28989-1 (Физика и философия)

Физика и философия

Введение

Данная работа представляет собой реферат по работе Вернера Гейзенберга “Физика и философия”, опубликованной в книге “Физика и философия. Часть и целое” издательства “Наука”, Москва, 1989г. сс. 1-150.

Работа В. Гейзенберга посвящена широкому кругу вопросов современной физики в контексте философии. Здесь, все же, не обошлось без некоторых количественных выражений и формул, но только самых основных, без которых многие важные утверждения оказались бы голословными.

Кроме того, в работе довольно много повторений. Это связано с тем, что работа представляет собой более или менее связанный набор лекций, прочитанных В. Гейзенбергом в одном теологическом европейском институте. В связи с этим реферат так же не несвободен от повторений, хотя составитель реферата пытался их избегать, насколько это возможно.

В. Гейзенберг стоял у истоков квантовой теории, был одним из ее авторов, лично знал таких великих людей XX в. как Макс Планк, Альберт Эйнштейн, Нильс Бор. Все эти ученые перевернули незыблемо существовавшие три века представления о пространстве, времени, материи. Но не просто перевернули на словах, а практически доказали справедливость собственных рассуждений. В свете последнего, можно уверенно заявить, что В. Гейзенберг не просто физик, а еще и весьма авторитетный философ, значимость которого ничуть не ниже других известных философов XIX - XX вв.

Роль достижений современной физики в наши дни

В настоящее время достижения научно-технического прогресса стали определяющими фактором в жизни человечества. По мнению В. Гейзенберга, знания и методы современной физики имеют определяющее значение на политическую ситуацию в мире, а также на мировоззрение человека.

Успехи в области использования внутриядерной энергии в применении к созданию ядерного оружия определяют политическое влияние отдельных стран на весь мир. Достижения прогресса наделяют огромной властью их владельцев.

Под влиянием успехов физики мировоззрение европейского человека в существенной степени отошло от религиозной направленности в свете новых взглядов.

Распространение физических представлений и физики как науки в мире, является, по мнению В. Гейзенберга, сложным по своей сути процессом. С одной стороны научное знание интернационально – факты в контексте теорий могут истолковываться только единообразно в различных культурах, а с другой стороны картина мира, предлагаемая современной физикой, может войти в противоречие с религиозными и традиционными представлениями по таким вопросам, как пространство, время, движение, материя. В современном мире происходит настоящая ломка традиционных подходов к этим вопросам, и поэтому, В. Гейзенберг считает, что наиболее правильным путем достижения понимания сложившейся ситуации, является исторический экскурс в прошлое. Проследив историю развития человеческого мировоззрения, мы можем логично подойти к сложившейся ситуации, так как она возникла не случайно, но как результат всего предыдущего опыта.

История квантовой теории

В. Гейзенберг начинает описание истории развития квантовой теории с того момента, когда возникли противоречия в применении методов классической механики для объяснения некоторых фактов, о которых кратко будет сказано ниже.

На рубеже XIX и XX веков Рэлей и Джинс пытались объяснить с позиций классической механики хорошо известный факт, заключающийся в том, что при нагревании тела независимо от его цвета, оно начинает светиться цветом зависящим от температуры. Сначала тело светится красным, далее оранжевым, потом при еще большем повышении температуры белым цветом. Представления классической механики, применяемые к объяснению данного факта, приводили к противоречиям с наблюдениями. Кроме того, классическая механика была абсолютно не в состоянии объяснить устойчивость атомов в свете планетарной модели, бытовавшей в то время.

Стало ясно, что надо менять теорию.

Макс Планк, немецкий физик, попытался объяснить наблюдаемые явления на основе некоторых соотношений, казавшихся ему верными. В. Гейзенберг обращает наше внимание на то, что поначалу данные соотношения М. Планка имели характер догадок, причем сам М. Планк продолжал их анализировать. Физический смысл этих соотношений был неясен даже самому М. Планку! Оказалось, что М. Планк говорил о новой физической реальности – квантованности энергии, которую может поглощать или испускать атом. Дело в том, что по предположению М. Планка значение энергии атома не континуально, а прерывисто. После открытия М. Планка, В. Гейзенберг представляет читателю массу экспериментов, направленных на подтверждение или опровержение новой теории. Кроме практических экспериментов физики ставили так называемые мысленные эксперименты, которые не могут быть проведены только лишь в связи с техническими трудностями. На протяжении четверти века, как отмечает автор, теория была чрезвычайно противоречива. Существовали попытки свести найденные факты к классическим представлениям, что само по себе очень хорошо характеризует человеческое мышление, которое было зажато в рамки классической механики на протяжении нескольких столетий.

