<< Пред. стр.

стр. 12
(общее количество: 21)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>














Единая теория поля

...Распалась связь времен. Зачем же я связать ее рожден?
Шекспир. "Гамлет"

Фраза, стоящая в эпиграфе, - ключ к внутренней трагедии Гамлета, представленной с такой мощью художественного обобщения, что самые отдаленные коллизии мысли и чувства находят в ней свой прообраз. На террасе Эльсинора была разбита нравственная гармония мира. Гамлет, воспринимавший "связь времен" как последовательное осуществление нравственного идеала, столкнулся с резким диссонансом, с вероломством и преступлением. На его плечи ложится тяжелое бремя. Месть представляется восстановлением мировой гармонии.

И Гамлет заранее чувствует невероятную сложность этого подвига. В конце концов он видит, что прямолинейная и решительная акция не может восстановить "связь времен".

В мировоззрении Эйнштейна идеалом гармонии был мир Спинозы, единый мир, в котором происходит взаимное, относительное движение действующих друг на друга тел. Эйнштейн восстановил этот классический идеал, распространил принцип относительности, найденный в XVII в., на новые явления, открытые в XIX в. "Связь времен" была восстановлена. Но первоначально она была восстановлена только для инерционного движения. В результате величайшего интеллектуального напряжения Эйнштейну удалось устранить из картины мира абсолютные ускоренные движения. Но дальше пойти не удалось.

344

В науке сохранилось чуждое идеальной гармонии мира различие между электромагнитными и гравитационными полями. С другой стороны, в движении элементарных частиц были обнаружены такие особенности, которые не укладывались в первоначальную схему идеальной гармонии мира. Не только отошедшая от этой схемы механика Ньютона, но и восстановившая гармонию механика Эйнштейна исходят из непрерывного движения частиц, положения и скорости которых определены начальными условиями и взаимодействиями между собой. В двадцатые годы выяснилось, что положение и скорость частицы, вообще говоря, не могут быть с неограниченной точностью определены для каждого последующего момента.

Но здесь аналогия кончается. Квантовая механика не была ни субъективной, ни объективной трагедией Эйнштейна. Прежде всего для Эйнштейна восстановление разорванной "связи времен", т.е. устранение ньютоновых абсолютов и лоренцова эфира не могло быть однократным актом, приводящим к тысячелетнему царству обретенной, наконец, окончательной истины. Как уже говорилось, специальная теория относительности в большей степени, чем все предшествующие физические теории, разрушила не только ньютоновы догмы, но и дух догматизма в целом. Затем Эйнштейну принадлежала идея фотонов, т.е. исток теории, приписывающей частицам волновые свойства, а волнам - корпускулярные. Наконец, Эйнштейн по существу связывал критику квантовой механики с перспективой дальнейшего развития физики, а не с попятным движением к классическим представлениям.

На этом тезисе мы уже останавливались. Эйнштейн весьма органически перешел в конце жизни от признания принципа Маха универсальным принципом природы к отрицанию его универсальности. Он говорил об ограниченности не только ньютоновой механики, но и всех теорий такого же типа, как и ньютонова. Создание новой теории, выходящей за рамки "классического идеала", не было субъективной трагедией для мыслителя, в такой большой мере приблизившего физику к этому идеалу. Когда физика пошла дальше, Эйнштейн не ощущал ее движение как крах мировой гармонии. В начале этой книги была сделана попытка очертить широкий и подвижный рационализм Эйнштейна. Этому живому, не претендующему на последнее слово, рационалистическому мировоззрению чужда трагедия оставленных позиций. Поэтому квантовая механика не была для Эйнштейна субъективной трагедией.

345

Она не была и объективной трагедией его идей, потому что объективным источником усложнения картины мира, выводящего ее за рамки "классического идеала", было последовательное и вполне органическое развитие концепций Эйнштейна.

Органическое, но совсем не идиллическое. Если у Эйнштейна не было трагедии оставленных позиций, то у него была трагедия недостигнутых позиций. Не "последних", "окончательных" и т.д., а ближайших, уже видимых, уже необходимых. Мы знаем, что поиски единой теории поля в двадцатые годы не приводили к физически однозначным и физически содержательным результатам. Вейль рассказывал, что в Принстоне в тридцатые годы Эйнштейн храбро встречал неудачи и произносил: "Ну вот, я опять сбился с пути", так же весело, как и фразы об успехах. Действительно, Эйнштейна не обескураживала каждая неудача, но он тяжело переживал неуверенность в достижении общего замысла - построения единой теории поля.

Эта неуверенность не раз высказывалась в весьма эйнштейновской, мягкой и иронической форме. В одной из первых глав этой книги упомянута надпись в принстонском институте: "Бог изощрен, но не злонамерен". Но, прощаясь в Принстоне с Вейлем, Эйнштейн сказал ему: "А может быть, он все-таки немного злонамерен?"

"Бог не злонамерен" означало для Эйнштейна не только существование мировой гармонии и не только необходимость и принципиальную достижимость единой теории поля. В этом Эйнштейн не сомневался. Но приведенное изречение означало также, что гармония бытия может быть выражена в точных геометрических соотношениях. И здесь у Эйнштейна появлялось ощущение величайшей трудности определения указанных соотношений: "А может быть, он все-таки немного злонамерен?"

Этой злонамеренности во всяком случае хватало, чтобы Эйнштейн мог сомневаться в том, что ему удастся увидеть решение проблемы Чем дальше, тем слабее становилась эта надежда и тем энергичнее работал Эйнштейн. Весной 1942 г. он писал своему другу Гансу Мюзаму (старому врачу, парализованному и лежавшему в то время в Хайфе):

346

"Я стал одиноким старым бобылем, известным главным образом тем, что обхожусь без носков. Но работаю я еще фанатичнее, чем раньше, и лелею надежду разрешить уже старую для меня проблему единого физического поля. Это напоминает воздушный корабль, на котором витаешь в небесах, но неясно представляешь себе, как опуститься на землю... Быть может, удастся дожить до лучшего времени и на мгновенье увидеть нечто вроде обетованной земли..." '

Через два года Эйнштейн вновь писал Мюзаму:

"Быть может, мне суждено еще узнать, вправе ли я верить в свои уравнения Это не более чем надежда, потому что каждый вариант связан с большими математическими трудностями. Я вам долго не писал, несмотря на муки совести и добрую волю, потому что математические мучения держат меня в безжалостных тисках и я не могу вырваться, никуда не хожу и сберегаю время, откладывая все ad colendas graecas. Как видите, я превратился в скрягу. В минуты просветления я сознаю, что эта жадность по отношению ко времени порочна и глупа" [2].

1 Helle Zeit, 50-51.
2 Ibid., 51.


В 1953 г. Эйнштейн на пресс-конференции, устроенной в связи с его 74-летием, говорил:

"Как только была завершена общая теория относительности, т.е. в 1916 г., появилась новая проблема, состоявшая в следующем. Общая теория относительности весьма естественно приводит к теории гравитационного поля, но не позволяет найти релятивистскую теорию для любого поля. С тех пор я стремился найти наиболее естественное релятивистское обобщение закона тяготения, надеясь, что обобщенный закон будет общей теорией поля. В течение последних лет мне удалось получить такое обобщение, выяснить формальную сторону проблемы, найти необходимые уравнения. Но математические трудности не позволяют получить из этих уравнений выводы, сопоставимые с наблюдением. Мало надежды, что это удастся до конца моих дней".

Эту характеристику своих результатов Эйнштейн повторял неоднократно - вплоть до последнего дня жизни, когда он уже знал о близости смерти и был уверен, что теория останется незавершенной, ее математическая корректность не гарантирует физической однозначности.

347

Но Эйнштейн понимал, что дело не только в последующей математической разработке физической теории, в последующем преодолении математических трудностей и получении численных решений уравнений поля. Для Эйнштейна теория но имеет права называться физической, если она по включает физической идеи, допускающей сопоставление с наблюдениями.

Подобная идея была тесно связана с тем или иным отношением к теории микромира. Эйнштейн думал, что единая теория поля позволит вывести квантово-статистические закономерности микромира из нестатистических (управляющих не вероятностями, а самими фактами), более глубоких и общих закономерностей бытия. Тем самым были бы устранены и некоторые позитивистские тенденции в физике.

"Я работаю, - писал Эйнштейн Соловину в 1938 г., - со своими молодыми людьми над чрезвычайно интересной теорией, которая, надеюсь, поможет преодолеть современную мистику вероятности и отход от понятия реальности в физике..." [3]

В письме к Соловину через двенадцать лет Эйнштейн признает, что единая теория поля еще не может быть проверена, так как математические трудности не позволяют придать ей вид, допускающий однозначную оценку. Общие, философские и логические аргументы не убеждают физиков.

