Кикоин И. К.

Философские идеи В. И. Ленина и развитие современной физикиКикоин И. К. Философские идеи В. И. Ленина и развитие современной физики // Квант. — 1970. — № 4. — С. 4‍—‍13.‍‍

Физика занимает исключительное положение среди многочисленных наук о природе. Эта исключительность физики связана с тем, что она изучает простейшие и вместе с тем наиболее общие свойства материи. Поэтому неизбежно проникновение физики в любой раздел естествознания. Сейчас получили права гражданства такие научные дисциплины, как биофизика, геофизика, астрофизика, химическая физика и другие «физики».

Общеизвестно, что физика является матерью техники. Так было всегда, но особенно очевидным это стало в последние годы в связи с рождением ядерной техники, электронной техники, лазерной техники и т. д.

Такая широта и общность содержания физики с неизбежностью должны были привести её к философии, которая изучает наиболее общие вопросы теории познания. Об этом свидетельствует вся история развития физики.

Всегда, когда в физику вводились новые понятия и представления, до этого непривычные, физика тесно переплеталась с философией.

Связь физики и философии особенно отётливо обозначилась в XX веке, когда закладывались основы современной физики: учение о строении вещества, теория относительности и квантовая механика.

Тесная связь между физикой и теорией познания — это историческая необходимость. Неудивительно поэтому, что физики, пытаясь осмыслить состояние своей науки, очень часто обращались к философии. Многие крупнейшие физики выпускали специальные философские сочинения.

Владимир Ильич Ленин был не только великим политическим и государственным деятелем, но и великим учёным, основоположником научного коммунизма. Особая роль физики в развитии как техники, так и философии явилась причиной пристального внимания Ленина к вопросам новой физики (может быть, на интерес Ленина к физике в какой-то мере повлияло и то, что его отец Илья Николаевич Ульянов был учителем физики).

Ленинский метод научной работы особенно близок сердцу физиков. В своей теоретической научной работе Ленин всегда опирался на опыт, на практику как на критерий истины. Ленин следующими словами Энгельса поясняет идею «критерия практики»: «В тот момент, когда сообразно воспринимаемым нами свойствам какой-либо вещи мы употребляем её для себя, — мы в этот самый момент подвергаем безошибочному испытанию истинность или ложность наших чувственных восприятий... (курсив мой. — И. К.) ...успех наших действий даёт доказательство соответствия (Übereinstimmung) наших восприятий с предметной (gegenständlichen) природой воспринимаемых вещей»‍.

Тут возникает следующий вопрос. История науки знает немало примеров, свидетельствующих о том, что явно неправильные с современной точки зрения представления учёных приводили тем не менее к успеху наших действий.

Для примера возьмём старую теорию магнетизма, по которой намагниченный кусок стали рассматривался как магнитный диполь, состоящий из двух магнитных полюсов или «магнитных зарядов» (по аналогии с электрическим диполем). Пользуясь этими представлениями, физики создали магнитостатику, на которой базируется вся практика и техника использования магнитов. Эта практика блестяще подтвердила теорию «магнитных зарядов». Между тем теперь хорошо известно, что никаких магнитных зарядов в действительности не существует. И когда сейчас говорят о магнитных полюсах, то обязательно оговаривают, что это фиктивное понятие.

Выходит, как будто критерий практики не может служить надёжной основой для выяснения истинности наших представлений о том или ином предмете? Это, разумеется, не праздный вопрос.

Один из крупнейших физиков-теоретиков современности Ричард Фейнман, пытаясь выяснить, что же такое философское толкование физического закона, иллюстрирует значение этого вопроса следующим примером.

«Пусть те, кто настаивает на том, что единственно важным является лишь согласие теории и эксперимента, и представит себе разговор между астрономом из племени майя и его студентом. Майя умели с поразительной точностью предсказывать, например, время затмений, положение на небе Луны, Венеры и других планет. Все это делалось при помощи арифметики... У них не было ни малейшего представления о вращении небесных тел.

