Законы природы и причинность

Что такое закон природы?

Всякий исследователь регистрирует и измеряет природные процессы. Те явления, которые регулярно повторяются и происходят достаточно часто, можно разделить на группы по сходству. Вникая глубже, можно отыскать некоторые явные соотношения между отдельными элементами некоего процесса. Так возникает гипотеза, то есть предварительная попытка объяснить данное явление или указать на его закономерности. Если новые опыты и наблюдения подтвердят гипотезу, то ее можно назвать теорией. И если результаты постоянных проверок теории ни разу не отвергли ее, то эта теория возводится в ранг закона.

Итак, единственный путь к установлению закона природы проходит через наблюдения тех явлений, которые либо часто повторяются сами по себе, либо легко повторимы в эксперименте. Отсюда ясно, что законы природы не охватывают всего существующего и даже всего известного.

В жизненно важной области изучения света и атомов мы встретились с обстоятельствами, имеющими огромную важность. Именно они формируют современный подход к понятию причинности.

Закон причинности гласит, что все происходящее имеет причину. На этом законе основана физика и вообще всякое мышление. Каждое явление мыслится частью причинного ряда, звеном в неразрывной цепи причин и следствий. Законом причинности утверждается детерминизм — уверенность в том, что данное состояние физического мира полностью определяет его будущие состояния.

Выясняется, однако, что такая физическая предопределенность, следующая классическим понятиям о причинности, не вполне осуществляется в самой сердцевине материи — атомной физике. Известная причина не всегда вызывает определенный результат. Иными словами, не всегда есть возможность заранее рассчитать исход элементарного атомного процесса. Такое положение называется индетерминизмом.

В своих лекциях («Наука и человеческая мысль», 1954, стр. 41) Роберт Оппенгеймер говорит: «Мы научились принимать, а со временем и понимать, что поведение атомной системы не вполне предсказуемо; что для многих атомных систем с одинаковым прошлым и, скажем, с одинаковым нынешним состоянием, возможно статистическое предсказание того, что с ними будет, если их оставят в покое или как они будут реагировать на вмешательство извне. Но во всем наборе наших средств нет ни одного, способного показать, что в действительности будет делать один отдельно взятый атом. В самом сердце физического мира мы находим конец той полной причинности, что была существеннейшей чертой ньютоновской физики».

А вот как высказался профессор Л. Розенфельд, читая свою вступительную лекцию в Утрехтском университете в 1942 году: «Открытие квантовых законов (выполняющихся в атомной физике), которые для классической причинности кажутся иррациональными, вынудило нас отказаться от ненарушаемой причинности. Но этот отказ, навязанный нам именно увеличением наших познаний, никак не значит ничего похожего на поражение. Мы приняли этот отказ, продолжая стремиться к новому синтезу».

Эти характерные признания сделаны двумя из числа пионеров атомной физики. Конец строгой причинности потряс Их обоих.

Другие, как Эрвин Шредингер и прежде всего Эйнштейн, так и не смогли принять новую точку зрения. Между Эйнштейном и Бором происходила глубокая дискуссия на эту тему.

В наши дни новые знания не создают больших проблем для физиков. То, что в принципе невозможно одновременно определить, например, скорость электрона и его положение в пространстве, исключает точные и причинно-следственные описания атомных явлений. Можно сказать, что некоторые атомные процессы просто не имеют причин. Только при рассмотрении большого числа таких процессов можно статистически рассчитать, что может случиться. Следовательно, в атомной физике причинность, то есть отношение типа причина -* следствие, должна быть заменена вероятностью.

Далее Розенфельд показывает, как по ходу развития науки пере-осмыслилось само понятие причинности. Незаметным образом принцип причинности превратился в научном арсенале в нечто иное, чем простая логическая схема, которая позволяла сжато группировать явления при изучении их взаимных отношений. Он также упомянул, что с понятием причинности бывали связаны иллюзии и заблуждения, возводившие в ранг вечной истины то, что было просто временным подспорьем мышления.

Тот факт, что природные явления в целом, и в повседневной жизни, и при изучении макрокосма, выглядят зависящими от причин, объясняется тем, что все эти явления состоят из бесчисленных единичных процессов. Но даже если и можно проследить за одним из единичных процессов, то самое их множество вынуждает к вероятностным расчетам возможных результатов.

Попробуем разъяснить этот вопрос еще отчетливей, ссылаясь на статью Трюгве Хольтебека, доктора физики университета в Осло («Церковь и культура», № 3, 1977).

Возьмем отдельный атом. Согласно классическим законам, его будущее задается его прошлым. Но, как стало известно, прошлое не определяет будущего. Оно только предлагает вероятности, из которых нужно выбирать. Атом радия сам находит миг, когда ему распадаться, а атом урана — способ собственного расщепления. Мы узнаем результат выбора только после того, как что-то произойдет.

