Kitabı oxu: «Границы физики»

Предисловие

Что такое «физический» взгляд на Мир? Чем он отличается от подходов других ученых и специалистов гуманитарного профиля? Что такое вообще физическая наука? Имеет ли она национальную окраску? Насколько физика толерантна к смежным дисциплинам естественнонаучного направления? Такого рода вопросы редко задаются в научно-популярной литературе, хотя и обсуждаются философами и историками науки. Само здание физической науки настолько обширно и так тесно окружено техническими науками, применяющими физические методы в своих целях, что прочертить границы, отделяющие физику и не-физику, не так-то просто. Стиль физического мышления зачастую не понимают даже представители ближайших к ней дисциплин. В качестве примера приведем некоторый анекдотичный случай, произошедший с научным тандемом Физик + Математик, работавшим над решением сложной задачи. Однажды утром Математик приходит к Физику и радостно сообщает: «Я доказал, что наша задача имеет решение!». Физик недоуменно: «Да, если бы я хоть на секунду в этом усомнился бы, то и не стал бы ею заниматься!». Он не понимает радости Математика, который доказал, что задача поставлена правильно и их деятельность не бессмысленна. Но и Математик не понимает хода мысли Физика, для которого задача очевидно имеет решение, а если математическая постановка задачи не допускает получения решения, то надо «просто» что-то изменить в математике. Математики часто пеняют физикам на недостаточную обоснованность и не строгость их подхода, путеводной звездой для которого является их физическая интуиция, представляющаяся математикам весьма наивной и поверхностной.

Процесс формирования физической науки был достаточно быстрым, еще пару веков назад она находилась в ясельном возрасте. В первой главе мы кратко обсуждаем процесс её «дистилляции» из западной натурфилософии. Вторая глава посвящена обзору пространственно-временных горизонтов физики на современном этапе и содержит беглый обзор «загоризонтных» представлений и прогнозов. Кроме стандартной подборки сведений из астрономии, космологии, квантовой физики, теории поля и даже геологии, сообщается ряд пока мало известных фактов о современном понимании природы физических горизонтов. Третья глава посвящена обзору междисциплинарных связей физики и её месте в общем фронте познания человеком Мира. Обсуждаются непростые взаимоотношения физики с математикой и инженерными науками. Четвертая глава рассматривает взаимоотношения Физики, Разума, Бога, какими они представляются с точки зрения автора (физика, математика, атеиста) как в исторической перспективе, так и в настоящее время, когда делаются попытки не только их примирения, но и строительства чисто физических моделей Разума. В пятой главе обсуждаются этические и моральные устои физики и то насколько условными они оказываются в исторической перспективе. Особое внимание уделяется моральным коллизиям истории создания и применения ядерного оружия. Шестая глава посвящена обсуждению вечного и назойливого спутника науки – антинауки. Физика не является исключением: её антагонист – «парафизика» – в безнадежных попытках предстать в образе некоей «альтернативной науки» рядится как в траченные молью астрологические балахоны, так и в современные модные математические одежды. В седьмой главе обсуждается топология пространства физического знания, скорость движения фронтира познания в прошлом и в наше дни, очевидное сегодня замедление скорости прироста научного знания и возможные перспективы завершения физической науки. Для удобства читателей в конце книге приведен краткий и весьма поверхностный словарь используемых специальных терминов и аббревиатур, задача которого только сориентировать читателя в направлении дальнейших поисков. В библиографическом списке указаны обзорные работы для дальнейшего чтения, в том числе и ссылки на книги автора, где приведено более развернутое изложение узловых моментов из истории физической науки и обзор её современных достижений.

Глава 1
Что такое Физика?

Все науки делятся на две группы – на физику и коллекционирование марок.

Эрнест Резерфорд

1.1 Общие контуры

Все (имеющие хотя бы начальное школьное образование) вроде бы знают, что такое физика. Для получения строгого определения можно заглянуть в словари и энциклопедии, где прочитать что-нибудь вроде: «Физика – область естествознания: наука о наиболее общих законах природы, о материи, её структуре, движении и правилах трансформации. Понятия физики и её законы лежат в основе всего естествознания. Является точной наукой». Возникают вопросы: что такое материя? Все, что неточно, – это не физика? А все естествознание – это набор частных неточных следствий физики? Философы такие взгляды клеймят как физикализм, согласно которому всё, что существует, является физическим или производно от физического, а все проблемы, не поддающиеся редукции к физике, рассматриваются лишёнными научного смысла. Высказывание Резерфорда, приведенное выше, – это крайний пример физикализма.

