В настоящее время физики пытаются построить полную единую теорию всего, поэтому процесс познания продвигается вперед, создавая новые частные теории, описывающие какую-то ограниченную область событий, таким образом, та или иная теория представляет собой лишь одну из граней огромного многогранника. В связи с этим, хотелось бы определиться, что же представляет из себя такое понятие, как научная теория? Возникновение научной теории предполагает процесс познания, но процесс научного познания может быть определен неоднозначно. Научное познание — это познание окружающей нас реальности или теоретическая модель этой реальности? Со времен Коперника, который утверждал, что его описание теории движения небесных тел, всего лишь удобный способ для вычислений, образовалось два лагеря, один из которых состоял из сторонников «модельной» концепции, другой из так называемых «реалистов» [1, с. 82]. Мы будем придерживаться «модельной» концепции, и в связи с этим будем считать, что теория не более чем модель Вселенной или некоторой ее части, а также набор правил, которые помогают соотнести теорию и практические наблюдения. Стивен Хокинг — один из ярких сторонников этой концепции. Он утверждает, что теория существует в наших умах и не имеет иной реальности. Кроме того, хорошая научная теория должна удовлетворять двум правилам: она должна точно описывать большой класс наблюдений на основе модели, содержащей всего несколько произвольных элементов; и должна позволять делать точные предсказания о результатах будущих наблюдений [2, с. 93]. Таким образом, очень трудно сразу изобрести единую теорию всего, удовлетворяющую этим требованиям, вместо этого ученые создают множество частных теорий. А так как физика, в наиболее общем смысле, это наука о структуре и свойствах материи, которая пронизывает нашу Вселенную, то результаты современной физики неизбежно приводят к необходимости обсуждения таких понятий, как реальность, пространство и время.
Условно, физику можно разделить на три области: структурную физику, физику взаимодействий и физику движения. Науки, образующие структурную физику, имеют дело с элементарными частицами, атомами и молекулами. Физика взаимодействий, основанная на представлениях о поле, выделяет четыре основных вида взаимодействий: гравитационные, электромагнитные, слабые и сильные ядерные взаимодействия. В свою очередь, физика движения включает в себя классическую механику Ньютона, релятивистскую механику Эйнштейна, и квантовую механику, созданную совместными усилиями таких физиков, как Гейзенберг, Шредингер, Планк.
Развитие физики движения можно отследить, начиная с античных времен. Большое значение в физике движения уделяется понятиям: «время», «покой», «движение», «место». Аристотель считал естественным состоянием тела — покой, а движется оно только под влиянием силы или импульса. Отсюда следовало, что тяжелое тело должно падать быстрее легкого, потому что оно сильнее притягивается к Земле. Аристотелевская традиция провозглашала также, что все законы, управляющие Вселенной, можно вывести путем чистого умозрения, без экспериментальной проверки. Однако позднее Галилей продемонстрировал ложность утверждения Аристотеля. Он проделал следующий опыт: он скатывал шары разной массы по гладкой наклонной плоскости. Измерения Галилея показали, что скорость движения тел возрастала одинаково независимо от их массы.
Позднее Ньютон положил измерения Галилея в основание своих законов движения. Ньютоновские «Математические начала натуральной философии» подвели итоги работы по установлению смысла основных понятий механики — «пространство», «время», «масса», «количество движения», «сила». Для решения задач, связанных с движением, Ньютон (вместе с Лейбницем) создал дифференциальное и интегральное исчисление — одно из самых мощных математических средств физики.
Таким образом, вплоть до конца XIX в. механика определяет физику взаимодействий, где конкурируют концепции близкодействия и дальнодействия. Концепцию дальнодействия определяет механика Ньютона, примером такого взаимодействия может являться закон всемирного тяготения, определяющий действие друг на друга тел, находящихся на расстоянии. Концепция близко-действия появляется благодаря исследованиям Фарадея, который считал, что взаимодействия передаются посредством особых материальных посредников. Таким образом, механическая картина мира уступила место электромагнитной.
Но, однако, вернемся к понятиям «время» и «пространство». Ньютон и Аристотель верили в абсолютность времени, то есть они считали, что временной интервал между двумя событиями можно однозначно измерить и что результат будет одинаков независимо от того, кто производит измерения, лишь бы у измеряющего были правильные часы. Время не зависело от пространства, и полностью было отделено от него. Это верно, но для относительно медленных объектов, и не работает для скоростей, близких к скорости света. Теории распространения света не существовало до 1865 года, когда Максвелл сумел объединить до того обособленные описания электрических и магнитных сил [2, с.108]. Уравнения Максвелла предсказывали возможность волнообразных возмущений сущности, которую он назвал электромагнитным полем. Они должны были распространяться с постоянной скоростью, вычислив эту скорость, Максвелл обнаружил, что она точно совпадает со скоростью света. Вытекающее из теории Максвелла положение о том, что радио- и световые волны распространяются с некоторой постоянной скоростью, было трудно согласовать с теорией Ньютона. В отсутствие абсолютного стандарта покоя не может быть и никакого универсального соглашения о скорости объекта. Чтобы примирить теорию Максвелла с теорией Ньютона, была принята гипотеза о том, что повсюду, даже в вакууме, в «пустом» пространстве, существует некая среда, получившая название «эфир». Но позднее Эйнштейн показал, что надобность в «эфире» отпадает, если отказаться от идеи абсолютного времени. Фундаментальный постулат Эйнштейна, именуемый принципом относительности, гласит, что все законы физики должны быть одинаковыми для всех свободно движущихся наблюдателей независимо от их скорости. Таким образом, были изменены представления о пространстве и времени, пространство не отделено от времени, как в классической механике, а составляет с ним некую общность. Теория относительности показала, что в реальном физическом мире пространственные и временные интервалы меняются при переходе от одной системы отчета к другой. Классическая механика считала, что если системы отсчета движутся равномерно и прямолинейно относительно друг друга (такое движение называется инерциальным), то пространственные интервалы (расстояние между двумя ближними точками), и временные интервалы (длительность между двумя событиями) не меняются. Теория относительности показала ограниченную применимость этих представлений.
Идея специальной теории относительности получила дальнейшее развитие и конкретизацию в общей теории относительности, которая была создана Эйнштейном в 1916 г. В этой теории было показано, что геометрия пространства-времени определяется характером поля тяготения, которое в свою очередь, определено взаимным расположением тяготеющих масс. Вблизи больших тяготеющих масс происходит искривление пространства (его отклонение от евклидовой метрики) и замедление хода времени [3, с.109].
Как оказалось, модель континуального пространства-времени, хорошо служившая в классической физике и теории относительности, оказывается слишком бедной для того, чтобы адекватно определить реальную структуру пространства, времени и движения на уровне микромира. Была выдвинута модель дискретного пространства и времени, описываемая квантовой механикой, но как оказалось и она не является достаточной для полного описания реальной структуры пространства и времени. Как континуальная, так и дискретная модель пространства-времени являются лишь моделями, идеализациями структуры пространства, которые не приводят к желаемой полноте. Как следствие, квантовая механика не согласуется с теорией относительности, поэтому для решения проблемы необходимо связать непрерывное и дискретное.
Еще одним характерным отличием квантовой механики от классической является элемент субъективности в познании атомных процессов. В классической теории представляется возможным описать поведение системы, в процессе ее движения из одного состояния в другое, на основании начальных условий и законов движения. Субъект полностью отделяется от системы. Классическая теория претендует на достижение идеала научности XIX в. в смысле полной объективности [4, с. 238]. Успех классической научной теории привел французского ученого Пьера Лапласа в начале девятнадцатого столетия к убеждению, что Вселенная полностью детерминирована. Иначе говоря, Лаплас полагал, что должен существовать ряд законов природы, которые позволяют — по крайней мере, в принципе — предсказать все, что случится во Вселенной. Лаплас считал, что, располагая полным набором законов и зная начальные или граничные условия, мы сможем в точности определить состояние Вселенной в любой заданный момент времени [1, с. 83].
Рассмотрев многообразие физических теорий, можно заключить, что отправной точкой возникновения той или иной теории является понятие материи и движения, открывая новые теории, различным областям физики приходится сталкиваться с вопросами об объективности явлений, с пониманием пространства и времени, таким образом, просто необходимо, чтобы физика располагала прочным философским фундаментом. Хотя, в случае квантовой механики сложно судить об объективности явлений, так как имеет место вероятностный фактор. Этот вероятностный фактор определяется корпускулярно-волновым дуализмом.
В физике на сегодняшний день масса нерешенных проблем от фундаментальных, связанных с элементарными частицами и проблемой строения и развития Вселенной, до более частных, связанных с поиском путей эффективного использования основных законов для объяснения наблюдаемых явлений и предсказания новых. Главной проблемой является объединение полученных частных теорий в единое целое, так как две основные теории, описывающие законы макро- и микро- миров, являются несовместимыми, необходимо найти промежуточное состояние, которое бы устранило эту проблему. Пенроуз считает, что на субмикроскопическом уровне квантовые законы действительно работают, но на уровне крикетных шаров действует классическая физика: «Где-то между ними находится закон, который нам необходимо понять, чтобы увидеть, каким образом квантовый мир возникает внутри классического мира».
Значит, необходима теория, объясняющая все фундаментальные особенности, лежащие в основе строения Вселенной, — теория всего.
Литература:
1. Мудрагей Н. С. Теория всего и теория познания //Вопросы философии. 2010. № 6. — С. 82–91.
2. Хокинг С. Кратчайшая история времени. — СПб.: Амфора. ТИД Амфора, 2006. — 180 с.
3. Готт В. С. Философские вопросы современной физики. — М.: Высшая школа, 1979. — 412с.
4. Гейзенберг В. Физика и философия. — М.: Наука, 1989. — 400с.