Механический детерминизм подразумевает, что между прошлым, настоящим и будущим нет действительной разницы. То, что называется настоящим, есть просто место наблюдателя внутри плотно замкнутой системы.

Но в квантовой физике получается иная картина, в которой прошлое, настоящее и будущее решительно различаются. Прошлого нельзя изменить. Его полней всего характеризует наложенный им отпечаток. Будущее существует только как более или менее вероятная возможность. Настоящее можно назвать временем выбора между возможностями, заданными прошлым; выбора, который в свою очередь оставит оттиск по себе и тем превратит будущее в прошлое.

Разговор о выборе в связи с атомными процессами может показаться чем-то странным. Ведь выбор присущ сознанию и не принадлежит к миру атомов. «Но,— пишет Хольтебек,— развитие физики на всем протяжении нашего века, кажется, подтвердило, что именно статистические законы атомной физики и концепция вероятности господствуют во вселенной и определяют наше повседневное существование.

Атомы и молекулы в нашем мозгу образуют нервные клетки, носители нашего сознания. Теперь всеми признано, что каждая мысль сопровождается физическими изменениями в мозговых клетках. Электроны движутся в соответствии с физическими законами. Но законами квантовой физики установлены лишь некоторые ограничения, в пределах которых существуют возможности для свободы выбора. В общем и целом, именно эти малые смещения шансов или возможности выбора и определяют историю и ход развития Вселенной. Мы не допускаем сознания во всяком отдельном атоме. Но помимо атомов и их взаимодействий, возможность есть нечто такое, что побуждает их к единообразному выбору и стремлению к образу существования, превосходящему то, что утверждается физикой». (Выделено автором данной книги.)

Итак, закон причинности, и вообще законы природы, должны быть признаны статистическими закономерностями. К счастью, они действуют исправно. Иначе было бы страшно жить. Вообразите, что однажды обед — суп, десерт и все прочее,— вдруг подпрыгнул к потолку, так что во все стороны брызнуло соусом и осколками стекла. И это оттого, что гравитация вдруг стала действовать в обратном направлении! Или точка замерзания воды вдруг начнет беспорядочно метаться между нулем и плюс тридцатью! Нет! Желательно, чтобы все оставалось в осмысленных пределах.

Важнейший вывод таков: закон причинности отныне лишился прежнего абсолютного характера. Его действенность оказалась ограниченной.

Намникогда не удастся установить стопроцентную исполняемость какого-нибудь закона природы. Логически мы не вправе делать таких заключений. Один физик-теоретик как-то сказал: «Никто не может логически опровергнуть того, что черепичная кровля как-нибудь возьмет да вспорхнет ввысь. До сих пор такого точно не было, и всякий вправе считать, что черепицы и далее будут падать вниз». На редкость непредвзятый физик!

Итак, человек впадает в ошибку, когда утверждает нерушимость законов природы. В них говорится лишь, каких событий следует ожидать. Если физик услыхал о некоем явлении, например, о чуде или о нескольких отдельных явлениях, несомненно случившихся, но противоречащих законам природы — хотя бы тем, что были известны до сих пор — то он может, как всякое лицо, сказать, что он верит или не верит в происшедшее. Но как физик, он не вправе отвергнуть их на основе научных представлений. Тогда он выходит за пределы своей научной компетенции, ибо не изучил вопрос по существу.

Для рассудка всякого мыслящего христианина вполне допустима мысль, что Всемогущий Бог может сделать и что-нибудь исключительное, если Он увидит в этом благо. Коль скоро люди сумели обойти или одолеть гравитацию самолетами и космическими кораблями, то неужели Богу труднее просто отменить гравитацию, если Ему так угодно? Если люди смогли с помощью радиотехники вступить в прямые связи с другими континентами и даже с Луной, то разве Богу труднее выслушивать молитвы или беседовать с людьми посредством Святого Духа?

Чудеса отвергаются не умом, а неверием. Нам не дано осознать непостижимое величие Господа. Когда кто-то пытается свести Бога до степени человеческого разумения, то не диво, что Бог выходит очень-очень маленьким.

Наука зашла далеко, но, по словам Оппенгеймера, при этом осознала ограниченность своих знаний. В отличие от двух предыдущих поколений, мы узнали, что нам не все понятно.

Все относительно

Прежде чем идти дальше, скажем несколько слов о теории относительности Эйнштейна. Ее значение фундаментально для новейших успехов естествознания, особенно для физики и астрономии, и она же оказала решающее воздействие на все наше мышление. Ее утверждения были подтверждены большей частью физическими измерениями и опытами, не в последнюю очередь в области атомной физики.

Труды Альберта Эйнштейна разделяются на два периода. Сперва он сформулировал специальную теорию относительности (1905 год) и только несколько лет спустя построил общую теорию относительности. Эта последняя исключительно сложна и труднодоступна даже для сильных математиков. Мы не сможем, следовательно, проникнуть в глубь основания и содержания этой теории, но попробуем описать некоторые из ее следствий.

