Принцип относительности как основание фундаментального
реклама
Лекция 3. Принцип относительности как основание фундаментального физического познания В процессе движения к новой фундаментальной физической теории важную роль приобретают выявление и анализ оснований физического знания. Физические принципы являются важнейшей составляющей этих оснований. На важность выявления принципов в теоретической физике указывал Эйнштейн1. В настоящее время известно достаточно много принципов, которые составляют фундамент физического познания. Среди них: принцип наименьшего действия, принцип соответствия и дополнительности, принцип симметрии и другие. В настоящей статье анализируется принцип относительности (ПО). Рассматриваются его содержание, развитие его физических интерпретаций, а также значение в процессе создания фундаментальных физических теорий. Краткая история представлений об относительности в науках о природе. В науке развитие представлений об относительном характере процессов в природе имеет свою весьма продолжительную историю. Во времена Аристотеля движение рассматривалось относительно покоящейся Земли. Эти аристотелевскоптолемеевские воззрения господствовали в течение почти двух тысячелетий. Одним из первых эти воззрения подверг критике Николай Кузанский в XV веке. Он указал на кинематическую относительность движения и покоя2. Следующим обратил внимание на относительные эффекты при движении Н.Коперник. Обсуждая движение Земли и Вселенной, он писал: “... когда корабль идет по спокойной воде, все, что находится вне его, представляется морякам движущимся в соответствии с движением корабля; сами же они со всем, с ним находящимся будто бы стоят на месте. Это же, без сомнения, может происходить и при движении Земли так, что можно прийти к мнению, будто вращается вся Вселенная”3. Много внимания изучению движения уделял Г.Галилей. Анализируя движения различных тел, от брошенного камня до планет, он обнаружил независимость механических явлений от прямолинейного и равномерного движения систем отсчета и впервые выразил эту независимость в форме принципа4. При создании своей механики И.Ньютон выделяет и фиксирует сложную внутреннюю структуру пространства и времени5. В его теории сосуществуют два типа пространства и времени: с одной стороны, абсолютные пространства и время, с другой - относительные. В ньютоновской механике в инерциальных системах отсчета покой и равномерное прямолинейное движение становятся относительными, тогда как ускорение относительно абсолютного пространства имеет абсолютное значение. Вследствие этого в механике Ньютона существует неравноправие физического порядка между относительными скоростями тел и абсолютным характером ускорений и сил, вызывающих движения этих тел. В XVIII веке Ж.Даламбер формально записал уравнения Ньютона для ускоренной системы отсчета, приравняв тем самым силы инерции всем остальным силам. С точки зрения механики Даламбера всегда можно найти такую ускоренную систему отсчета, в которой внешние по отношению к данному телу ньютоновские силы и силы инерции уравновешиваются, т.е. полное ускорение системы становится равным нулю6. Важно подчеркнуть, что Даламбер впервые показал, что выбором системы отсчета можно “занулить” ускорение системы тел. 1 Эйнштейн А. Принципы теоретической физики // Физика и реальность. – М., 1965. – С. 5-7. 2 Николай Кузанский. Избр. философ. соч. - М., 1937. - С.100. 3 Николай Коперник // ”Николай Коперник”. Сборник статей к 400-летию со дня смерти. М-Л. - 1947. - С.205. 4 Галилей Г. Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой. М-Л. - 1948. - С.146-147. 5 Ньютон И. Математические начала натуральной философии. - М., 1989. 6 Даламбер Дж. Динамика. М-Л., 1950. Таким образом, в даламберовской механике полное ускорение оказывается относительной величиной. В дальнейшем различные аспекты относительного характера движения получили глубокое развитие в работах Э.Маха, Г.Герца, А.