Содержание к диссертации
Введение
1. Генезис первых научных картин мира как процесс формирования классической рациональности 15
1.1. Историческая преемственность и рациональный смысл понятия «физической картины мира» 15
1.2. Механистическая картина мира как первая научная картина мира: генезис, сущность и закономерности становления 32
1.3. Электромагнитная картина мира классической физики в свете классической рациональности 57
2. Квантово-релятивистская картина мира как основа формирования неклассической рациональности 75
2.1. Формирование логической структуры релятивистской картины мира как важный этап становления неклассической рациональности 75
2.2. Квантово-физическая картина мира: сущность особенности становления 96
2.3. Квантово-релятивистская физическая картина мира как синтез квантовой и релятивистской парадигм физики 118
3. Нелинейная физическая картина мира: генезис и идейные основы 138
3.1. Парадигма самоорганизации и новые стратегии научного поиска 138
3.2. Хаос, случайность, неустойчивость как конструктивные элементы построения нелинейной картины мира 163
3.3 Глобальный эволюционизм как основа и стратегия формирования нелинейной физической картины мира и нового типа научной рацио нальности 184
4. Корщегщия вакуума в картине мира современной физики 204
4.1. Становление парадигмы физического вакуума в структуре совре менной физической картины мира 204
4.2. Спонтанное нарушение симметрии вакуума и инфляционные сце нарии развития Вселенной в современной космологии 225
4.3. Структурные уровни организации вещества в контексте современной вакуумной картины мира 249
4.4. Роль понятия вакуума в формировании единой теории фундамен тальных физических взаимодействий 277
Заключение 308
Литература 318
- Механистическая картина мира как первая научная картина мира: генезис, сущность и закономерности становления
- Квантово-физическая картина мира: сущность особенности становления
- Хаос, случайность, неустойчивость как конструктивные элементы построения нелинейной картины мира
- Спонтанное нарушение симметрии вакуума и инфляционные сце нарии развития Вселенной в современной космологии
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В условиях становления современного общества неуклонно возрастает роль науки как феномена человеческой культуры. При этом дальнейшая разработка философско-методологи-ческих проблем научного познания приобретает актуальное значение. В силу этого наряду с фундаментальными проблемами, давно ставшими классическими, выдвигаются новые проблемы, связанные с логикой и методологией современной науки и научного поиска. Особую важность приобретает теоретико-познавательный анализ проблем, связанных со становлением и дальнейшим развитием новых идей, теорий и научных картин мира, в которых большую значимость имеют идеи целостности, нелинейности, фрактальности, единства мира и человека, самоорганизации и глобального эволюционизма. Утверждение в современной науке этих идей знаменует собой становление нового взгляда на мир и на самого себя в этом мире. Происходит изменение сути диалога человека с человеком и человека с природой, в рамках которого естествознание становится более «гуманитарным», а сложный мир человеческой субъективности обретает черты новой научной рациональности. Логика развития науки приводит не только к пониманию научной картины мира, но и к выявлению ее роли в механизме развития науки.
Бурные изменения в динамично развивающейся науке последнего полувека привели к множеству инновационных, сущностных её изменений. Так называемая «Большая наука», возникшая в середине 20 века, испытывает разнообразные трансформации в силу множества обстоятельств, среди которых следует отметить рождение новых отраслей (направлений) научного знания, изменение эпистемологического статуса взаимоотношений субъекта и объекта научного познания, идеалов и норм научного исследования и др. Все это привело к формированию науки, отражающей постнеклассическую научную рациональность.
В немалой степени это затронуло широко понимаемую физическую науку, включающую современную астрофизику и космологию, физику вакуума, нанонауку и нанотехнологии, смежные с физикой отрасли знания и т. п. Осознание и анализ множества фундаментальных физических парадигм и концепций, которые встроены в современную постнеклассическую физическую картину мира, требуют вдумчивого и последовательного рассмотрения не только с позиций ретроспективы, но и с позиций выявления тенденций их будущего развития. Отсюда возникает явная потребность философско-методологического и эпистемологического анализа данной проблематики. В этом заключается действительная актуальность избранной темы диссертационного исследования.
Актуальность темы исследования обусловлена также тем обстоятельством, что современная физическая картина мира во многом воплощает в себе идеалы открытой рациональности, ее мировоззренческие следствия коррелируют с философско-мировоззренческими идеями и ценностями многих культурных традиций. Поэтому без глубокого анализа формирования научной картины мира и ее функций в социокультурной жизни современной цивилизации невозможно осмыслить, во-первых, механизмы включения научных знаний в культуру, во-вторых, место и роль науки в определении новых мировоззренческих ориентиров и стратегий цивилизационного развития, в-третьих, взаимное влияние друг на друга результатов научного поиска и мировоззренческих структур, доминирующих на различных этапах развития физической науки.
