Mongoose

В. Гейзенберг и его философский анализ достижений в физике элементарных частиц

Можно заметить, что, начиная с копенгагенской интерпретации квантовой механики и заканчивая современными представлениями в области суперструн, «кирпичики» мироздания теряют свою «автономию», становясь неотъемлемой частью геометрического многообразия. В этом отношении крайне интересно обратить внимание на размышления В. Гейзенберга о связи квантовой теории с философскими истоками учения об атоме[16]. Особенный интерес для Гейзенберга представляет сравнение представлений о материи, с одной стороны, Демокрита, с другой – пифагорейцев и Платона (диалог «Тимей»). Гейзенберг находит некоторое подобие между субстанцией атомов у Демокрита и энергией в квантовой теории. Но предпочтение Гейзенберг все же отдает философии Платона и пифагорейцев.

Здесь будет уместным изложить размышления Гейзенберга о философских представлениях Демокрита, Платона и пифагорейцев.

Демокрит утверждал, что только кажется, что вещи имеют цвет; только кажется, что они сладкие или горькие. Свойства материи, воспринимаемые нашими органами чувств, создаются путем расположения атомов в пространстве и их движения. Сами атомы не обладают этими свойствами. Поэтому атом у Демокрита представляет собой довольно абстрактную единицу материи. Атом обладает свойством существования и движения, имеет форму и пространственное протяжение. Отсюда следует, продолжает Гейзенберг, что атом не объясняет геометрическую форму и пространственное протяжение, поскольку эти свойства уже предполагаются и ни к чему, более первичному, не сводятся. В философии Демокрита все атомы состоят из одной и той же субстанции (материала). Сравнивая с современной ему физикой, Гейзенберг говорит, что и в нашем понимании все элементарные частицы состоят из энергии, а потому энергию можно считать аналогом демокритовской субстанции. Как субстанция атома у Демокрита вечна и сохраняется, так же и энергия: она сохраняется. Но в философии Демокрита атомы являются вечными и неразложимыми единицами материи: они не могут превращаться друг в друга. В отношении этого положения атомистов Гейзенберг говорит, что физика выступает против подобного положения Демокрита и встает на сторону Платона и пифагорейцев.

Платон не был атомистом. Он до такой степени не одобрял философию Демокрита, что у него было желание сжечь все его книги. Но Платон, отмечает Гейзенберг, в своем учении соединил представления, близкие атомистам, с представлениями пифагорейской школы и философией Эмпедокла. Эмпедокл для объяснения многообразия вещей рассматривал четыре основных элемента – землю, воду, воздух и огонь. Эти элементы являются, по мысли Гейзенберга, не просто началами, но фундаментальными материальными субстанциями; их соединение и разделение объясняет бесконечное многообразие явлений.

Пифагорейцы осознали творческую силу математики. Для них математическое отношение длин струн создавало гармонию звуков. Но число как организующее начало лежало гораздо глубже: число организовывало в понимании пифагорейцев материю.

Платон знал о пяти правильных геометрических телах, открытых пифагорейцами, и о том, что их можно сопоставить с элементами Эмпедокла. Наименьшие части земли Платон ставил в связь с кубом, наименьшие части элемента воздуха – с октаэдром, элементы огня – с тетраэдром, элементы воды – с икосаэдром. С додекаэдром Платон соотносил пятый элемент, который Бог использовал, чтобы создать Вселенную. Правильные геометрические тела, размышляет Гейзенберг, в некотором отношении можно сравнить с атомами, однако Платон, в отличие от атомистов, категорически отрицал их неделимость. Он конструировал правильные тела из равностороннего и равнобедренного треугольников. Соединяя их особым способом, Платон получал грани правильных тел. Этим объясняется частичное превращение элементов друг в друга. Например, тетраэдр и два октаэдра можно разложить на 20 равносторонних треугольников. Их можно вновь соединить и получить икосаэдр, то есть одни атом огня (тетраэдр) и два атома воздуха (октаэдр) в сочетании дают один атом воды (икосаэдр). Треугольники нельзя считать материей, так как они не имеют пространственного протяжения. Только объединение треугольников дает правильные тела, сопоставимые с атомами той или иной стихии. Именно в этом Гейзенберг видит сродство философии пифагорейцев и платоников с физикой XX века: элементарные частицы не являются вечными и неразложимыми единицами материи. При столкновении, например, двух элементарных частиц образуется много новых; возникая из энергии столкновения, столкнувшиеся частицы могут при этом исчезнуть. Но сходство воззрений физики с воззрениями Платона и пифагорейцев, по мнению Гейзенберга, простирается еще дальше. Элементарные частицы Платона – это не материя, а математические формы. В квантовой теории едва ли можно сомневаться в том, что элементарные частицы в конечном счете суть математические формы, только гораздо более сложной и абстрактной природы. Если у древних философов предметом изучения была статическая форма, то со времен Ньютона, отмечает Гейзенберг, в физике исследуется не конфигурация, но динамика частицы.

