Иван Лупандин

ЛЕКЦИИ ПО ИСТОРИИ НАТУРФИЛОСОФИИ

К оглавлению

25. Философские проблемы квантовой механики

Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, оказалась неустойчивой с точки зрения классической электродинамики Фарадея-Максвелла. Дело в том, что Максвелл, придавший идеям и открытиям Фарадея в области электромагнетизма математически законченную форму /т.н. уравнения Максвелла/ и сыгравший таким образом роль Ньютона XIX века, основывался , как и Галилей, на принципе непрерывности. Движение отрицательно заряженного электрона вокруг положительно заряженного ядра должно было быть равноускоренным /как всякое равномерное вращательное движение в классической механике/, следовательно, согласно уравнениям Максвелла, связывавшим излучение электромагнитных волн с ускоренным движением электростатических зарядов, электрон, находясь в атоме, должен был непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн. Вместе с тем, спектры атомов, в том числе спектр атома водорода, изученный к тому времени наиболее тщательно, указывали, что атомы излучают в диапазоне строго определенных длин волн да и то не всегда. Если бы электроны в атомах подчинялись уравнениям Максвелла, то электрон, излучая электромагнитные волны, терял бы энергию и в конце концов упал бы на ядро /последнее, главным образом, и имеется в виду, когда речь идет о неустойчивости планетарной модели атома с точки зрения классической электродинамики/. Надо было что-то менять. Вероятно, физики отказались бы от планетарной модели, если бы еще в 1900 году Макс Планк не сформулировал квантовую теорию излучения, согласно которой энергия передается от излучателя к реципиенту не непрерывно, а отдельными порциями или квантами. К 1911 году, т.е. к моменту проведения Резерфордом своих знаменитых опытов, на основе которых была сформулирована планетарная модель атома, идея Планка уже принесла обильные плоды в физике, ибо на ее основании были объяснены такие, казалось бы, загадочные явления, как спектр абсолютно черного тела и фотоэффект. Ученик Резерфорда Нильс Бор, вдохновленный успехами квантовой теории, решил применить ее к планетарной модели атома. Так родилась квантовая механика.

Квантовая механика по сути отказалась от всех основных принципов классической механики, сформулированной некогда Оремом, Галилеем, Декартом и Ньютоном. Прежде всего, квантовая механика упразднила принцип непрерывности, столь важный для новоевропейской науки и философии. Что касается последней, то для нее отказ от принципа непрерывности, рассматриваемого Лейбницем в качестве основополагающего, был так же губителен, как в свое время для схоластики отказ от концепций материи и формы. Поскольку диалектический материализм был всецело основан на принципах новоевропейской философии, в том числе на столь ценимом Гегелем принципе непрерывности, то квантовая теория в 1920-е годы привлекла к себе пристальное и, в целом, враждебное внимание советских философов. Сложилась ситуация, аналогичная той, что имела место с генетикой и теорией относительности. В журнале "Под знаменем марксизма" были опубликованы тексты выступлений М. Планка перед студентами Берлинского университета /1913 г./ и перед нобелевским комитетом /1920 г./ , а затем дана оценка этих выступлений с марксистских позиций. Первая из опубликованных в журнале "Под знаменем марксизма" /№1, 1925/ речей М. Планка называлась "Новые пути физического познания". В этой речи, которую Макс Планк произнес перед студентами Берлинского университета по случаю начала 1913/1914 учебного года /никто тогда не догадывался, что через год большинству этих студентов придется надеть военную форму/, оратор формулирует "великие общие физические принципы" и указывает, какие из них остались неизменными, а какие были поколеблены в свете открытий, имевших место на рубеже XIX - XX веков. К числу "непоколебленных" М. Планк отнес такие принципы, как 1) закон сохранения энергии; 2) закон сохранения импульса; 3) принцип наименьшего действия; 4) три начала термодинамики. К числу принципов, оказавшихся опровергнутыми, М. Планк отнес 1) неизменность химических атомов; 2) взаимную независимость пространства и времени; 3) непрерывность всех динамических процессов. По поводу первого из вышеперечисленных опровергнутых принципов Планк произнес многозначительную фразу: "Теперешние химические атомы далеко не атомы Демокрита". По поводу третьего из опровергнутых принципов в речи Планка было сказано следующее : "Третье из упомянутых выше положений касается непрерывности всех динамических процессов, раньше неопровержимой предпосылки всех физических теорий, которая, опираясь на Аристотеля, сконцентрировалась в известной догме: "Natura non facit saltus" /природа не делает скачков/. Однако и в этой уважаемой с древности твердыне физической науки современное исследование пробило значительную брешь[...] Оказывается, природа в самом деле делает скачки и притом весьма странного сорта[...] Во всех случаях гипотеза квант приводит к представлению, что изменения происходят в природе не непрерывно, но как бы взрывами". Ту же мысль Макс Планк подчеркнул в своей нобелевской речи "Возникновение и постепенное развитие теории квант": "Появление кванта действия возвещало нечто совершенно новое, до того неслыханное, что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического мышления, покоившегося со времен обоснования анализа бесконечно малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех причинных связей".