Кроме того, формировалось несколько самостоятельных теорий.

Во-первых, это представления Бора, давшие начало “матричной механике”. Здесь уже происходит отказ от традиционной планетарной модели атома, и серьезнейшим образом формализуются утверждения теории. Матричная механика, в отличие от классической, объясняла устойчивость атомов.

Во-вторых, это представления Де Бройля о соответствии всякой элементарной частице волны. Развитие этим представлениям дал немецкий физик Э. Шредингер. Основную трудность в понимании, как отмечает В. Гейзенберг, представляло собой это самое “соответствие”. Например, как может свет, поток фотонов, быть одновременно волной? Эксперимент, как ни странно, указывал на дуалистическую природу света. Позднее Шредингер показал эквивалентность своих исследований с “матричной механикой”. Тем не менее противоречия в волновом и корпускулярном представлении электронов и света оставались неразрешенными.

Настоящий успех достигнут к 1924-26 гг. В физику вводится понятие волны вероятности. Вот как это описывает В. Гейзенберг: “Она (волна вероятности – прим. составителя) означала нечто подобное стремлению к определенному протеканию событий. Она означала количественное выражение старого понятия “потенция” аристотелевской философии”.

Введение вероятностных представлений в физику дало совсем иное понимание процессов микромира. Несмотря на это нововведение, классические представления не утратили своего значения. Теперь для применения классической или квантовой теории обозначились четкие границы. На самом деле, как пишет В. Гейзенберг, классические представления не совсем точно соответствуют природе.

Так одновременно сколь угодно точно определить координату и импульс частицы невозможно. Произведение этих неопределенностей имеет порядок постоянной Планка. Проблема состоит в том, что в отличие от прежних представлений, когда исследователь и его инструменты никак (или почти никак) не влияли на результаты эксперимента, исследование микромира производится другими объектами того же микромира. Например, чтобы определить координату электрона, необходимо, чтобы он провзаимодействовал с фотоном, иначе мы никак не получим информации. Это взаимодействие существенно изменит координату электрона. Аналогичная ситуация с импульсом. В микромире описание процессов возможно лишь на вероятностном уровне.

Копенгагенская интерпретация квантовой теории

Данная глава в книге В. Гейзенберга представляет собой, по его же словам, наибольшую трудность в понимании для неспециалистов.

Ключевым моментом квантовой теории с ее вероятностными представлениями является элемент субъективности в познании атомных процессов. В классической теории представляется возможным описать поведение системы, в процессе ее движения из одного состояния в другое, на основании начальных условий и законов движения. Субъект полностью отделяется от системы. Классическая теория претендует на достижение идеала научности XIX в. в смысле полной объективности.

Квантовая теория признает недостаточность наших знаний в связи с неточностями в определении физических характеристик. Вероятный исход наблюдения, следующего за некоторым данным наблюдением, зависит от факта самого данного наблюдения. Это связано с тем, что измерительные приборы привносят изменения в микромире, что фактически определяет ту самую неточность знания, о которой говорилось выше. Таким образом, каждый новый факт (результат измерения, наблюдения) изменяет функцию вероятности.

В. Гейзенберг, тем не менее, подчеркивает, что квантовая теория, насколько это возможно, соответствует идеалу научности в смысле объективности. Ведь в квантовой теории результаты не зависят от того, как знание входит в сознание исследователя, что указывало бы на необъективность теории. Необходимо лишь помнить, что в силу неопределенности наше знание вероятностно, неточно.

В этой же главе В. Гейзенберг представляет мысль Бора о дополнительности. Дополнительность примиряет противоречащие друг другу позиции корпускулярной и волновой картин, говоря о том, что в зависимости от ситуации, определяющейся предметом исследования (излучение или фотоэффект – прим. составителя.) одна из картин дает более правильные результаты. Обе картины не противоречат, а дополняют друг друга.

