Законы сохранения

Рассмотренный принцип причинности находит свое выражение в обобщающей философской категории "закон". Так что же такое закон? В философском энциклопедическом словаре читаем "Закон - внутренняя существенная и устойчивая связь явлений, обусловливающая их упорядоченное изменение. На основе знания закона возможно достоверное предвидение течения процесса. Понятие закона близко к понятию закономерности, которая представляет собой совокупность взаимосвязанных по содержанию законов, обеспечивающих устойчивую тенденцию или направленность в изменениях системы. Вместе с тем закон выражает одну из сторон сущности, познание которой в теории совпадает с переходом от эмпирических фактов к формулировке законов изучаемых процессов" [3,455]. Как уже отмечалось, закон есть существенный, устойчивый, необходимый, воспроизводящийся тип связи. Хотя по своей форме законы являются продуктом человеческого знания, но по своему содержанию они выражают объективную реальность мира.

С точки зрения объективного идеализма закон есть выражение мирового разума, воплощенного в природе и обществе. С позиции субъективного идеализма закон есть привнесенность в реальный мир природы и общества достижений разума мыслящего субъекта. В действительности закон как особый тип связи мира имеет объективное содержание и субъективное восприятие этого содержания.

Особое значение имеет вопрос о классификации законов. Она осуществляется по разным основаниям.

По сфере действия законы подразделяются на универсальные, или всеобщие (законы развития, закон гравитации, закон сохранения энергии), и частные (закон естественного отбора, законы общественной жизни).

По содержанию выделяют законы строения, функционирования и развития. Первые выражают коррелятивные связи в системных образованиях, вторые вскрывают область причинной и системной детерминации, третьи демонстрируют сферу преимущественно причинной детерминации.

По форме своего проявления законы подразделяются на вероятностные и динамические. Под вероятностью понимают «меру объективной возможности, степень возможной реализации данного события при данных условиях и при данной закономерности». Вероятность предполагает существование причинности. Наступление событий в той или иной форме каждый раз требует для своего возникновения причины, «действующей в связке с одним второстепенными событиями приводит к одному результату, а с другими к другому». Используя статические закономерности в изучении реального процесса можно оценить вероятность наступления того или иного события.

Вероятность - объективная характеристика событий. «Теория вероятности связывает вероятность с устойчивой частотой повторяемости событий». Повторяемость же объективно находится в закономерностях массовых явлений.

С помощью статистических и динамических закономерностей можно выразить определённую связь физических явлений. При этом и динамическая, и статистическая закономерность есть частная сторона этой взаимосвязи и взаимообусловленности.

Часто возникает ситуация, когда закон сохранения требует выхода за пределы конкретных теоретических знаний и включения в анализ более обобщенных. В математике это принцип Гёделя, который гласит: «Каждая логическая система, настолько богатая, чтобы содержать формализацию арифметики, либо ω-противоречива, либо содержит некоторую неразрешимую (хотя и истинную) формулу, т.е. такую формулу, что в данной системе ее нельзя ни доказать, ни опровергнуть (хотя с помощью дополнительных средств, выходящих за рамки этой системы, можно показать ее истинность), иными словами, любая данная ω-непротиворечивая система указанного типа (синтаксически и семантически) неполна и даже непополнима» [4].

Таким образом, эта теорема утверждает принципиальную невыразимость или невозможность вербализации (т.е. ненаблюдаемость) математических объектов (или объектов математического, да и любого другого, мышления).

Каждый шаг вперед в науке требует поиска нового обобщенного признака, позволяющего вновь сформулировать принцип сохранения, или, говоря другими словами, абсолютен не тот или иной принцип сохранения, а абсолютна сама идея сохранения без которой невозможно построить ни одну физическую теорию.

Исключительно важную роль играет открытие Ю.Майером закона сохранения энергии.

Этот закон уходит своими корнями в древность, он интуитивно служил человечеству начиная с первых шагов построения знаний о природе. Можно даже утверждать, что наука началась с момента проявления закона (точнее принципа, идеи) сохранения. В закон эта идея превратилась после формулирования конкретных законов сохранения – закона сохранения энергии, электрического заряда, массы, импульса, момента импульса, странности, четности и т. д. Общий закон сохранения конкретизируется в виде частных физических законов сохранения, но закон сохранения энергии, по утверждению Р. Фейнмана, самый абстрактный и содержится во всех остальных законах сохранения таких как закон сохранения энергии, массы, импульса, момента импульса, электрического заряда в неявном виде.