"Единая теория поля теперь уже закончена... Несмотря на весь затраченный труд, я не могу ее проверить каким-либо способом. Такое положение сохранится на долгие годы, тем более что физики не воспринимают логических и философских аргументов" [4].

3 Lettres a Solovine, 75.
4 Ibid., 107.


Неужели беспримерное напряжение всех сил гениального мыслителя, продолжавшееся почти тридцать лет, было бесплодным?

Попытке ответа на этот вопрос должно предшествовать изложение другой линии развития физики в тридцатые - пятидесятые годы.

348

Квантовая механика, созданная в 1924-1926 гг., была нерелятивистской теорией. В ней не учитывались процессы, предсказанные теорией относительности, например изменение массы электрона в зависимости от его скорости. В 1929 г. Дирак написал релятивистское волновое уравнение, которому подчинено движение электрона. В нем учитывались такие релятивистские поправки, как изменение массы электрона. Уравнение Дирака точнее описывало движение электрона, обладающего большой энергией, движущегося с очень большой скоростью. Но при этом у Дирака в его расчетах появились отрицательные значения энергии электрона. Этот физически неприемлемый вывод заставил Дирака предположить, что найденное им релятивистское волновое уравнение описывает не только поведение электрона, но и поведение другой частицы, которая отличается от электрона только зарядом - она имеет не отрицательный, как электрон, а положительный электрический заряд. Такая частица была экспериментально найдена и получила название позитрона.

Оказалось, что электрон и позитрон могут слиться и превратиться в два или три фотона. Со своей стороны, фотоны могут превращаться в электронно-позитронные пары. Понятие превращения частиц, их трансмутации, уничтожения одних и порождения других частиц было совершенно новым понятием для "классического идеала" в целом. Классическая наука сталкивалась с качественными превращениями вещества, но сводила такие превращения к перегруппировке атомов, т.е. к движению неуничтожаемых, не превращающихся в другие, тождественных себе атомов. Когда были обнаружены превращения элементов один в другой, это объясняли перегруппировкой составных частей атомов и атомных ядер, т.е. электронов, протонов и нейтронов. Но в случае трансмутации элементарных частиц за ними не стоят перегруппировки и вообще движения каких-то еще меньших субчастиц. В современной научной картине мира трансмутация рассматривается как процесс, который не сводится к перемещению, хотя, может быть, неотделим от перемещения.

Элементарные трансмутации как будто стоят вне тех процессов, которые описывает теория относительности. Здесь нет движения в механическом смысле, т.е. перемещения, смены положения в пространстве с течением времени. Следовательно, здесь теряют смысл, по крайней

349


мере на первый взгляд, понятия скорости частицы и другие понятия механики. Нет смысла говорить об относительности движения в смысле перемещения, если нет самою движения. С другой стороны, трансмутации элементарных частиц являются процессами, возможность которых вытекает из теории относительности. Когда электроны и позитроны превращаются в фотоны, исчезает масса покоя этих частиц. Фотон не обладает массой покоя. Превращение фотонов в электроны и позитроны означает возникновение массы покоя из массы движения. Это чрезвычайно общая и фундаментальная закономерность. При быстрых движениях тел, сопоставимых по скорости с распространением света, становится существенным возрастание массы частицы по сравнению с массой покоя. В случая превращения электронов и позитронов в фотоны масса покоя полностью переходит в массу движения. Такие эффекты следует назвать уже не релятивистскими, а ультрарелятивистскими.

Здесь мы подошли к очень существенному пункту - существенному для оценки творческого пути Эйнштейна во второй половине его жизни. Основной стержень творчества и жизни Эйнштейна - кристаллизация результатов творчества, выходящих за рамки личного. В автобиографических заметках, письмах и беседах Эйнштейна с друзьями тридцать - сорок лет, отданных единой теории поля и выступлениям против официальной квантовой механики, рисуются как очень значительный с этой точки зрения период. Эйнштейн считал его периодом, когда он приблизился к единой концепции, охватывающей все мироздание, к теории, более широкой, чем общая теория относительности. Для Эйнштейна идеи, занимавшие его почти целиком в тридцатые - пятидесятые годы, были итогом творческой жизни, обобщением всего, о чем он размышлял с юности.

Напротив, в большинстве биографий и в большинстве оценок со стороны принстонский период рассматривается как период бесплодных поисков и положительные итоги этого периода сводятся к выводу уравнений движения из уравнений поля. Из таких оценок иногда выводится и освещение самой жизни Эйнштейна. Его одиночество, которое по отношению к периоду создания теории относительности рассматривается как одиночество мыслителя, ушедшего вперед, применительно к позднейшему периоду считается одиночеством ученого, заблудившегося и отставшего от общего движения науки.

350

Новейшие успехи изучения ультрарелятивистских эффектов меняют оценку творчества и жизни Эйнштейна в тридцатые - пятидесятые годы, а значит, и итоговую оценку творчества и жизни в целом. Для Эйнштейна единственная существенная оценка состоит в ответе на вопрос, что в его личных переживаниях, мыслях, результатах стало "надличным" содержанием научного прогресса. Чтобы ответить на этот вопрос, нужно определить, в чем состоял действительный прогресс научных знаний, а это обычно можно сделать лишь ретроспективно, с позиций более общей и точной теории.


Эйнштейн почти не принимал участия в конкретных исследованиях, постепенно увеличивавших сведения об элементарных частицах и их превращениях. Теория и эксперимент должны были пройти большой путь, на котором мыслителю, стремящемуся к внутреннему совершенству, нечего было, как казалось Эйнштейну, делать. В этот период внешнее оправдание физических теорий стало чрезвычайно импозантным. В квантовой электродинамике теоретические расчеты оправдывались экспериментом до девятого знака. Но это не мешало теоретическим конструкциям быстро исчезать и уступать место новым, также недолговечным. Они конструировались ad hoc. При этом искусственность большинства теорий была настолько явной, что она начала играть очень своеобразную роль, концентрируя внимание на необходимости не наспех, ad hoc придуманной, а естественной, обладающей внутренним совершенством общей теории элементарных частиц. Все это можно проиллюстрировать на примере проблемы бесконечной энергии электронов и позитронов.

Фотоны представляют собой частицы электромагнитного излучения. Они могут излучаться и поглощаться системами заряженных частиц. Но и в вакууме, в отсутствие других частиц, заряженная частица излучает и поглощает так называемые виртуальные фотоны. Они вносят свой вклад в энергию и, следовательно, в массу электрона. Чем меньше интервалы между излучениями и поглощениями виртуальных фотонов, тем больше их вклад в энергию электрона. Время, прошедшее между излучением виртуального фотона и его поглощением, может быть сколь угодно мало и соответственно может быть сколь угодно мал пройденный им путь (он равен времени существования фотона, умноженному на скорость света).

351

Виртуальные фотоны и вообще виртуальные частицы противопоставляются "реальным". Значит ли это, что они лишены объективной реальности, что они являются субъективной конструкцией разума? Нет, они существуют, обнаруживают свое существование в эксперименте, участвуют в игре физических сил и приводят к наблюдаемым макроскопическим событиям. Вакуум, в котором заряженная частица излучает и поглощает виртуальные фотоны, взаимодействует с частицей и меняет ее энергию, массу, заряд. Но к вакуумным процессам непосредственно неприменимо пространственно-временное представление. Что здесь означает этот термин?

Исходное понятие, связанное с пространственно-временным представлением, - это понятие тождественной себе частицы. Тождественной себе не в тривиальном смысле: тождественная себе частица, взятая в данной точке в данный момент. Имеется в виду нетривиальная тождественность: частица существует в различные моменты времени и пребывает в различных точках, оставаясь тождественной самой себе. Гарантия подобной себетождественности состоит в непрерывной мировой линии частицы: в каждый момент и в каждой точке она в принципе может быть обнаружена. В такой возможности, в существовании непрерывной мировой линии - совокупности пространственно-временных локализаций частицы - состоит пространственно-временное представление о физических процессах.



В вакууме нет непрерывных мировых линий тождественных себе частиц, нет даже несколько размытых линий, фигурирующих в квантовой механике. Мы не можем проследить пространственно-временную локализацию виртуальной частицы. И все же, если бы мы на этом основании отказали ей в реальном бытии, мы, по-видимому, не могли бы присвоить предикат бытия и "реальной" частице, и ее мировой линии. Мировая линия должна быть заполнена какими-то событиями, несводимыми к простому пребыванию частицы, иначе само это пребывание теряет физический смысл и мировая линия становится не физическим, а чисто геометрическим понятием.

352

Современная ситуация в физике позволяет думать, что именно виртуальные процессы, излучение и поглощение виртуальных фотонов и других частиц, делают мировую линию частицы заполненной, физически существующей, обладающей физическим бытием.

Как уже говорилось, время, прошедшее между излучением виртуального фотона и его поглощением, может быть сколь угодно мало и соответственно вклад виртуального фотона в энергию электрона может быть сколь угодно велик. Расчеты, учитывающие взаимодействие электрона с его собственным излучением, приводят к бесконечным значениям энергии и соответственно массы электрона.