Эйнштейна. Теоретико-физическая реализация принципа относительности имеет более чем 350-летнюю историю своего развития с момента появления его первой формулировки (Галилей, 1632 г.). Она была выражена следующим образом: “Прилежно наблюдайте все это, хотя у нас не возникает сомнения в том, что пока корабль стоит неподвижно все должно происходить именно так. Заставьте корабль теперь двигаться с любой скоростью и тогда (если только движение будет равномерным и без качки в ту и другую сторону) во всех названных явлениях вы не обнаружите ни малейшего изменения и ни по одному из них не сможете установить, движется ли корабль или стоит неподвижно”7. Исторический срок, прошедший после этого события оказался необычайно плодотворным и для развития самого принципа, и для физики в целом. Эволюция физических форм принципа относительности подтверждает его мощные эвристические, экспликативные и конструктивные (в плане построения фундаментальных теорий) потенции. С точки зрения логики развития науки, можно сделать вывод о существовании определенной тенденции в формировании и трансформации теоретико-физических структур. Как показывает история физики, эта тенденция самым тесным образом связана с развитием принципа относительности, которое исторически сопровождалось качественными скачками в его содержании и понимании. Методологическое значение исторического развития принципа относительности для прогресса фундаментального физического знания, можно определить следующим образом. Когнитивное движение принципа относительности, уже прошло через определенное количество, N, качественно определенных узлов раскрытия нового содержания этого принципа, и сопровождается появлением в этих узлах фундаментальных физических теорий. В настоящее время N равно, по крайней мере, трем. Важно отметить, что каждому такому когнитивному узлу развертывания содержания принципа относительности соответствует новая фундаментальная физическая теория. В то же время следует отметить, что взаимно-однозначного соответствия здесь нет: в настоящее время не каждой фундаментальной теории соответствует новое содержание принципа относительности. Примерами этого положения могут быть, например, квантовая механика и статистическая физика, для которых не существует специфической формулировки принципа относительности. Принцип относительности и фундаментальные физические теории. Рассмотрим ступени восхождения ПО и соотношения “принцип относительности фундаментальная физическая теория” в их последовательном эволюционном становлении. Для наглядности представим это в виде схемы (Рис.1). ПО Галилея - → → Спец ПО ↓ Классич механика 7 → Общий ПО ↓ → ↓ Покой, Движение, Скорость → СТО ↓ → → ? ↓ → Время, Масса, Размеры тел, Одновременность → ОТО ↓ → ↓ → Ускорение, Сила, Гравитацион ное поле → ? → ↓ → Относительны все физические величины ? → Галилей Г. Диалог о двух главнейших системах мира - птолемеевой и коперниковой. М-Л., 1948, С.146-147. Рис. 1 При этом мы не будем уделять внимание вопросу о выяснении природы причинно-следственного порядка их становления. Также не обсуждается и вопрос о том, что же было исходным пунктом появления каждой следующей фундаментальной физической теории в приведенной в таблице последовательности. Мы проследим главное для нас - четкое соответствие определенного уровня развития принципа относительности и соответствующей фундаментальной теории, а также вытекающей отсюда тенденции. Так, принцип относительности Галилея стал определяющим основоположением классической механики Ньютона. Следующая ступень эволюционного восхождения принципа относительности в физическом познании связана с разработкой Лоренцем, Пуанкаре и Эйнштейном специального принципа относительности в электродинамике. Физико-теоретическая реализация этого принципа относительности также выразилась в создании новой фундаментальной теории - специальной теории относительности (СТО). Третий этап связан с формулировкой Эйнштейном общего принципа относительности и построением общей теории относительности (ОТО). Таким образом, ясно прослеживается определенная закономерность развития физического познания. Ее можно выразить следующим образом: осознание нового физического содержания принципа относительности приводит к появлению новой фундаментальной физической теории. И хотя указанный путь развития физики лишь одно из основных направлений ее современной эволюции (вторым мощным направлением является, например, квантово-полевая программа, основанная на поиске новых симметрий8), содержание узлов этой цепи развития позволяет сделать вывод о том, что ряд наиболее существенных достижений в физике (фундаментальные теории) связан с развитием принципа относительности. В более радикальной и обобщающей форме этот вывод означает, что развитие фундаментальной физики есть последовательное развитие принципа относительности 9. Если сказанное выше о связи исторической эволюции принципа относительности и формировании новых фундаментальных физических теорий справедливо, то справедлив и вопрос о том, существуют ли сегодня какие-нибудь тенденции дальнейшего развития принципа относительности и, соответственно, направления разработки новой фундаментальной теории относительности? В этой связи следует сделать несколько замечаний о содержании принципа относительности. Выше отмечалось, что его историческое наполнение раскрывается следующим образом. Законы природы одинаковы: 1) в инерциальных (движущихся прямолинейно и равномерно) системах отсчета, допускающих дальнодействие (классическая механика Галилея-Ньютона); 2) в инерциальных релятивистских системах отсчета, учитывающих конечность и абсолютность скорости распространения физических взаимодействий (специальная теория относительности); 3) в любых, в том числе неинерциальных системах отсчета. Релятивизация физических величин. 