М.Фарадей назвал этот закон высшим физическим законом, а Р.Фейнман утверждал, что “из всех законов сохранения этот закон самый трудный и абстрактный, но и самый полезный”[5,59]. По мнению Фейнмана, во многих физических законах содержится в зашифрованном виде закон сохранения энергии. История физики показывает, что нет никаких оснований сомневаться в истинности этого закона, и если что-либо, как кажется, противоречит ему, то “обычно оказывается, что не закон ошибочен, а просто мы недостаточно знаем явление” [5,64].

Общий закон сохранения, конкретизируемый в виде различных частных физических законов сохранения, лежит в основе единой физической картины мира. В этом смысле “поиски законов физики — это вроде детской игры в кубики, из которых нужно собрать целую картинку. У нас огромное множество кубиков, и с каждым днем их становится все больше. Многие валяются в стороне и как будто бы не подходят к остальным. Откуда мы знаем, что все они из одного набора? Откуда мы знаем, что вместе они должны составить цельную картинку? Полной уверенности нет, и это нас несколько беспокоит. Но то, что у многих кубиков есть нечто общее, вселяет надежду. На всех нарисовано голубое небо, все сделаны из дерева одного сорта. Все физические законы подчинены одним и тем же законам сохранения”[5,70-71].

С развитием физического знания увеличивается число конкретных законов сохранения различных физических величин. Так, в физике микромира открыты законы сохранения барионного заряда, лептонного заряда, четности, странности. В структуре физических теорий появляются новые формы выражения сохранения — инвариантность. К таким формам относится, в частности, принцип унитарности в квантовой теории, который, по мнению Н.Ф.Овчинникова, представляет собой современную формулировку принципа сохранения материи. Особое место занимает так называемый принцип инвариантности научных законов, имеющий ярко выраженную методологическую окраску. Теория относительности требует соблюдения инвариантности физических законов относительно определенных преобразований. Согласно Е.Вигнеру, инвариантные принципы играют роль законов. Их функция состоит в том, чтобы наделять структурой законы природы или устанавливать между ними внутреннюю связь, “так же как законы природы устанавливают структуру или взаимосвязь в мире явлений” [6,23].

Таким образом, с развитием физической науки принцип сохранения обогащает свое содержание. Как методологический принцип он отражает тенденцию, стремление познания к раскрытию неизменных элементов. В каждом конкретном случае данный принцип требует искать соответствующую конкретную неизменяющуюся величину — некоторую физическую константу, или инвариантное отношение. Учитывая все это, Н.Ф.Овчинников предложил свою классификацию законов сохранения, которые он называет принципами сохранения. По степени общности они могут быть разделены на общие и частные. К первому классу относятся принципы, которые соответствуют известным сегодня классам физических взаимодействий: принципы сохранения движения (энергии, импульса, момента импульса), электрического заряда, унитарности и т.п. Ко второму классу можно отнести принципы с ограниченным действием, допускающие нарушения в определенных ситуациях: принципы сохранения изоспина, четности, странности и др.

Принципы сохранения могут быть генерализуемыми и редуцируемыми. В процессе развития физической теории некоторые общие принципы сохранения редуцируются в частные. Однако имеются такие общие принципы (например, принцип сохранения энергии и вообще движения), которые всегда генерализуются, так что всякое “нарушение” дает повод для дальнейшего их обобщения. Но до тех пор пока обобщение не сделано, предполагается, что этот принцип нарушен. “Такая судьба,— утверждает Н.Ф.Овчинников,— может постигнуть и принцип сохранения энергии. Но если этот принцип есть генерализуемый принцип, то он получит новое обобщение и в такой обобщенной форме останется в классе общих принципов. Имеются все основания думать, что принцип сохранения энергии — это генерализуемый принцип” [7,127].

Разумеется, отдельные принципы сохранения нельзя не считать относительными, неполными, незавершенными истинами, так как нельзя исключить возможность того, что будут открыты явления, им противоречащие. Абсолютны не сами принципы сохранения, а идея сохранения. “Абсолютность принципов сохранения,— пишет Н.Ф.Овчинников,— не в том, что тот или иной принцип не допускает сомнений в своей общности и в абсолютной строгости на вечные времена, а в том, что всякий общий принцип сохранения при его возможном нарушении в некоторой области природы заменяется другим принципом, соответствующим этой области. Можно сказать, что абсолютен не тот или другой конкретный закон сохранения, а абсолютна идея сохранения: ни одна область природы не может не содержать устойчивых, сохраняющихся вещей, свойств или отношений, и соответственно ни одна физическая теория не может быть построена без той или иной сохраняющейся величины”[7,127].

В зависимости от объекта или величины, которые сохраняются, можно выделять принципы сохранения вещей, свойств и отношений. Согласно Н.Ф.Овчинникову, одним из величайших открытий в истории физики является открытие сохранения отношений. И когда говорят о сохранении природных законов, выражающих существенные отношения, выделяют специальный класс принципов сохранения — класс инвариантных принципов.