Степень разработанности проблемы. Понятия «научная картина мира», «физическая картина мира» стали активно использоваться в исследованиях по философским проблемам естествознания с конца XIX - начала XX в. Проблему физической картины мира обсуждали тогда такие физики, как Г. Герц, Л. Больцман, М. Планк, П. Дюгем и др. В современной философской и естественнонаучной литературе нет единого понятия научной картины мира, а есть целое «гнездо понятий». Но для анализа философских проблем, порождаемых физикой, нужна культура уже не только физического, но и философского мышления. Эту культуру лучшие умы Европы вырабатывали на протяжении 25 веков. Стало очевидным, что понять и преодолеть многие гносеологические проблемы, которые порождаются самим прогрессом науки, невозможно без глубокой философской культуры. С тех пор понятие научной картины мира никогда не исчезало со страниц публикаций, в которых обсуждались принципиальные вопросы методологии и теории познания.
Идеи о фундаментальной роли физической картины мира выдвигались многими творцами современной науки (Н. Бором, М. Борном, Л. де Бройлем, С. Вайнбергом, В. Гейзенбергом, Ш. Глэшоу, П. Дираком, М. Планком, А. Пуанкаре, А. Саламом, Р. Фейнманом, С. Хокингом, Э. Шредингером, А. Эйнштейном, В.А. Амбарцумяном, Д.И. Блохинцевым, В.Л. Гинзбургом, Ю.С. Владимировым, М.А. Марковым, П.Л. Капицей, В.А. Фоком и др.). Они рассматривали развитие физической картины мира 20 века как результат обнаружения в процессе познания новых свойств и аспектов природы, не учтенных в прежней физической картине мира. В этом случае ясно обнаруживалась недостаточность и схематичность прежних представлений о природе, и они перестраивались в новую физическую картину мира.
Содержание физической картины мира раскрывалось в многообразии аспектов, в частности в ее соотнесенности с научными теориями, с научными парадигмами, с самой динамикой развития знания, такими отечественными философами и методологами, как И.А. Акчурин, И.С. Алексеев, Р.А. Аронов, М.Д. Ахундов, В.А. Бажанов, Л.Б. Баженов, В.С. Барашенков, О.Е. Баксанский, В.П. Бранский, Е.Д. Бляхер, Л.М. Волынская, В.С. Готт, К.Х. Делокаров, П.И. Дышлевый, В.И. Жог, В.С. Илларионов, В.В. Казютинский, В.Н. Князев, А.С. Кравец, Б.Г. Кузнецов, Л.Ф. Кузнецова, Е.А. Мамчур, Л.А. Микешина, А.М. Мостепаненко, М.В. Мостепаненко, М.Э. Омельяновский, Б.Я. Пахомов, Ю.В. Сачков, А.Ю. Севальников, В.С. Степин, Э.М. Чудинов и др.
Современные исследования самой природы научной рациональности и многообразия ее исторических типов представлены в работах Н.С. Автономовой, П.П. Гайденко, И.Т. Касавина, В.А. Лекторского, М.К. Мамардашвили, Л.А. Марковой, Л.А. Микешиной, Н.С. Мудрагей, Е.П. Никитина, А.Л. Никифорова, А.А. Новикова, Н.Ф. Овчинникова, А.П. Огурцова, В.Н. Поруса, Б.И. Пружинина, М.А. Розова, Н.М. Смирновой, З.А. Сокулер, В.С. Степина, В.Г. Федотовой, В.С. Швырева и др.
Многими учеными признано положение о том, что фундаментальной основой становления постнеклассической научной рациональности послужили идеи синергетики; в этой связи диссертант опирается на идеи таких авторов, как Г. Хакен, И. Пригожин, И. Стенгерс, К. Майнцер, М. Эйген, Б. Мандельброд, В.И. Аршинов, В.Г. Буданов, Ю.А. Данилов, К.Х. Делокаров, И.С. Добронравова, Л.П. Киященко, Е.Н. Князева, С.П. Курдюмов, В.И. Моисеев, А.А. Печенкин, Я.И. Свирский, В.С. Степин и др.
Космологические аспекты физической картины мира рассмотрены в работах В.А. Амбарцумяна, В.Л. Гинзбурга, Я.Б. Зельдовича, В.В. Казютинского, А.Д. Линде, И.Д. Новикова, И. Пригожина, А.Н. Павленко, А. Турсунова и др.
Анализ изученности проблемы приводит к выводу о том, что в отечественной философии и науке, во-первых, остается недостаточно разработанной, проблема существования частных научных картин мира. Во-вторых, нет целостной концепции характера исторической динамики физической картины мира, недостаточно выявлено влияние физической картины мира на характер мировоззрения той или иной эпохи, практически не исследована физическая картина мира в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности. Необходим системно-философский анализ процесса становления физической картины мира. Совокупность отмеченных обстоятельств и определила выбор темы настоящего исследования.
Целью диссертационного исследования является целостный философско-методологический и эпистемологический анализ исторического процесса становления и развития физических картин мира на основе господствовавшего в данную эпоху исторического типа научной рациональности.