Теория Эйнштейна основана на принципе относительности, введенном Эрнстом Махом. Согласно этому принципу, никакое движение не может измеряться относительно пустого пространства (так называемое абсолютное движение), но движение любого тела обязательно описывается по отношению к другому телу. Всякое движение относительно.

Звук, например, перемещается с постоянной скоростью относительно воздуха, поскольку он зависит от колебаний газовых молекул. Если же воздух движется относительно земной поверхности, то скорость воздушного потока будет либо замедлять, либо ускорять звук. Известно, что над земной поверхностью звук движется быстрей по ветру, чем против ветра. Но скорость звука относительно воздуха остается постоянной.

Для прохождения света не требуется материальной среды. Лучи света без затруднений распространяются в вакууме (пустоте). Следовательно, скорость света в мировом пространстве не может измеряться относительно материала или тел, образующих среду.

Но тогда с чем же можно соотнести скорость света? С пустым пространством? В таком случае скорость, скажем, вращения земли вокруг солнца будет либо увеличивать, либо убавлять величину скорости света, в зависимости от того, как ее измеряют — по ходу вращения или против него. Иными словами, от разных способов измерения следует ожидать различных результатов.

Опыты, однако, показали, что скорость света не меняется оттого, что ее меряют по движению или против движения земли. Следовательно, скорость света не соотносится с какой-нибудь неподвижной точкой пустого пространства.

Установлено, что скорость света в пустоте постоянна. Ее величина неизменна относительно любого тела, независимо от того, в каком направлении и с какой скоростью движется это тело. Скорость света — универсальная константа. Это открытие было величайшей сенсацией.

Теория относительности придает решающее значение этому замечательному свойству света.

Чтобы объяснить постоянство скорости света, естествознанию пришлось пойти на революционный шаг и предложить новое истолкование понятий пространства и времени. Измеряемое пространство и время более не считаются постоянными, а признаются зависящими от относительного движения объекта и наблюдателя.

Из теории относительности следует, что скорость света — предел скорости для любого тела. Ничто не может двигаться быстрее света. Скорость света обладает абсолютной характеристикой. Эта немыслимая быстрота не достигается столь привычным в классической механике способом сложения скоростей. Только специальная формула дает верное значение, которое никогда не превосходит предела в 300 000 км/сек.

Физика описывает тело, указывая на количество его материи — массу, то есть на то, сколько оно весит. Под энергией подразумевается способность тела или системы тел производить работу. Различные формы энергии — механическая, тепловая, химическая, электрическая, радиационная и прочие — могут переходить одна в другую. Физики считают, что общее количество энергии во вселенной постоянно.

Далее из теории относительности следует, что масса и энергия суть эквивалентные величины (то есть имеют общую меру). Это значит, что всякий род энергии обладает массой и что всякая материя, имея массу, представляет собой также и энергию.

Масса, представляющая энергию, может перейти в иной род энергии, показателем такого перехода будет исключительно большая величина — квадрат скорости света. Обозначив массу энергии через т, скорость света через с и соответствующее количество энергии через Е, мы сможем выразить соотношение массы и энергии формулой Е = тс².

Из этой формулы видно, что масса одного грамма вещества содержит 25 миллионов киловатт-часов энергии.

При всякой передаче энергии одновременно происходит изменение массы. Но только в особых случаях — при внутриядерных реакциях — энергетические преобразования достаточно велики, чтобы изменения массы стали измеримы.

Космос

В этом небольшом разделе мы не будем обсуждать множество разнообразных гипотез, предложенных для объяснения происхождения и развития Вселенной.

В наши дни имеется много надежных средств для изучения Вселенной. Все они, независимо друг от друга, указывают на то, что Вселенная не всегда существовала. Это значит, что у нее была, можно сказать, начальная дата. Ученые высчитали, что Вселенная существует несколько миллиардов лет, скорей всего 15—18, или несколько больше, но в любом случае их число ограничено.

Согласно теории «большого взрыва», одной из самых признанных в наше время, развитие Вселенной началось колоссальным взрывом и расширение ее продолжается и поныне. Эту теорию первыми предложили астрофизики Ганс Бете и Джордж Гамов. Большинство современных астрономов придерживается тех же взглядов.

Итак, наша Вселенная существовала не всегда. Она однажды возникла и с тех пор расширяется, поскольку все звездные системы удаляются друг от друга.

Это разбегание подтверждается эффектом Доплера. Когда светящееся тело удаляется от наблюдателя, то спектральные полосы его света смещаются к красному краю спектра. Именно это происходит со свечением звездных систем и галактик, притом, чем отдаленнее галактика, тем сильнее красное смещение, то есть, очевидно, тем больше скорость ее удаления от нас.

Поиск по сайту: