Физика и увеличение информации

Наука, рассматриваемая как более или менее связная система знаний, находится в постоянном развитии. Науковеды выяснили, что количество информации в ней растет экспоненциально. Но экспоненциален рост науки в целом. Если же обратиться к конкретным, частным наукам, легко заметить, что есть науки, кажущиеся завершенными и, наоборот, интенсивно развивающиеся; есть, наконец, науки, рождение которых происходит на наших глазах. Думается, что никто не станет оспаривать практическую завершенность евклидовой геометрии. Все, наверное, согласятся, что биофизика бурно развивается, а квантовая электроника или космонавтика родились на наших глазах.

Всякий раз, когда новая система знания только начинает формироваться, она развивается очень интенсивно: открытия следуют одно за другим, возраст Нобелевских лауреатов резко снижается и прочее. Затем, когда фундамент новой системы знания заложен, начинается кропотливая экстенсивная работа по освоению «застолбленных» рубежей. Наука развивается в основном вширь и относительно медленнее. Пока темпы роста знания в ней не станут практически неощутимыми.

Но, — заметит читатель,— даже классические науки, которые, казалось бы, давно завершены, продолжают пополняться новыми знаниями.

Да,— согласится автор. И не удержится от соблазна привести аналогию, которая ему очень нравится,— рост информации во времени для относительно завершенной системы знаний очень походит на… зарядку конденсатора большой емкости. В самом деле, подключим конденсатор к источнику постоянного напряжения. Вначале ток заряда будет расти быстро (экспоненциально), а затем все медленнее (асимтотически). На графике мы увидим так называемую логистическую кривую. Любопытно, что полностью конденсатор зарядить невозможно — чем больше заряд, накопившийся на его обкладках, тем меньше ток заряда.

Кстати говоря, частную науку тоже завершить полностью невозможно: всегда будут находиться новые точки ее приложения.

Применим все сказанное к физике. Можно ли рассматривать ее как систему знания? Чтобы не быть голословными, обратимся к авторитетным высказываниям и мнениям. Как и полагается, точек зрения целый букет: выделяются отдельные теории, разделы, подразделы. У каждого авторитета — своя классификация.

Но, пожалуй, наиболее естественно деление на физику, основанную на принципах дальнодействия (континуальности), и физику, основанную на принципах близкодействия (атомизма). Иначе говоря, на классическую и на современную.

Современная физика — это не только физика атомного ядра, элементарных частиц и теория относительности. Это и применение квантовых методов в классических областях, скажем, в физике твердого тела, и многое другое. Короче говоря, почти все, чем занимаются физики современности.

Сообразить, что классическая физика в свое время началась, а потом интенсивно развивалась, легко каждому. Многие также помнят из книг, как молодому Максу Планку его профессор Жолли сказал, что в теоретической физике почти нечего делать. Известно, наверное, и то, что в конце XIX века физики видели только два облачка на ясном горизонте практически построенного здания физики — так называемую ультрафиолетовую катастрофу и необъяснимый результат опыта Майкельсона и Морли.

Ультрафиолетовая катастрофа была таковой, поскольку из строгих выкладок следовало, что, например, человек с температурой 36,6 С является мощнейшим источником ультрафиолетового или только что открытого рентгеновского излучения, чего на деле, конечно, не наблюдалось. Из опыта же Майкельсона и Морли следовало, что движение Земли относительно светоносной среды эфира — зафиксировать по непонятной причине невозможно.

Вообще-то говоря, автор как физик чувствует, что, наверное, были и другие облачка, о которых в популярных книжках из-за недостатка места или еще по какой причине не пишут. Это, например, расхождение между экспериментальными и теоретически вычисленными значениями удельной теплоемкости твердых тел, непонятное явление фотоэффект, бесконечное значение энергии для точечного электрона и кое-что другое. Но коли стало традицией говорить только о двух облачках, то, так и быть, не станем нарушать ее.

Итак, физика в конце позапрошлого века казалась почти завершенной, интерес к ней постепенно падал, короче говоря, физика развивалась все медленнее и медленнее. («Логистически» — подсказывает автору его внутренний голос. Что ж, внутренний голос — штука серьезная, и автору ничего не остается делать, кроме как согласиться с ним.) Физику можно рассматривать как систему знания. В качестве характерной величины науковедами взята информация (точнее, количество публикаций, которое примерно пропорционально информации).

То ли в конце позапрошлого века (с открытием Х-лучей и радиоактивности), то ли в начале прошлого века родилась новая физика. Она, как и классическая, развивалась вначале очень бурно вглубь (вспомним молодых и гениальных Альберта Эйнштейна, Вернера Гейзенберга, Поля Дирака, Луи де Бройля и других), а потом стала весьма плодотворно растекаться вширь. Процесс этот идет и ныне. Но как? О физике классической судить нам легко — она практически завершилась. А современная, фундаментом которой являются теория относительности и квантовая физика? Допустим, что мы не знаем, какова степень ее завершенности («допустим» — это для красного словца, мы и на самом деле не знаем, какова степень ее завершенности). Обратим внимание на то, что рост информации в ней экспоненциален. Но если рост информации экспоненциален, то, выходит, мы можем говорить, что современная физика не завершена.