Разумеется, эти выступления М. Планка были прокомментированы в журнале "Под знаменем марксизма" с позиций диалектического материализма. Один из тогдашних марксистских идеологов, Аркадий Тимирязев, сын известного биолога К.А. Тимирязева, так отозвался о позиции, занятой М. Планком:

"Руководствуясь диалектическим методом, мы сразу можем сказать, чего нам еще не хватает: если громадное число фактов заставило даже самых осторожных мыслителей из буржуазного мира отказаться от предрассудка, что "природа не делает скачков" и утверждать, что "природа делает скачки и притом весьма странного сорта", то в мире атомов нам еще неизвестны те непрерывные процессы, те процессы подготовки, которые приводят к наблюдаемым уже нами скачкам, а в диалектическом процессе всякий скачок предполагает предшествующее непрерывное развитие".

Таким образом, А. Тимирязев предлагает ни больше ни меньше как снова ввести в физику принцип непрерывности, от которого создатели квантовой теории решительно отказались. Из реакции А. Тимирязева на выступление М. Планка видно, что марксисты настороженно восприняли появление квантовой теории и сразу поспешили указать, чего в ней не хватает, чтобы ее можно было привлечь в качестве еще одной иллюстрации "диалектики природы".

Но квантовая теория оказалась для марксистов твердым орешком. Отказ от принципа непрерывности был не единственным сюрпризом, который преподнесла квантовая теория марксистским философам. В 1927 году немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал так называемый принцип неопределенности, указывавший на предел точности наших знаний о координате и скорости частицы и фактически приведший к отказу от понятия траектории. Примерно в то же время австрийский физик Э. Шредингер ввел понятие волновой функции, описывавшей положение квантового объекта в пространстве и во времени, заменившей, таким образом, прежнее понятие траектории. Когда, однако, попытались понять, что представляет собой волновая функция /каков ее физический смысл/, то выяснилось, что квадрат модуля волновой функции дает нам не что иное, как вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Одно из самых интересных следствий теории Шредингера заключалось в том, что с некоторой вероятностью квантовый объект мог находиться там, куда, с точки зрения классической механики, он вообще не мог попасть. Рассмотрим, например, преодоление частицей т.н. потенциального барьера. С точки зрения классической механики, частица не может преодолеть барьер, если ее исходная кинетическая энергия меньше, чем высота барьера. В квантовой механике преодоление потенциального барьера сделалось возможным для частиц с любой кинетической энергией /хотя, разумеется, чем ниже кинетическая энергия частицы, тем меньше вероятность преодоления ею потенциального барьера/. Основываясь на этих неожиданных следствиях из теории Шредингера, русский физик Георгий Гамов предложил теорию альфа-радиоактивности, в рамках которой последняя объяснялась как туннельный эффект, т.е. преодоление альфа-частицей потенциального барьера, мешающего ей покинуть ядро. С позиций классической физики альфа- радиоактивность, детально описанная Марией Кюри, казалась необъяснимой загадкой, так как исходная кинетическая энергия альфа-частиц, согласно расчетам, оказывалась значительно ниже высоты потенциального барьера, создаваемого ядерными силами. Самым, однако, поразительным в туннельном эффекте была его непредсказуемость. Альфа-частица оказывалась как бы пленницей, заточенной в глубокой яме и предпринимающей многократные попытки выбраться из нее. С точки зрения классической механики положение этой пленницы безнадежно. Но в квантовом /и в реальном/ мире все иначе: одна из приблизительно 10³³ попыток выбраться из ямы приводит к успеху. Трудность, впрочем, состоит в том, что никогда нельзя заранее предсказать, какая именно попытка окажется успешной. Это наглядный пример непредсказуемости поведения квантовых объектов. Естественно, что это также противоречит новоевропейской философии, утверждающей, что каждая причина приводит к однозначному следствию.

