По ту сторону кванта - Леонид Пономарев

Если отвлечься от политических страстей того времени, в которое жил Галилей, становится ясно, что судили его не только за сочувствие системе Коперника. Такие же мысли столетием раньше отстаивал кардинал Николай Кузанский (1401–1464) и остался безнаказанным. Но в то время как ученый кардинал утверждал ее, ссылаясь на авторитеты, как то и подобает верующему, Галилей ту же мысль доказывал, как того требует наука, то есть предлагал проверить каждому, опираясь лишь на опыт и здравый смысл. Именно этого не могли простить ему служители церкви.

Но рухнувшую плотину веры починить уже было нельзя, и освобожденный дух стал искать новые пути для своего развития.

После долгого заточения под гнетом авторитетов бросились в другую крайность: начался период всеобщего сомнения. Сомневались во всем: в том, что чувства дают правильное представление о мире, и в том, что сознание способно уберечься от заблуждений мнений и чувств, сомневались даже в реальности своего собственного существования.

То было время, когда утратили опору в вере, но еще не обрели уверенности в разуме. Более того, казалось, что несовершенство ума отодвинуло надежды когда-либо достигнуть истины на дороге познания. Лишь постепенно разум набирал силу и шаг за шагом создал метод, который мог уберечь его от собственных ошибок.

Принципы научного знания и метод, позволяющий их осуществить, начали искать задолго до возникновения современной науки. Уже в XIII веке Роджер Бэкон в своем трактате «Opus tertium» писал:

«Существует естественный и несовершенный опыт, который не сознает своего могущества и не отдает себе отчета в своих приемах: им пользуются ремесленники, а не ученые… Выше всех умозрительных знаний и искусств стоит умение производить опыты, и эта наука есть царица наук…

Философы должны знать, что их наука бессильна, если они не применяют к ней могущественную математику… Невозможно отличить софизм от доказательства, не проверив заключение путем опыта и применения».

В 1440 году Николай Кузанский написал книгу «Об ученом невежестве», в которой настаивал, что все познания о природе необходимо записывать в цифрах, а все опыты над нею производить с весами в руках.

Утверждение новых взглядов происходило медленно. Например, хотя арабские цифры уже в X веке вошли во всеобщее употребление, но даже в XVI веке повсеместно вычисления производили не на бумаге, а с помощью особых жетонов, которые были еще менее совершенны, чем наши конторские счеты.

Настоящую историю научного метода принято начинать с Галилея и Ньютона. Согласно той же традиции Галилео Галилей (1564–1642) считается родоначальником экспериментальной физики, а Исаак Ньютон (1643–1727) — основателем теоретической физики. Конечно, в их время не было такого разделения единой науки физики на две части, не было даже самой физики — она в то время называлась натуральной философией. Но такое разделение имеет глубокий смысл: оно помогает понять особенности научного метода и, по существу, эквивалентно делению науки на опыт и математику, которое сформулировал Роджер Бэкон.

СУЩНОСТЬ И РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО МЕТОДА

Мы настолько привыкли отождествлять понятия «знание» и «наука», что не мыслим себе иного знания, кроме научного. В чем его сущность и особенности?

Сущность научного метода можно объяснить довольно просто: этот метод позволяет добыть такие знания о явлениях, которые можно проверить, сохранить и передать другому.

Отсюда сразу следует, что наука изучает не вообще всякие явления, а только те из них, которые повторяются. Ее главная задача — отыскать законы, согласно которым эти явления протекают. В разное время наука достигала этой цели по-разному.

Древние греки внимательно наблюдали явления и затем с помощью умозрения пытались проникнуть в гармонию природы силой интеллекта, опираясь только на данные чувств, накопленные в памяти.

В период Возрождения стало очевидно, что поставленная цель не может быть достигнута только с помощью пяти чувств — необходимо изобрести приборы, которые есть не что иное, как продолжение и углубление наших органов чувств. При этом сразу же возникло два вопроса: насколько можно доверять показаниям приборов и как сохранить информацию, полученную с их помощью.

Вторая задача была вскоре решена изобретением книгопечатания и последовательным применением математики в естественных науках. Значительно труднее оказалось разрешить первый вопрос — о достоверности знаний, полученных с помощью приборов. По существу, он не решен окончательно до сих пор, и вся история научного метода — это история постоянного углубления и видоизменения этого вопроса.

