файл - Институт исследований природы времени
advertisement
Реляционная парадигма в физике Ю.С. Владимиров Физический факультет МГУ имени М.В. Ломоносова Реляционная парадигма в физике Наглядное представление реляционной парадигмы: Пространство-время Система пространственновременных отношений Частицы Система токовых отношений Поля переносчиков взаимодействий Реляционная парадигма в физике В каждом из трех дуалистических миропониманий следует различать две метафизические парадигмы. Первая основана на замене двух из трех исходных категорий на одну обобщенную при сохранении неизменной третьей, а вторая основана на переходе к двум обобщенным категориям. В двух предыдущих дуалистических миропониманиях (теоретико-полевом и геометрическом) развитие теорий происходило от первой из названных метафизических парадигм ко второй, более совершенной. В реляционном миропонимании реализовалась обратная ситуация -- фактически сразу стала строиться дуалистическая парадигма второго типа, представленная теориями прямого межчастичного взаимодействия Фоккера--Фейнмана. В реляционном миропонимании осуществляется переход к двум обобщенным категориям: к пространственно-временным отношениям, заменяющим первичные категории пространствавремени и частиц, и к категории токовых отношений, также опирающейся на названные две первичные категории и заменяющей категорию полей переносчиков взаимодействий. Два подхода к природе пространства-времени: субстанциальный и реляционный. «Исторически сложилось два подхода к пространству и времени. Первый может быть назван субстанциальной концепцией. Пространство и время понимаются здесь как нечто самостоятельно существующее наряду с материей, как ее пустые вместилища. (...) Второй подход можно назвать реляционной концепцией пространства и времени. Наметки ее можно обнаружить еще у Аристотеля, но впервые со всей четкостью она сформулирована Г. Лейбницем. (...) С точки зрения реляционной концепции пространство и время не особые субстанциальные сущности, а формы существования материальных объектов. Пространство выражает сосуществование объектов, а время -- последовательность их состояний. Реляционная концепция в философском плане была воспринята и развита диалектическим материализмом, в естественнонаучном плане -- релятивистской физикой и в настоящее время наиболее полно отвечает уровню развития естествознания». Философия естествознания. – М.: Изд-во полит. лит-ры, 1966. Реляционый подход к природе пространства-времени «Кто хочет получить представление о том, с каким трудом развилась абстракция «пространство», лучше всего сделает, обратившись к изучению четвертой книги Физики Аристотеля. Вопрос о том, существует ли пространство (место) или не существует, как оно существует и что оно такое, причиняют ему много затруднений. Он не может смотреть на пространство, как на тело, ибо тогда одно тело находилось бы в другом. Но, с другой стороны, он и не может отделить пространство от мира тел, ибо место тела есть для него то, что это тело окружает, обнимает. Аристотель выдвигает мысль, что мы не спрашивали бы о пространстве, если бы не существовало никакого движения.Связь представления пространства с представлением тела естественно приводит к идее немыслимости пустоты, -идее, защищаемой Аристотелем и многими другими мыслителями древности. Мыслители, допускавшие пустоту, как Левкип, Демокрит, Эпикур и др., имели, следовательно, представление о пространстве, более близкое к нашему. Пространство было для них чем-то в роде сосуда, который может и не быть наполнен. И к такому представлению действительно должна была вести геометрия, которая устраняет все телесные свойства, кроме определенных границ». Э. Мах (Познание и заблуждение). Реляционная концепция пространства-времени «Можно, пожалуй, сказать, что главным образом именно со времени Ньютона время и пространство стали теми самостоятельными и однако бестелесными сущностями, которыми они считаются по настоящее время... Для Ньютона время и пространство представляют нечто сверхфизическое; они суть первичные, независимые переменные, непосредственно недоступные, по крайней мере, точно не определимые, направляющие и регулирующие все в мире. Как пространство определяет движение отдаленнейших планет вокруг Солнца, так время делает согласными отдаленнейшие небесные движения с незначительнейшими процессами здесь на земле. При таком взгляде мир становится организмом, или -если предпочитают это выражение -- машиной, все части которой согласно применяются к движению одной части, руководствуются до известной степени одной единой волей, и нам остается только неизвестной цель этого движения. Этот взгляд лежит, как наследие Ньютона, в основе и современной физики, хотя, может