Другой крайностью является определение: «Физика – это то, чем занимаются физики». Несмотря на шуточность такого определения, оно позволяет найти центр Физики как центр масс всего коллектива физиков не только в географическом смысле, но и в распределении по разделам физической науки. Если использовать данные Википедии, то к началу 21 века в Азии отработало 55% всех физиков мира (в том числе в СССР 49%), в Европе 23%, в США и Канаде 20%, во всем оставшемся мире 2%. Примерное распределение ныне работающих на «околофизической ниве» дает карта НИОКР.

Медиана такого распределения физиков при проецировании на поверхность Земли окажется в пределах Европы. Если же посмотреть распределение по разделам физической науки, то центр Физики окажется внутри «физики твердого тела», вокруг которой сегодня группируются основные инновационные технологические приложения.

Даже люди, прикасавшиеся к Физике только в рамках школьного курса, знают, что это комплекс наук, но плохо представляют, как они складываются в единое целое, что является ядром, а что периферией и где лежат границы, отделяющие её от остального естествознания. Здание Физики им представляется похожим на стандартный панельный дом, а не на храм науки, как его видят физики-популяризаторы. Структура такого панельного здания просто повторяет структуру последовательности в которой излагался школьный курс.

Здание Физики глазами школьника

Выпускники физических университетов уже лучше представляют архитектуру здания физической науки, понимают, где находится её центр, где периферия, но не всегда могут отделить фундаментальные направления развития от просто модных течений, а чисто технологические достижения от по-настоящему глубоких результатов. Дальние периферии физической науки, такие как физика плазмы, биофизика, физика моря и многие другие ветви физического знания, представляя огромный практический интерес и заслуживающие того, чтобы посвятить им свою будущую научную жизнь, развивают прикладные направления и плавно переходят в еще более обширное множество технических наук, где широко применяются физические методы, но которые тем не менее не являются собственно физикой. Это не только техническая механика, сопромат, материаловедение, газо- и аэродинамика, теплофизика, физхимия, и т. п., но и такие модные направления, как квантовые компьютеры, защита информации и прочие приложения парадоксальной квантовой теории. Конечно, последние приложения нынче на слуху даже у нефизической аудитории и для их реализации требуются первоклассные физики-экспериментаторы, владеющие всем современным технологическим арсеналом средств, но пока их достижения больше напоминают спортивные (сколько кубитов реализовано в компьютере, насколько далеко удалось проложить квантовую связь, как долго сохраняется когерентность и т. п.). В целом структура Физики по мнению студента-выпускника, имеет такой вид:

Здание Физики глазами студента-физика

МЖГ – механика жидкости и газов, СТО – специальная теория относительности, ОТО – общая теория относительности, ФТТ – физика твердого тела, ФВЭ – физика высоких энергий.

Историки физики по-иному видят строение здания Физики. Они не только изображают его в виде могучего древа дисциплин, на расходящихся ветвях которого начертаны имена корифеев, внесших решающий вклад в их развитие, но и рисуют переплетение различных ветвей, их объединение и поглощение. Типичную картину такой архитектуры Физики можно увидеть на нижеприведенном рисунке объединения фундаментальных взаимодействий, которое началось с работ Фарадея и Максвелла в середине 19 века и до сих пор до конца не завершено. Исторический взгляд (растущее дерево) подчеркивает незавершенность здания науки и условность его изображения.