Вывод этот физически абсурден. Предположение о бесконечной энергии и массе частиц противоречит всему, что нам известно о физических явлениях. Поэтому бесконечные значения энергии и массы устраняются из расчетов. Делается это с помощью различных приемов и некоторых концепций, авторы которых не скрывают, а, напротив, подчеркивают чисто рецептурный характер этих приемов и концепций. Разрыв между "внешним оправданием" и "внутренним совершенством" физической теории сейчас принял весьма своеобразную форму. Существует много способов избавиться от бесконечных значений энергии и массы частицы. Они состоят в отбрасывании виртуальных фотонов с очень большой энергией, вносящих большой вклад в собственную энергию частицы. Такие фотоны игнорируются. Почему? Это делают "в кредит" в расчете на то, что будущая теория элементарных частиц даст необходимое обоснование рецептурных приемов устранения очень высоких энергий. Такой теорией может быть представление о наименьших расстояниях и наименьших интервалах времени, представление, которое было бы выведено из каких-то общих идей. Мы вскоре рассмотрим указанное представление. Но в современной физике не дожидаются, пока оно будет непротиворечивым образом сформулировано. Уже сейчас в расчете на ту или другую будущую теорию вводят различные приемы устранения бесконечных значений энергии частицы.

353

Какими архаичными в такой ситуации кажутся идеи "чистого описания", а также идеи условного или же априорного происхождения физических понятий! Феноменологические теории сами по себе не могут сколько-нибудь непротиворечивым образом описать ход процессов, стоящих в центре внимания современной физики. Физика ищет нефеноменологическую, но отнюдь не априорную картину этих процессов и, уверенная в возможности такой теории, уже сейчас "в кредит" вычисляет энергию электронов, устраняя бесконечные значения. Зато какой злободневной кажется сейчас эйнштейновская схема внешнего оправдания и внутреннего совершенства.

Заметим теперь, что эта схема как раз и развертывалась в тридцатые - пятидесятые годы в эйнштейновских попытках построения единой теории поля и в критике квантовой механики, с одной стороны, и в развитии теории элементарных частиц в работах других физиков, с другой. Развитие теории элементарных частиц приводило к поразительно стройным и изящным отдельным концепциям Но они не укладывались в единую картину. Более того, выдвинутые в них схемы противоречили друг другу даже в пределах одной концепции. Релятивистские квантовые теории середины нашего столетия напоминают картину сотворения мира в поэме Эмпедокла, где описываются причудливые сочетания органов у животных, первоначально появившихся на Земле.

Симптомом отсутствия внутреннего совершенства в теории элементарных частиц было обилие эмпирических величин, фигурирующих в этой теории. Каждая эмпирическая константа означает, что в данном пункте обрывается единая цепь каузального объяснения, что мы вводим некую величину, не объясняя, почему она именно такая, а не какая-либо иная. Для Эйнштейна идеалом научной картины, мира была картина, не содержащая эмпирических постоянных. В теории элементарных частиц сохранялись основные эмпирические величины - значения масс и зарядов, свойственных частицам различных типов.

В целом состояние теории элементарных частиц характеризуется отсутствием "внутреннего совершенства".

В свою очередь конструкции Эйнштейна, выдвинутые в тридцатые - пятидесятые годы, были лишены "внешнего оправдания". Они не противоречили фактам, но и не находили того experimentum crucis, который становится исходным пунктом преобразования картины мира. Концепции элементарных частиц, быстро сменявшие одна

354

другую (иногда уживавшиеся одна с другой) на страницах физических журналов, не были достаточно "безумными" в смысле логической парадоксальности, в них отсутствовал достаточно глубокий разрыв с классическими понятиями. Конструкции Эйнштейна были недостаточно "безумными" в смысле парадоксального экспериментального результата как основы новых конструкций. Такие результаты накоплялись в "официальной" теории элементарных частиц: недаром в ней появилось а качестве вполне определенной величины понятие "странности" и множество понятий, не получивших такого названия, но не менее странных.

Можно ли предположить, что разошедшиеся линии развития науки пересекутся? Будет ли построена теория, соединяющая новые, гораздо более парадоксальные с классических позиций, более "безумные" общие идеи с однозначным объяснением всей совокупности парадоксальпых фактов, найденных в физике элементарных частиц?

Путь к такой теории достаточно далек. Теоретической физике придется не раз вспомнить слова, написанные Эйнштейном незадолго до смерти, в феврале 1955 г., Максу фон Лауэ в ответ на приглашение в Берлин на заседания, посвященные пятидесятилетию теории относительности.

"Старость и болезнь, - писал Эйнштейн, - делают мой приезд невозможным и, признаться, я благодарен судьбе: все, что связано с личным культом, мне всегда было крайне неприятно. В данном случае речь идет о развитии мысли, в котором участвовали многие и которое далеко не закончено... Если долгие поиски меня чему-либо научили, то их итог таков: мы гораздо дальше от понимания элементарпых процессов, чем полагает большая часть современников (тебя я не включаю), и шумные торжества не соответствуют современной ситуации" [5].

5 Seelig, 396-397.


Это письмо хорошо иллюстрирует основное в позиции Эйнштейна: она не успокаивает, а побуждает; Эйнштейн не останавливается на какой-то уже найденной старой истине (в том числе на классическом представлении о микропроцессах), а видит незавершенность новых идей.


355

Он критикует их не с классических, а по существу с квантово-релятивистских позиций. Ведь в этом же письме говорится о незавершенности развития теории относительности. Ее дальнейшее развитие должно обосновать квантовые закономерности.

Но само признание незавершенности современных идей приобретает сколько-нибудь определенный смысл только в том случае, когда в принципе предвидится создание единой, непротиворечивой теории элементарных процессов.

Если появление такой теории вытекает из наметившихся тенденций, если такой прогноз обоснован, то это меняет принципиальную оценку тридцатилетней напряженной деятельности Эйнштейна. В этом случае можно, следуя примеру самой физики, делать "в кредит" некоторые предварительные ретроспективные оценки. В книге об Эйнштейне такой прием не только допустим, но и обязателен; ведь Эйнштейн в своем творчестве перекликался не только (в некоторые периоды и в некоторых проблемах - не столько) с современными исследованиями, но и с будущим науки.

Рассмотрим с этой точки зрения вопрос о так называемом "одиночестве" Эйнштейна.

Инфельд считает одиночество Эйнштейна характерной чертой его творчества, может быть, самой характерной. Эта черта каким-то далеко не явным образом соединяет облик Эйнштейна, его погруженность в себя даже в минуты оживленного общения с окружающими и тот факт, что он мало занимался проблемами, поглощавшими в данный момент внимание большинства физиков (так называемыми актуальными проблемами), и слабый резонанс, вызванный его работами в последний период жизни. Все это вещи разного порядка, и лежат они в разных планах. Но все же можно найти нечто общее, отвечавшее самым основным чертам мировоззрения Эйнштейна и приводившее к некоторой изоляции мыслителя.

"Для него, - пишет Инфельд, - изоляция была благословенной, потому что предохраняла от избитых путей. Одиночество, независимое обдумывание проблем, которые он сам перед собой ставил, поиски собственных, уединенных дорог, то, что он избегал давки, - вот наиболее характерные черты его творчества. Это не только оригинальность, это не только научная фантазия; это нечто большее, что может быть попятно лишь тогда, когда мы рассмотрим проблемы и методы работы Эйнштейна" [6].

6 Успехи физических наук, 1956, 59, вып. 1, с. 144.


356

Посмотрим с этой точки зрения на специальную теорию относительности. Здесь можно говорить об изоляции Эйнштейна только в чисто биографическом плане, в том смысле, что Эйнштейн в Берне не встречался с физиками и, по его словам, только в тридцать лет впервые увидел физика-теоретика ("иначе, как в зеркале", - заметил по поводу этого признания Инфельд). Но статья "К электродинамике движущихся тел" была посвящена проблеме, находившейся если не в центре внимания физиков, то во всяком случае недалеко от такого центра. Об этом свидетельствует одновременное появление фундаментальных работ трех крупнейших ученых - Эйнштейна, Лоренца и Пуанкаре, посвященных объяснению результатов Майкельсона. Н. II. Лузин как-то заметил, что молодой мыслитель, выступающий с радикальными концепциями, не будет даже услышан, если его идеи не избавят ученых от тяжелых и безрезультатных поисков, не помогут им в собственных бедах. "Чтобы вытащить ученых из их постелей, нужно дать им ответ на вопросы, над которыми они мучаются".

Специальная теория относительности ответила на весьма злободневный вопрос о причине отрицательного результата опыта Майкельсона я аналогичных опытов. Поэтому она вызвала не меньший интерес, чем другие выдающиеся физические работы девятисотых годов. Почему она вызвала несравненно больший интерес, почему интерес к теории Эйнштейна несопоставим с интересом к другим физическим теориям - об этом уже говорилось. Задача, поставленная перед классической физикой результатами опыта Майкельсона, оказалась роковой, она отличалась от вопросов Сфинкса, заданных Эдипу, тем, что гибель следовала за правильным ответом. Нет нужды еще раз оговаривать условность "гибели" классической физики, с тем же правом можно говорить о ее апофеозе, но мы будем иметь в виду то, что действительно погибло, - убеждение в точности и незыблемости классического правила сложения скоростей и представление об абсолютном времени.

357

Все дело в том, что в девятисотые годы пересеклись две линии теоретической мысли, соответствующие двум эвристическим критериям. Первая линия состоит в поисках теории, которая объяснила бы новые экспериментальные факты. Эта линия связана по преимуществу с тем, что Эйнштейн называл "внешним оправданием" теории. Вторая линия - это поиски новой теории, направленные на преодоление выдвинутых ad hoc, объясняющих лишь узкий круг явлений и в этом смысле сравнительно произвольных допущений. Эти поиски связаны по преимуществу с тем, что Эйнштейн называл "внутренним совершенством" теории. Теория Лоренца, выдвинутая ad hoc, уступила место теории Эйнштейна, которая объяснила результаты опыта Майкельсона исходя из общего (т.е. в последнем счете опирающегося на очень большое число различных фактов) принципа.

Ответ был дан на вопрос, интересовавший широкий круг физиков. Эксперименты уже были сделаны, результаты их не укладывались ни в одну из существующих теорий, нужно было создать теорию, соответствующую новым наблюдениям, и из различных теорий, которые можно было согласовать с наблюдениями, только теория Эйнштейна обладала, помимо "внешнего оправдания", также и "внутренним совершенством".

Общая теория относительности не разрешала каких-либо нависших над физикой вопросов и апорий. Она позволила разъяснить результаты опытов Галилея, которые, конечно, не волновали физиков XX столетия. В годы, когда Эйнштейн с величайшим трудом приближался к новой теории тяготения, никто этой теорией не занимался. Восемь лет работы над общей теорией относительности, приведшие в 1916 г. к ее законченной формулировке, и еще три года до подтверждения теории наблюдением были временем большого одиночества Эйнштейна. Если бы Эйнштейн не проявил этого почти беспрецедентного в истории науки творческого упрямства, общая теория относительности не была бы найдена в течение первой четверти столетия, а может быть, и позже. Эйнштейн говорил Инфельду уже в Принстоне:

"Специальная теория относительности сейчас была бы уже создана независимо от меня. Эта проблема назрела. Но я не думаю, что это касается и общей теории относительности".

358

Для общей теории относительности "внешнее оправдание" имело место на триста лет раньше ее создания и на три года позже. Она создавалась на основе первого "оправдания", т.е. равенства тяжелой и инертной массы, она искала второго "оправдания" - доказательства искривления световых лучей в поле тяготения. Но пересечение этой линии "внешнего оправдания" с чрезвычайно энергичным и эффективным поиском внутренней гармонии произошло очень далеко от актуальных проблем.

Однако несравненно более полным было одиночество Эйнштейна в годы, проведенные в Принстоне. Работа над единой теорией поля велась в полной изоляции от сколько-нибудь влиятельных и широких групп физиков-теоретиков. На этот раз теория не имела никаких данных, чтобы заинтересовать широкие круги физиков объяснением загадочных результатов некоторого эксперимента. "Внутреннее совершенство" теории не имело точек пересечения с "внешним оправданием". На этот раз "внутреннее совершенство" было самым широким, какое только можно представить. Речь шла об исходных допущениях, которые могут без добавочных гипотез объяснить всю сумму физических процессов, какие бы поля ни вызывали эти процессы. Но эти исходные допущения не были связаны с экспериментом, который бы придал им достоверность.

Судьба и исторический смысл единой теории поля, которую Эйнштейн разрабатывал в течение тридцати лет, напоминает судьбу и смысл его критики квантовой механики. В отношении квантовой механики позиция Эйнштейна была чисто негативной, он не противопоставлял ей иную концепцию, не разрабатывал какой-либо нестатистической теории микромира. Напротив, единая теория поля была изложена в позитивной форме. Но как раз позитивные и конкретные контуры этой теории, по-видимому, не войдут в единую теорию поля. Мы можем поставить в кавычки эпитет "ошибочная" применительно к единой теории Эйнштейна, потому что отнюдь не ошибочным был ее общий смысл - представление о существовании тех или иных закономерностей, определяющих не только структуру некоторого поля, но и структуру всех полей, представление о едином мире, модификациями которого являются известные нам поля. В 1959 г. Гейзенберг написал статью "Замечания к эйнштейнов-

359

скому наброску единой теории поля" [7]. Здесь в качестве первой причины неудачи эйнштейновской попытки указывается быстрое расширение сведений о новых частицах и полях. Действительно, в тридцатые - пятидесятые годы были периоды, когда чуть ли не каждый очередной номер физического журнала приносил весть о новом типе элементарных частиц. Каждая частица ассоциировалась с некоторым полем, частицу рассматривали в качестве агента, переносящего взаимодействие других частиц, подобно тому как фотон переносит электромагнитное взаимодействие электронов и других электрически заряженных частиц. Трудно было в этом потоке новых фактов найти твердую почву для единой теории поля.

7 Эйнштейн и развитие физико-математической мысли. Сб. статей. М., 1962, с. 63-69.


"Эта великолепная в своей основе попытка, - пишет Гейзенберг, - сначала как будто потерпела крах. В то самое время, когда Эйнштейн занимался проблемой единой теории поля, непрерывно открывали новые элементарные частицы, а с ними - сопоставленные им новые поля. Вследствие этого для проведения эйнштейновской программы еще не существовало твердой эмпирической основы, и попытка Эйнштейна не привела к каким-либо убедительным результатам".



Но эта трудность построения единой теории поля приводила ко все большему накоплению аргументов в пользу программы Эйнштейна. Открытия тридцатых - семидесятых годов включали в картину мира частицы, легко превращающиеся в другие частицы и соответственно поля, переходящие в иные поля. Единая теория поля вырастает сейчас из квантовых представлений, переход одного поля в другое поле - это переход кванта одного поля в квант другого поля, в элементарную частицу другого типа. Мы можем допустить, что мысль о "заквантовом" мире ультрарелятивистских эффектов и единая теория ноля сольются в некоторую целостную концепцию трансмутаций элементарных частиц как основных процессов мироздания. Такой концепции еще нет. Мы можем говорить только о принципиальной возможности перехода от картины мира, в которой основным понятием служит движение тождественной себе частицы в гравитационном, электромагнитном и т.д. полях, к картине мира,

360



в которой исходным физическим образом является превращение частицы одного типа в частицу другого типа, связанное своеобразной дополнительностью с непрерывным движением тождественной себе частицы, с непрерывной мировой линией.

Эйнштейн стремился к завершению своей теории относительности. Но, с его точки зрения, завершение теории может иметь только один смысл: мы находим некоторые более общие исходные идеи, понятия и закономерности, которые позволяют нам логически перейти к данной теории, вывести ее из другой, более общей теории. Такой характер носило завершение специальной теории относительности; оно было связано с генезисом общей теории относительности, из которой специальная теория может быть выведена как частный случай. Таким же может быть и завершение общей теории относительности, т.е. теории тяготения: в единой теории поля должны быть указаны условия, при которых единое поле принимает форму гравитационного поля и подчиняется соотношениям общей теории относительности. В каждой теории мы встречаем предельные понятия и величины, которые в рамках этой теории не раскрывают своей природы, принимаются как данные и могут получить обоснование, быть выведены из других только в более общей теории. Для небесной механики как теории движения звезд, планет и других небесных тел исходными, заданными, необъяененными остаются массы небесных тел и исходные расстояния. Эти величины могут найти объяснение в космогонии, оперирующей движениями и превращениями молекул, атомов, элементарных частиц. В атомной физике заданы массы и заряды элементарных частиц, которые ждут объяснения и выведения из более общих закономерностей единой теории элементарных частиц.

Почему исходные расстояния между небесными телами таковы, а не иные? Если выразить их в километрах или других произвольных единицах, вопрос несколько затушевывается, число, измеряющее расстояние между двумя небесными телами, может казаться произвольным, зависящим от взятых единиц длины - сантиметров, километров, световых лет. Но если взять какую-то естественную меру, например радиус Солнечной системы, и выразить расстояния между планетами с помощью этой меры, то произвол должен быть исключен, отношение ра-

361

диуса орбиты Нептуна к радиусу орбиты Марса должно получить причинное объяснение, должно быть выведено из теории образования Солнечной системы. Аналогичным образом, если выразить массы частиц не в граммах, а в их отношении к массе электрона, принятой за единицу, то эти массы, т.е. константы атомной и ядерной физики, явным образом требуют выведения из более общих закономерностей, из единой теории элементарных частиц, из картины образования частиц, которая должна дать отношения масс частиц различных типов.