Поставленная цель предполагает решение следующих основных задач:
– выявить историческую логику формирования и трансформаций различных видов физических картин мира, основанных на ведущих физических теориях;
– обосновать историческую закономерность генезиса первых научных картин мира как выражение становления научной рациональности из вненаучных истоков новоевропейской культуры;
– исследовать взаимосвязь базовых компонентов оснований науки (идеалы и нормы науки, философские и общеметодологические принципы) и их влияние на процесс формирования конкретного вида физической картины мира в аспекте научной рациональности;
– выяснить, какие именно фундаментальные компоненты теоретического знания претерпели коренную ломку в периоды революций в физике, породив дискуссии по проблеме картины мира;
– проанализировать не отдельные эпизоды, а все основные революционные перевороты в физике (что побудило диссертанта избрать в качестве ведущего логико-исторический подход к развитию физики);
– осмыслить статустность и взаимосвязь таких важнейших концепций современной физической картины мира, как нелинейная парадигма и концепция вакуума, своеобразно выражающих постнеклассическую научную рациональность;
– проследить общие, повторяющиеся особенности всех основных революций в физике в аспекте классической, неклассической и постнеклассической рациональности.
Методологические основания диссертационного исследования. Диссертант использовал систему философско-методологических принципов и подходов, главными из которых явились следующие: всеобщая универсальная связь и самодвижение объективного мира; развитие и самоорганизация явлений как фрагментов природного мира; системная организация явлений и объектов; принципы детерминизма, историзма, конкретности истины, единства исторического и логического, взаимосвязь онтологического и эпистемологического подходов. В конкретном развертывании содержания диссертации важную роль играют общеметодологические и междисциплинарные принципы: инвариантности, симметрии, дополнительности, неопределенности, фрактальности, нелинейности и др. Важными методами исследования выступили: метод историко-научной реконструкции, основанный на аутентичном осмыслении первоисточников - работ классиков физической науки; метод интерпретирующего анализа, выражающийся в герменевтическом подходе к согласованию различных концепций; метод сравнительного анализа разнообразных физических парадигм в рамках господствующего типа научной рациональности.
Научная новизна исследования:
- осуществлен комплексный системно-философский анализ становления и развития физической картины мира в период смены типов научной рациональности;
- выявлены исторические и логические закономерности становления, развития и смены исторических типов физических картин мира;
- показано, что сущностное осмысление конкретных этапов развития физической картины мира невозможно без выявления базовых компонентов оснований физической науки, выражающихся во взаимосвязи философских принципов, идеалов и норм научного исследования;
- осуществлена экспликация развития исторических видов физических картин мира в контексте типов научной рациональности; в частности, выявлено, что динамика смен физических картин мира глубоко связана с динамикой смен типов научной рациональности;
- выдвинута и обоснована гипотеза об относительном характере демаркации между неклассическим и постнеклассическим типами научной рациональности в связи с трансформацией физической картины мира из квантово-релятивистской в современную нелинейную и вакуумную картины мира;
- выявлена корреляция между синергетической парадигмой, концепцией глобального эволюционизма и антропным принципом как неотъемлемыми компонентами постнеклассической научной рациональности;
- обоснована концепция, согласно которой синтез эволюционной и синергетической парадигм ведет к представлению о целостной научной картине мира, где микро-, макро- и мегамир являются неразрывными сторонами одной реальности;
- раскрыта фундаментальная значимость принципов симметрии и спонтанного нарушения симметрии в мировоззренческом понимании концепций физического вакуума, инфляционной космологии и единой теории фундаментальных взаимодействий;
- показано, что спонтанное нарушение симметрии отражает характер глобальной эволюции, задает направленность космологической «стрелы времени» и по отношению к физическому знанию выступает как основа упорядочения и систематизации современного физического знания, создания новой картины мира и как целевая и нормативная установка познания;
- определены основные философско-методологические подходы к построению современных физических картин мира - нелинейной и вакуумной.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Физическая картина мира – это предельный, завершающий уровень систематизации знания, высшая форма научного синтеза, делающего целостным видение мира, которое включает в себя фундаментальные физические и философские идеи, физические теории, наиболее общие понятия, принципы и методы, которые приобретают иное, чем в физической теории, философско-методологическое значение, позволяя создавать единые системы физической мысли, обеспечивать условия для раскрытия предметной области науки.
2. Взаимосвязь между физической картиной мира и философскими положениями опосредованна, противоречива и сложна, и её формирование и использование в процессе познания представляет творческий акт. Физическая картина мира выступает связующим звеном между содержанием физических теорий и общими философскими принципами, такими, как принцип материального единства мира, детерминизма, системности, преемственности и т. д.
3. Опыт исторического развития физики показывает, что каждая физическая картина мира имеет свои границы, которые обнаруживаются самим ходом развития физики, открытием новых фактов, выявляющих действие новых законов природы. Открытие таких границ прежней картины мира ведет к расширению и углублению знания и открытию новых путей изучения мира, а в конечном счете - к новой картине мира.
4. При всех формированиях физических картин мира, рассматриваемых как целостные системные образования, имеет место преемственность между сменяющимися картинами в духе определенной интерпретации общеметодологического принципа соответствия. При этом истоком для принципиального обновления физической картины мира служит появление новой фундаментальной физической теории, которая принимается научным сообществом как чрезвычайно значимая научная парадигма.
5. Исторические типы научной рациональности содержательно связаны с соответствующими этапами смены картин мира. В ходе смен физических картин мира радикально меняются содержательные смыслы понятий, принципов, идеалов и норм познания, которые вкладываются в понятие «тип научной рациональности». Знание о типах научной рациональности формировалось как в процессе философско-методологической рефлексии в отношении реальной исторической эволюции научного знания, так и в процессе создания научных картин мира.
6. Становление неклассического типа рациональности не только разрушило классический принцип объективности, привычные дискретно-телесные представления о реальности, но и выявило неоднозначность онтологии вещности, детерминировало внедрение процессуальных описаний, что привело к появлению в нашем культурном поле зачатков новой версии науки – глобального эволюционизма, универсальной теории развития. Идея универсального эволюционизма как доминанта синтеза знаний в современной физике выступает как стержневая идея всех существующих физических картин мира и является базисом для построения целостной картины мира.
7. Нелинейность, самоорганизация, открытость, сложность, бифуркация, когерентность, аттрактор, хаос, случайность как важнейшие системообразующие понятия новой физики инициировали формирование новой парадигмы, в рамках которой все эволюционные процессы, происходящие в мире (от возникновения вселенной до социокультурной динамики), есть единый целостный процесс самоорганизации всего сущего.
8. Фундаментальным фактором, определяющим онтологическое единство всех эволюционных процессов, развивающихся на разных уровнях организации материи, выступают нелокальные, атемпоральные семантические протоструктуры квантового вакуума. Самоорганизация проявляется как внутреннее свойство физического вакуума, сложные структуры которого суть первооснова, формирующая свойства нашего мира как целого.
9. Спонтанное нарушение симметрии лежит в фундаменте представлений о глобальной эволюции, задает направленность космологической «стрелы времени». По отношению к содержанию современного физического знания эта идея выступает и как целевая и нормативная установка познания, и как основа для упорядочения и систематизации физического знания с целью создания новой картины мира.
10. Физический вакуум является носителем всех потенциальных свойств Вселенной, имеет сложную квантово-топологическую структуру и представляет собой совокупность структур в «искривлениях» и «расслоениях» пространства и времени. Именно на уровне вакуума происходят процессы превращения так называемого «ничто», в конечном счете, в макроскопическую Вселенную. Вакуум эволюционирует и существует в режиме самоорганизации. Формирующаяся теория физического вакуума существенно не только изменяет мировоззренческое представление о мире в целом, но и приводит к коренной перестройке всей постнеклассической картины мира и становлению новой современной физической картины мира.
Научно-теоретическая и практическая значимость исследования. Основные результаты, полученные в ходе диссертационного исследования, могут применяться в рамках дальнейшего осмысления проблем философии физики и концепции типов научной рациональности, а также при разработке исследовательских программ по философии и методологии современной науки, в преподавании учебных курсов по философии, философии и методологии науки, истории науки (и в особенности физики), в федеральном курсе «Концепции современного естествознания», в различных спецкурсах по проблеме формирования естественнонаучной картины мира и курсах по выбору для студентов бакалавриата и магистратуры, аспирантов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационного исследования отражены в опубликованных автором научных работах (около 50), в том числе в двух монографиях (Москва, 2006, 2010 гг.), учебниках «Концепции современного естествознания», рекомендованных Министерством образования и науки РФ для студентов вузов, в одиннадцати статьях по перечню ведущих рецензируемых журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ. Результаты исследования представлены на ежегодных научных конференциях ДГСХА, ДГУ (Махачкала, с 1997 по 2010 гг.); международных научно-практических конференциях (Москва, 2001, 2006, 2008; Санкт-Петербург, 2002; Пенза, 2003; Махачкала, 2006, 2010; Волгоград, 2011), всероссийских и региональных научно-практических конференциях (Махачкала, 2007; Армавир, 2003, 2008, 2010).
Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы.
Механистическая картина мира как первая научная картина мира: генезис, сущность и закономерности становления
Истоки возникновения механистической картины мира относятся к античному периоду. Именно в это время появились первые наивно-механистические представления об окружающем мире.
Картина мира, соответствующая натурфилософской парадигме, возникла в античной Греции. Первая концепция Вселенной, доступная интеллектуалу, принадлежит Пифагору. Оценивая его роль в формировании миропредставления, которое можно назвать научным, Б. Рассел писал: «Пифагор по своему влиянию как на древнюю, так и на современную эпоху... является одним из наиболее значительных людей, когда-либо живших на Земле, - и в том случае, когда он был мудр, и в том, когда он ошибался».1 Пифагору принад лежат идеи всеобщей Гармонии Вселенной, которую он назвал космосом (cosmos по-гречески означает мир, Вселенная, гармония) и предположил, что его структура определяется соотношениями чисел. Математический характер имела и космогония Пифагора. В целом мы разделяем идеи П.П. Гайденко относительно господства в античности трех важнейших исследовательских программ: пифагорейско-платоновская, атомистическая и континуалистская (Аристотель). [2. Гайденко П.П. Эволюция понятия науки. Становление и развитие первых научных программ. М.: Наука, 1980]
На следующем этапе развития античного миропредставления были оформлены две альтернативные картины мира. Первая из них принадлежит Левкиппу и Демокриту, которые считали, что в мире нет ничего, кроме разнообразных атомов и пустоты. Отсутствует и какая-либо свобода воли или выбор, т. к. все происходящее однозначно предопределено движениями атомов, в мире нет ничего случайного.
Другая космологическая модель разработана Платоном, провозглашала, что действительный мир - это идеи, а все видимое и воспринимаемое чувствами лишь их отражение, однако вполне реальное. Таким образом, концепция мироздания Платона дуалистична: истинный мир совершенен, вечен и неизменен и может быть постигнут лишь работой ума, а материальный подлунный мир, в отличие от него, подвержен изменениям и распаду. Единст-венной причиной Космоса является Демиург, Творец. Основной принцип космологии Платона - математическая гармония, порядок, красота.
Вершиной античной натурфилософии явилась космология Аристотеля. Если у Платона субстанцией (архе), т. е. истинной реальностью, считались эйдосы, идеи, то в учении Аристотеля роль субстанции отводилась видимому миру .
Космография античности практически полностью геоцентрична, единственным исключением явилось учение Аристарха Самосского, который поместил в центр мира не Землю, а Солнце. Однако греческая натурфилософия не восприняла его идей, в частности потому, что в его гелиоцентрической системе оказалось затруднительным объяснить обратное движение планет. Кроме того, гелиоцентрическая система противоречила физике Аристотеля. С этой задачей, с помощью введения эпициклов, легко справился Клавдий Птолемей в своей геоцентрической системе мироздания.
Классическую форму теории эпициклических движений планет придал александрийский астроном Клавдий Птолемей (ок. 90 - ок. 160 гг. н. э.) в знаменитом сочинении «Альмагест» (это арабизированное название, у древних греков называлось «Мегале Синтаксис», т. е. «Великое построение»; оно известно также как «Великое математическое построение астрономии в 13 книгах»). В этом труде Птолемей сделал то, чего не удавалось ни одному из его предшественников. Он разработал метод, пользуясь которым, можно было рассчитать положение той или иной планеты на любой наперед заданный момент времени. Это сочинение дало стройную теорию планетных движений, но исходило из неверного принципа неподвижности Земли в центре мира. Это была логически стройная кинематическая схема Вселенной, которая, несмотря на ложность теоретических основ, давала удовлетворительное описание основных особенностей видимого движение небесных тел. В историю науки она вошла как геоцентрическая система мира.
Натурфилософская парадигма Аристотеля оставалась основой общепризнанной картины мира на протяжении почти двух тысяч лет, до XVI века. Фома Аквинский объединил систему Аристотеля с христианской философией. И лишь в эпоху Возрождения большинство философов стало отдавать пальму первенства Платону.
Наступившая в XVI - XVII вв. новая историческая эпоха поставила в центр научных интересов астрономию и астрологию. В развитии первой нуждались мореплаватели, требовалось также уточнить календарь — расчет дней равноденствия, пасхалий, разобраться с вопросом об угловых размерах Луны и т. п. Что касается астрологии, то в этот век, когда все были суеверны, ее услуги пользовались большим спросом.
Вместе с тем громоздкость системы Птолемея не позволяла получать точные данные о движении Солнца и Луны, а это, в свою очередь, тормозило реформу календаря. Чтобы произвести революционный шаг и признать, что в центре Вселенной находится не Земля, а Солнце, понадобился гениальный ум Николая Коперника, создавшего гелиоцентрическую систему мира.
Отвергая аргументы Аристотеля и Птолемея, Коперник отмечал, что «вращается не только Земля вместе с соединенной с ней водной стихией, но и немалая часть воздуха и все, что состоит в каком-либо родстве с Землей». Не следует удивляться и тому, что смещение звезд при движении Земли не замечается: ведь «размеры мира столь велики, что хотя расстояние от Земли до Солнца имеет достаточно большие размеры по сравнению с размерами сферы любой планеты, оно, тем не менее, неощутимо мало по сравнению со сферой неподвижных звезд». Поэтому «легче принять это допущение, чем ломать голову над бесконечным множеством сфер, как это вынуждены делать те, кто удерживает Землю в центре мира».
Квантово-физическая картина мира: сущность особенности становления
Следующим этапом преодоления некритических догм классики явилось создание квантовой механики. Такой поворот в пласте духовности был подготовлен глубокими идейными процессами на рубеже XIX - первой четверти XX в. Новые признаки революционных изменений в физике были связаны в первую очередь с парадоксами, обнаруженными как в сфере применения мо-лекулярно-кинетической парадигмы (программы. Ньютона - Максвелла-Больцмана), так и в сфере применения парадигмы электромагнитного поля (программа Максвелла - Эйнштейна). Кроме того, был сделан ряд новых принципиальных открытий (рентгеновских лучей, радиоактивности, электрона и др.), которые вызвали переворот в научных взглядах физиков. Эти открытия явно не укладывались в рамки классических представлений, и для их объяснения потребовалось принципиальное изменение базисных парадигм — фундаментальных представлений физической картины мира. И первым шагом к такому изменению явилось введение гипотезы конечного кванта действия (М. Планк), согласно которой энергия электромагнитных волн принимает не любые непрерывные значения, а дискретные порции энергии. Гипотеза квантов принципиально изменила подход к изучению явлений природы. Такой подход был сначала успешно применен Эйнштейном для объяснения оптических явлений, в частности фотоэффекта. В дальнейшем гипотеза квантов получила подтверждение во многих экспериментах и стала доминирующей в изучении законов микромира.