Представьте себе, что к нашему астроному приходит молодой человек и говорит: «Вот что мне пришло в голову. Может быть, все это вертится, может, это шары из камня... и их движение можно рассчитывать совсем иначе». Далее, узнав, что молодой человек ещё не дошёл до расчётов движения планет, астроном майя ответит ему, что мы можем и так достаточно точно вычислять затмения, так что не стоит возиться с твоими идеями.

Как видим, — заканчивает Фейнман, — нелёгкая задача решить, стоит ли или не стоит задумываться над тем, что кроется за нашими теориями».

Это и в самом деле нелёгкая задача. Ведь если принять безоговорочно утверждение, что критерием истины является практика, то такое утверждение, как видно из приведённых примеров, может привести к застою в науке.

Эту нелёгкую задачу с блеском решил В. И. Ленин.

Утверждая, что точка зрения жизни, практики должна быть первой и основной точкой зрения теории познания, Ленин добавляет следующий многозначительный абзац:

«...конечно, при этом не надо забывать, что критерий практики никогда не может по самой сути дела подтвердить или опровергнуть полностью какого бы то ни было человеческого представления. Этот критерий тоже настолько «неопределенен», чтобы не позволять знаниям человека превратиться в «абсолют», и в то же время настолько определенен, чтобы вести беспощадную борьбу со всеми разновидностями идеализма и агностицизма‍...».

«...Отсюда, — продолжает Ленин, — вытекает признание единственным путём к этой истине пути науки, стоящей на материалистической точке зрения»‍ (курсив мой. — И. К.).

Так упомянутая нелёгкая задача была решена Лениным, показавшим, как надо применять диалектический метод к теории познания. Подавляющее большинство физиков сознательно или стихийно руководствуется именно таким ленинским пониманием критерия практики.

Опыт служил Ленину надёжной опорой, когда он формулировал основы своих философских воззрений. Иллюстрацией к этому может служить следующий пример.

Ленин считал необходимым проверить историей науки (т. е. проверить экспериментально, как сказал бы физик) одно из основных положений диалектики, так называемое «единство противоположностей». Свою заметку «К вопросу о диалектике» Ленин так и начинает: «Раздвоение единого и познание противоречивых частей его... есть суть (одна из «сущностей», одна из основных, если не основная, особенностей или черт диалектики... Правильность этой стороны содержания диалектики должна быть проверена историей науки‍.

Это высказывание Ленина не было простой декларацией. Такую проверку он сам осуществил в своей книге «Материализм и эмпириокритицизм», написанной в 1908 году.

Насколько важное значение В. И. Ленин придавал этой задаче, свидетельствуют следующие его слова в статье «Наши упразднители» (1911 год): «Эта философская «разборка» подготовлялась давно..., поскольку, например, новая физика поставила ряд новых вопросов, с которыми должен был «сладить» диалектический материализм‍.

И Ленин действительно превосходно справился с этой проблемой в своей классической работе «Материализм и эмпириокритицизм», которая оказала и продолжает оказывать огромное влияние на развитие науки.

Написанный в годы крутого перелома основных физических представлений, этот труд дал исчерпывающий философский анализ данных физики своего времени. Теперь уже большинство физиков не сомневается в том, что, по выражению выдающегося физика Макса Борна, «физика нуждается в обобщающей философии». Впервые такую обобщающую философию физики и дал В. И. Ленин в этой своей книге.

С тех пор основные представления физики претерпели коренные изменения. Известно, что Ленин называл «гигантскими, головокружительными» успехи физики за последние три десятилетия XIX столетия и первые годы XX столетия. В ещё большей мере такую оценку можно дать успехам физики за последующие шесть десятилетий, прошедшие после выхода в свет упомянутой книги Ленина.

Начало нашего века ознаменовалось величайшей революцией в физике, которая по времени совпала с первой пролетарской революцией в России. В 1905 году была опубликована знаменитая работа Эйнштейна «К электродинамике движущихся тел», являющаяся основой специальной теории относительности. Мы не можем здесь подробно изложить эту теорию. Основная сущность её заключается в простой идее о том, что в движущихся друг относительно друга системах отсчёта время течёт по-разному. Теория относительности явилась революцией потому, что она внесла коренные изменения в представления о времени и пространстве — этих основных философских и физических понятиях. Сейчас, в 1970 году, когда основы теории относительности уже начинают излагать в курсах физики средней школы, когда широко развивается ядерная техника, основанная на прямых следствиях этой теории, кажется удивительным, что она была вначале принята физиками «в штыки». Многие физики выражали возмущение в связи с появлением теории относительности. Даже один из величайших физиков начала нынешнего столетия, создатель электронной теории, Г. А. Лоренц не сразу оценил значение этой теории. В своей книге «Теория электронов», выпущенной в 1909 году, т. е. спустя четыре года после появления работ Эйнштейна, он весьма глухо упоминает о ней. И это тот Лоренц, который выковал для теории относительности самое могучее оружие — так называемые «преобразования Лоренца».