8 В теориях относительности принцип симметрии также играет важнейшую, но, судя по всему роль. 9 Напомним, однако, что ряд фундаментальных теорий физики, в частности, термодинамика, максвелловская электродинамика, квантовая теория и др., прямым образом не связаны с принципом относительности. Это может означать то, что 1) и эти теории, в конце концов, будут (могут быть) выражены через какие-то формы принципа относительности; 2) либо существуют фундаментальные теории, которые никак не связаны с принципом относительности, а следовательно, имеет место существенное ограничение степени его физической общности; 3) либо какой-то третий, возможно, комбинированный (синтетический) вариант. Принцип относительности имеет несколько смысловых значений. Во-первых, самим Галилеем он понимался10 как принцип сохранения физических процессов по отношению к различным образом движущихся или покоящихся системам отсчета. Существует точка зрения, что «формулировка принципа относительности явилась лишь логическим результатом его (Галилея – В.Э.) взгляда на неограниченность мира»11. В современной физике интерпретация принципа относительности сводится к следующему: физические законы сохраняют свой вид относительно определенным образом движущихся систем отсчета. Такая интерпретация связана с ковариантностью законов физики. Однако фактическое содержание этого принципа богаче. История фундаментальной физики показала, что реализация каждого обобщения ПО всегда была также связана с релятивизацией физических величин. Иными словами, на каждом шаге расширяется и углубляется понятие относительности физических величин и процессов. В этом контексте прогресс в развитии фундаментальных теорий, основанных на соответствующих принципах относительности, также связан с переходом от физических величин, считавшихся абсолютными в одних системах отсчета, к относительности этих же величин в качественно иных системах отсчета или, другими словами, по отношению к другим формам (механического) движения. Предложенная интерпретация следует представлениям об относительном характере любых физических величин и понятий. В ней реализуется стремление на теоретическом уровне наделить элементы физического знания относительным характером. С этой точки зрения полная реализация этого принципа требует придания относительного характера всем физическим величинам (понятиям), процессам, событиям и видам движения. Очевидно, что интерпретация этого принципа на таком уровне требует его фундаментального философского осмысления, требуется дальнейшее раскрытие более глубоких уровней физической относительности. С точки зрения такой интерпретации физической относительности, исторические переходы от одной фундаментальной механики к другой выглядят следующим образом. До Галилея скорость движущихся тел считалась абсолютной величиной. Принцип относительности Галилея и галилеевские преобразования сделали ее относительным физическим понятием. Согласно галилеевским преобразованиям координат, а именно, при переходе в инерциальную систему отсчета, движущуюся относительно исходной прямолинейно с некоторой постоянной скоростью, можно обратить в состояние покоя любое подобное движение. Таким образом, скорость и покой оказываются относительными. Этот результат сохраняется и в специальной теории относительности (кроме скорости света в пустоте, которая остается абсолютной), но здесь относительными (в зависимости от скорости тела) становятся также и такие физические понятия, как одновременность, длина (сокращение размеров тела в направлении движения), длительность (замедление времени) и масса тела (возрастание массы тела с ростом скорости тела). Наконец, в общей теории относительности относительной становится еще одна фундаментальная физическая величина, характеризующая движение, - ускорение. Кроме того, относительным становится само гравитационное поле, которое может быть заменено ускоренной системой отсчета и при определенных условиях “занулено” (правда, только локально). Если в классической механике и специальной теории относительности ускорение считалось физически абсолютным, то общерелятивистские преобразования позволяют “занулить” ускорение путем введения гравитационного поля. Эйнштейн придавал большое значение релятивизации физических величин. Вот что он писал в этой связи: “В теории относительности понятие абсолютной одновременности, абсолютной скорости, абсолютного ускорения и т.