Важной вехой на пути построения квантовой механики явилась атомная теория Ы. Бора. Все эти открытия сформировали мнение, что свойства микрочастиц невозможно объяснить и попять на основании представлений классической физики. Стало совершено очевидно, что многие понятия и принципы классической физики адекватным образом не могут быть применимы для объяснения новых явлений. Следующий шаг на пути к созданию квантовой механики был сделан В. Паули, который сформулировал фундаментальный закон природы, согласно которому в квантовой системе две (или более) тождественные частицы с полуцелым спином не могут одновременно находиться в одном и том же энергетическом состоянии.
Дальнейший поиск новых понятий, принципов и законов, адекватно объясняющих поведение микрочастиц, привел к созданию двух вариантов квантовой механики: матричной (В. Гейзенберг) и волновой (Э. Шрёдингер). Матричная механика и волновая механика стали различными формами более общей теории, получившей название квантовой механики.
К созданию матричной механики Вернер Гейзенберг пришёл в результате исследований спектральных закономерностей, а также теории дисперсии.
В 1925 г. немецкие физики Макс Борн и Паскуаль Иордан придали идеям Гейзенберга строгую математическую форму. Они показали, что те величины, которые Гейзенберг поставил в соответствие классическим величинам, являются матрицами. В дальнейшем совместно с Гейзенбергом Борн и Иордан развивают математический аппарат матричной механики, применив его для решения ряда задач. Независимо от них английский физик Дирак, познакомившись с теорией Гейзенберга, разработал для новой теории линейные дифференциальные операторы.
Начало в формировании волновой формы квантовой механики положил Луи де Бройль, который высказал идею о волновой природе всех материальных микрочастиц. Эдвин Шрёдингер, развивая идеи де Бройля, построил волновую механику. Он получил волновое уравнение - основное динамическое уравнение нерелятивистской квантовой механики (уравнение Шрёдин-гера) и установил связь между квантовой,и волновой механикой.
В физике микромира сложилась необычная ситуация. Две разные теории - волновая механика Шрёдингера и матричная механика Гейзенберга - при их применении для описания явлений микромира приводили к идентичным результатам. Это означало, что данные теории, по сути, представляют собой два аспекта одной и той же квантовой механики.
Следует отметить, что в теории Шрёдингера рассматривается уравнение для функции состояния (ш-функции), которая задаётся в 3-мерном конфигурационном пространстве. Отсюда потеря наглядности и усиление абстрактности математических построений теории. Но развитие науки показало, что относительно ненаглядные абстрактные математические построения с течением времени получают физическую пространственно-временную интерпретацию и становится элементами картины мира. В этом смысле теория внешне как бы отдалялась (в силу абстрактности своих математических построений) от действительности, а на самом деле глубже проникала в отражение сущности физического явления. Принципиальная новизна ситуации состояла в том, что для описания явлений микромира необходимо было разработать новый категориальный аппарат, новый язык научной теории. Для исследования квантово-механического объекта принципиально важно было не только сформировать идеи о нём, но и создать язык, на котором их можно выразить. Обращая на это внимание, В. Гейзенберг, в частности, отмечал: «...Теория, созданная и оформившаяся в 1927 году в Копенгагене, представляет собой не только однозначные правила объяснения экспериментов, но и язык, на котором можно говорить о природе в атомном масштабе».1 ш-функция как некая1 математическая абстракция в теории Шрёдингера выразила глубинную сущность квантомеханического объекта. Первоначальные попытки придать волновой функции определенный физический смысл были в основном направ-лены на поиск некого природного аналога этого понятия (Э. Шрёдингер, Луи де Бройль и др.). Но такие попытки ни к чему не привели. В дальнейшем внимание - было сосредоточено на выявлении её гносеологического смысла, поскольку только таким путём можно определить роль, понятий.В( структуре-научных теорий. Впервые подобный анализ ш-функции, приведенный М. Борном привёл к вероятностной её трактовке. Согласно М: Борну, ш-функция описывает вероятности нахождения микрочастиц в различных их состояниях, как пространственно-временных, так и импульсно-энергетических. Дальнейший анализ гносеологического аспекта смысла волновой функции (Н. Бор, В. Гейзенберг) выявил глубокую связь понятия волновой функции с принципом неопределенности, корпускулярно-волновым дуализмом и относительностью свойств микрочастиц к средствам
Хаос, случайность, неустойчивость как конструктивные элементы построения нелинейной картины мира
Синергетика вводит в научный обиход новые понятия, принципиально новое видение мира и новое понимание процессов развития. Оно принципиально отлично от преобладающего способа видения, который господствовал на протяжении предшествующих столетий в классической науке - науке
Ньютона и Лапласа, в которой хаос, случайность, неустойчивость исключались как внешние и несущественные. Процессы в мире представлялись как обратимые во времени, предсказуемые и ретросказуемые на неограниченно большом промежутке времени, а эволюция - как процесс, лишенный ответвлений, возвратов, побочных линий. Такая картина мира классической науки основывается на принципе линейности фундаментальных законов, то есть на строго однозначных зависимостях.
Согласно Гольбаху, например, «ничего в природе не может произойти случайно, всё следует определенным законам; эти законы являются лишь необходимой связью определенных следствий с их причинами:.. Говорить о случайном сцеплении атомов либо приписывать некоторые следствия слу-чайности - значит говорить о поведении законов, по которым тела действуют, встречаются, соединяются... разъединяются»1.