быть, чувствуется некоторое нежелание открыто это признать». Э. Мах (Познание и заблуждение) Сделанное замечание не утратило своей актуальности и в наши дни. Реляционная концепция пространства-времени «Я неоднократно подчеркивал, что считаю пространство, так же как и время, чем-то чисто относительным: пространство -порядком существования, а время порядком последовательностей... Для опровержения мнения тех, которые считают пространство субстанцией или, по крайней мере, какой-то абсолютной сущностью, у меня имеется несколько доказательств». Г. Лейбниц (Письма к С. Кларку) Реляционная концепция пространства-времени Позиция Лейбница разделялась Э. Махом, считавшим категории абсолютного пространства и времени «бессмысленными». Лейбниц и Мах полагали, что в отсутствии тел не существует ни пространства, ни времени. Но, что предлагалось взамен идеи абсолютного пространства-времени? Ответ можно разглядеть в высказываниях Э. Маха: «Время и пространство существуют в определенных отношениях физических объектов, и эти отношения не только вносятся нами, а существуют в связи и во взаимной зависимости явлений». «Мы можем сказать, что во временной зависимости выражаются простейшие непосредственные физические отношения». «В пространственных отношениях находит свое выражение посредственная физическая зависимость». Отношения -- вот то ключевое понятие, которое и у Лейбница, и у Маха заменяет идею абсолютного пространства и времени. Реляционная концепция пространства-времени «Готфрид Лейбниц и другие шумно спорили, провозглашая, что пространство и время – всего лишь регистрационные приборы для удобной записи соотношений между объектами и событиями во Вселенной. Положение объекта в пространстве и во времени имеет смысл только в сравнении с другим объектом. Пространство и время есть лишь словарь для разговора об этих отношениях, ничего более. Несмотря на то, что точка зрения Ньютона, поддержанная его тремя экспериментально проверенными законами движения, господствовала в течение более двух сотен лет, концепция Лейбница, развитая австрийским физиком Эрнстом Махом, гораздо ближе к современной картине». Б. Грин («Элегантная Вселенная. Суперструны, скрытые размерности и поиски окончательной теории». Раздел в главе 15 «Что есть пространство и время на самом деле, и можем ли мы без них обойтись?») Концепции близкодействия и дальнодействия В физике фактически сложилась ситуация, аналогичная сложившейся в геометрии, где утвердились два подхода к сущности пространства и времени. Здесь также представлены две концепции взаимодействий: близкодействие и дальнодействие. Концепция близкодействия согласуется с субстанциальным подходом, т. е. с моделью пространства-времени как сосуда, вместилища всего сущего. С эфиром или без него она отвечает на вопрос: как акт взаимодействия преодолевает пространственно-временную разнесенность объектов и событий. Концепция же дальнодействия соответствует реляционному подходу к сущности пространства-времени и идет вразрез с доминирующей ныне теоретико-полевой формулировкой физики. Концепция дальнодействия «Мысль Ньютона о силах, действующих на расстоянии, была великим умственным событием, которое позволило в течение одного столетия построить однородную математическую физику. В этой мысли выразилась некоторая духовная дальнозоркость. Он видел факт ускорений на расстоянии и признал его важное значение; посредники, передающие эти ускорения, казались ему неясными, и он до времени оставлял их без внимания». Э. Мах (Познание и заблуждение) Обычно концепция дальнодействия в естествознании связывается с именем И. Ньютона, однако он не был последовательным ее сторонником. В своих работах он то вводил эфир, то исключал его. Видимо, он чувствовал всю глубину этой проблемы, много о ней размышлял, но сам не смог сделать окончательного выбора. Известны его слова: «Гипотез я не измышляю». Концепция дальнодействия «Я думаю, однако, что мы должны считать фундаментальной реальностью не поле, но материю, т. е. движение и взаимодействие материальных частиц, а электромагнитное поле рассматривать как вспомогательную конструкцию, служащую для более удобного описания этого взаимодействия. Наконец, я полагаю, что оно представляет собой дальнодействие, которое мы никоим образом не должны сводить к какому-то действию и близкодействию, осуществляющемуся через какую-либо промежуточную материальную среду или при помощи материализованных силовых линий. (...) Позвольте прежде всего доказать вам, что физическим абсурдом является именно представление о близкодействии, а физической реальностью, физически обоснованным является представление о дальнодействии. Как нам ни трудно представить себе это дальнодействие, да еще запаздывающее, все же нам необходимо сделать соответствующее усилие для того, чтобы освободиться от тех привычек, которые сложились у нас в эпоху, когда наши познания были недостаточны». Я.