д. отвергаются именно потому, что доказана невозможность установления 10 11 Напомним, что сам Галилей еще не называл его принципом относительности. Кудрявцев П.С. История физики. – М.,1948. - Т.1. – С.107. однозначной связи их с экспериментом. Та же судьба постигла и понятий “плоскости”, “прямой” и т.д., лежащих в основе эвклидовой геометрии”12. При этом Эйнштейн подчеркивал, что возникновение новой теории относительности не является следствием умозрительного абстрактного конструирования, а вытекает из требования соответствия теории опыту (и, следовательно, действительности): “С гносеологической точки зрения для теории относительности характерно следующее. В физике не существует понятия, применение которого было бы априори необходимым или обоснованным. То или иное понятие приобретает право на существование лишь в том случае, если оно поставлено в ясную и однозначную взаимосвязь с событиями и физическими экспериментами... Для каждого физического понятия должно быть дано такое определение, чтобы в любом конкретном случае на основе этого определения можно было бы в принципе сказать, соответствует ли это понятие действительности или нет”13. Подобная трактовка физической относительности меняет существо методологического подхода к физике, меняет само “видение” современной физической проблематики. Она порождает новые цели и методы дальнейших путей развития современной физики. Согласно этой тенденции относительными должны стать буквально все физические понятия и величины. Чтобы реализовать эту тенденцию предстоит разработать такую новую фундаментальную физическую теорию, в которой, в частности, был бы придан относительный характер, всем квантово-полевым величинам, в том числе зарядам, квантовым числам и т.д. Естественно, что в первую очередь это должно касаться попыток построения единой («окончательной») физической теории. Всеобщ ли общий принцип относительности? Исторически последовательное углубление и расширение содержания принципа относительности и успешное построение на ее основе фундаментальных физических теорий приводит к следующему закономерному вопросу: можно ли продолжить линию эволюции этого принципа дальше (вправо на рис.1)? Возможно ли, хотя бы в принципе сформулировать следующее обобщение ПО? Казалось бы, такой возможности не существует, поскольку Эйнштейном уже был сформулирован общий ПО. Существенно, что этот принцип, выражающий идею о сохранении физических законов в произвольно движущихся системах отсчета 14, охватывает все возможные виды движения: как инерциальное (т.е. прямолинейное и равномерное), так и неинерциальное (т.е. произвольным образом ускоренное). В этом случае должно учитывается и неравномерно ускоренное движение, и непрямолинейное, включая вращение. Так его понимал и сам Эйнштейн. Он писал: “... принцип эквивалентности открывает нам интересную перспективу - уравнения теории относительности, охватывающей гравитацию, должны быть инвариантны также относительно преобразований ускорения (и вращения)”15. Однако ОПО и, соответственно, ОТО распространяется только на прямолинейно и равномерно ускоренные системы отсчета. Это отмечал и сам Эйнштейн: «… в равномерно-ускоренной относительно «инерциальной системы» системе координат движение происходит так же, как оно бы происходило в однородном гравитационном поле относительно «покоящейся» системы координат»16. Нетрудно заметить, что эта цитата противоречит предыдущему высказыванию Эйнштейна. Некоторые современные физики также считают, что в общем принципе относительности и, соответственно, в общей теории относительности инвариантность законов рассматривается не относительно произвольным образом ускоренных систем отсчета, а лишь относительно равномерно и прямолинейно 12 Эйнштейн А. Собр. научн. трудов. - М., 1966. - Т.4. - С.550. Там же. 14 «Законы физики должны быть составлены так, чтобы они были справедливы для произвольно движущихся координатных систем» (Эйнштейн А. Собр. научн. трудов. - М., 1965. - Т.1. - С.456) 15 Эйнштейн А. Собр. научн. трудов. - М., 1965. - Т.1. - С.221. 16 Эйнштейн А. Физика и реальность // Собр. науч. тр. – Т.4. – М., 1967. – С.215. 13 ускоренного их движения. В работе17, в частности, отмечается, что вращение в общей теории относительности остается, фактически, абсолютной величиной. Основной аргумент в пользу такого утверждения о не произвольном, а достаточно специальном характере движения систем отсчета в теории относительности связывается с неголономностью вращательных координат и с формой общерелятивистских преобразований. Сюда можно добавить, что один из основополагающих принципов общей теории относительности - принцип эквивалентности в слабой форме рассматривает тождественность ускорения и однородного гравитационного поля, а с последним более естественно отождествить прямолинейное равномерное ускорение. Наконец, известно, что «лифты Эйнштейна» не вращаются. Это означает, что в своих мысленных экспериментах (в данном случае в известных мысленных экспериментах с лифтом), которые были мощным эвристическим средством при физическом осмыслении релятивистской концепции, Эйнштейн рассматривал явления и закономерности в ситуациях, в которых вращение отсутствует. Таким образом, согласно этому подходу, общая теория относительности не содержит преобразований, делающих вращение относительным, вращение остается в ней абсолютным, а поэтому она не включает в себя любые произвольно движущиеся системы отсчета. Можно ли сформулировать какие-то предположения о последующем пути развития принципа относительности и, соответственно, всего класса теорий относительности. В дальнейшем можно предполагать: 1) расширение общего принципа относительности, при котором относительный характер получит и вращение; 2) построение на базе этого более общего принципа относительности новой фундаментальной теории относительности; 3) дальнейшее расширение принципа относительности до всеобщего принципа относительности по линии: “относительны все физические характеристики и величины”; 4) построение на базе всеобщего принципа относительности новых теорий относительности все более общего характера (программа максимум). Возможно, для реализации п.п. 3) и 4) будет достаточно сформулировать принцип относительности, распространяющийся только на вращение18. Принцип относительности и квантовая механика. Попытаемся рассмотреть возможность дальнейшей эволюции принципа относительности на примере квантовой теории. 1.Как известно, Эйнштейн, признавая успехи квантовой механики, не принимал ее концептуально-физическую трактовку. «Нет сомнения, что в квантовой механике имеется значительный элемент истины и что она станет пробным камнем для любой будущей теоретической основы, из которой она должна будет быть выведена как частный случай… Однако я не думаю, что квантовая механика является исходной точкой поисков этой основы. … Учитывая такое положение, кажется вполне оправданным серьезное рассмотрение вопроса о том, нельзя ли каким-нибудь образом привести в соответствие основу физики поля с данными квантовой теории?»19 Можно ли явным образом в прорисованную выше схему эволюции принципа относительности включить, в частности, квантовую механику (КМ)? Возможно ли и в КМ сформулировать специфический для нее принцип относительности? До сих пор этот вопрос не получил окончательного и однозначного решения. Тем не менее, можно отметить несколько существенных моментов в этой связи, которые просматриваются в настоящее время. Сам Эйнштейн выражал надежду, что «разумная общая релятивистская теория поля, возможно, могла бы дать ключ к более совершенной квантовой теории»20. При этом Эйнштейн связывал поиск такого ключа с необходимостью найти частицеподобные полевые решения, свободные от сингулярностей. В 17 Шипов Г.И. Теория физического вакуума. – М., Наука, 1997. Там же. 19 Эйнштейн А. Физика и реальность – М., 1965. - С.57. 20 Эйнштейн А. Вводные замечания об основных понятиях // Собр. науч. трудов. – М., 1966. – Т. 3. – С.626. 18 методологическом плане, если продолжить методику построения фундаментальных физических теорий, основываясь на обобщении принципа относительности, которой, фактически, придерживался и сам Эйнштейн, то здесь можно рассмотреть следующие возможности: либо создавать КМ на основе уже имеющегося общего принципа относительности, либо попытаться еще раз обобщить этот принцип и расширить его на квантовые процессы. Однако можно предположить еще и такую возможность: поскольку гравитация явным образом в КМ не входит, следует исходить из специального принципа относительности, каким-то образом его расширить с учетом квантово-механических явлений, а затем обобщить до ОПО, т.е., фактически, до фундаментального принципа теории квантовой гравитации. В этой связи становится актуальным вопрос о соотношении этого подхода с дираковской релятивистской квантовой механикой. 