Описание реальной изменчивости производилось по канонической механической модели: аппарат динамики (линейные уравнения движения) с фиксацией начальных условий для установленного момента времени. Этого было достаточно для исчерпывающего воссоздания картины любой развивающейся системы.
Физический смысл принципа линейности сводится к утверждению, согласно которому отклик системы на относительно малые воздействия на неё линейно (пропорционально) зависят от их силы. С математической точки зрения, речь идет о линейных дифференциальных уравнениях, в которых неизвестные величины входят в степени не выше единицы (например, уравнения Максвелла, уравнения Гамильтона и т. д.).
Принципиальная возможность представить почти любую закономерную связь явлений в виде линейного уравнения превратилась в один из важнейших идеалов классического физико-математического естествознания. Если линейные дифференциальные уравнения получили широкое применение в классической науке, то нелинейные уравнения долгое время не были в поле зрения физико-математического естествознания, хотя их никто полностью и не игнорировал. Даже у Ньютона уравнение, например для силы взаимного притяжения тел, имеет нелинейный характер. Нелинейность в математическом плане отражает определенный вид математических уравнений, содержащих искомые величины в степенях больших единицы или коэффициенты, зависящие от свойств среды. Нелинейные уравнения имеют несколько (более одного) решений.
Одним из принципиальных отличий, нелинейных уравнений от линейных является" нарушение у первых принципа суперпозиции (или аддитивности) сумма частных решений нелинейного уравнения не есть также его решение. «Это свойство, - как подчеркивают В.И. Аршипов, СП. Курдюмов и Я.Н. Свирский, - нашло, отражение при1 качественном анализе нелинейных уравнений с помощью фазовой плоскости» . Выяснилось, что вид траекторий интегральных кривых, изображенных на фазовой плоскости и полученных из нелинейного уравнения, меняется при переходе от одной области фазовой плоскости к другой. Следует отметить,, что с помощью понятия фазовой плоскости удается акцентировать внимание на возможность одновременного представления всего набора состояний-данного объекта.
Фазовая плоскость наглядно, демонстрирует тот факт, что даже в несложном нелинейном уравнении в неявном виде присутствует широкий спектр способов существования данного фрагмента реальности. Причем каждое конкретное воплощение моделируемого объекта, есть видимая форма глубинного содержания; заключенного в нелинейном уравнении. Отсюда вытекает качественный смысл нелинейности. Множеству решений нелинейного уравнения соответствует множество путей эволюции системы, описываемых этими уравнениями (нелинейной системы). Нелинейность в самом общем, мировоззренческом плане может быть развернута посредством идеи многовариантности (альтернативности) путей эволюции, идеи выбора из альтернатив и вытекающей отсюда идеи необратимости эволюции.
Таким образом, был открыт новый мир нелинейных систем, который оказался гораздо богаче мира закрытых, линейных систем. Вместе с тем «нелинейный мир» и труднее поддается моделированию. Большинство возникающих нелинейных уравнений не может быть решено аналитически. Как правило, для их (приближенного) решения требуется сочетание современных аналитических методов с большими сериями расчетов, на ЭВМ, с вычислительными экспериментами. Нелинейность открывает для исследования - необычные для классического и-неклассического естествознания - стороны мира: его нестабильность, случайность, многообразие путей изменения и развития, раскрывает условия существования и устойчивого развития сложных структур, делает возможным моделирование катастрофических ситуаций.
Нелинейными методами было осуществлено моделирование многих сложных самоорганизующихся систем в физике и гидродинамике, в химии и биологии, в астрофизике и в обществе: от морфогенеза в биологии) и некоторых аспектов функционирования мозга до флаттера крыла самолета, .от молекулярной физики и автоколебательных процессов! в химии (так называемая реакция самоструктуирования химических соединений Белоусова - Жаботин-ского)до эволюции звезд, галактик и Вселенной в целом, от электронных приборов до формирования общественного мнения И демографических процессов.
Следует отметить, что формирование научного аппарата нелинейной картины мира происходило по нескольким направлениям. В математике это теория особенностей (А. Пуанкаре, А.А. Андронов, X. Уитни) и теория катастроф (Р. Том, К. Зимин, В.И. Арнольд) , в физике, химии и биологии -это работы И.Р. Пригожина и его Брюссельской школы по термодинамике необратимых процессов, а также работы Г. Хакена2. Итог их исследований -формирование нового научного направления - синергетики. В России исследованию этих процессов посвящены работы СП. Курдюмова, Г.Г. Малинец-кого, А.А. Самарского, в которых выдвинут ряд оригинальных идей для понимания механизмов возникновения и эволюции относительно устойчивых структур в нелинейных средах.
Спонтанное нарушение симметрии вакуума и инфляционные сце нарии развития Вселенной в современной космологии
Мы живем в расширяющейся Метагалактике. Это явление имеет свои особенности. Расширение Метагалактики проявляется только на уровне скоплений и сверхскоплений галактик, т. е. систем, элементами которых служат галактики. Другая особенность расширения Метагалактики заключается в том, что не существует центра, от которого «разбегаются» галактики. На факте расширения Метагалактики основана современная теория происхождения и эволюции нашей Вселенной.
