Процесс отказа от наглядных представлений в квантовой теории завершился в 1927 г., когда Гейзенберг сформулировал принцип неопределенности, выражаемый известным соотношением Dp×Dq³h/2p, где Dp - неопределенность в определении импульса микрочастицы, Dq - неопределенность в определении ее координаты, h - постоянная Планка. Это соотношение показало, что «ненагляден» не только волновой аспект микрообъекта, но не менее «ненагляден» и его корпускулярный аспект.
Органы чувств и основанные на их непосредственных показаниях рассуждения на протяжении тысячелетий говорили человечеству, что любая частица вещества обладает в каждый данный момент времени определенной координатой и скоростью, следствием чего является существование у нее определенной траектории.
Понятие частицы благодаря повседневному опыту органически срослось в нашем представлении с понятием траектории. Мы не можем себе представить движение частицы не по траектории (без траектории). Но принцип неопределенности, по видимому, приводит к заключению, что по крайней мере у достаточно малых частиц вещества траектории не существует.
Ясно, что механика физических тел, движение которых описывается «волнами вероятности» и принципом неопределенности приобретает, в отличие от механики «земных» тел, существенно «ненаглядные» черты.
Теория относительности.
Если квантовая теория разрушила наглядные представления главным образом о движении, то теория относительности сделала то же самое в отношении пространства и времени. Известно, что свойства пространства и времени проявляются, в частности, в кинематике физических тел. Органы чувств и основанные на их непосредственных показаниях рассуждения говорят нам, что скорость любого тела зависит от того, по отношению к какой системе отсчета она определяется. Однако, в частности, астрофизические наблюдения за двойными звездами показали, что скорость света не зависит от движения источника. Этот факт противоречит наглядному представлению.
Опираясь на факт независимости скорости света от движения источника, а также на принцип относительности, Эйнштейн в 1905 г. показал, что представление о том, будто одновременность событий при любых условиях абсолютна, является ошибочным.
Хотя вся наша многовековая практика говорит о том, что если две вспышки света происходят одновременно по отношению к системе отсчета «аэродром», то они происходят одновременно по отношению к системе отсчета «самолет» (движущийся инерциально), тем не менее наглядное представление нас обманывает; в действительности дело обстоит чрезвычайно «ненаглядно»: по отношению к движущемуся самолету вспышки света происходят не одновременно. «Что мы обозначаем словами: ‘два одновременных события в одной системе координат’? Интуитивно каждый человек считает, что он понимает смысл этого предложения. Но будем осторожными и попытаемся дать строгие определения, так как мы знаем , как опасно переоценивать интуицию». ([12], стр.169)
Относительность одновременности приводит к отказу от того элементарного, с точки зрения наглядного представления и здравого смысла, заключения, что пространственные и временные интервалы не зависят от инерциальной системы отсчета. Оказывается, что расстояние, например между отметками на эталоне длины равно одному метру только по отношению к системе отсчета аэродром, но имеет иную протяженность по отношению к системе отсчета «самолет». Еще менее нагляден факт зависимости временных интервалов от инерциальной системы отсчета. Со времен глубокой древности казалось неоспоримым, что время всегда «течет» с одинаковой скоростью. Отсюда делался вывод, что время в мире одно. Это наглядное представление о времени, почерпнутое из повседневного опыта, было описано еще Аристотелем в его «Физике»: «..И взятое сразу [в определенный момент], время повсюду одно и то же, а как предшествующее и последующее не одно и тоже.» ([1], стр.151). Оно казалось столь естественным, что было полностью воспринято Ньютоном и возведено в аксиому. Но согласно Эйнштейну в мире существует бесконечное множество времен «текущих» с разной скоростью параллельно. Эйнштейн не остановился на этом, а пошел дальше. Оказалось, что относительность пространственных и временных интервалов приводит к высшей степени «ненаглядным» следствиям.
Важнейшее из этих следствий состоит в следующем. Органы чувств породили у нас представление, которое приобрело прочность предрассудка, что такие свойства тел, как объем, форма, деформация, температура, масса и др. Не зависят от того, движется ли данное тело инерциально или покоится. Вопреки наглядному представлению частная теория относительности разрушает это представление. Основные черты наглядного представления: протяженность, форма, краски, звуки и т.д. - то, что Локк называл первичными и вторичными качествами, сами приобретают признаки «ненаглядности». Уже здесь мы видим , что начавшийся с малого отказ от наглядных представлений постепенно приобретает как и в квантовой теории глобальный характер и превращается в принцип.
