Исторические предпосылки признания неклассической физики

Выше было показано, что неклассическая физика, включающая теорию относительности и квантовую физику, не была реальным выходом из кризиса, не решала проблем, породивших этот кризис, а лишь формально устраняла, обходила их. Возникает вопрос, почему же, несмотря на всё это, научное сообщество пошло именно по такому противоестественному пути выхода из кризиса? Кроме того, на первый взгляд, совершенно непонятно, почему неклассическая физика всё же работает до сих пор, почему ярко не обнаружилась её противоречивость, как в случае с классической физикой?

На последний вопрос ответить легко. С самого начала неклассическая физика строилась так, что вводились противоестественные, ни на чём не основанные гипотезы для согласования теоретических предсказаний с опытом. Когда снова возникало расхождение с теорией, её не отвергали, а придумывали дополнительные, ещё более абсурдные гипотезы, формально устраняющие противоречие. Понятно, что, вводя достаточное число гипотез, к тому же, если нет никакого ограничения в их выборе, можно объяснить любую совокупность явлений. Поэтому не могло возникнуть такого противоречия, которое бы заставило отказаться от теории: едва оно возникало, придумывали новые гипотезы (аналогично введению новых эпициклов в геоцентрической системе). В этом смысле классическая физика имела меньше степеней свободы: физики-классики сильно ограничивали себя, считая возможным принимать лишь ограниченное число гипотез, причём естественных, интуитивно понятных и очевидных, а также опытно обоснованных. В классической физике противоречия нельзя было устранять формальным приёмом, проблему всегда требовалось решить строго. Поэтому в классической физике кризис был очень острым.

В то же время в неклассической науке острый кризис в принципе не может развиться, поскольку он был бы сразу устранён при помощи новых гипотез. То, что такие гипотезы, и впрямь, регулярно добавлялись, ещё раз доказывает, что неклассическая физика не вскрывает глубинное устройство мира, и представляет собой не микроскопическую, а лишь феноменологическую теорию, дающую только внешнее, формальное описание явлений, без понимания их причин и сути. Это объясняет, почему большинство явлений, открытых в XX веке, не были предсказаны ни теорией относительности, ни квантовой физикой, которые, предлагая лишь внешнее описание, не имели предсказательной силы в плане открытия новых феноменов, и лишь задним числом объясняли их, путём привлечением новых гипотез. Именно так, без помощи неклассической физики были открыты сверхпроводимость, сверхтекучесть гелия, свойства синхротронного излучения, весь набор элементарных частиц и космических объектов. Так же и многие приборы, о которых говорят, будто они были созданы лишь благодаря применению неклассической физики, реально были построены без её помощи и даже вопреки её догматам и прогнозам. Достаточно привести в пример историю Н.Г. Басова, который при создании мазера обращался ко многим видным специалистам по квантовой теории, и все они в один голос заявляли, что мазер не должен работать по квантовой теории [28]. Так же и Т. Мейман построил первый лазер, по его словам, не благодаря, а, скорее, вопреки идеям и принципам учёных, занимавшихся квантовой теорией. Однако, после того как мазер и лазер были созданы, их объявили триумфом квантовой теории и назвали квантовыми генераторами, хотя исходно они создавались и работали по классическим законам и вопреки квантовой теории. То же самое можно сказать об ускорителях, об атомных станциях. У истоков их создания, у истоков открытия ядерных реакций стояли физики-классики, в том числе Э. Резерфорд и Ф. Содди, которые скептически относились к теории относительности. Поэтому утверждение о том, что современные приборы и феномены подтверждают неклассическую физику, не вполне правомерно.