Для Эйнштейна исключение из физики произвольных констант, объяснение их, выведение предельных для данной теории величин из более общей теории было стержневой тенденцией научного творчества. Именно такое исключение произвольных констант выявляет единство мироздания и его познаваемость.

Нам уже известно, что в своей автобиографии 1949 г. Эйнштейн выдвинул в качестве интуитивной догадки утверждение, что в идеальной картине мира не может быть произвольных постоянных. Теперь на этом следует остановиться подробней.

Скорость света, выраженная в сантиметрах, деленных на секунды, связана с этими произвольными единицами. Мы можем, по словам Эйнштейна, заменить секунду временем, в течение которого свет проходит единицу длины, а в качестве такой единицы взять вместо сантиметра, например, радиус электрона. Можно заменить грамм в качестве единицы массы массой электрона или другой частицы. Вообще можно полностью исключить из физики постоянные, выраженные в сантиметрах, граммах и секундах, целиком и полностью заменив их "естественными" единицами.

"Если представить себе это выполненным, то в основные уравнения физики будут входить только лишь "безразмерные" постоянные. Относительно этих последних мне бы хотелось высказать одно предложение, которое нельзя обосновать пока ни на чем другом, кроме веры в простоту и понятность природы. Предложение это следующее: таких произвольных постоянных не существует. Иначе говоря, природа устроена так, что ее законы в большей мере определяются уже чисто логическими требованиями настолько, что в выражения этих законов входят только постоянные, допускающие теоретическое

362

определение (т.е. такие постоянные, что их численные значения нельзя менять, не разрушая теории)" [8].


Итак, по мнению Эйнштейна, каждая безразмерная константа - отношение некоторой скорости к другой скорости, одной массы к другой массе (например, массы некоторой частицы к массе электрона), одной длины (длины волны или радиуса какой-то частицы или радиуса Вселенной) к другой длине (например, к радиусу электрона) - всегда может найти объяснение в какой-то теории, всегда в идеале можно ответить на вопрос "почему" в отношении такой константы, причем иная теория дает иное значение константы. Все это вытекает из "веры в простоту и понятность природы". Мы достаточно знакомы теперь с общими идеями Эйнштейна, чтобы понять смысл этих слов. Познание внешнего мира - это познание царящей в нем закономерности, причинной связи, охватывающей и объединяющей мир.

Эрнст Штраус, ассистент Эйнштейна в Принстоне в 1944-1948 гг., приводит в своих воспоминаниях очень важное замечание Эйнштейна. "Что меня, собственно, интересует, - говорил Эйнштейн, - это следующее: мог ли бог сотворить мир другим, оставляет ли какую-то свободу требование логической простоты?" [9].

8 Эйнштейн, 4, 281.
9 Helle Zeit, 72.


Что "бог" у Эйнштейна есть псевдоним рациональной связи процессов природы, - это нам уже известно. Что эта связь выражается в логической простоте, в наименьшем числе независимых постулатов, в естественности теории, отображающей мир с максимальной адекватностью, - это тоже известно. Вопрос состоит в том, приводит ли критерий логической простоты к однозначной картине мира? Могут ли существовать две в равной степени логически простые схемы, физически отличающиеся одна от другой? По-видимому, Эйнштейн склонялся к тому, что "бог не мог составить мир другим", что требование логической простоты определяет физическую картину мира однозначным образом. Приближаясь к объективной истине и приобретая все большую логическую простоту (за счет исключения эмпирических постоянных, не связанных логическим выведением и соответственно каузальной связью с другими постоянными), наука переходит ко все более точному описанию действительности. Сменяющие друг друга картины мира образуют сходящийся ряд.

363

Таким образом, когда Эйнштейн говорит о логических требованиях, речь идет о реальной объективной связи между законами природы. Каждый из них связан с другими, единая цепь причин - следствий охватывает космос и микромир. Именно благодаря такой связи можно логически вывести один закон из другого, причем в единую цепь входят количественные законы природы и константы. Феноменологические константы - радиусы планетных орбит, массы частиц и т.д. - не удовлетворяют критериям научной теории, выдвинутым Эйнштейном. В картине мира нет ничего чисто феноменологического, так же как ничего чисто априорного. Причинное объяснение может задержаться у границ данной теории, но оно не может остановиться, оно рано или поздно перешагнет эти границы.

Когда-то Кеплер, один из самых гениальных провозвестников каузального мышления нового времени, задал вопрос: "Почему они такие, а не иные", имея в виду количественные соотношения мироздания - расстояния между планетами Солнечной системы. Ответа на это нельзя было получить, и Кеплер погрузился в мистику чисел. Каузальное мышление, характерное для науки нового времени, достигло своей кульминации в творчестве Эйнштейна. Но и он не мог найти конкретного причинного объяснения всех физических постоянных, не мог построить теории, в которой все константы вытекают из физических условий. Исходные соотношения теории относительности остаются феноменологическими, пока они не выведены из более общих свойств движущейся материи. Такими свойствами могут быть ее дискретность, ее микроскопическая структура и количественные соотношения микромира, т.е. данные, которыми оперирует квантовая физика. Теория относительности рассматривает в качестве исходных соотношений сокращение движущихся масштабов и замедление времени в движущихся системах. С точки зрения квантовой теории масштабы и часы - это очень сложные тела.

"Они построены, - пишет Гейзенберг, - вообще говоря, из многих элементарных частиц, на них сложным образом воздействуют различные силовые поля и поэтому непонятно, почему именно их поведение должно описываться особенно простым законом" [10].

304

Эйнштейн, как мы знаем, и сам понимал, что исходные соотношения теории относительности, рисующие поведение масштабов и часов, должны быть выведены из каких-то более общих соотношений, записанных в виде уравнений. В этой книге уже упоминалось о такой чрезвычайно характерной, раскрывающей весьма существенную сторону неклассической физики оценке теории относительности ее творцом. В своей автобиографии Эйнштейн пишет:

"Сделаем теперь критическое замечание о теории в том виде, как она охарактеризована выше. Можно заметить, что теория вводит (помимо четырехмерного пространства) два рода физических предметов, а именно: 1) масштабы и часы, 2) все остальное, например электро-магнитное поле, материальную точку и т.д. Это в известном смысле не логично; собственно говоря, теорию масштабов и часов следовало бы выводить из решений основных уравнений (учитывая, что эти предметы имеют атомную структуру и движутся), а не считать ее независимой от них" [11].

10 Гейзенберг В. Замечания к эйнштейновскому наброску единой теории поля. - В сб.: Эйнштейн и развитие физико-математической мысли. М., 1962, с. 65.
11 Эйнштейн, 4, 280,


Разумеется, "теория масштабов и часов" или "поведение масштабов и часов" - фигуральные выражения. Буквальное, конкретное понимание подобных выражений существовало издавна. Быть может, во II в. до нашей эры некоторые жители Сиракуз всерьез думали, что во дворе одного из домов их родного города лежит рычаг, при помощи которого Архимед перевернет Землю, как только получит в свое распоряжение точку опоры. Быть может, иные, не веря в существование такого рычага, уличали Архимеда во лжи. Примерно в такой же мере наивно думать, что "поведение масштабов и часов" имеет смысл лишь при наличии линеек, рулеток, хронометров и пользующихся ими наблюдателей. Речь идет о вещах, существовавших за миллиарды лет до любых наблюдателей и принадлежащей им аппаратуры. Мы уже имели случай заметить, что Эйнштейн описал объективные про-


365

цессы с помощью "масштабов" и "часов", т.е. жестких стержней и периодически повторяющихся движений, а также с помощью "наблюдателей", которыми могут быть приборы, регистрирующие показания часов (число оборотов или число отрезков, пройденных телом после некоторого момента) и число уложенных между двумя точками твердых стержней. Устранить подобное понимание термина "поведение масштабов и часов" очень легко. Что действительно трудно (и что не сделано и не могло быть сделано Эйнштейном), - это указать микроскопические процессы, объясняющие соотношения между пространственными и временными измерениями ("поведение масштабов и часов") в движущихся одна относительно другой системах. Мы не можем и сейчас однозначным и достоверным образом показать, как микроскопическая структура вещества (быть может, атомистическая структура пространства-времени) приводит к соотношениям теории относительности Эйнштейна. Этим соотношениям подчинены все процессы в мире галактик, планет, молекул и атомов. Подчинено ли им поведение элементарных частиц в сколь угодно малых пространственно-временных областях? Мы этого пока не знаем. Если подчинено, то объяснение поведения масштабов и часов их атомистической структурой недостижимо: мы не можем отсылать "от Понтия к Пилату" и, объясняя природу соотношений теории относительности, апеллировать к процессам, подчиненным этим же соотношениям.

Однако можно предположить, что в очень малых, ультрамикроскопических областях имеют место соотношения, из которых вытекают соотношения теории относительности при переходе к большим областям пространства, к большим интервалам времени.

Переход к принципиально иным соотношениям и понятиям встретился нам при знакомстве с термодинамическими работами Эйнштейна и с классической термодинамикой XIX в. Это был переход от микроскопических движений отдельных молекул к состояниям макроскопических тел. Теперь мы имеем подчиненные соотношениям Эйнштейна движения. Быть может, задача состоит в том, чтобы перейти к этим движениям от ультра микроскопических состояний. Такая точка зрения в известной мере восходит к идеям Эйнштейна. Вспомним, что из теории относительности выросла новая, релятивистская теория

366

электрона, предполагающая превращение электронно-позитронных пар в фотоны и порождение электронно-позитронных пар из фотонов. Вспомним также то, что было сказано в связи с изложением квантовой механики и позиции Эйнштейна: за тридцать лет, прошедших после указанных открытий, трансмутации элементарных частиц, превращения частиц одного типа в частицы другого типа, объяснили множество фактов. За это время появилось и развилось представление об излучении частицей частиц иного типа и их последующем поглощении.

Мы знаем, что частица, которая макроскопически обладает непрерывным бытием, на самом деле (в ультрамикроскопическом аспекте) превращается в иные частицы и вновь возникает из них.

Поэтому кажется естественным предположение о трансмутациях как об основе прерывности, дискретности атомистической структуры пространства-времени. Частица определенного типа переходит из одной элементарной, далее неделимой пространственной клетки в соседнюю в течение элементарного интервала, превращаясь в частицу иного типа и вновь возникая уже в другой клетке.

Такое предположение о неотделимости элементарных трансмутаций от элементарных переходов дает наглядное представление о дискретности пространства-времени. Если частица исчезает в данной клетке и возрождается в соседней, никакой сигнал не может быть отправлен на расстояние, меньшее элементарного, и в течение времени, меньшего элементарного. Два события - пребывание частицы в точке х в момент времени t и пребывание частицы в точке х в момент времени t' - не могут быть разделены расстоянием, меньшим элементарного расстояния, и временем, меньшим элементарного интервала.

Предположение о дискретности пространства-времени кажется естественным хотя бы потому, что оно высказывалось на каждом этапе развития науки. Уже Эпикур - об этом речь пойдет в главе "Эйнштейн и Аристотель" - говорил о "кинемах", о микроскопических перемещениях атомов в течение "мгновений, постижимых лишь мыслью", с одной и той же скоростью. Тела, состоящие из атомов, могут двигаться с меньшей скоростью; они даже могут быть неподвижными, если число "кинем", направленных в одну сторону, примерно равно числу "кинем", направленных в обратную сторону.

367

Мир современных аналогов эпикуровских "кинем", мир элементарных трансмутаций-смещений может служить иллюстрацией, - разумеется, совершенно условной - тех закономерностей, которые Эйнштейн искал за кулисами закономерностей квантовой механики. Движение тождественной себе частицы подчинено соотношениям квантовой механики Рассматривая результат большего числа элементарных трансмутаций-переходов, игнорируя отдельные переходы, принимая во внимание макроскопическое движение частицы, мы не можем выйти за пределы этих соотношений: зная положение частицы в данный момент, мы можем узнать лишь вероятность ее скорости. Частица движется в определенную сторону, ее макроскопическая траектория имеет определенное направление, если вероятность элементарных сдвигов в эту сторону больше, чем вероятность элементарных сдвигов в другую сторону, В атом случае частица после большого числа переходов окажется прошедшей свой макроскопический путь, на котором определенное положение несовместимо с определенной скоростью. Здесь все подчинено статистическим закономерностям квантовой механики. Но это еще ничего не говорит о закономерностях, стоящих за кулисами квантовой механики.

Речь идет отнюдь не о каких-то "скрытых параметрах", не о каких-то неизвестных процессах, позволяющих точно определить в одном эксперименте положение и скорость движущейся частицы, найти закономерности движения этой частицы, определяющие достоверным образом не вероятность ее пребывания в данной точке, а самое пребывание. Подобных "скрытых параметров" нет, движение частицы (частицы, тождественной все время самой себе, частицы, движущейся, не исчезая и не возникая) определяется статистическими законами квантовой механики. Но такое движение представляет собой, быть может, только статистический результат большого числа элементарных процессов, к которым неприменимо понятие определенных или неопределенных динамических переменных.

Подобные схемы не претендуют на что-либо большее, чем роль условных иллюстраций, показывающих одно обстоятельство, важное для понимания и исторической оценки "бесплодных" идей Эйнштейна. Эти идеи отнюдь не тянули физику вспять, от квантово-статистической причинности к классической причинности. Приведенная

368



схема иллюстрирует принципиальную возможность такого развития теории микромира, которое отводит эту теорию еще дальше от классических представлений, чем квантовая механика, к идеям, еще более парадоксальным и "безумным" с точки зрения классической физики. Все дело в том, что процесс познания, каким он представлялся Эйнштейну, не встречает абсолютных границ в виде окончательно завершенных теорий и не возвращается назад. Процесс познания повторяет иногда уже пройденные циклы, но всегда на новой основе.

Уже в начале сороковых годов Эйнштейн подходил очень близко к идеям, созревающим сейчас, в семидесятые годы, в релятивистской квантовой физике в связи с изучением свойств элементарных частиц и различных взаимодействий полей. В начале этой главы приводились строки из письма Эйнштейна Гансу Мюзаму в 1944 г. - в них говорится о "безжалостных тисках математических мучений".

Перед этими строками изложен общий замысел единой теории:

"Целью служит релятивистская характеристика физического пространства, но без дифференциальных уравнений. Последние не приводят к разумному пониманию квантов и вещества. Это в известном смысле отказ от принципа близкодействия, в котором мы со времен Герца были столь твердо уверены. У меня нет сомнений, что это возможно. В принципе это возможно без использования статистического метода, который я всегда считал гнилым выходом..." [12]

12 Helle Zeit, 51.




"Релятивистская характеристика физического пространства" означает концепцию пространства, выводящую из его свойств характер происходящих в пространстве физических процессов. Подобная концепция должна, по мнению Эйнштейна, пользоваться иным математическим аппаратом по сравнению с современными дифференциальными уравнениями физики и механики.

Выше уже шла речь о физическом смысле этих дифференциальных уравнений. В них заданы отношения бесконечно малых приращений скорости частиц, а также бесконечно малых приращений действующих на частицы сил к бесконечно малым приращениям пространства и

369

времени. Физический смысл применения подобных уравнений состоит в том, что в любой сколь угодно малой пространственной области и в любой сколь угодно малый интервал времени что-то происходит и это что-то подчиняется законам физики, которые выражаются в уравнениях. Иными словами, их смысл состоит в непрерывности физического пространства и времени, в возможности бесконечного дробления пространства и времени, причем пространство (как и время) остается физическим, т.е. его структура определяет характер физических процессов. Согласуется ли такое допущение с атомистическим строением вещества и атомистической структурой полей, т.е. существованием квантов поля, далее неделимых порций его энергии? Нет, не согласуется, отвечает Эйнштейн. Поэтому, быть может, придется отказаться от принципа близкодействия, т.е. представления о непрерывности физических процессов, о том, что каждый процесс идет от мгновения к мгновению и от точки к точке.

Более сложной оказывается расшифровка слов о статистическом методе. Нельзя думать, что Эйнштейн считал статистические идеи "гнилым выходом" во всех случаях. Ему принадлежат крупнейшие по значению работы о статистике в классической и квантовой физике, и в этих работах, применяя и развивая методы статистики, Эйнштейн решил важные задачи. Эпитет, по-видимому, относится к представлению о статистических закономерностях квантовой механики как о последних закономерностях бытия. Эйнштейн надеялся на существование более глубоких закономерностей нестатистического характера.

Как ни странно, эта надежда в сущности не противоречит мысли Макса Борна о статистическом характере по только квантовой, по и классической механики. Ведь из письма Мюзаму (и из большого числа других высказываний Эйнштейна) видно, что "заквантовые" процессы представлялись ему отнюдь не классическими и, более того, отнюдь не механическими. Эти процессы не состоят в "классическом" движении с определенным в каждый момент положением и скоростью - иначе к ним можно было бы применить дифференциальные уравнения, т.е. прослеживать их с бесконечной точностью вплоть до сколь угодно малых областей. Но они не состоят и в "квантовом" движении с определенным положением либо с определенной скоростью. Они вообще не состоят в ме-

370

ханическом движении, в перемещении физических объектов. За относительными границами, охватывающими данную форму причинности, когда-то казавшуюся парадоксальной, лежат другие формы причинности, снова парадоксальные, за классическим детерминизмом Лапласа - квантовомеханический детерминизм, за ним - еще более решительно порывающий с классическими процессами детерминизм ультрамикроскопических процессов. Научное познание состоит в последовательном усложнении, модификации, обобщении и уточнении каузальных представлений об окружающем нас мире.