И. Френкель Концепция дальнодействия В защиту концепции дальнодействия Френкель приводил три основных довода. Первый (он называл его «антропоморфным») довод состоит в том, что у нас укоренились представления о воздействии на предметы через непосредственное соприкосновение. Второй довод кроется в привычке оперировать дифференциальными уравнениями, обычно ассоциируемыми со сплошной средой. Третий довод состоял в следующем: «Если частицы, из которых состоит рассматриваемое тело, отделены друг от друга пустыми промежутками, то каким образом они действуют друг на друга? Вы можете сказать, что когда одно тело толкает другое, то одни частицы нажимают на соседние и таким образом осуществляется непосредственное соприкосновение. Ну а если вы тело растягиваете, как тогда действуют соседние частицы его друг на друга?» Он утверждал, что введение новой межмолекулярной среды «нисколько не решает вопроса о сведении дальнодействия к близкодействию, а лишь сводит дальнодействие на очень малых расстояниях к дальнодействию на еще меньших расстояниях». Добавим к этому четвертый довод. Концепция близкодействия опирается, по существу, на нерелятивистское понятие контакта, означающее, что взаимодействие осуществляется, когда расстояние между частицами равно нулю. В релятивистской теории понятие расстояния следует заменить на релятивистское понятие интервала, тогда понятие контакта сводится к равенству нулю интервала (когда частицы оказываются на световом конусе). Принцип Маха Согласно взглядам Э. Маха и немецкой физической школы середины XIX века, физический мир представляет собой неразрывное целое, так что свойства его отдельных частей, обычно понимаемые как локальные (присущие отдельно взятым системам), на самом деле обусловлены распределением всей материи мира, или глобальными свойствами Вселенной. Мах писал: «Дело именно в том, что природа не начинает с элементов, как мы вынуждены начинать. Для нас во всяком случае счастье то, что мы в состоянии временами отвлечь наш взор от огромного целого и сосредоточиться на отдельных частях его. Но мы не должны упускать из виду, что необходимо впоследствии дополнить и исправить дальнейшими исследованиями то, что мы временно оставили без внимания». В самом широком смысле под принципом Маха следует понимать идею об обусловленности локальных свойств частиц закономерностями и распределением всей материи мира, т. е. глобальными свойствами Вселенной. Принцип Маха «Во многих проблемах возможно «отделить» эффект Вселенной в том смысле, что влияние Вселенной остается эффективно постоянным внутри рассматриваемого пространственно-временного объема, к которому относятся эти проблемы. (...) Если читатель допустит на мгновение, что такая точка зрения верна, то ему станет ясно, что, вероятно, более легки именно те проблемы, в которых Вселенная проявляется в виде постоянного влияния окружающей среды, нежели те, в которых это влияние переменно. Самыми эффективными преимуществами обладают такие проблемы, где постоянное влияние Вселенной может быть заменено эмпирически найденными значениями, как, например, значения масс. Обычно практика благоразумного физика концентрируется на тех проблемах, где может быть достигнут прогресс, поэтому возникает положение, при котором все решенные проблемы представляют случаи такой развязки от влияния Вселенной». Ф. Хойл, Дж. Нарликар Реляционная парадигма в физике О.Д. Хвольсон (1852-1934) в своем широко известном в 20-е - 30-е годы «Курсе физики» посвятил специальный параграф критике концепции дальнодействия. Он начинался словами: «Термином «actio in distans», т. е. «действие на расстоянии» обозначается одно из наиболее вредных учений, когда-либо господствовавших в физике и тормозивших ее развитие: это -учение, допускавшее возможность непосредственного действия чего-либо (А) на чего-либо (В), находящееся от него на определенном и столь большом расстоянии, что соприкосновение между А и В происходить не может. (...) В настоящее время успело сделаться общим достоянием убеждение, что actio in distans не должна быть допускаема ни в одной области физических явлений. (...) Современная наука противится мысли о дальнодействии; считает невозможным, чтобы какое-либо тело действовало там, где оно не находится, и заменила дальнодействие близкодействием, при котором всякое действие может быть произведено только в ближайшем соседстве с источником этого действия». В завершении параграфа автор предупреждает "юных читателей не вдаваться в эту область фантазий" (имеется в виду учение о дальнодействии).