Оставим на время попытки дать адекватный облик всей Физики (они подобны фотографиям, которыми украшают обложки книг в попытках не только польстить авторам, но и вызвать к ним доверие со стороны читателей) – перейдем к человеческому измерению Физики, то есть приведем краткие биографические сведения о её родителях, близких родственниках и далеких потомках. Это поможет нам понять её дух, стиль жизни, видение себя в кругу других наук. Уподобление науки историческому персонажу носит двоякий характер – ведь Физика не только занята поиском базовых законов окружающего нас Мира, но и в массовых количествах производит людей, имеющих специфический взгляд на действительность. Не все из них становятся профессионалами, работающими в физико-технических областях, но они представляют собой ценнейший людской ресурс для всех сфер человеческой деятельности, поскольку понимают природу законов физики, границы её применимости и имеют высокий уровень компетенции не только в узкой профессиональной области. Известно, что китайцы с древности и до 1911 года определяли пригодность человека для занятия ответственного поста мандарина (чиновника) путем экзаменов по литературе независимо от того, каким видом деятельности ему предстояло заниматься (командовать войсками, управлять гидротехническими сооружениями или быть министром сельского хозяйства). Считалось, что одаренный человек, способный преодолеть препоны сложнейших экзаменов, может решить любые управленческие проблемы в любой области. Не впадая в китайскую крайность можно предположить, что и в наше время выпускники физических факультетов университетов могли бы становиться мандаринами не только в технических областях (пока что они чаще всего реализуют свой потенциал в частном бизнесе).

1.2 Генеалогия Физики

Перинатальный период формирования Физики, как и всех других наук, теряется во тьме веков, а вот место и время её рождения известно – это Греция 4-го века до нашей эры (конец периода, называемого историками «эпохой греческого чуда» (с 8-го по 5-й век до н. э.) – чуда рождения европейской науки). Греческая наука с самого начала была наукой теоретической – её целью было отыскание истины, постижение устройства мира рациональным путем, построение логических схем мироздания. Эта особенность греческой науки не могла быть заимствованной, поскольку такого подхода к знаниям в мире тогда (нигде, кроме Греции) не существовало. «Матерью» будущей физики и её сестер стала греческая философия, «отцом» которой («дедом» Физики) традиционно называют основателя первой древнегреческой философской школы – мудреца Фалеса из города Милета в Малой Азии, жившего в конце 7-го и начале 6-ого веков до нашей эры. С учения этой «милетской школы» начинают отсчет историки европейских наук, не только математики, астрономы, физики, географы, метеорологи, но даже биологи и психологи. Им же открывается список «семи мудрецов» древней Греции, который составляли еще в античные времена (состав списка менялся, но всегда начинался с него). Сама греческая философия представляла собой смесь житейских наблюдений, космологических мифов (как греческих, так и соседей по ближневосточной Ойкумене – Египта и Месопотамии), приправленную соусом из спекулятивных построений греческих мудрецов.

Для физики самой важной было гипотеза Фалеса о существовании единой материальной первоосновы, из которой построен весь Космос. Таким первоэлементом для него была вода. В дальнейшем на роль первоэлемента предлагали другие «стихии». Так, Анаксимен в качестве первоначала всего сущего определил воздух, «пироман» Гераклит строил весь Мир только из огня, который, как и весь Мир, «непрерывно изменяется». Более высокого уровня абстракции достигает Анаксимандр – он считает, что то, из чего возникают частные формы бытия, не может быть сведено к одной из этих стихий. Согласно ему, начало и основу Мира составляет не вода, огонь или какая-нибудь другая конкретная стихия, а нечто неопределенное – «апейрон» (дословно: бесконечный, безграничный), который все сам из себя порождает, сам из себя выделяет «производящие начала». Однако эта конструкция была слишком абстрактна для современников и вершина греческой мысли Аристотель (384–322 гг. до н. э.), который и нарек родившуюся малышку «Физикой» (от φυσις – «природа»), вернулся к конструированию стихий из четырех первоэлементов – «качеств» – по формулам:

Тепло + Сухость = Огонь;

Тепло + Влажность = Воздух;

Холод + Сухость = Земля;

Холод + Влажность = Вода.