Предсказательная сила у всех неклассических феноменологических теорий есть лишь в тех рамках, в которых они были разработаны. Так же, как теория Птолемея, они объясняли только то, для чего их придумали, и не могли предсказать ничего нового. Удачность же предсказаний внутри ограниченного круга явлений, под который эти теории подгонялись, объясняется тем, что их формальный аппарат содержал верные соотношения между наблюдаемыми величинами, причём эти соотношения могли быть получены и в других теориях, в том числе в классических. Разница заключалась лишь в том, какие величины считали фиксированными, а какие переменными. Так, в теории относительности для интерпретации опыта Кауфмана считали фиксированной силу F, а переменной массу m, а в классической, наоборот, сила F менялась, а масса m была фиксирована, однако соотношение их a=F/m, которое собственно и измерялось в опыте, оказывалось одинаковым в обеих теориях. Примерно так и теория Птолемея предсказывала почти те же относительные положения планет на небосводе, что и теория Коперника, но если геоцентрическая теория фиксировала положение Земли и считала переменным положение Солнца, то гелиоцентрическая теория Коперника, наоборот, фиксировала координаты Солнца, а Землю полагала движущейся вокруг него. Таким образом, работоспособность неклассических теорий связана исключительно с тем, что в них используются те же математические соотношения, что и в классической теории, хотя понимаются эти соотношения совершенно иначе. И характерно, что ряд таких соотношений был получен впервые именно в классической физике, а потом уже заимствован квантовой и релятивистской физикой. Именно так неклассическая физика заимствовала у физиков-классиков спектральную формулу водорода и комбинационный принцип Ритца, соотношение Планка E=hf и соотношение E=mc ², полученное впервые Томсоном, Лоренцем и Хевисайдом в рамках классических теорий и имеющее совсем иной смысл, чем в теории относительности.

Остаётся вопрос о том, почему же физики пошли по пути неклассической физики и отказа от физики классической, хотя, как было показано выше, такой путь не был ни самым простым, ни самым естественным. Дело в том, что расцвет и признание неклассической физики пришлись на эпоху смутного времени 1910–1920 гг., когда мир переживал серьёзные потрясения в виде Мировой войны, голода, кризиса и Октябрьской революции в России. Это было в буквальном смысле смутное время, время безвластия не только в мире, но и в науке. В связи с войной наука пребывала в упадочном состоянии, она плохо финансировалась, научные школы распадались, учёные были разрознены и растеряны. И в это смутное время прийти к власти теоретически могла любая теория. Вот почему без особых усилий и без достаточных оснований была признана неклассическая физика в виде теории относительности и квантовой физики. Они не встретили должного сопротивления и критики со стороны физиков-классиков, хотя отдельные голоса протеста и раздавались. К тому же многие воспринимали эти революционные концепции как историческую необходимость, как свежие веяния, сметающие вместе с устоявшимся мировым строем и патриархальную классическую концепцию. Многие физики рассматривали эти неклассические теории как временные, в надежде, что постепенно всё прояснится, и эти теории либо обретут классическую интерпретацию, либо им будет найдена замена на основе строгих классических взглядов. Но проходило время и противоречия, расхождения новых теорий с классической физикой только углублялись. Когда же ситуация в мире более-менее стабилизировалась, и физики в 1920-х годах спохватились, начав указывать на необоснованность принятия неклассических концепций, было уже поздно. Неклассические концепции, принятые лишь как временные, прочно закрепились в науке, так что их критика стала восприниматься чуть ли не как ретроградство, как признак отсталости и неспособности воспринять новые физические концепции. Так что подобная критика часто не допускалась на страницы научных журналов.

Преобразовалось и само научное сообщество: ведущие физики-классики либо умерли, либо отошли от дел, многих физиков наука потеряла в ходе мировых войн и потрясений. Так российская интеллигенция была в значительной части физически уничтожена в годы Революции, эмигрировала или умерла голодной смертью. В итоге, на смену физикам-классикам пришло новое поколение физиков с искажёнными представлениями о мире, воспитанными на идеях неклассической физики. Как сказал Планк: "Обычно новые научные истины побеждают не так, что их противников убеждают и они признают свою неправоту, а большей частью так, что противники эти постепенно вымирают, а подрастающее поколение усваивает истину сразу". А те немногие физики-классики, кто выжил, старались вообще не подавать голоса и не высказывать своих взглядов. Они лишь сожалели, что не ушли из жизни раньше. Вот как сказал о новой физике Г. Лоренц в 1924 г.: "Где же истина, если о ней можно делать взаимно исключающие друг друга утверждения? Способны ли мы вообще узнать истину и имеет ли смысл вообще заниматься наукой? Я потерял уверенность, что моя научная работа вела к объективной истине, и я не знаю, зачем жил; жалею только, что не умер пять лет назад, когда мне всё ещё представлялось ясным... Взамен ясных и светлых образов возникает стремление к каким-то таинственным схемам, не подлежащим отчётливому представлению".