Позднее Лоренц по достоинству оценил значение теории относительности. Так, при переиздании своей книги в 1915 году Лоренц отметил: «Если бы мне предстояло написать эту последнюю главу теперь, я, конечно, поставил бы на гораздо более видное место теорию относительности Эйнштейна, с помощью которой теория электромагнитных явлений в движущихся системах получает такую простоту».

Замечательно, что Ленин, не будучи специалистом-физиком, спустя всего два с лишним года после опубликования работы Эйнштейна следующими словами оценил её огромное революционное и философское значение: «...как ни необычно ограничение механических законов движения одной только областью явлений природы и подчинение их более глубоким законам электромагнитных явлений и т. д., — всё это только лишнее подтверждение диалектического материализма»‍.

В течение многих лет теория относительности порождала обширную литературу, в которой отразилась ожесточённая борьба на философском и физическом фронтах. Эта литература имеет сейчас главным образом исторический интерес, и мы не будем на ней останавливаться. Но следует напомнить, что В. И. Ленин и в дальнейшем продолжал считать автора теории относительности «великим преобразователем естествознания».

Например, в 1922 году в работе «О значении воинствующего материализма», касаясь статьи физика А. К. Тимирязева, посвящённой теории относительности, Ленин пишет: «Если Тимирязев в первом номере журнала должен был оговорить, что за теорию Эйнштейна, который сам, по словам Тимирязева, никакого активного похода против основ материализмане ведёт, ухватилась уже громадная масса представителей буржуазной интеллигенции всех стран, то это относится не к одному Эйнштейну, а к целому ряду, если не к большинству, великих преобразователей естествознания, начиная с конца XIX века»‍ (курсив мой. — И. К.). Только великий мыслитель мог дать исчерпывающий анализ данным современной ему науки.

Революцию, сравнимую с теорией относительности, совершила в физике и квантовая механика. Уже упоминавшийся ранее Ричард Фейнман свидетельствует, например, что «...было время, когда газеты писали, что теорию относительности понимают только двенадцать человек». Фейнман не верит этому и считает, что после того как учёные прочитали статьи Эйнштейна, многие так или иначе поняли теорию относительности. «Но, — продолжает Фейнман, — мне кажется, я смело могу сказать, что квантовой механики никто не понимает».

Это очень честное заявление одного из крупнейших физиков-теоретиков, столь много сделавшего для развития квантовой электродинамики, весьма многозначительно.

Далее Фейнман поясняет, что значит «понимать» квантовую механику. Это значит найти ответ на вопрос: «Как же так может быть?».

Современная физика — это квантовая физика. Успехи квантовой механики можно назвать исключительными. Она позволила раскрыть тайну строения атома. Пользуясь квантовой механикой, можно с любой степенью точности рассчитать атом, т. е. вычислить детальную электронную структуру атома. Эти вычисления находятся в потрясающем по точности согласии с экспериментом.

Вся современная квантовая электроника с её разнообразными техническими применениями (лазерами, мазерами и т. п.) — это продукт квантовой механики. Квантовая механика ещё не стала объектом изучения в школе, но её приложения изучаются уже в технических вузах. И при всём том крупнейший авторитет в этой области физики утверждает, что её никто не понимает!

Попытаемся разобраться, в чём причины непонимания квантовой механики.

Дело в том, что уже при самом её зарождении квантовая механика содержала противоречие. Обратимся, например, к простейшему проявлению квантовой природы света — к фотоэлектрическому эффекту.

