Наука и культура

Альберт Эйнштейн

Разделы:  Рефераты по истории и культуре

Биографии известных людей

Со времени обоснования теоретической физики Ньютоном наибольшие изменения в ее теоретических основах, другими словами, в нашем представлении о структуре реальности, были достигнуты благодаря исследованиям электромагнитных явлений Фарадеем и Максвеллом.

Эйнштейн

Способ, которым Фарадей использовал свою идею силовых линий, чтобы координировать явления электромагнитной индукции, доказывает, что он был математиком высокого порядка - одним из тех, у кого математики будущего могут черпать ценные и плодотворные методы.

Максвелл

По отношению ко времени, когда Максвелл писал приведенные строки, Эйнштейн был одним из таких математиков будущего. Больше, чем кто-либо, он превратил математику из науки, в которой, по словам Бертрана Рассела, "мы никогда не знаем, о чем говорим, и никогда не знаем, верно ли то, что мы говорим", в науку, обладающую критерием истины. Иначе говоря, в науку о бытии. Принцип бытия, каким он выкристаллизовался у Эйнштейна и каким он представляется в прогнозах дальнейшего развития идей Эйнштейна, означает для математики, что ее выводы и, более того, аксиомы являются не только основой "внутреннего совершенства" картины мира, но обладают "внешним оправданием" или по крайней мере ищут "внешнего оправдания", экспериментального, эмпирического сенсуального подтверждения.

Если говорить о геометрии, то она в руках Эйнштейна превратилась из учения о "небытии" в том смысле, который придал этому слову Демокрит, т.е. из учения о пустом, сенсуально непостигаемом пространстве, в учение о бытии. Бытии, нетождественном демокритову "бытию" - атомам, частям гомогенной материи, движущимся в пустоте. Геометрия стала учением о гетерогенном бытии.

О физическом поле, которое в работах Фарадея стало таким бытием.

Демокритово "небытие", пустое пространство - необходимая часть реального мира, потому что без него нельзя себе представить движение атомов. Для античной атомистики и для ее позднейших адептов и реформаторов пустое пространство - это совокупность прошлых и эвентуальных, будущих положений атомов. Эвентуальных и поэтому сенсуально не регистрируемых, предоставленных чистой геометрической мысли, которая здесь конструирует свои объекты.

Декарт устранил различие между "бытием" и "небытием" Демокрита и соответственно между физикой и геометрией. Материя геометризировалась, потеряла все свойства, кроме протяженности, была отождествлена с пространством, но и пространство в свою очередь "физикализировалось", его части приобрели непроницаемость, начали двигаться по отношению друг к другу, стали телами.

Несколько аналогичной и в то же время обратной по направлению была другая научная революция, стремившаяся объединить демокритово "бытие" и демокритово "небытие", физику и геометрию. Само "небытие" однородное и бескачественное, само пространство - арена чисто геометрических конструкций - приобрело сенсуально постижимые, экспериментально регистрируемые предикаты, отличающие одну точку пространства oт другой. При этом пространство уже не отделяется от времени, поскольку речь идет о событиях в каждой его точке, об актуальных, а не эвентуальных событиях, происходящих не в спекуляции, а в определенные моменты.

В статье "Относительность и проблема пространства" Эйнштейн говорит об исторической подготовке и реализации этой повой концепции бытия

В предисловии к этому изданию Эйнштейн писал:

"В этом издании я добавил Приложение V, в котором изложил свои взгляды на проблему пространства вообще и па изменения наших представлений о пространстве, возникающие под влиянием релятивистской точки зрения. Мне хотелось показать, что пространству и времени нельзя с необходимостью приписать раздельное существование независимо от действительных объектов физической реальности. Физические объекты находятся не в пространстве, но эти объекты являются пространственно протяженными. На этом пути концепция "пустого пространства" теряет свой смысл".

В механике Ньютона пространство и время, с одной стороны, и материальные частицы, с другой - существуют раздельно.

"При этом существенным обстоятельством, - пишет Эйнштейн, - является то, что "физическая реальность", существующая независимо от познающих ее субъектов, представлялась состоящей, по крайней мере в принципе, из пространства и времени, с одной стороны, и из постоянно существующих материальных точек, движущихся по отношению к пространству и времени, с другой. Идея независимого существования пространства и времени может быть выражена следующим образом: если бы материя исчезла, то остались бы только пространство и время (своего рода сцена, на которой разыгрываются физические явления)".

Переход от такого представления о пространстве и времени как о сцене, на которой разыгрываются физические явления, к новому представлению, состоит в утверждении: когда физические процессы не разыгрываются, сцены нет, она не существует, Это кажется некоторым возвратом к картезианской концепции пространства, последнее сводится к протяженности тел и без тел не существует. Теория относительности Эйнштейна примыкает к идее неразрывности: 1) пространства и времени, т.е. "сцены", и 2) "разыгрывающихся явлений" - физических процессов, обладающих сенсуальной постижимостью и поэтому становящихся явлениями. Она примыкает в этом смысле к общей тенденции классического рационализма, которая вела его к науке, к слиянию рационального, спекулятивного анализа с сенсуальным постижением мира. Но теория относительности в то же время исходит из тенденции противоположного направления по сравнению с физикой Декарта.

Декарт свел пространство к протяженности тел - физических объектов, которые движутся по отношению друг к другу. У Декарта нет общего, привилегированного тела отсчета. Но заполняющие пространство и тождественные частям пространства тела - механическая картина мира в ее картезианском варианте - в XIX в. оказались недостаточным физическим представлением, недостаточным для объяснения новых открытых в то время явлений. Понадобилось совершенно новое, полевое представление. Здесь уже пространство и время приобретают физическое бытие не потому, что они заполнены телами и их движениями - актуальными (физика Декарта) или эвентуальными (все концепции, допускавшие реальность пустоты). Здесь, напротив, тела представляются сгустками пространства, обладающего в каждой точке некоторыми физическими, экспериментально обнаруживаемыми свойствами.

Динамическими свойствами. Воздействием на тела. Пространство - это не сумма тел, а сумма точек, в которых тела получают импульсы. Такова концепция силового поля. Существует ли оно независимо от этих тел? Существует ли помимо тел, фигурирующих в механике, другая физическая субстанция? На эти вопросы и ответила устами Фарадея наука XIX в. Ответила утвердительно. Тогда появился другой вопрос: не является ли эта субстанция сама всеобъемлющим телом, обладающим функцией других тел, способным служить телом отсчета? На этот вопрос ответила устами Эйнштейна наука XX в. Ответила отрицательно.

Несколько замечаний о генезисе теории поля как физической субстанции.

Ньютон говорил в "Началах" о двух проблемах. Первая - определение положений тел по заданным силам. Это исходный пункт механики, которая не проникает в причины сил. Вторая проблема - определение сил по заданному расположению тел. Это исходный пункт теории поля, физики в собственном смысле. Физики как области механики, если силы сводятся к перемещению тел и толчкам со стороны тел в каждой данной точке. Физики, независимой от механики, если импульс существует в данной точке и в данный момент без сведения его к кинетическим процессам, в которых участвуют некие непроницаемые тела.

Фарадей создал концепцию силового поля, которая в конце концов, развиваясь, привела к представлению о процессах, в которых тела вовсе не участвуют, где одно силовое поле - электрическое - своим изменением вызывает к жизни другое поле - магнитное и, наоборот, возникающие при этом электромагнитные волны демонстрируют независимость реального физического поля от поведения и наличия тел в точке, где появляется поле.

В рамках атомистического представления, т.е. в картине дискретных тел, движущихся в пустоте, концепция континуальной физической среды появилась сначала как формальный образ распределения в пространстве и во времени некоторых средних величин, например средней скорости молекул, т.е. температуры. Приведем несколько выдержек из уже цитировавшейся статьи Эйнштейна "Относительность и проблема пространства".

После упоминавшейся уже концепции пространства и времени как "сцены" Эйнштейн продолжает:

"Эта точка зрения была преодолена в результате возникновения новых идей, которые сначала, казалось, не вносили никаких изменений в проблему пространства-времени, а именно: в результате появления понятия поля и возникновения требования заменить им в принципе понятие частицы. В рамках классической физики понятие поля появилось как вспомогательное понятие в тех случаях, когда вещество трактовалось как некоторый континуум. Например, при рассмотрении теплопроводности в твердом теле состояние этого тела описывалось путем задания температуры в каждой точке тела для каждого определенного момента времени. Математически это означает, что температура Т представляется как функция пространственных координат и времени t (поле температуры). Закон теплопроводности представляется как некоторое локальное соотношение (дифференциальное уравнение), которое охватывает все частные случаи передачи тепла. Температура здесь представляет собой простой пример понятия поля. Это некоторая величина (или некоторый комплекс величин), являющаяся функцией координат и времени"

Подобные представления о поле укладывались в рамки картины дискретных тел как участников игры на пространственно-временной сцене. Поля располагались в весомых телах и указывали на состояния частиц, из которых сложены эти тела. "На ранней стадии развития понятия поля, - пишет Эйнштейн, - считалось, что там, где нет вещества, не может существовать и поля. Однако в первой четверти девятнадцатого столетия было показано, что явления интерференции и распространения света могут быть объяснены с изумительной ясностью, если свет рассматривать как волновое поле, совершенно аналогичное полю механических колебаний в некотором упругом твердом теле. Таким образом, возникла необходимость ввести поле, которое могло бы существовать в пустом пространстве, в отсутствие весомой материи"

Тем самым было предрешено освобождение концепции поля от прямой связи с механическими моделями. Такая прямая связь состояла в кинетических моделях движений некоторых тел, причем непрерывно распределенные в пространстве физические величины обозначают состояние этих тел, их поведение в пространстве и во времени Но существовала другая связь континуального поля с механикой - с континуальными механическими представлениями, с гипотезой некоторого заполняющего все пространство тела, т.е. с эфиром. Механика эфира могла заключаться либо в смещениях одних частей эфира относительно других частей (концепция увлечения эфира движущимися телами), либо в смещениях тел относительно неподвижного эфира; в этом случае эфир рассматривается как привилегированное тело отсчета, к которому отнесено движение тела (концепция Лоренца).

Концепция эфира сохранялась в течение второй половины XIX в., несмотря на то, что электродинамика Максвелла уже содержала в зародыше новую концепцию поля. Создание электромагнитной теории света в сущности уже продемонстрировало возможность объяснить явления без механических моделей. "Один психологический эффект этого огромного успеха состоял в том, что концепция поля в противоположность механической картине классической физики постепенно приобретала все большую самостоятельность"

Но континуальное, по существу также механическое, представление сохранялось. Идея эфира как общего неподвижпого тела отсчета для весомых тел либо как тела отсчета для самих частей, увлекаемых движущимися телами, сохранялась. Когда оказалось, что обе концепции эфира противоречат результатам эксперимента, теория поля потеряла связь и с этой континуальной классической картиной.

Теперь, познакомившись с некоторыми особенностями эволюции представлений о поле, можно вернуться к Фарадею и отчетливее увидеть, что в его творчестве было вопросом, адресованным современной науке. Прежде всего это мысль об атомах как о центрах физических объектов, охватывающих все пространство, в котором распространяются силовые поля. Атом Фарадея - непротяженный точечный центр, который не существует, если нет исходящих из него силовых линий. Фарадей обозначает через а непротяженный центр сил, а через т - поле. Атом - это не нечто независимо существующее, а конец силовых трубок. "Поэтому, - пишет Фарадей, - для меня а, или ядро, исчезает, а вещество состоит из сил, или m; в самом деле, какое представление мы можем составить себе о ядре независимо от его сил? Все наши наблюдения и знания об атоме, самое наше воображение ограничиваются представлениями о его силах: на какую же мысль можно еще опереть наше представление о некоем а, независящем от признанных сил? Мозг, только что приступивший к этому вопросу, возможно, найдет затруднительным думать о силах материи, независимых от чего-то отдельного, что должно называться материей, но, конечно, гораздо труднее и даже невозможно думать или воображать эту материю независящей от сил. Но силы нам известны, и мы узнаем их в каждом явлении Вселенной, а отвлеченную материю - ни в одном; зачем же тогда предполагать существование того, чего мы не знаем, чего мы не можем себе представить и для чего нет никакой научной необходимости?"

Таким образом, Фарадей переходит от чисто кинетической концепции материи Декарта к динамическому представлению: атом - это нечто связанное с другими атомами силовыми линиями, и именно в этих линиях - бытие атома. Материя, не обладающая динамическими свойствами, лишена в принципе сенсуальной постижимости: "Все наши наблюдения и знания об атоме ограничиваются представлениями о его силах". Здесь еще раз видна сенсуальная, эмпирическая компонента рационализма. Заполнение пространства материей, лишенной иных свойств, кроме пространственных, лишенной индивидуализации тел, - это чисто мысленная операция, здесь нечего делать экспериментатору. Следует обратить внимание на эту в общем ускользавшую от внимания связь экспериментального гения и экспериментального темперамента Фарадея с произведенным его "Экспериментальными исследованиями по электричеству" переворотом в представлениях о физической субстанции. Субстанция, обладающая сенсуально постижимыми и экспериментально регистрируемыми свойствами, - это для Фарадея совокупность силовых линий.

Форма атома, продолжает Фарадей, обозначает только относительную интенсивность направленных в разные стороны сил.

"Если сила направлена от данного центра единообразно во все стороны, тогда поверхность равной интенсивности силы будет сферой. Если же эти силы убывают с расстоянием по-разному в разных направлениях, тогда поверхность равной интенсивности, соответствующая форме атома, может быть поверхностью сфероида или любого другого геометрического тела. Отсюда вытекает взаимная проницаемость материи. Границы каждого атома простираются по крайней мере до границ Солнечной системы.

Высказанный здесь взгляд на строение материи, по-видимому, неизбежно влечет за собой вывод, что материя заполняет все пространство, на которое распространяется тяготение (включая Солнце и его систему), ибо тяготение есть свойство материи, зависящее от некоторой силы, и именно из этой силы состоит материя. В этом смысле материя не просто взаимно проницаема, но каждый атом простирается, так сказать, на всю Солнечную систему, сохраняя свой центр сил"

Этот взгляд отнюдь не однозначная и позитивная физическая концепция. Это программа, адресованная будущему. Конкретная физическая схема магнитных сил с продольным натяжением и поперечным распором не реализовала указанной программы. Только сейчас мы подходим к представлению об элементарных частицах, бытие которых обусловлено их взаимодействием. Разумеется, то, что в наше время говорят об элементарных частицах, очень далеко от фарадеевой концепции динамических центров. Но сейчас, по-видимому, придется оставить представление о "голой" частице, которая существует в отсутствие других частиц, в отсутствие полей. В своем отличии от простой кинетической схемы: в пустоте движутся независимые в своем бытии частицы - концепция Фарадея была обращена в будущее.

Она и сейчас обращена в будущее. В будущее теории относительности и квантовой механики. Их будущее, как мы знаем, в синтезе, контуры которого сейчас еще неясны. Сравнительно ясной представляется связь между статистическими, вероятностными, квантовыми закономерностями микромира и динамическими, точными, релятивистскими закономерностями макромира. Менее ясен характер ультрамикросконических закономерностей. В пространственно-временных областях атомного масштаба мы встречаем совершенно новое, неизвестное классической науке соотношение между: 1) полем - преображенным, обретшим физическое бытие демокритовым "небытием" - и 2) демокритовым бытием - частицами. Волновое поле - это поле вероятностей: простая функция амплитуд его колебаний представляет собой вероятность пребывания частицы в данной точке в данный момент. Это кажется поворотом от фарадеевой концепции поля к старой, формальной. Поворотом от фарадеевой концепции пространства, ставшего физической реальностью, к старому "небытию", где распределены сенсуально нерегистрируемые математические, а не физические значения поля. Таким было поле в физике до Фарадея. Теперь можно рассматривать поле как распределенные в пространстве и во времени значения вероятности пребывания частицы, как некоторое формальное построение. Так смотрели на волны де Бройля сторонники чисто корпускулярного представления. С другой стороны, существовала континуально-волновая картина, в которой волновое поле уподоблялось классическому волновому процессу в некоторой среде. Принцип дополнительности Бора приводит к совершенно новой концепции поля: и корпускулярный и волновой аспекты - это компоненты физической реальности. Поле вероятностей реально участвует в физических процессах, волны де Бройля дифрагируют и интерферируют, они не в меньшей степени наблюдаемы, чем какие-либо другие физические объекты. И тем не менее это реальное поле есть поле вероятностей.

Понятие вероятности становится еще более физическим, когда говорят о закономерностях ультрамикроскопического мира. Здесь речь идет не только о вероятности того или иного поведения частицы (ее пребывания в данной точке, ее импульса и т.д.), но и вероятности ее бытия, ее трансмутации, ее распада или возникновения.

Таким образом, для нашего времени сохраняется некоторый аналог старой тенденции - превращение понятия поля из математическо-формального понятия в физическое. Но сейчас разговор о более общей тенденции - превращении самой математики или по крайней мере некоторых ее разделов, проблем, концепций и методов в физически содержательные концепции и методы. Наиболее эффектное воплощение такой тенденции - общая теория относительности, в которой чисто математическая проблема перехода от евклидовой геометрии к неевклидовой приобретает критерий истины, становится физически содержательной проблемой, получает "внешнее оправдание".

И здесь мы естественно вспоминаем процитированное в эпиграфе замечание Максвелла и другие его замечания о математическом методе Фарадея. Сам Максвелл в своем докладе "О соотношении между физикой и математикой" говорил об области, "где Мысль сочетается с Фактом" и где математические выводы нужно рассматривать как объективные факты

Электродинамика Максвелла была реализацией того, что ее создатель назвал "математическим методом Фарадея". Его триумфом в XX в. была теория относительности. Его перспективы связаны с дальнейшим развитием этой теории.