Мысль эта выглядит настолько непривычной, что ее хочется немедленно откинуть как еретическую. Как это так — далека до завершения? Ведь превеликая масса научно-популярной литературы опирается на мысль о близком конце современной физики! Авторы научно-популярных книг ждут не дождутся «безумной» теории, способной разрешить противоречия современной физики и, возможно, включить ее, современную физику, в себя как частный случай. Ведь включила же в себя современная физика классическую как предельный случай!

Авторы научно-популярной литературы отнюдь не фантазеры. За последние два десятилетия, как пишет академик В. Л. Гинзбург, соотношение удельного веса проблем микрофизики и макрофизики в физических реферативных журналах сильно снизилось по сравнению с предшествующими несколькими десятилетиями — примерно на порядок. Сходная картина наблюдается и для других показателей научной активности (число специализирующихся студентов-выпускников, число конференций и пр.). Медалистов на физфаках сейчас тоже меньше. Автор помнит, что когда он поступал в университет, на специальность «ядерная физика» из двадцати пяти зачисленных двадцать четыре поступили после первого экзамена — медалисты. «Простым смертным» оставалось выбирать специальности с менее интригующими названиями.

Итак, многие считают, что современная физика закончится «если не сегодня, то обязательно завтра к обеду». Но прошло уже больше двадцати лет после того, как Нильс Бор произнес по поводу нелинейной спинорной теории поля Вернера Гейзенберга ставшие знаменитыми слова, что предлагаемая теория недостаточно безумна, чтобы быть верной. Прошло много лет, а новой теории нет и нет.

Случайность ли это? Скорее, наоборот, закономерность. Новой физики нет, и ей еще рано появляться на свет, потому что старая, то бишь современная, далеко не исчерпала своих возможностей. Ведь грядущая физика должна быть не просто очередной теорией, а такой физикой, которая будет и логическим продолжением, и диалектическим отрицанием современной. Но, образно говоря, молодая яблоня не плодоносит, пока не подойдет пора.

Возможно, соображения эти кажутся недостаточно убедительными для читателя. Перейдем от абстрактно-системного рассмотрения физики к конкретно-системному. Выше уже говорилось, что классическая физика представляет собой относительно завершенную систему знания. Эта относительно завершенная система может быть органичной, а может и не быть таковой. В самом деле, куча песка или камней — система вполне завершенная, биоценоз — тоже. И так далее. Но очевидно, что органичной система будет тогда и только тогда, когда ее элементы не способны к полноценному самостоятельному существованию. Проверим, подходит ли это к классической физике.

Любой ее элемент, скажем, закон Ома, имеет смысл только в рамках учения об электричестве. Сам по себе он есть лишь несколько значков, соединенных знаком равенства. Чтобы сформулировать и применить закон Ома, надо знать, что такое напряжение, сопротивление, сила тока. Чтобы понять, что есть напряжение или сопротивление, надо еще глубже «влезать» в учение об электричестве. И так каждый элемент классической физики.

Вывод напрашивается сам: классическая физика органична. В такой системе связи между элементами должны быть весьма сильны. Какие элементы лучше всего рассматривать в первую очередь?

Это должны быть весьма общие элементы, отражающие существенное в физике. Можно показать, что таковыми будут законы изменения (динамические, статистические) и законы сохранения. Обратимся к законам сохранения.

Это, как считают многие ученые, наиболее общие из законов физики. Действительно, законы сохранения — энергии, массы, количества движения и другие — как бы находятся на переднем крае современной физики: они априори, заранее, отсекают те процессы, в которых не сохраняется, например, полное количество энергии (так сказать, дозволяют делать все, кроме того, что нельзя). Тем самым законы сохранения помогут отыскать разрешенные формы движения, а значит, и динамические законы в виде уравнений движения.

Законы сохранения выполняют и методологические функции. Благодаря своей общности в новых теориях они зачастую применяются в прежнем виде, не требующее переформулировки. Складывается весьма примечательная ситуация: теории еще нет, и не предвидится, а ее наиболее общие законы, пусть даже и не все,— известны!

Как обосновать и показать системность законов сохранения? В науке чаще всего делается так: обоснование чего-то предполагает взгляд на изучаемое издали, снаружи, сверху. Такой «мета-взгляд» должен быть достаточно широким. В нашем случае это может быть взгляд системника-философа. Вот он.