Гейзенберг сравнивает две системы уравнений. У платоников присутствует определенного рода математическая симметрия, которая как бы составляет ядро основного уравнения. Но в современной физике речь идет о свойствах симметрии, которые соотносятся с пространством и временем. В частности, группа Лоренца в СТО определяет структуру пространства и времени. Именно относительно группы Лоренца динамика частицы предстает инвариантной. Поэтому группа Лоренца создает симметрию в СТО.

Следовательно, заключает Гейзенберг, современная физика идет вперед по тому же пути, по которому шли Платон и пифагорейцы. Это развитие физики выглядит так, словно в конце его будет установлена очень простая формулировка закона природы, «такая простая, какой ее надеялся видеть еще Платон»[17]. И то, что до сих пор основные уравнения физики записывались простыми математическими формулами, очень хорошо согласуется с религией пифагорейцев, отмечает Гейзенберг.

Несмотря на всю схожесть идей платонизма и пифагореизма с идеями квантовой механики, Гейзенберг указывает на существенные отличия: «С первого взгляда все это может выглядеть так, как будто греческие философы благодаря гениальной интуиции пришли к таким же или, по крайней мере, к очень сходным результатам, к которым мы продвинулись в новое время после нескольких веков труднейшей работы в области эксперимента и математики. Но такое толкование нашего сравнения несло бы в себе опасность грубого непонимания. Существует очень большое различие между современным естествознанием и греческой философией, и одно из важнейших состоит именно в эмпирическом основании современного естествознания. <…> Возможность экспериментально доказать справедливость высказывания с очень большой точностью придает высказываниям современной физики больший вес, чем тот, которым обладали высказывания античной натурфилософии»[18].

Мысли Гейзенберга оказались в какой-то степени пророческими[19]: последующее поколение физиков не только мечтало, подобно Платону, Эйнштейну и Гейзенбергу о создании единой теории поля, но на самом деле создавало теорию Великого объединения, в которой посредством введения симметрии устанавливалась единая формулировка законов природы, «такая простая, какой ее надеялся видеть еще Платон». Основные формулирующие принципы последних 30 лет – суперсимметрия и теория Калуцы-Клейна, – получившие широкое применение в теории супергравитации, суперструн и М-теории, обнаруживают еще большую взаимосвязь физики элементарных частиц и геометрии пространства-времени. Именно последнее обстоятельство позволяет говорить о сходстве современной физики высоких энергий с натурфилософскими представлениями пифагорейцев и Платона.

Еще в 1870 году математик У.К. Клиффорд писал: «Небольшие участки пространства напоминают холмы на ровной в среднем поверхности… Подобные деформации (или искривления) непрерывным образом, точно волна, переходят из одной области пространства в другую… Изменение кривизны пространства и есть то явление, о котором мы говорим как о движении материи. Вообще в физическом мире не происходит ничего, кроме такого изменения»[20].

Продолжая мысли Клиффорда, П. Девис пишет: «Есть глубокие основания предполагать, что вся Вселенная, включая, по-видимому, “твердое” вещество, воспринимаемое нашими органами чувств, – это всего лишь проявление извилистого ничто. Мир в конечном итоге окажется слепком абсолютной пустоты, самоорганизованным вакуумом. Геометрия сыграла роль повивальной бабки науки. <…> Теперь круг замыкается: поля и взаимодействия получают объяснение на языке геометрии»[21].

Идеи Клиффорда были осмыслены американским физиком-теоретиком Джоном Уилером. Он попытался создать всеобъемлющую теорию, основанную лишь на геометрии пустого пространства-времени. Он назвал свою программу геометродинамикой. Ее цель состоит в объяснении природы и частиц и взаимодействий на основе геометрии.

Крайне важно отметить, что в поисках универсальной теории всего, теории, способной в едином формализме описать все физические законы, «движущей силой» для физиков-теоретиков была и остается убежденность в гармоничном и слаженном устройстве мира, проявляющемся в скрытых симметриях. В связи с этим идея геометрической симметрии, обнаруженная пифагорейцами и Платоном в интерпретации материи в виде правильных многогранников, является дополнительным аргументом в пользу разумного с точки зрения эстетики направления современной физики.

(Продолжение следует.)

[1]Например, движение космического корабля по орбите вокруг Земли создает эффект свободного парения космонавта внутри корабля, хотя круговое движение создает центробежную силу. Если корабль движется равномерно и прямолинейно в удаленном от гравитационных масс пространстве, то ощущения космонавта будут теми же. Но если заставить корабль совершать движение по кругу вдали от гравитационного воздействия какого-либо космического объекта, то на космонавта будет действовать центробежная инерционная сила, воспринимаемая космонавтом как сила тяготения со стороны стенки космического корабля. Причина заключается в том, что при круговом движение вокруг Земли гравитационное поле Земли компенсирует действие центробежной силы. Таким образом, движение корабля по орбите планеты инвариантно прямолинейному и равномерному движению того же корабля в открытом пространстве вдали от ощутимых полей тяготения. Именно в этом смысле гравитационное поле создает симметрию, благодаря которой мы можем два геометрически различных вида движения представить одинаковыми.