Развитие в 1915 г. теории относительности и создание общей теории относительности (теории гравитации) еще больше усугубило ситуацию. Можно было надеяться что общая теория сделает частную теорию более наглядной. Общая теория относительности действительно объяснила некоторые парадоксы частной теории, однако это было достигнуто лишь путем дальнейшего отказа от наглядности. Согласно нашим представлениям с точки зрения наглядности кривизна реального трехмерного пространства во всех точках равна нулю. Вообще выражение «кривизна пространства» кажется здесь неприемлемым. Однако Эйнштейн показал, что в космических масштабах (по крайней мере) пространство обладает кривизной отличной от нуля. Это означает что геометрия реального пространства отличатся от евклидовой. Кроме того Эйнштейн доказал что и время, в известном смысле «искривлено»: не только в разных инерциальных системах отсчета время «течет» с разным темпом, но и в одной и той же системе отсчета, если она движется с ускорением, время в разных точках «течет» с разным темпом. Это означает, что в общей теории степень «ненаглядности» еще больше поскольку она утверждает относительность не только четырехмерного пространства, но и места измерения в системе отсчета. Такой характер четырехмерного пространства объясняет своеобразие гравитационного поля. Его появление связано с искривлением четырехмерного пространства - реально существующего мира.
Мы рассмотрели процесс «разрушения» наглядных представлений как в квантовой теории, так и в теории относительности. Сразу бросается в глаза симметричность обеих теорий с точки зрения этого процесса. Следовательно, подобная тенденция является характерной особенностью всей новой физики.
ПРИНЦИП НЕНАГЛЯДНОСТИ
Содержание принципа ненаглядности, если обобщить соответствующие высказывания В. Гейзенберга по данному вопросу, сводятся к следующим основным положениям.
1. Невозможно представить явления микро- и мегамира в чувственно воспринимаемых образах, почерпнутых из «земных» условий. «Понимание явлений природы, в которых играет существенную роль постоянная Планка, возможно только при значительном отказе от наглядного описания этих явлений».
«Квантовая теория лишила атом доступных органам чувств наглядных представлений, данных нам в повседневном опыте». ([5], стр.55)
Здесь следует указать на одно очень важное обстоятельство.
С точки зрения классической физики все физические явления не только могут быть представлены вообще наглядно, но и могут быть представлены с помощью механической модели (т.е. с помощью узкого класса наглядных представлений). Однако уже после создания максвелловской теории электромагнетизма и осуществления серии опытов (Майкельсона и др.) стало ясно, что не все физические явления могут быть представлены с помощью механической модели (тепловые, например, могут, а электромагнитные нет).
Поэтому принцип ненаглядности не отличается невозможностью механического представления явлений микро- и мегамира, а имеет более глубокое содержание. Хотя электромагнитные свойства тел куда менее наглядны, чем механические, тем не менее для них можно дать «чувственный» аналог в земном мире.
Порывая с механическим представлением о явлении, они не порывают с «чувственным» представлением (классическая теория поля). Образ классического поля делает эти свойства наглядными. Принцип ненаглядности идет дальше: в нем утверждается существование явлений, которые принципиально не могут быть представлены в каких бы то ни было чувственно воспринимаемых образах. «По Демокриту, атом лишен чувственных свойств, но заполняет пространство. В современной физике для атома все качества являются производными. Это означает, что любая картина атома, которую можно нарисовать на основе наших представлений о нем, будет тем самым ошибочной». ([5], стр.32)
2. Наличие определенной объективной основы для невозможности такого представления. С первого взгляда кажется, что та возможность представления, о которой говорилось выше, является следствием несовершенства наших знаний. Создается впечатление, что здесь есть элемент какого-то субъективного произвола, что если бы физики, выдвигая вышеописанные идеи, рассуждали иначе, то явления атомного и космического мира можно было бы отлично представить в чувственно воспринимаемых образах. Однако принцип ненаглядности утверждает что это не так. При изложении истории «ненаглядной» физики мы в ряде мест подчеркивали, что тот или иной новый шаг на пути отказа от ненаглядного описания вызывался суровой необходимостью, а именно: потребностью объяснить определенную группу экспериментальных фактов, крахом всех попыток «наглядного объяснения» и тем удивительным обстоятельством, что непротиворечивое объяснение достигалось лишь при «ненаглядном» подходе к вопросу. Это приводит к мысли, что самой природе вещей есть нечто такое, что исключает возможность их наглядного описания. «Природа лишает нас возможности составлять полную наглядную картину атома». ([5], стр.82)