Быть может, ультрамикроскопические закономерности позволят обобщить исходные закономерности теории относительности. Не исключено, что "поведение масштабов и часов" зависит от соотношений между элементарными расстояниями и элементарными интервалами времени. В качестве условной иллюстрации можно предложить, например, следующую модель. Минимальная длина равна приблизительно 10 в -13 степени см. Есть основания принять для нее такой или близкий порядок величины. Впрочем, есть основания и для значительно меньшего минимального расстояния. Поскольку перед нами не физическая модель, а историко-физическая, иллюстрирующая лишь некоторые тенденции современной науки, выбор значения здесь несуществен [13].

13 См.: Kouznetsov В. Complementarity and Relativity. - Philosophy of science, 1966, v. 33, N 3, p. 199-209.


Таким образом, 10 в -13 степени см - минимальное расстояние, на которое может быть послан сигнал, минимальное расстояние, на которое может переместиться частица. Меньшее расстояние уже не характеризует поведение частицы, здесь само понятие ее движения теряет смысл. Соответственно здесь неприменимы понятия относительности движения и соотношения теории относительности. Но именно здесь им, по-видимому, суждено найти то обоснование, о котором думал Эйнштейн.

Представим себе, что время состоит из минимальных интервалов, равных времени прохождения света через указанное выше минимальное расстояние.

371

Такой минимальный интервал будет равен 3-10 -24 степени сек. Если минимальное расстояние 10 -13 степени см, то 3 10 -24 степени сек - это и будет минимальное время распространения сигнала, минимальное время, в течение которого частица может переместиться в пространстве. Сделаем еще одно столь же условпое предположение: частица перемещается на минимальное расстояние ˜10˜13 см в течение минимального времени 3 10 -24 сек. Иначе говоря, движение частицы состоит из переходов на расстояние 10 -13 см, происходящих в течение интервалов 3 10 -24 сек. Скорость таких переходов равна частному от деления пройденного расстояния на время, т.е. 10 -13: 3 10 -24 = 3 1010 см/сек, т.е. 300 тыс. километров в секунду - скорости света. Быстрее частица двигаться не может, быстрее не будет двигаться и тело, состоящее из частиц. Если мы будем следить за всеми микроскопическими элементарными (па 10 -13 см в течение 3 10 -24 сек) переходами частицы, то мы зарегистрируем микроскопическую траекторию, которая будет в общем случае ломаной линией: переходы имеют одну и ту же абсолютную скорость, но различное направление. Если не смотреть на отдельные микроскопические переходы и принимать во внимание лишь результат очень большого числа их, то можно зарегистрировать непрерывную макроскопическую траекторию. Она может быть значительно короче микроскопической траектории, состоящей из всех элементарных переходов. Например, если частица переходила примерно так же часто в одну сторону, как и в противоположную, то в результате эта частица окажется вблизи исходного пункта, ее макроскопическая траектория будет очень короткой - будет приближаться к нулевой. Соответственно и макроскопическая скорость (скорость на макроскопической траектории) будет ничтожной, близкой к нулю. Если число сдвигов в одну сторону будет значительно превышать число сдвигов в противоположную сторону, макроскопическая траектория, пройденная за тот же срок, окажется большой. Наконец, при максимальной несимметричности элементарных переходов, т.е. в том случае, когда все эти переходы направлены в одну и ту же сторону, макроскопическая траектория совпадает с микроскопической и, соответственно, макроскопическая скорость - со скоростью света. Это и будет максимальной скоростью для всякого тела. Отсюда можно вывести определенные законы "поведения масштабов и часов" - соотношения теории относительности Эйнштейна.

372

Мы взяли такие элементарные пространственные расстояния и элементарные интервалы времени, чтобы частное от деления одной величины на другую, т.е. скорость перехода из одной пространственной клетки в другую, было равно скорости света. Если бы не существовало других оснований для выбора таких постоянных, т.е. если бы оси были выбраны ad hoc, то такое предположение в целом было бы типичным примером произвольной конструкции, соответствующей наблюдениям и тем не менее совершенно лишенной правдоподобия. Но общее предположение о существовании атомов пространства-времени - наименьших, элементарных, далее недробимых четырехмерных интервалов - вводится отнюдь не ad hoc. Это же можно сказать и о порядке величин, названных выше: 10 -13 см и 310 -24 сек. В большом числе физических проблем эти числа появляются довольно естественным образом. Поэтому можно предположить, что в своем дальнейшем развитии физика придет к некоторому квантово-атомистическому обоснованию теории относительности как макроскопической теории и что в таком обосновании будут фигурировать естественные, постоянные величины - минимальные расстояния и интервалы времени.

Высказанные только что соображения о возможной трансмутационной подоснове существования и движения тождественных себе частиц были бы физически содержательными, если бы физически содержательным был основной и исходный образ схемы, если бы мы могли приписать физический смысл понятию элементарной трансмутации, понятию аннигиляции и регенерации частицы, не обладающей еще макроскопической (по сравнению с элементарными ячейками) мировой линией. Такая возможность кажется весьма сомнительной. Что, собственно, означают фразы: "частица данного типа аннигилирует", "частица данного типа превращается в частицу иного типа", "частица иного типа превращается в частицу того же типа, что и исходная"? Частица одного типа отличается от частицы другого типа массой, зарядом и другими свойствами, проявляющимися в характере мировых линий при заданных условиях, а также распадом, т.е. характером мировых линий, возникших при распаде частицы. Пока частица не обладает мировой линией, пока мировая точка, в которой она находится, не входит в определенную мировую линию, отнесение частицы к тому или ино-

373

му типу и понятие трансмутации не имеют никакого смысла. Понятие трансмутации, изменения массы, заряда и т.д. имеет смысл только по отношению к "реальным", т.е. нетривиально себетождественным частицам, обладающим большими по сравнению с элементарными интервалами сроками жизни. Определения, лежащие в основе отнесения частицы к тому или иному типу, имеют интегральный, а не локальный характер, и чисто локальное понятие частицы определенного типа и, соответственно, чисто локальное определение трансмутации не имеют смысла.

Но и чисто интегральное определение типа частицы но имеет физического смысла. Это очень древняя апория, достигшая особенно явной и острой формы в физике Декарта. Геометризация физики, отождествление вещества с пространством сделали невозможным физическую индивидуализацию тела, выделение его из окружающего мира и лишили смысла понятие движения тела. Лейбниц отмечал эту ахиллесову пяту картезианской физики. С развитием атомистических представлений проблема различения тела и занимаемого им места стала проблемой различения частицы, с одной стороны, и пространственно-временной точки, с другой. Уже говорилось выше, что мы и сейчас не можем отличить четырехмерную линию как чисто геометрическое понятие от физического понятия реального движения частицы, если не припишем частице какого-то иного бытия помимо пребывания в мировой точке, какого-то иного предиката помимо четырех координат, какого-то иного изменения помимо перехода в следующую мировую точку. Это "некартезианское" бытие частицы могло бы состоять в ее взаимодействии с другими частицами, вызывающем трансмутацию данной частицы. Но тут мы снова из Сциллы чисто интегрального представления попадаем в Харибду чисто локального представления: представление о трансмутации в данной точке физически бессодержательно, пока мы не вводим интегрального определения мировой линии и интегрального, принадлежащего "реальной" частице, определения ее типа.

Все дело в том, что в квантово-релятивистской области ультрамикроскопических расстояний и интервалов времени теряет смысл весьма фундаментальное классическое понятие, удержавшееся в релятивистской и в квантовой

374

физике, но не проходящее в теорию, синтезирующую релятивистские и квантовые идеи. В классической физике и с некоторыми условиями в квантовой физике элементарными процессами - "кирпичами мироздания" - считались движения тождественных себе частиц. После того как появилось квантово-релятивистское по своему характеру представление о трансмутациях, возникла мысль об элементарных трансмутациях как об исходной реальности, как о "кирпичах мироздания", из которых складываются макроскопические процессы движения тождественных себе тел. Но в действительности из современной физики вытекает более радикальный вывод: представление об "элементарных процессах", существующих независимо от "неэлементарных", должно быть в общем случае оставлено, природа не состоит из "кирпичей", адекватное описание природы должно с самого начала оперировать локальными и интегральными характеристиками, которые теряют физический смысл, взятые изолированно. Локальное "некартезианское" бытие частицы состоит в трансмутациях, обладающих физическим смыслом в качестве локальных изменений эвентуальных мировых линий (изменений не только формы этих линий, но также изменений коэффициентов, связывающих определения мировой линии между собой и с интенсивностью взаимодействий, т.е. изменений массы покоя, заряда, спина и т.д.). В свою очередь, мировая линия обладает экзистенциальным смыслом, т.е. принципиальной возможностью сопоставления с экспериментом, когда она рассматривается не только как последовательность четырехмерных положений, но и как последовательность локальных событий, в которых участвуют виртуальные частицы.