Теория фотоэффекта, развитая Эйнштейном, состоит в том, что поток света частотой $\nu$‍‍ рассматривается как поток частиц — фотонов, энергия которых $E=h\nu$‍‍ ($h$‍‍ — постоянная Планка). Когда фотоны достигают поверхности металла, некоторая часть их поглощается электронами. Вследствие этого кинетическая энергия электрона, поглотившего фотон, увеличивается на величину $h\nu$‍.‍ Обладая такой энергией, электрон может покинуть металл и вылететь наружу. При этом он теряет часть приобретённой энергии, затрачивая её на «работ выхода» $A$‍.‍ Поэтому максимальная кинетическая энергия, с которой электрон вылетит из металла, равна $$ \dfrac12mv^2=h\nu-A. $$ Это знаменитая формула Эйнштейна для фотоэффекта, которая подтверждается многочисленными экспериментами и лежит в основе бесчисленных применений этого эффекта.

Так вот, если вдуматься в смысл формулы Эйнштейна (она была получена им тоже в 1905 году), то сразу становится ясным её противоречивость.

Входящая в эту формулу величина $E=h\nu$‍‍ — это энергия «световой частицы» (фотона), а величина $\nu$‍‍ — частота света, состоящего из частиц. Но частота — это величина, характеризующая волну. Понятие частоты света появилось после того, как в XIX столетии было установлено, что свет представляет собой процесс распространения колебаний. Такой процесс и называется волной. Но волна, по самому смыслу этого понятия, занимает большую область пространства, а если говорить строго, то даже всё пространство. Частица же — это нечто такое, что локализовано в пространстве, т. е. занимает малый объём. Поэтому основное выражение $E=h\nu$‍,‍ связывающее энергию фотона (т. е. частицы) с частотой световой волны, представляется с точки зрения «здравого смысла» абсурдным.

Фотоэлектрические явления неопровержимо доказали, что свет представляет собой поток частиц.

С другой стороны, существуют столь же неопровержимые экспериментальные доказательства того, что свет представляет собой волновой процесс.Действительно, самое характерное свойство волны заключается в следующем: если наложить две волны друг на друга так, чтобы гребень одной совпал со впадиной другой (рис. 1, а), то волнение вовсе прекратится (рис. 1, б). И, наоборот, когда гребни одной волны совпадают с гребнями другой, волнение усиливается. Это хорошо известное явление называется интерференцией волн. Можно утверждать, что если в опыте наблюдается явление интерференции, то мы имеем дело с волной.

Волновая теория света утвердилась в науке после того, как было показано, что некоторые точки экрана, освещаемого одновременно двумя одинаковыми исочниками света, оказываются тёмными (рис. 2), тогда как при действии каждого из источников в отдельности экран освещён равномерно.

Практика, следовательно, привела к необходимости понять парадоксальный факт, что как волновая, так и квантовая теория света верны, а формула $E=h\nu$‍‍ устанавливает связь между этими противоречивыми теориями.

Этот вызов «здравому смыслу» достиг своей кульминации в 1924 году, когда двойственное понятие «волна — частица» путём теоретических рассуждений было распространено на электроны и атомы. Другими словами, атом и электрон, которые с момента их открытияобладали всеми свойствами частиц, должны были вести себя и как волны. И очень скоро эксперименты подтвердили эти выводы.

Физики должны были более глубоко осмыслить возникшую ситуацию, что и привело к созданию современной квантовой механики(или, как она ранее называлась, волновой механики).

Основы квантовой механики были заложены в 1925‍—‍1927 годах. Существенный вклад в её развитие внёс немецкий физик Вернер Гейзенберг своей формулировкой так называемого соотношения неопределённости, вокруг которого разгорелась обширная философская дискуссия. Многих известных физиков это соотношение привело в лагерь философских идеалистов.

