концепции. Квантовая теория поля вобрала в себя потенциал и квантовой релятивистской, и релятивистской, и классической механики. В ее свете становятся очевидными недостатки теорий и способы их нейтрализации. Так, с позиций квантовой теории поля классическое представление о силах бедно, поскольку оно не принимает во внимание рождение и поглощение частиц.

Выводы

• 1. Физическое знание отмечено многими вехами впечатляющих концептуальных открытий. Такими вехами стали развитие принципа наименьшего действия, принципов инвариантности, принципа близкодсйствия, понятия волновой функции, понятия операторов рождения и гибели частиц, концепции перенормировки, понятия спонтанного нарушения симметрии и асимптотической свободы.
• 2. В полном соответствии с теорией концептуальной трансдукции проблематизации сменяются инновациями и последующими корректировками частично устаревших теорий. В результате этих операций был выработан интерпретационный строй современной физики, который возглавляется квантовой теорией поля.
• 3. Физика — это совокупность физических теорий, объектами которой являются электромагнитные, слабые, сильные и гравитационные взаимодействия. Ее важнейшими принципами являются принципы наименьшего действия, инвариантности и детерминизма.

• [1] Квантовой теорией поля пыталась составить конкуренцию физика бутстрапа. Ееглавная идея, развитая Дж. Чу, заключается в том, что субатомные частицы динамическисоставлены друг из друга таким образом, что каждая включает все другие. Ни одна из частицнс является более фундаментальной, чем другая. Эта идея в 1970;е гг. в значительной степени исчерпала себя. Более успешной соперницей квантовой теории поля ныне считаетсятеория струн. Однако и ей, не обладающей должным экспериментальным подтверждением, квантовая теория поля пока не уступает свое лидирующее положение в физике.
• [2] Гигаэлектронвольт (ГэВ) — 1 млрд электронвольт. Один электронвольт равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точкамис разницей потенциалов в 1 Вольт.
• [3] Канке В. А. История, философия и методология естественных наук., 2014.С. 158−197.