2. В тридцатых годах двадцатого столетия Дираку удалось осуществить синтез КМ и СТО. В результате появилась новая фундаментальная теория - релятивистская квантовая механика или квантовая теория поля. Однако в этой теории не появилось нового принципа относительности, а содержание уже имеющихся существенно не изменилось. О чем может свидетельствовать этот факт? Например, о том, что в новой синтетической фундаментальной теории, построенной на стыке релятивистской и квантовой принцип относительности потерял свою эвристическую силу, или о том, что квантовая теория поля физически не полна. Стоит напомнить, что также как и квантовая механика, квантовая теория поля является достаточно эффективной теорией в определенной области исследований, хотя в отношении ее концептуальных оснований мнения далеко не однозначны и даже скептичны21. 3.В 50-х годах прошлого века В.А.Фок сформулировал своеобразный принцип относительности к средствам наблюдения22. Согласно этому подходу «под классическим описанием можно разуметь описание, безотносительное к средствам наблюдения (если не считать учета их движения)»23. «… в квантовой физике необходимо учитывать не только механическое движение средств наблюдения, но в какой-то схематизированной форме, и их внутреннее устройство»24. Проведя сравнение движения и измерения классических и квантовых объектов и процессов, В.А.Фок приходит к выводу о том, что «не только точность в количественном смысле, но и качественная формулировка новых свойств микрообъектов требует новых методов описания и, прежде, всего, необходимо внести в их описание новый элемент относительности – относительность к средствам наблюдения»25. К сожалению, далее это направление Фоком не было развито. В связи с этим остаются неясными, в частности, следующие вопросы: - Каким образом связаны три классические формулировки ПО и фоковский принцип приборной относительности? - Должны ли сохраняться все законы физики (что было характерной чертой трех галилеевско-эйнштейновских формулировок ПО) по отношению к любым возможным средствам наблюдения? - Каким образом связаны в квантовом случае инерциальное и неинерциальное движение (особенности которых были определяющими для трех предыдущих формулировок ПО) и средства наблюдения? - Если указанные связи отсутствуют, то какое принципиально новое содержание вносит фоковский ПО в семейство физических принципов относительности? 21 См., например, Попова А.Д. Квантовая космология: нужна ли? // 100 лет квантовой теории. История Физика. Космология. Труды международной конференции. – М., 2002. – С.218-225. 22 Фок В.А. Об интерпретации квантовой механики // Философские вопросы современной физики. – М., 1959. – С. 160-162. 23 Там же. – С. 161. 24 Там же. 25 Там же. - Можно ли построить квантовую механику, основываясь на фоковском принципе относительности к средствам наблюдения? Можно ли это сделать хотя бы в принципе? 4. Определенные указания на обоснованность такой постановки вопроса дают, например, имеющиеся в квантовой физике данные о возможной релятивизации квантовых характеристик. В квантовой теории о протекающем процессе релятивизации квантованных величин свидетельствует, в частности, несохранение некоторых квантовых чисел (например, барионного числа), а также вытекающие отсюда предсказания о нестабильности элементарных частиц, считавшихся раннее стабильными и абсолютно элементарными. В качестве примера последнего можно упомянуть предсказание в квантовой хромодинамике распада протона через 1032 лет. 5. Наконец, следует также упомянуть эвереттовскую интерпретацию квантовой механики, которая основана на понятии относительного состояния26. В этом подходе считается, что любое квантовое состояние не является абсолютным и может рассматриваться только по отношению к другим состояниям. Например, относительность состояния наблюдателя в известном парадоксе шредингеровского кота рассматривается по отношению к состоянию самого кота. Согласно Эверетту практически все состояния – относительны, и только состояние всей Вселенной – абсолютно. Приведенные примеры и некоторые тенденции релятивизации квантовой теории показывают, что эта проблема еще далека от своего разрешения. Тем не менее, попытки продолжаются, и исследователи ищут новые варианты. Так, например, были предложены новые подходы к квантовой механике, основанные на геометрическом27 и реляционном28 подходах. Но и в рамках этих подходов предстоит еще многое сделать для выяснения природы их фундаментальных физических оснований. Принцип относительности и фундаментальная механика. Фундаментальность и общность указанного эволюционного движения принципа относительности состоит также в том, что эта эволюция происходит в рамках двух различных, но