Таким образом, только сейчас, в свете наметившихся перспектив теории элементарных частиц, в связи с более или менее определенными прогнозами в этой области мы можем пересмотреть традиционную чисто негативную оценку последних сорока лет жизни Эйнштейна. И раньше казалось неестественным вычеркивать из истории науки столь длительную полосу, заполненную чрезвычайно напряженной работой одного из самых мощных умов, какие известны истории науки. Можно было предположить, что Эйнштейн имел в виду какие-то неопределенные контуры новой картины мира. Теперь эти контуры еще не стали однозначно определенными, по мы мо-

375

жем конкретнее иллюстрировать их. Объективный смысл "ворчания", как назвал Макс Борн позицию Эйнштейна в отношении квантовой механики, не состоял в попытках вернуться к классическим представлениям. Эйнштейн не сочувствовал объяснению квантовой механики с классических позиций "скрытых параметров". Теперь мы можем несколько конкретнее иллюстрировать противоположный путь пересмотра квантовой механики - более радикальный отказ от классического образа тождественной себе движущейся частицы как исходного образа картины мира.

Думается, что такой отказ содержится implicite в отказе Эйнштейна от принципа Маха. Этому посвящена значительная часть главы "Эйнштейн и Мах". Припцип Маха, как нам уже известно, сводит мироздание к движениям и силовым взаимодействиям тел. С этим принципом явно не согласуется возникновение частицы и ее распад, нарушающий принцип себетождественности объектов, из которых составляется картина мира. Подобные процессы не входят в "классический идеал", в картину мира "того же типа, что и механика Ньютона". К выходу за рамки такой картины подошла теория относительности при ее синтезе с квантовой механикой. Однако выход за пределы первоначального замысла никогда не приобретал у Эйнштейна той силы, какой обладала тяга к "классическому идеалу".

В этом выражалась характерная особенность научного гения. Эйнштейн интересовался основами науки - общими принципами, определяющими все, что происходит в мире. В 1924 г. он писал Соловину о своих научных интересах:


"Интерес к науке был для меня ограничен изучением принципиального, и это лучше всего объясняет характер моей деятельности. То, что я опубликовал так мало вещей, проистекает из указанного жо обстоятельства: страстное желание познать принципиальное привело к тому, что большая часть времени была потрачена на бесплодные усилия" [14].

14 Lettres a Solovine, 49.


Это было написано в 1924 г., в период блестящего подтверждения теории относительности. Уже тогда Эйнштейн стремился найти еще более общие основы универсальной гармонии бытия. Такие основы не были найдены, и Эйп-


376

штейн подчас считал их поиски бесплодными усилиями. Они не были найдены и позже. Более того, интерес к принципиальным основам картины мира не совпадал с наиболее распространенным в тридцатые - сороковые годы стилем научного творчества в физике. В пятидесятые - шестидесятые годы положение изменилось. Чтобы заменить чисто рецептурные приемы квантовой электродинамики и общей теории элементарных частиц единой непротиворечивой концепцией, обладающей "внутренним совершенством", нужно было вернуться к размышлениям об общих основах физики. Здесь-то и обнаружилось, что идеи Эйнштейна, разрабатывавшиеся в течение тридцати лет, не были бесплодными. Если не по результатам, то по поставленным проблемам вторая половина жизни Эйнштейна наложила неизгладимый отпечаток на пути науки второй половины столетия.

Почему ответы Эйнштейна на поставленные им вопросы не вошли в содержание современной науки? И почему выход за пределы "классического идеала" несопоставим в творчестве Эйнштейна но своей интенсивности с тягой к этому идеалу, приведшей к теории относительности?

Здесь приходится вернуться к самым первым вводным характеристикам. Идеи Эйнштейна были высшей точкой трехвекового господства "классического идеала", который последовательно воплощался в рационализме Декарта и Спинозы, в механике Ньютона, в физике XIX в. Теперь наука подошла к новому периоду. Гений Эйнштейна выразился в очищении "классического идеала" от ньютоновых абсолютов, далее он выразился в понимании ограниченности "классического идеала", в поисках новой каузальной гармонии, выходящей, как мы сейчас знаем, за рамки этого идеала.



Новая каузальная гармония еще не воплотилась в стройные, как бы литые из бронзы, формы, в каких предстал перед Эйнштейном "классический идеал". Новый идеал науки приобретет стройные очертания - уже сейчас поиски единой, непротиворечивой общей теории становятся содержанием физической мысли. При этом наука станет еще ближе к стилю мышления Эйнштейна. Но позитивные решения будут иными.

Стиль мышления Эйнштейна характеризуется, помимо прочего, близостью, а иногда даже слиянием физических проблем с философскими. Такая черта связана с поисками "внутреннего совершенства", с задачей построения физических теорий, естественно вытекающих из общей схемы бытия.

377

Эта идея подтверждается все с большей силой современным развитием теоретической физики. Эйнштейн уже в начале сороковых годов говорил, что затруднения физической мысли могут быть преодолены только на путях более глубокого и тесного соединения философского анализа с собственно физическим. В 1944 г. Эйнштейн утверждал, что затруднения, которые физик испытывает сейчас в своей области, заставляют его соприкоснуться с философскими проблемами в значительно большей степени, чем это приходилось делать физику прошлых поколений [15].

15 См.: Эйнштейн, 4, 248.


Эйнштейн указывает на основную проблему, которая должна интересовать сейчас физика: каково соотношение между "чистой мыслью" и эмпирической базой познания. По мнению Эйнштейна, через хаос различных ответов на этот вопрос пробивает себе дорогу единая тенденция - "возрастающий скептицизм по отношению к любой попытке что-либо узнать о мире "вещей", об "объективном мире" с помощью чистой мысли".

Слова "вещи" и "объективный мир" поставлены Эйнштейном в кавычки, чтобы, как он говорит, "ввести понятия, подозрительные в глазах философской полиции". Эйнштейн пишет далее, что со времен Галилея все быстрее распространяется и становится господствующим представление об опыте как единственном источнике достоверных сведений о природе. Эйнштейн согласен с этим представлением. Но он не может согласиться с феноменализмом как выводом из этого представления.

Этот ход мысли нам уже знаком, Эйнштейн повторяет его во всех своих эпистемологических экскурсах. Эмпирическое происхождение знания не препятствует "чистой мысли" строить гипотетические выводы, не вытекающие из данного комплекса экспериментов, исходящие из общей схемы мироздания. Эти выводы должны в принципе подлежать экспериментальной проверке, но вместе с тем они должны обладать "внутренним совершенством" - максимально естественным образом вытекать из общей концепции бытия.


378

Навстречу этой идее - наиболее общей идее эпистемологических выступлений Эйнштейна - идут столь частые сейчас требования общей, непротиворечивой, вытекающей из всей совокупности сведений о мире теории, обосновывающей рецептурные приемы, выдвинутые ad hoc. Они были приняты "в кредит", в надежде на теорию, обладающую "внутренним совершенством". Сейчас нужно платить по векселям, и именно эта необходимость толкает физическую мысль к общим, охватывающим все мироздание проблемам и соответственно к новому синтезу интегрального философского анализа мироздания с конкретными физическими концепциями и с частными экспериментальными результатами.

Вспомним замечательную характеристику современной ситуации в теоретической физике, принадлежащую Нильсу Бору. Сейчас нас может удовлетворить лишь самая "безумная" физическая теория. Этот термин почти совпадает по смыслу с эйнштейновским "чудом", он характеризует парадоксальность теории. У Эйнштейна "бегство от чуда", не укладывающегося в старые схемы, состоит в выдвижении новой, парадоксальной теории, в свете которой парадоксальное явление оказывается вполне естественным. Теперь речь идет уже не об отдельных явлениях, а о парадоксальных концепциях. Наука находится на пороге единой теории, охватывающей все мироздание, радикально отличающейся по основным посылкам от "классического идеала" и в этом смысле наиболее "безумной". Она снимет ореол "безумия" с частных физических концепций так же, как теория относительности сняла ореол "чуда" с результатов Майкельсона. Эйнштейновское "бегство от чуда", от удивительного факта, с помощью удивительной теории - это прообраз современного "бегства от безумия", перехода от удивительной частной теории к удивительной общей схеме бытия. Степень "безумия" определяется общностью и исторической устойчивостью пересматриваемых концепций. Высказанное Бором требование более высокой степени "безумия" означает, что сейчас физике нужен пересмотр весьма общих и устойчивых принципов.

<< Пред. стр.

стр. 12
(общее количество: 21)

ОГЛАВЛЕНИЕ

След. стр. >>