В теории разрабатываются различные варианты, сценария эволюции Вселенной. Хотя они существенно отличаются друг от друга, но наиболее перспективные из них имеют одну важную особенность, которая заключается в наличии представлений о существовании инфляционной стадии эволюции Вселенной - стадии экспоненциального раздувания Вселенной. В рамках инфляционных теорий удается решить ряд космологических проблем, а таклсе предсказать наличие «островной» структуры Вселенной, что является следствием различных типов нарушения симметрии в разных мини-вселенных. С этой точки зрения, и сама жизнь оказывается результатом вполне конкретной цепочки определенным образом спонтанно нарушенных симметрии исходного вакуума1.
Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума вошла в физику элементарных частиц из физики твердого тела. Эта идея привела к созданию единой теории электромагнитного и слабого взаимодействий. Теория слабого взаимодействия была создана не сама по себе, а оказалась вписанной в единую электрослабую теорию. В настоящее время теория электрослабого взаимодействия подтверждена экспериментально. Идея спонтанного нарушения симметрии исходного вакуума означает отход от общепринятого представления о вакууме как о состоянии, в котором среднее значение энергии всех физических полей равно нулю. Здесь признается возможность существования состояний с наименьшей энергией при отличном от нуля значении некоторых физических полей, возникает представление о существовании вакуумных конденсатов - состояний с отличным от нуля вакуумным средним. «Спонтанное нарушение симметрии означает, что при определенных макроусловиях фундаментальные симметрии оказываются в состоянии неустойчивости. Платой за неустойчивое состояние системы является асимметричность вакуума».1
Таким образом, в физику с использованием калибровочного принципа вкупе с идеей спонтанного нарушения симметрии вакуума в качестве основного методологического принципа входит принцип рассмотрения физических явлений и процессов сквозь призму диалектики симметрии и асимметрии. Ибо здесь ясно просматривается диалектическое тождество этих противоположностей, когда симметрия содержит в себе в виде возможности асимметрию, а асимметрия зиждется на симметрии.
В 1967 г. С. Вайнбергом и А. Саламом была применена идея спонтанного нарушения симметрии для построения единой теории электрослабых взаимодействий с массивными W+, W", 2-бозонам№и безмассовым фотоном
Предполагается существование такого этапа в эволюции Вселенной, когда не существовало различий между электромагнитными и слабыми взаимодействиями. Однако последующее расширение Вселенной привело к нарушению симметрии электрослабого взаимодействия до симметрии, отвечающей электромагнитному взаимодействию, и симметрии, отвечающей слабому взаимодействию. Так что в настоящую эпоху симметрия между этими типами взаимодействий оказывается скрытой, что обнаруживается нами как различие между электромагнитным и слабым взаимодействиями. Эксперименты в 1983 г. на ускорителе в ЦЕРНе (Европейская организация ядерных исследований в Женеве) по обнаружению W+, W\ Z0-6O3OHOB, результаты которых оказались в полном соответствии с предсказаниями теории, дали подтверждение правильности стратегической линии использования идей калибровочной симметрии в единстве с представлением о спонтанно нарушенной симметрии вакуума и явились косвенным подтверждением существования вакуумных хиггсовых конденсатов. Успех этот стимулирует физиков в направлении поисков адекватной симметрии, объединяющей сильное и электрослабое взаимодействие (Великое объединение), и симметрии-, объединяющей Великое объединение и гравитационное (Суперобъединение).1
Так как Вселенная расширяется, естественно предположить, что раньше она была меньше, что когда-то все пространство было сжато в сверхплотную материальную точку. Это был момент так называемой сингулярности, который уравнениями современной физики описан быть не может. По неизвестным причинам произошел процесс, подобный взрыву, и с тех пор Вселенная начала «расширяться». Процессы, происходящие при этом, объясняются теорией «горячей» Вселенной. Во всех развитых динамических космологических моделях утверждается о расширении Вселенной из некоторого сверхплотного и сверхгорячего состояния, называемого сингулярным.
«Общефилософские принципы дают основание полагать, что физические законы, которые выражают гипотетические свойства сингулярного состояния, принципиально отличны от ныне известных законов. При стремлении последовательно проводить реалистический взгляд на природу можно абстрактно утверждать, что само сингулярное состояние есть продукт некоего предшествующего развития материи. Видимо, вполне удовлетворительно в качестве относительно первой формы движения принять ту, которая возникла при «Большом Взрыве», т. е. речь идет о моменте перехода от сингулярного состояния к известным ныне базовым формам движения - это движения элементарных частиц и их взаимодействия».
Анализ проблем начальной стадии эволюции Вселенной оказался возможным после разработки новых представлений о природе вакуума. Как отмечалось выше, согласно современным представлениям, физический вакуум - не пустота. В физическом вакууме непрерывно происходят процессы рождения и уничтожения виртуальных частиц. Это своеобразное «кипение» ва; куума нельзя устранить, ибо оно означало бы нарушение одного из основных законов квантовой физики - соотношения неопределенностей Гейзенберга. Как показал советский физик Я.В. Зельдович в 1967 г., в результате взаимодействия виртуальных частиц в вакууме появляется некоторая плотность энергии и возникает отрицательное давление.