Далее, классификацию можно проводить в зависимости от математической формы сохраняющейся величины. С этих позиций принципы подразделяют на несколько классов, и здесь своеобразный класс составляют фундаментальные константы. Как отмечает Н.Ф.Овчинников, обычно не принято называть фундаментальные константы принципами сохранения. Но поскольку постоянная Планка и скорость света играют фундаментальную роль в квантовой теории и теории относительности, “можно с полным правом сказать, что они имеют функции принципов сохранения в структуре этих теорий. Ясно, что фундаментальные постоянные представляют собой своеобразный класс принципов сохранения. Для всех принципов сохранения характерны два решающих признака: сохранение физической величины и, второе, фундаментальность этой величины. Оба эти признака здесь налицо. В обычном принципе сохранения инвариантная величина сохраняется при определенных преобразованиях. А фундаментальные константы сохраняются по отношению ко всем преобразованиям, которые могут существовать в данной теории” [7,134].

Из сказанного можно сделать вывод, что фундаментальная постоянная Планка — та, которая соответствует квантовым переходам и неопределенности в микромире, которая представляет собой физическую основу принципа дополнительности Бора, — указывает на сохранение. Действительно, каков смысл постоянной Планка? Быть может, эта общая идея о том, что фундаментальные постоянные выражают сохранение, проливает новый свет на проблему осмысления “квантовой ситуации”, возникшей в физике с введением постоянной Планка? Еще в 1928 г. Эйнштейн поставил задачу раскрыть смысл константы и подчеркнул, что “с принципиальной точки зрения реализация этой программы составляет содержание важнейшего направления развития новой теоретической физики” [8,109].

Принципы сохранения можно классифицировать в зависимости от вида симметрии, так как между сохранением и симметрией существует фундаментальная связь. Известно, что симметрии преобразования времени соответствует закон сохранения энергии. Симметрическое преобразование пространства отвечает закону сохранения импульса, изотропность пространства — сохранению момента импульса. Всякой симметрии соответствует некоторый закон сохранения. Тогда если постоянная Планка указывает на сохранение, то какая симметрия ей соответствует? Какую симметрию подсказывает эта константа? Может быть, объединение методологических принципов в систему, что мы в дальнейшем попытаемся сделать, поможет дать ответ на этот вопрос. Во всяком случае, понимание постоянной Планка как сохранения может стать тем звеном в системе, которое позволит систематизировать методологические принципы симметричным образом.

Наконец, необходимо отметить тесную связь между принципом сохранения движения (энергии, импульса, момента импульса) и принципом причинности. Известно, что идеи причинности и детерминизма сыграли большую роль в развитии физического знания. В квантовой теории вопрос о детерминизме был поставлен особенно остро. Поскольку соотношение неопределенностей в принципе запрещает абсолютно точно определять характеристики движения, микромир предстает перед нами на первый взгляд индетерминистским. Появилась возможность думать, что в мире атомов причинность нарушается, что имеется некая “свобода воли”. Такая интерпретация связана с принятием аксиомы “причина равна действию” (“causa equat effectum”), которой руководствовался Майер, когда открыл закон сохранения силы. Согласно Майеру, силы суть причины и для них справедлива указанная аксиома. В качестве основы закона причинности он и сформулировал закон сохранения силы, называемый сейчас законом сохранения энергии.

Подобная позиция является исходной и для Н.Ф.Овчинникова. С его точки зрения, принципы причинности и сохранения энергии настолько тесно связаны, что их можно принять за эквивалентные. Максимальная общность принципа сохранения и превращения энергии проявляется в том, что он показал ограниченность принципа причинности. До тех пор закон причинности был основным принципом объяснения природных явлений, но после этого таким основным принципом стал принцип сохранения и превращения энергии. Нарушения принципа сохранения и превращения энергии означали бы и нарушения принципа причинности в природе. И наоборот: нарушения принципа причинности означали бы нарушения принципа сохранения и превращения энергии. Открытие новых форм закона сохранения энергии может привести к открытию новых форм причинных связей в природе [7,86].

Принцип сохранения энергии справедлив не только по отношению к известным превращениям форм движения — ему подчинены и другие, неизвестные сейчас формы движения и их превращения. Исследуя эти новые формы движения и превращения материи, можно будет открыть новые формы данного закона, неизвестные сегодня. Такого рода открытия могут быть восприняты вначале как нарушения закона сохранения энергии. Поиск таких нарушений плодотворен, так как он может привести к открытию новых принципов. Есть, однако, основания думать, что такого рода нарушения закона сохранения энергии, если они будут обнаружены, приведут к обобщению этого закона, потому что основное, общее содержание закона получит новое подтверждение [7, 85-86].