На первый взгляд соотношение неопределённости имеет следующий совершенно безобидный вид: $$ \Delta x\,\Delta p\ge\dfrac h{2\pi}. $$

Здесь $\Delta x$‍‍ — неопределённость (неточность) координаты частицы, $\Delta p$‍‍ — неопределённость импульса (или скорости) частицы, и $h$‍‍ — постоянная Планка. В переводе на обычный язык это означает, что нельзя в одно и то же время точно узнать место и скорость движения частицы. Другими словами, если мы попытаемся зафиксировать частицу в каком-то определённом месте, то наша попытка приведёт к тому, что мы не сможем определить, куда и с какой скоростью она затем полетит. Наоборот, если мы заставим частицу двигаться очень медленно с определённой скоростью, то мы не сумеем указать, где она находится, — т. е. частица будет представляться расплывчатой. Отсюда уже легко сделать «простейшее» заключение явно идеалистического характера о том, что знания человека принципиально ограничены, раз нам не дано ответить на такой простой вопрос. Более того, отсюда же можно сделать заключение, столь же идеалистическое по своему смыслу, что события в мире непредсказуемы, т. е. нарушается принцип причинности.

Действительно, мы привыкли к тому, что классическая механика позволяет нам предвидеть будущее движение тела, если известны его начальное положение и скорость, а также действующие на него силы. На этом основана вся механика. Так, например, успехи космонавтики основаны на том, что, зная место старта ракеты (начальные координаты) и задав её известную начальную скорость, мы можем по законам классической механики заранее предвидеть, где будет находиться ракета в любой момент времени.

Иное дело с частицей, подчиняющейся квантовой механике. Раз мы, в соответствии с соотношением неопределённости, не можем точно указать её координаты и скорость, то, очевидно, мы не можем предсказать, какими они станут в будущем. Нетрудно догадаться, что всё это является следствием того, что частицы (электроны, атомы, нейтроны и т. д.) обладают волновыми свойствами.

В самом деле, рассмотрим следующий грубо схематизированный опыт, который тем не менее очень недалёк от действительно осуществляемых опытов. Представим себе (рис. 3), что через два отверстия в экране пролетают электроны, испускаемые каким-то источником, например накалённой проволочкой. Из каждого отверстия электроны могут лететь во всех направлениях.

Позади экрана мы можем передвигать счётчик электронов параллельно экрану с отверстиями. Счётчик электронов позволяет регистрировать каждый попавший в него электрон. Значит, число электронов можно непосредственно сосчитать.

Естественно полагать, что каждый электрон, попадающий в счётчик, прошёл через одно из двух отверстий. Поэтому, если мы сосчитаем число электронов, попавших в счётчик через первое из отверстий при закрытом втором, затем проделаем то же самое с электронами, попавшими в счётчик через второе отверстие при закрытом первом, то мы вправе ожидать, что число электронов, попавших в счётчик через оба отверстия, будет равно сумме показаний счётчика. Этого требует здравый смысл. Мы уверены, что так было бы, если бы мы стреляли из пулемёта через броневой щит с двумя отверстиями, за которым в каком-нибудь месте помещён ящик с песком, где застревают пролетевшие пули. Можно не сомневаться в том, что число пуль, попадающих в ящик с песком при открытых обоих отверстиях в щите, равно сумме чисел пуль, попадающих в тот же ящик через каждое из отверстий в отдельности (конечно, за один и тот же промежуток времени, скажем, за час).

Но когда мы «стреляем» электронами, этого не получается! Более того, может оказаться, что установленный в надлежащем месте счётчик, зарегистрировавший одинаковое число электронов при их прохождении через каждое отверстие в отдельности (когда одно из отверстий закрыто), не зарегистрирует ни одного электрона, когда открыты оба отверстия (рис. 3).

Естественно возникает вопрос: как это может быть?

Нетрудно усмотреть здесь то же явление, которое наблюдается при освещении экрана двумя одинаковыми источниками света, т. е. явление интерференции.

Попытаемся теперь ответить на вопрос, почему непонятна квантовая механика. Это нам поможет найти корни идеалистических выводов, к которым пришли некоторые философы и физики, анализируя создавшееся в физике положение.

Основная трудность понимания рассмотренных выше физических явлений заключается в том, что мы пытались при их анализе пользоваться теми же понятиями, к которым мы привыкли в повседневной жизни. Многовековой опыт человечества привёл к тому, что человек считает для себя понятным то, что он может представить себе в виде геометрического или механического образа. Этот опыт, практика изучения окружающего мира привели к созданию ряда понятий, при помощи которых реальный мир отражается в мозгу человека. Но до XX века человечество занималось лишь макроскопическими телами, движущимися со сравнительно небольшими скоростями. Макроскопическими называются тела, которые можно видеть, определить их форму и размеры (создать геометрический образ) и изучить их движение (создать механический образ). К этому опыту были приспособлены и соответствующие понятия.