взаимосвязанных классов физических теорий. С одной стороны, последовательное обобщение ПО сопровождается расширением определенного специфического класса фундаментальных теорий - класса теорий относительности, объединенных общей основой, в качестве которой и выступает принцип относительности. С другой стороны, как отмечалось выше, с развитием последнего идет одновременный параллельный процесс релятивизации прежде абсолютных физических величин. В то же время имеет место еще дин фундаментальный процесс - процесс расширения и углубления содержания одного из древнейших и основополагающих разделов физики - механики. Это означает, что достижение нового содержательного уровня понимания принципа относительности каждый раз сопровождалось появлением новой фундаментальной механики29. В этот механико- 26 Everett, H.: 1957, On the Foundations of Quantum Mechanics, thesis submitted to Princeton University, March 1, 1957, in partial fulfillment of the requirements for the Ph.D. degree. ; Everett, H.: 1957, "‘Relative State’ Formulation of Quantum Mechanics", Reviews of Modern Physics 29: 454-462. 27 Ashtekar A., Shilling T.A. Geometrical Formulation of Quantum Mechanics. – arXiv:grqc/9706069. – 1997, 23 Jun.. – Vol.1. 28 Brown M. Relational Quantum Mechanics and the Determinacy Problem – 2007. http://ssrn.com/abstract=1006232 29 К классу фундаментальных теорий, которые в той или иной степени основаны на механическом движении, но в явном виде до сих пор не связаны с принципом относительности, принадлежат, например, термодинамика, статистические теории и квантовая механика. релятивистский класс физических теорий, основанием которых является принцип относительности, и входят рассмотренные выше фундаментальные теории: классическая механика Ньютона, специальная теория относительности, общая теория относительности. По существу, каждая из этих теорий является новой механикой со все более усложняющимися представлениями о механическом перемещении в пространстве30. Классическая механика описывает механические процессы в равномерно и прямолинейно движущихся (инерциальных) системах отсчета, допуская абсолютность времени (а с этим и возможность дальнодействия). В механике специальной теории относительности, которая основана на двух основных принципах: специальном принципе относительности и абсолютности величины скорости света, рассматриваются также и электромагнитные процессы в инерциальных системах отсчета, причем скорости движения физических тел не могут превышать скорости света в пустоте. При этом движение в пространстве с околосветовой скоростью31 сопровождается нетривиальными трансформациями геометрических и темпоральных характеристик. Наконец, общая теория относительности, построенная на общем принципе относительности 32 и принципе эквивалентности, является фундаментальной теорией процессов (а фактически и движений) в ускоренно движущихся системах отсчета. Согласно принципу эквивалентности, в этой теории ускорение отождествляется с гравитационным полем, а движение происходит по геодезическим линиям. Отсюда становится ясно, почему перечисленные фундаментальные теории можно рассматривать как качественно различные формы механики. Каждая из них связана с введением и новым пониманием свойств физического движения как перемещения в пространстве. При этом движение в пространстве характеризуется различными классами характеристик: материальными носителями движения (вещество, электромагнитное и гравитационное поля), характером движения (равномерное, прямолинейное, ускоренное) и т.д. В ОТО был сделан еще один принципиально новый концептуальный шаг: фундаментальное физическое понятие, а по существу, фундаментальный физический объект – сила тяготения был, фактически сведен к перемещению в пространстве определенного типа. В дальнейшем эта тенденция получила свое продолжение: в программах построения единых геометризованных теорий поля попытки аналогичного сведения к перемещению в пространстве и к свойствам самого пространства были предприняты и в отношении других силовых полей, в частности, электромагнитного33 и даже в отношении физических частиц (геометродинамика Уилера, теория струн). Возникает вопрос: не является ли указанная трактовка, сводящая физику к механике, возрождением механицизма? Как известно, в свое время сторонники механицизма пытались выразить все физические (и не только физические) процессы через механические перемещения в пространстве и времени. Последующее развитие физики отвергло этот подход. Был сделан вывод о существовании новых, качественно отличных от механического, физических процессов и видов движения, не сводимых к механическим в смысле классической механики Галилея-Ньютона. К ним относятся электромагнитные, гравитационные, ядерные взаимодействия. Однако, на наш взгляд, этот вывод не является 30 Более точно - механическом перемещении в пространствах все большей сложности (4-мерном псевдоевклидовом, а затем и римановым (с кривизной) пространстве-времени. Современные единые теории рассматривают еще более сложные пространства, например, 10-мерные в теории суперструн. 