И действительно, современную неклассическую физику отличает, прежде всего, эклектичность её взглядов. Например, как было показано выше, первый и второй постулаты теории относительности, по сути, противоречат друг другу, откуда и проистекают все парадоксы СТО [6, 7, 9]. Ещё более противоречив корпускулярно-волновой дуализм квантовой механики, по которой частицу можно одновременно рассматривать как волну. В неклассической физике отвергаются такие фундаментальные понятия как детерминизм явлений природы и принцип причинности. Причём такой эклектизм, как замечал В.И. Ленин [12], часто выдаётся за диалектику, посредством подмены понятий. Квантовая механика якобы создаёт более общую целостную картину мира, хотя на деле она просто смешивает противоречащие друг другу понятия. Ленин же отмечал, что в неклассической физике сильна тенденция подменять физику математикой: "материя исчезает, остаются лишь уравнения" [29, 30]. То есть уже при зарождении неклассической физики были хорошо видны её идеалистические тенденции, чуждые духу материалистической науки. Эти тенденции ещё ярче проявились в дальнейшем – в космологии, в теории Большого взрыва (придуманной священником Ж. Леметром и, по сути, возвратившей науку к библейским байкам о сотворении мира), в физике элементарных частиц. Причём многие физики, основатели неклассической физики уже тогда не скрывали своих идеалистических взглядов, как отмечает С.И. Вавилов [30]. Таким образом, несмотря на то, что восторжествовала неклассическая физика, её победа не была обусловлена ни физическими, ни логическими, ни философскими причинами, но лишь исторической ситуацией, цепью случайностей и ошибок.

Заключение и выводы

Итак, в заключение можно сказать, что кризис физики начала XX века и впрямь имел серьёзные теоретические и экспериментальные причины и был связан с несовершенством классической картины мира. Однако эти проблемы объяснялись не ошибочностью классической картины мира, а её неполнотой, её идеализациями и упрощениями, бытовавшими в физике ещё со времён Ньютона (когда они были естественны и необходимы), а также несовершенством представлений о структуре материи, атома, о структуре и природе электромагнитного и гравитационного полей. Поэтому наиболее естественный выход из кризиса состоял бы в устранении идеализаций и более глубокой проработке картины мира. Ведь вся история развития физики показывает, что учёные строят сначала приближённую модель явлений, дают упрощённое описание в рамках некоторых идеализаций (модель планет в виде материальных точек, модель идеально твёрдого тела, модель идеального газа и т.д.), получая решение лишь в виде первого приближения. А затем физики постепенно уточняют это решение, отказываясь от идеализаций и грубых, упрощённых моделей, учитывают большее число факторов. Однако при разрешении кризиса XX века физики пошли не по этому закономерному и естественному пути отказа от идеализаций, а по пути полного отказа от хорошо зарекомендовавшей себя классической физики, с нагромождением вместо неё вороха противоречивых и ничем не обоснованных постулатов и гипотез. Научное сообщество пыталось преодолеть кризис с помощью неклассической науки, путём формального устранения противоречий и абстрактного, феноменологического, поверхностного описания явлений. Учёные абстрагировались от реальной структуры атомов, электрического и гравитационного полей, условившись описывать их как "чёрные ящики", через внешние характеристики с помощью формальных процедур и правил. Вот почему такой формальный путь, неточный и ограниченный, нельзя считать реальным выходом из кризиса.