Мир, как известно, един по причине материальности. Законами частных наук, в том числе и физики, материальность и единство должны отражаться в виде связности, системности законов этих наук. Конечно, единство законов науки может быть и не таким полным, как хотелось бы. Ведь конкретная наука изучает не весь единый мир, а только его срез, фрагмент. Но слишком или не слишком полно это единство — вопрос второстепенный. Важнее, что оно есть.

Итак, необходимость системности законов сохранения обоснована. Осталось самое трудное — показать ее. Прикинем, как может выглядеть материальное единство мира в свете законов сохранения или законов изменения, короче — законов физики, изучающей общие свойства и законы движения вещества и поля.

Для классической физики несомненен факт единства законов изменения. Настолько несомненен, что не нуждается в особом доказательстве. В самом деле, из сравнительно небольшого числа исходных законов выводится все здание классической физики, состоящее из этажей механики, термодинамики и электродинамики.

Что же касается законов сохранения (а все законы сохранения классической физики, за исключением закона сохранения заряда, являются законами классической механики), то они фиксируют сохранение тех или иных количественных сторон различных видов механического движения. Иначе говоря, играют роль узловой линии мер, где одна мера движения органически связана с другими.

(В самом деле, посредством простых математических действий нетрудно перейти от одной меры к другой. Например, если продифференцировать по скорости выражение для импульса, то получим массу тела. А проинтегрировав по скорости то же выражение для импульса, получим кинетическую энергию. Таким образом, в ряду «масса, импульс, энергия» каждый последующий член — интегральная мера для предыдущего. И обратно: каждый предыдущий член — дифференциальная мера для последующего.)

Кроме того, два любых соседних члена диалектически противоположны, представляют собой диалектическое отрицание друг друга. Масса — это мера инертности тела, импульс же — мера движения. Таким образом, эти законы сохранения образуют диалектическую систему. Подобную систему образуют и законы сохранения для вращательного движения.

Итак, диалектико-материалистический принцип единства мира находит свое воплощение и подтверждение в классической механике (и классической физике) не только в единстве законов изменения — трех законов Ньютона, но и в единстве, системности законов сохранения.

Теперь перейдем к современной физике. Для нее характерны законы сохранения так называемого зарядового типа: электрического заряда, барионного заряда, странности, четности и другие. Как уже говорилось выше, законы эти лежат в фундаменте современной физики. Но пока что принцип, позволяющий объединить их в систему, не найден, не открыт. Некоторые из законов сохранения удалось эмпирически выразить через другие. А тем временем число их растет. Пять лет назад были предложены новые законы сохранения — для кварков — шарма и цвета. Но органичной системы законов сохранения в современной физике пока нет. Выходит, что неорганичной должна быть и система современного физического знания. То есть неблизкой от завершения. Может быть, далекой.

— Что Земля круглая — это все знают. А ты докажи.
— А зачем?
— А чтоб по-научному…

Итак, то, что современная физика не завершена, показано дважды. Но, позвольте, воскликнет читатель, разбирающийся в физике,— разве это и так не ясно? Ведь проблема единого описания гравитации и процессов в микромире еще не решена. Нет гибрида общей теории относительности и квантовой электродинамики! Зачем же доказывать незавершенность физики еще и с помощью системного подхода, пытаясь загнать в систему законы сохранения?

Оправдываться начнем издалека. Во-первых, факт системности законов сохранения сам по себе интересен. Во-вторых, давайте встанем в положение физиков, которые в 1956 году были потрясены тем, что четность в слабых взаимодействиях нарушается. Иначе говоря, левое в микромире отличается от правого. Отличается, хотя это ни из каких уравнений не следует — не должно вроде бы быть преимущественного направления.

По этому поводу профессор Д. И. Блохинцев на одной научной конференции как-то бросил реплику с места, что, мол, когда читаешь популярную лекцию об элементарных частицах, то нарушение четности никакого удивления у широкой публики не вызывает. Дескать, что тут удивительного? В макромире есть правое и левое. А почему в микромире должно быть иначе?

Разовьем эту мысль посетителя публичных лекций по физике. Мол, снобы-физики считают, что действительность должна описываться только «ихними» уравнениями и ничем больше. Слишком, мол, доверяют физики своим уравнениям.

Но что прикажете снобам-физикам делать? Можно, конечно, сказать, что уравнения неточны, неполны и т. п. Однако такая критика будет неконструктивной. Ведь взамен «нехороших» уравнений надо предлагать что-то стоящее, «хорошее». Физики потому и доверяют своим уравнениям, что иных нет.

Итак, ситуация с открытием нарушения четности может быть прокомментирована так: экспериментально доказано, что мир несимметричен. Что уравнения современной физики не исчерпывают всего многообразия мира.

Пример физиков воодушевил автора, и он попытался показать, что классическая физика, ее законы сохранения системны. А современная и вроде бы системная физика не так уже и системна. И поэтому далека от завершения. Хотя это и без доказательств ясно. Ясно ли?..

Автор: В. Обухов.