Надо сказать, что не одни лишь марксисты были ввергнуты в недоумение этим неожиданным следствием квантовой теории. Дело в том, что учение о жесткой связи между причиной и следствием / т.н. детерминизм/ наряду с принципом непрерывности составлял одну из догм новоевропейской философии уже со времен Спинозы /1632- 1677/. Ясно, что не только марксистам были дороги принципы новоевропейской философии. Например, А. Эйнштейн, никогда не сочувствовавший марксистам, зато большой поклонник философии Спинозы, был задет неожиданным для него выводом о непредсказуемости квантовых эффектов и вступил по этому поводу в длительную полемику с Н. Бором. В данном случае, однако, сама природа поддержала Н. Бора и других создателей квантовой механики в их споре с Эйнштейном: туннельный эффект, экспериментально наблюдаемый и не оставляющий никакой лазейки для предсказуемости, в точности описывался уравнением Шредингера. Впоследствии выяснилось, что туннельный эффект играет ключевую роль в ядерных реакциях, происходящих в недрах Солнца, так что этому чудесному эффекту мы в буквальном смысле слова обязаны своей жизнью. Эйнштейн, впрочем, оказался непоколебим в своей приверженности спинозианскому детерминизму, но физики, привыкшие следовать за природой, а не за философскими догмами, в данном случае Эйнштейна не поддержали. Зато позиция Эйнштейна неожиданно нашла союзников в лице марксистов, которые в непредсказуемости квантовых событий усмотрели зловещий для себя призрак "свободы воли". В одной из статей, появившихся в журнале "Вопросы философии" в конце 1940-х годов, о квантовой механике было сказано:

"Мнение на это счет /о непредсказуемости квантовых эффектов - И.Л./ Гейзенберга, Дирака, Бора и К⁰ общеизвестно: в микромире царит полный произвол в движении микрочастиц, и объяснить таковое можно лишь наличием "свободы воли" у электрона, а это уже явная чертовщина".

Для марксистов происходящее в науке давно стало напоминать "чертовщину", поскольку путало все их планы, заключавшиеся в том, чтобы сделать науку своим союзником в борьбе с религией и воскресающей схоластической философией. Будучи достаточно дальновидными, марксисты понимали, сколь многим они обязаны новоевропейской философии, в том числе Спинозе и Гегелю, и сколь важную роль играли в системах этих философов принципы детерминизма и непрерывности. Марксисты были даже настолько проницательны, что усмотрели в критике новоевропейской философии опасность возрождения схоластики. Так, советский философ, академик Марк Борисович Митин /которого коллеги за глаза называли Мрак Борисович/ в статье ""Материализм и эмпириокритицизм" В.И. Ленина и борьба против современной идеалистической реакции", опубликованной в журнале "Вопросы философии" №1 за 1949 г. писал:

"Так связываются в один узел беспросветная схоластика и идеализм середины XX века с реакционнейшими социально- политическими устремлениями идеологов современного капиталистического рабства".

Впрочем, еще в 1920-е годы призрак возрождающейся схоластики не давал покоя марксистам, например, И. Аголу, писавшему в своей статье в журнале "Под знаменем марксизма" № 3 за 1926 год следующее:

"Кто даже кое-как просматривал естественнонаучную литературу за последние двадцать пять - тридцать лет, тот, несомненно, заметил, что, с усилением классовых и национальных конфликтов на почве утверждавшегося империализма, давно забытые покойники зашевелились в своих гробах, стали стучать своими разваливающимися костяшками о крыши гробов и требовать выхода на солнечный свет[...] И вот тут-то появляются попытки воскресить мертвецов. Услужливыми руками вытаскиваются из архива запыленные и пожелтевшие от времени метафизические фолианты, а вместе с ними и мощи старых богов и прочая церковная рухлядь". О том, насколько пророчески прав оказался И. Агол в своем видении воскресающей схоластики, пойдет речь в следующих двух лекциях.