Довольно скоро поняли, что показаниям приборов, как правило, можно доверять, то есть они отражают что-то реальное в природе, существующее независимо от приборов. (В конце концов убедились, например, в том, что пятна на Солнце — это пятна именно на Солнце, а не дефекты зрительной трубы, с помощью которой они были открыты.) В этот период расцвета экспериментальной физики были накоплены все те знания, на основе которых в конце прошлого века произошел мощный скачок техники.

Однако объем знаний стремительно рос и в начале нашего века привел к кризису в физике. Суть его заключалась в том, что в какой-то момент люди перестали понимать, как соотносить числа, полученные с помощью приборов, к реальным явлениям в природе. Именно в этот момент решающее значение приобрела теоретическая физика.

Причин кризиса было две. С одной стороны, приборы слишком далеко ушли от непосредственных ощущений человека, и поэтому интуиция, руководствуясь их данными, не давала никакой простой картины изучаемых явлений. Тем самым были исчерпаны возможности наглядной интерпретации данных опыта.

С другой стороны, не существовало логической схемы, которая помогла бы упорядочить научные факты и без ссылок на интуицию, привести к таким наблюдаемым следствиям, против которых не мог бы возразить даже здравый смысл.

Кризис преодолели на втором пути: по-прежнему доверяя показаниям приборов, изобрели новые понятия и новые логические схемы, которые научили по-новому относиться к этим показаниям. Решающую роль в такой ломке устоявшихся понятий сыграла квантовая механика. Она не только дала нам власть над совершенно новым миром атомных явлений, но и убедила в том, что показания приборов — это не простая фотография явлений природы: они не относятся к ней непосредственно, а лишь отражают и закрепляют числами наши представления о ней.

С течением времени эти знания совершенствуются и позволяют нам правильно предсказывать все более тонкие явления природы. Факт сам по себе удивительный, и мы его, вероятно, никогда не поймем, но коль скоро он стал известен — мы его используем.

С этим согласны теперь почти все физики. Однако, как и все люди, они хотят понять больше: насколько полна картина мира, нарисованная физикой? Вопрос этот не физический, а скорее философский. Он возникал во все времена, но впервые четко был сформулирован в диалогах Платона.

Платон уподобил ученых узникам, прикованным в пещере спиной ко входу так, что они не видят света, а только тени, движущиеся на противоположной стене. Он признавал, что даже в этих условиях, внимательно наблюдая движение теней, можно научиться предугадывать поведение тех тел, чьи тени видны на стене пещеры. Но знание, приобретенное таким способом, бесконечно далеко от того полного знания, которое приобретает освобожденный узник, выйдя из пещеры.

Платону нечего возразить. Окружающий мир и в самом деле богаче того, который мы в состоянии себе представить только на основе данных физики. Слепой от рождения может в совершенстве изучить оптику, но при этом он не будет иметь ни малейшего представления о том, что такое свет и, тем более, как выглядит богатство весенних красок. Когда мы вступаем в мир атомных явлений, все мы становимся похожими на слепых от рождения. Мы начисто лишены «атомного зрения» и вынуждены двигаться в непривычном мире только ощупью.

Число подобных аналогий можно легко умножить, и каждая из них учит физиков быть скромнее. В XIX веке природу мечтали объяснить; в XX — стремятся лишь описать. Теперь мы понимаем, что вопросы о полноте физических знаний и о сущности явлений лежат вне физики и не могут быть разрешены ее средствами. Физика изучает только законы, по которым эти явления происходят. И в этом смысле она в точности следует «теории теней».

Но даже такое ограниченное знание о природе, насколько оно истинно?

ИСТИННОСТЬ И ПОЛНОТА НАУЧНОЙ КАРТИНЫ МИРА

Вопрос этот не может быть разрешен логически: мы верим в науку, поскольку она позволяет нам правильно предсказывать явления природы и не зависит от произвола познающей личности. Мы можем сомневаться в структуре ее образов — они зависят от способа общения. Но мы теперь с достоверностью знаем, что все земные и небесные тела построены из одних и тех же элементов и примерно в тех же пропорциях. Мы уверены даже, что законы природы одинаковы во всей вселенной, и, следовательно, атом натрия всегда излучает одну и ту же D-линию, находится ли он на Земле или на Сириусе. Теперь это признают почти все, и никто не сомневается в истинности этих знаний. Сомнения возникают тогда, когда мы на основании твердо установленных, но частных фактов пытаемся создать общую и непротиворечивую картину мира, согласную со всей совокупностью данных опыта и общей природой человеческого сознания. Наиболее часто возникает вопрос: насколько однозначна форма физических законов?