Механика Ньютона, разработанная применительно к движению макроскопических тел, установила, что механическое состояние тела однозначно определяется его координатами и импульсом (или скоростью), если массу тела считать неизменной.

Но вот мы перешли к миру объектов, подчиняющихся квантовым законам, чуждым механике Ньютона. Человеческий опыт не успел ещё выработать образы объектов и понятия, соответствующие этому миру.

Если опыт показывает, что эти объекты обладают и свойствами частиц, и свойствами периодических волн, то в действительности они не волны и не частицы, а должны быть чем-то иным, единым в противоположностях. И действительно, если внимательно рассмотреть экспериментальные доказательства того, что электрон есть обычная механическая частица, то мы убедимся, что это весьма косвенные доказательства. Скорее всего, только глубокое убеждение физиков в атомистическом строении вещества привело их к выводу, что опыты с электронами (и атомами тоже) свидетельствуют о том, что они являются частицами в обычном механическом смысле.

Даже Эйнштейн не мог отречься от «механической» точки зрения на движение электрона. Он часто качал головой и говорил: «но ведь не гадает же бог „орёл — решка“, чтобы решить, куда должен двигаться электрон».

В наше время достоверность реального существования атомов, электронов, протонов может соперничать с достоверностью системы Коперника в астрономии. Но это не значит, что мы можем представлять себе эти объекты как уменьшенную модель астрономических тел. Мы до сих пор никак не можем их себе представить; они ни на что не похожи. И в этом природа не виновата!

Было бы, конечно, выражением высшей степени философского идеализма считать, что природа должна так приспособиться к человеческому разуму, чтобы он мог образно представить себе все её объекты. Именно потому, что мы не можем представить квантовые объекты в виде геометрических и механических образов, мы считаем их непонятными.

Но если это так, то какие у нас основания предполагать, что состояние движения квантовых объектов должно определяться теми же величинами, т. е. координатами и импульсом, которыми определяется состояние обычных тел? Словом, вопрос «каковы координаты и импульс в данный момент времени?» применительно к квантовым объектам — незаконный вопрос. Ведь не всякий вопрос правомерен. Например, нельзя ответить на вопрос «какого цвета пулковский меридиан?». Но из этого не следует, что возможности познания человека ограничены!

В такой же мере, по-видимому, неправомерен вопрос «каковы координаты и импульс электрона?».

К создавшейся ситуации в квантовой механике как нельзя лучше применимы слова Ленина, сказанные им по аналогичному поводу: «Движение тел превращается в природе в движение не того, что есть тело с постоянноймассой, в движение того, что есть неведомый заряд неведомого электричества в неведомом эфире, — эта диалектика материальных превращений, проделываемых в лаборатории и на заводе, служит в глазах идеалиста (как и в глазах широкой публики, как и в глазах махистов) подтверждением не материалистической диалектики, а доводом против материализма...»‍. Из того, что было сказано выше, ясно, что «непонятность» квантовой механики не даёт никаких оснований для идеалистических выводов об ограниченности возможности познания природы.

Также лишён основания идеалистический вывод о нарушении принципа причинности, т. е. о непредсказуемости событий.

По квантовой механике состояние системы вполне определяется специальной величиной, так называемой волновой функцией. Для неё имеется уравнение, решив которое, физик вполне может предвидеть, какой у него получится результат опыта. И не было случая, чтобы уравнения квантовой механики подводили экспериментаторов!

Здесь вполне уместно следующее высказывание Ленина о современной ему новой физике: «...всё это много мудрее старой механики, но всё это есть движение материи в пространстве и во времени»‍.

В наши дни всё больше и больше физиков всего мира становятся на позиции диалектического материализма. В своё время Ленин показал, что современные ему физики не сумели «прямо сразу подняться» от метафизического материализма к диалектическому материализму. Но он предвидел, что «этот шаг сделает современная физика».

Это предвидение Ленина сбылось!