Более того, этот путь оказался на поверку и не самым логичным, поскольку, во-первых, существовали более простые и последовательные классические теории, направленные на устранение давно известных слабостей и неточностей классической физики, а во-вторых, научное сообщество приняло неклассическую физику во многом ради сохранения того, что в итоге всё равно пришлось отвергнуть. Так, кризис свидетельствовал о ложности концепции эфира, от которой физики не желали отказываться и на которой изначально была основана теория Максвелла. И многие видели именно в теории относительности путь спасения эфира, даже сам Эйнштейн не отрицал эфир и, по сути, как Максвелл, сохранял его в своих уравнениях [13]. Однако в итоге от концепции эфира всё равно отказались, что ставит под сомнение и целесообразность принятия теории относительности. Так же и квантовую физику приняли для того, чтобы спасти планетарную модель атома, чтобы избавиться от бесконечностей и расходимостей, к которым приводила классическая модель. Однако в ходе развития квантовой физики всё равно отказались от планетарной модели атома: сейчас уже нельзя говорить, что электроны движутся по орбитам вокруг ядра. А, следовательно, не было смысла и в принятии квантовой теории. Вдобавок она привела к ещё большему числу расходимостей и бесконечностей, хотя бы в тепловом спектре, где, как в классической физике, получается, что на бесконечной частоте электроны имеют бесконечно большую энергию нулевых колебаний. То есть неклассическая физика не выполнила возложенных на неё функций, ради которых её и приняло научное сообщество. Однако к тому моменту она уже прочно закрепилась в науке и об этих исторических предпосылках неклассической физики забыли.

В целом, принятие неклассических представлений, ломающих прежнюю, прочно устоявшуюся классическую картину мира, во многом напоминает процесс Октябрьской Революции (имевшей с научной революцией общие исторические корни и предпосылки), победившей в эпоху безвластия и в отсутствие серьёзного противостояния, когда были в значительной степени истреблены или ослаблены носители классических традиций, дворянство и интеллигенция. Так же и в физике восторжествовала не сильнейшая, а самая скандальная, радикальная концепция, напрочь отвергавшая классические устои, принципы и тенденции развития физики. Многие отмечали нервную, неспокойную атмосферу того времени, своего рода массовый психоз общества, когда целые народы, сообщества людей и научные круги легко попадали под гипноз новых, революционных идей, начисто лишённых здравого смысла. Этому способствовали и открытые в 1910–1920 гг. некоторые экспериментальные факты, например, искривление световых лучей возле Солнца, а также соответствие измеренного смещения перигелия Меркурия с расчётом общей теории относительности. Однако эти же факты находили простое объяснение и в классической теории Ритца [9, 15, 22]. Но, по иронии судьбы, именно в это время физики отказались от теории Ритца в связи с анализом двойных звёзд, проведённым Де Ситтером. На поверку аргумент Де Ситтера оказался некорректным, и двойные звёзды, как показали уже тогда Э. Фрейндлих и П. Гутник, как раз подтверждали теорию Ритца [8, 13]. Но их аргументы не приняли во внимание, а сам Ритц к тому времени уже умер и не мог ответить на критику. Поэтому все факты с тех пор стали интерпретировать односторонне, лишь с точки зрения теории относительности. А развитие всех альтернативных классических теорий было приостановлено вместе с публикациями по ним, что и позволило физикам нового поколения утверждать, будто лишь неклассическая физика способна объяснить известные явления.

Так и до сих пор все экспериментально установленные факты учёные интерпретируют лишь с позиций квантовой физики и теории относительности, даже если эти факты исходно не вписывались в рамки этих теорий, не могли быть ими предсказаны и даже противоречили им. Как верно замечает Т. Кун, в рамках сложившейся парадигмы уже не факты судят теорию и определяют верна она или нет, а учёные судят факты, рассматривая их сквозь призму своей теории, и определяют, могут ли эти факты войти в осмысленный опыт, интерпретируют их с точки зрения теории, или отвергают как противоречащие теории [31]. И действительно, на данный момент накопилось огромное число фактов, противоречащих неклассической картине мира, но сравнительно легко объяснимых в рамках классических концепций, включая баллистическую теорию Ритца и классическую модель атома [6–9]. Это ещё раз доказывает, что неклассическая физика не устранила кризис, но лишь отсрочила его на неопределённое время. Если провести аналогию, то кризис физики можно сравнить с трещиной в стене, которую, вместо того, чтобы ликвидировать, устранив причину разрастания трещины, просто замазали, закрасили по поверхности тонким слоем шпаклёвки и краски. И если из-за кризиса здание физики нуждалось в капитальном ремонте, то неклассическая физика, предложив формальное поверхностное устранение проблем, была, по сути, лишь косметическим евроремонтом, при котором дефекты не устраняли, а закрывали от глаз накладными стенными панелями, натяжными потолками и наливными полами, в форме искусственных постулатов и дополнительных согласующих гипотез. Поэтому в ближайшее время можно ожидать, что здание физики снова затрещит, и кризис разразится с ещё большей силой, а разрешить его можно будет лишь в рамках классической физики, через вскрытие глубоко скрытых противоречий, которые и привели к кризису начала XX века.

Литература:

1. Максвелл Дж.К. Избранные сочинения по теории электромагнитного поля. М.: Техтеоригиз, 1952.

2. Эренфест П. Относительность, кванты, статистика. М.: Наука, 1972.

3. Филонович С.Р. Самая большая скорость. М.: Наука, 1983.

4. Завельский Ф.С. Масса и её измерение. М.: Атомиздат, 1974.

5. Франкфурт У.И., Френк А.М. У истоков квантовой теории. М.: Наука, 1975.

6. Дёмин В.Н., Селезнёв В.П. К звёздам быстрее света. Русский космизм вчера, сегодня, завтра. М., 1993.

7. Дёмин В.Н., Селезнёв В.П. Мироздание постигая… М., Молодая Гвардия, 1989.

8. Fox J.G. Evidence Against Emission Theories // American Journal of Physics, V. 33, №1, 1965, p.1. (см. перевод на www.ritz-btr.narod.ru)

9. Семиков С.А. Баллистическая теория Ритца и картина мироздания. Н. Новгород: Стимул-СТ, 2010.

10. Окунь Л.Б. Понятие массы // Успехи физических наук, 1989, Т. 158, вып. 3.

11. Франкфурт У.И., Френк А.М. Оптика движущихся тел. М.: Наука, 1972.

12. Философский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1989.

13. Martínez A. Ritz, Einstein, and the Emission Hypothesis // Physics in Perspective, 2004, №6, с. 4–28. (см. перевод на www.ritz-btr.narod.ru)

14. Паули В. Теория относительности. М.: Наука, 1991.

15. Ritz W. Œuvres. Paris, 1911. (см. перевод на www.ritz-btr.narod.ru)

16. Орлов И. Основные формулы принципа относительности с точки зрения классической механики // Журнал Русского Физико-Химического Общества Т. XLVI (физ. отдел), вып. 4, стр. 163, 1914 г.

17. Галилей Г. Избранные труды. Т.2, М.: Наука, 1964.

18. Ньютон И. Оптика или трактат об отражениях, преломлениях, изгибаниях и цветах света. М.: Техтеоргиз, 1954.

19. Новая философская энциклопедия в 4-х томах. М.: Мысль, 2001.

20. Розенбергер Ф. История физики. М.-Л.: ОНТИ, 1936.

21. Льоцци М. История физики. М.: Мир, 1970.

22. Роузвер Н.Т. Перигелий Меркурия от Леверье до Эйнштейна. М.: Мир, 1985.

23. Мюллер М. Шесть систем индийской философии. М.: Искусство, 1995.

24. Бэшем А. Чудо, которым была Индия. М., 2000.

25. Тит Лукреций Кар. О природе вещей. М.: Художественная литература, 1983.

26. Мороз О.П. Свет озарений. М.: Знание, 1980.

27. Пуанкаре А. О науке. М.: Наука, 1983.

28. Крюков П.Г. Фемтосекундные импульсы. М.: Физматлит, 2008.