Другой важной для будущего темой, которую обсуждали греческие мыслители, был вопрос о существовании пустоты («относительного небытия») разделяющей всё сущее на множество элементов. Возможно ли бесконечное деление окружающих объектов на части, или этот процесс оканчивается на каком-то уровне, приводя к неделимым далее элементам, которые так и стали называли «атомами» (дословно: – неделимыми). Атомистическую гипотезу предложил Левкипп (5-й век до н. э.) и развил его ученик Демокрит (460–370 до н. э.), противоположной точки зрения придерживался Анаксагор (500–428 до н. э.) – основоположник афинской философской школы. Греческие мудрецы выдвигали все умозрительно возможные варианты и яростно дискутировали с оппонентами. Это было еще одним нововведением в греческой философии, являющееся следствием демократического устройства многих греческих полисов. Демократия «по-гречески» (идеал – все равны и у каждого по два раба) приводила к словопрениям, когда надо было убедить окружающих в своей правоте не силой оружия, а силой аргументов, то есть возникла необходимость доказывать свои утверждения. Затем практика из юриспруденции перетекла в математику, породив идею математического доказательства (индийские математики, например, не доказывали свои геометрические построения, а делали чертеж и писали просто: «Смотри!»). В будущем из идеи математического доказательства возникнет идея физического доказательства, то есть понятие экспериментальной проверки утверждений, а в Новое время и идея мысленного эксперимента. Современная механика базируется на трех понятиях – «пространстве», «времени» и «материальной точке». Все эти понятия в неявном виде были нащупаны в древнегреческой физике – натурфилософии, оставалось сложить пазл и построить рациональную теорию Мира. Первую такую теорию предложил Аристотель – величайший греческий мыслитель, гением которого была озарена вся последующая история Запада. Его труды охватывают многие предметы, включая физику, биологию, зоологию, метафизику, логику, этику, эстетику, поэзию, театр, музыку, риторику, психологию, лингвистику, экономику, политику, метеорологию, геологию и государственное управление. Его называют отцом логики, биологии, политологии, зоологии, эмбриологии, естественного права, научного метода, риторики, психологии, реализма, критики, индивидуализма, телеологии и метеорологии. Можно считать, что и «Физика» его дочь.

Основным принципом его физики был телеологизм – все процессы и явления в мире имеют цель. С точки зрения Аристотеля, «Бог и природа ничего не делают напрасно». Все существует ради какой-то конечной цели, все так или иначе конечно. Актуальной бесконечности ни внутри нашего мира, ни за его пределами нет. Мир – конечен. Он один – единственный в своем роде. Он сферичен, шарообразен. Строя законы движения на основе натурфилософии с её элементами-стихиями, он приписал каждому элементу свое специфическое движение. Каждый элемент тянется к своему естественному месту – для земли и воды, как тяжелых элементов, характерно движение от периферии к центру мироздания – Земле. Для воздуха и огня характерно обратное движение, от центра к периферии. Движение возможно только тогда, когда на тело действует сила, двигающая эти объекты к их естественному месту. Что является характерным для движения всех четырех элементов? Оно является прямолинейным и в этом отношении конечным. Весь наш «подлунный мир» есть результат взаимодействия элементов между собой. Время – это есть мера или число движения в отношении предшествующего и последующего моментов, то есть ощущение времени возникает тогда, когда те или иные состояния объектов меняются. По Аристотелю, время и место не являются ни вещами, ни физическими константами. Строго говоря, ни времени, ни места – нет. Атомов нет, так как из атомистического учения следует, что атом движущийся с определенной скоростью в определенном направлении, будет продолжать свое движение бесконечно или до момента столкновения с другим атомом (фактически здесь атомисты закладывали прообраз будущего первого закона Ньютона). Пустоты, в которой должны были бы двигаться атомы, тоже нет, так как в пустоте (где нет никаких сил) скорость любого тела должна стать бесконечно большой, что недопустимо, следовательно – мир континуален (каждая точка пространства заполнена материей). Попав в капкан ошибочных гипотез (отрицание пустого пространства, понимания силы как причины движения) Аристотель был вынужден придумать нелепую (на современный взгляд) теорию движения, согласно которой брошенное тело подталкивается далее средой, пришедшей в движение от броска (эта теория продержалась на Западе до 16-того века!). Но это все о «подлунном мире», а как устроены небеса? Здесь Аристотель был вынужден придумать еще один элемент мироздания – пятую («quinta» – квинта) стихию или сущность («essentia» – эссенция) как её потом называли латинские авторы, «квинтэссенцию». Сам он назвал её («αἰθήρ» – эфиром) – разреженным воздухом, которым дышали боги Олимпа. Эфир – пятый элемент, не смешивается с остальными элементами, не обладает весом и его естественное движение – это вечное круговое вращение. Пятый элемент сразу взяли на вооружение пифагорейцы, которые давно обнаружили пятое платоново тело – додекаэдр, но скрывали это от непосвященных, так как не могли сопоставить ему стихию, чего требовало их мистическое учение.