В используемом речевом языке невозможно говорить о том, что объяснения одного и того же явления с волновой и корпускулярной позиции не противоречат друг другу, но их математический аппарат непротиворечив. Математический формализм гибок и формулы одной картины преобразуются в формулы другой.

Квантовая теория и истоки учения об атоме

В следующей главе своей книги В. Гейзенберг представляет обзор античных философских позиций по вопросу бытия и атомного строения вещей.

Первым ввел понятие материи (субстанции) греческий философ Фалес в VI веке до н. э., считая, что этой материей является вода. Фактически это было первое материалистическое учение античности.

Другой философ Анаксимандр, ученик Фалеса, отрицает возможность воде быть первоматерией и считает, что первоматерия есть некое бытие, несхожее ни с каким веществом. Существует вечное движение по превращению форм бытия.

Анаксимен, полагал, что первоматерия это воздух. Данный взгляд мало чем отличался от взгляда Фалеса.

По мнению В. Гейзенберга ближе всего к современному взгляду физики на мир был Гераклит. Гераклит в качестве первоматерии называл огонь. В самом деле, как будет показано далее, найденное Эйнштейном соотношение массы и энергии позволяет четко себе представить огонь – энергию в современном понимании – как первопричину всего сущего.

Далее В. Гейзенберг продолжает описание античнофилософских воззрений. Эмпедокл рассматривает все сущее с позиций четырех элементов: земли, воды, огня и воздуха. Движущие силы – любовь и вражда. Плюрализм – наличие нескольких элементов в качестве субстанциональных – преодолевает трудности монизма в объяснении многообразия окружающей действительности. Остается нерешенным вопрос о возможности преобразования элементов друг в друга.

Анаксагор доходит до предела в плюралистическом мировоззрении и утверждает о том, что вещи состоят из “семян”. Существует бесконечное множество “семян”, которые в разном соотношении и по-разному взаимно расположены в вещах. Многообразие мира вещей объясняется с позиции количественного и позиционного различия в их “семенном” составе.

По мнению автора до перехода к атомистическим концепциям оставался только один шаг. Этот шаг был осуществлен греческими философами Левкиппом и Демокритом. Они ввели понятие атома, вечного неразделимого и не обладающего никакими специфическими свойствами. Атомы движутся в пустоте, что так же важно, поскольку по современным представлениям, пишет В. Гейзенберг, пустота – необходимый атрибут материи. Пустота, по теории относительности Эйнштейна, определяет геометрию пространства и является условием всякого движения.

В. Гейзенберг представляет читателю также неатомистические взгляды Платона. Платон соединил онтологичность чисел пифагорейцев и элементы Эмпедокла, поставив во взаимное соответствие элементы и правильные геометрические фигуры. Важно, что элементы сопоставлены с математическими абстракциями, а сами элементы преобразуются друг в друга путем преобразования соответствующих им правильных фигур. Правда Платон не указывает, что он имеет в виду под соответствием правильных фигур и элементов – то ли это действительная форма элементов, огня, например, в виде квадрата, то ли это некоторое другое соответствие в мире идей.

В. Гейзенберг завершает эту главу сопоставлением современной ему физической картины мира и взглядов античных философов. Элементарные частицы – протоны, нейтроны, электроны и другие вполне соответствуют “атомам” Демокрита. По современным автору представлениям элементарные частицы материальны и составляют любое вещество. Есть некоторое отличие в понятии неразложимости этих “атомов”. При столкновении этих частиц они распадаются на другие частицы. Но, что самое интересное, эти частицы тоже элементарные частицы, а не части первых.

По аналогии с концепцией элементов (огонь, земля, вода, воздух) в качестве единственного элемента, огня, выступает энергия.

Самое интересное, как отмечает В. Гейзенберг, является то, что Платон так же имел отдаленную, но в общих чертах правильную тенденцию рассматривать элементы вместе с их геометрическими идеями. Дело в том, что уже создано, пока на качественном уровне, единое уравнение материи. Собственные решения этого уравнения суть элементарные частицы.

Развитие философских идей после Декарта в сравнении с современным положением в квантовой теории