31 На самом деле, все эффекты СТО (замедление времени, сокращение размеров и др.) имеют место при любых скоростях, что следует из преобразований Лоренца. Однако при небольших скоростях они ничтожно малы. 32 Здесь весьма любопытен эвристический момент. Эйнштейн вспоминает, что ему «с самого начала казалось естественным, что законы природы должны выполняться и в любых неинерциальных системах отсчета». 33 См., например: Визгин В.П. Единые теории поля в первой трети ХХ века. – М., 1985. окончательным, ибо и в современной физике природа различных физических взаимодействий постоянно подвергается серьезному пересмотру. В истории физического познания такому рассмотрению особенно часто подвергалось понятие механического движения. Приведем несколько примеров, обосновывающих эту точку зрения. Уже в эпоху механицизма теплота, представляющая собой качественно новый тип физических процессов, была фактически сведена к чисто механическому движению молекул в рамках кинематической теории. В начале ХХ века, когда механицизм, казалось бы, окончательно потерпел крах, общая теория относительности представила гравитацию фактически как определенный вид механического движения как перемещения в пространстве-времени: в ОТО гравитационное поле, фактически, отождествляется с ускоренным (неинерциальным) движением. С другой стороны, движение под действием гравитационных сил стало рассматриваться как инерциальное (бессиловое) движение по геодезическим линиям в искривленном пространстве-времени. Дальнейшее развитие метода геометризации физических взаимодействий (полей), успешно реализованного в общей теории относительности, но уже в рамках программы единой геометризованной теории поля, было связано с попыткой Г.Вейля в 1919 г.34 описать на основе единой метрики одновременно и гравитацию и электромагнетизм. И хотя этот подход не привел к успеху, в дальнейшем подобные попытки предпринимались неоднократно. В 1923-1924 г.г. Эйнштейн предлагает аффинный вариант единой геометризованной теории поля35. В 1925-1926 г.г. он же предлагает аффинно-метрический вариант36, а в 1932 г. - теорию с геометрией абсолютного параллелизма37. Все эти теории строились на различных обобщениях римановой геометрии. Выдвигались и более радикальные подходы, синтезирующие гравитацию и электромагнетизм, среди которых особенно выделяется пятимерный вариант Т.Калуцы38. В 60-е годы попытка геометрического объединения теорий гравитации и электромагнетизма была предпринята Дж.Уилером в рамках его геометродинамики39. Большие надежды теоретики возлагают, например, на различные калибровочные модели в расслоенных пространствах, в которых электромагнетизм представляется “слоем” обычного пространства-времени 40. Существенно, что все эти подходы сводят специфику электромагнитных процессов, в конечном счете, к перемещению в особого рода пространственно-временном многообразии. Поэтому в отношении возможного возрождения механицизма с учетом всего вышеизложенного следует сказать, что окончательно отвергнутыми можно считать только некоторые исторически конкретные подходы, например, попытки свести всю физику к механике ньютоновских перемещений в евклидовом пространстве. Вместе с тем представления о механических перемещениях постоянно углубляются и усложняются. Поэтому можно выделить еще одну, достаточно четко просматриваемую тенденцию, пронизывающую всю историю развития физики: стремление свести различного рода физические процессы к качественно своеобразным типам перемещений в пространствах все более сложной природы. Выяснение природы этих пространств, природы физической геометрии и топологии представляет собой важнейшую задачу философии физики. 34 Вейль Г. Гравитация и электричество. //Альберт Эйнштейн и теория гравитации. М., 1979, С.513-527. 35 Эйнштейн А. Собр. научн. трудов. - М., 1966. - Т.2. - С.134-141 36 Там же. - С.171-177. 37 Там же. – С.223-228. 38 Калуца Т. К проблеме единства физики. // Альберт Эйнштейн и теория гравитации. М., 1979, С.529-534. 39 Уилер Дж. Гравитация, нейтрино и вселенная. М., 1962; Уилер Дж. Предвидение Эйнштейна. М., 1970. 40 Коноплева Н.П., Попов В.Н. Калибровочные поля. М., 1980.
