Для примера можно рассмотреть историю создания квантовой электродинамики. Она начинается с построения формализма, позволяющего описать микроструктуру электромагнитных взаимодействий, которое разделяется на четыре этапа. Вначале был введен аппарат квантованного электромагнитного поля излучения. На втором этапе была построена квантованная теория электрон-позитронного поля, то есть осуществлено квантование источников полей. На третьем было описано взаимодействие полей в рамках первого приближения теории возмущений. А на последнем этапе методом перенормировки был создан аппарат, характеризующий взаимодействие квантованных электромагнитного и электрон-позитронного полей в последующих порядках теории возмущений. В период после второго этапа, когда начал создаваться аппарат, позволяющий описать взаимодействие свободных полей методами теории возмущений, в фундаменте квантовой электродинамики были обнаружены парадоксы, поставившие под сомнение ценность построенного математического аппарата, так называемые парадоксы измеримости полей. Было показано, что поля в точке при учёте квантовых эффектов перестают быть эмпирически оправданными объектами, так как их компоненты не имеют физического смысла. А источником парадоксов была неадекватная интерпретация построенного формализма, неявно введённая в процессе построения аппарата методом математической гипотезы.
Дело в том, что синтез квантово-механического формализма и уравнений классической электродинамики сопровождался заимствованием абстрактных объектов и их объединением в рамках новой гипотетической конструкции. В ней поле характеризовалось как система с переменным числом фотонов, возникающих с определенной вероятностью в каждом из возможных квантовых состояний, а среди набора совместных наблюдаемых важнейшее место занимали напряженности полей в точке, появившиеся в теоретической модели квантованного электромагнитного поля из-за переноса абстрактных объектов из классической электродинамики. Такой перенос классических идеализаций в новую теоретическую схему и породил решающие трудности при отображении ее на эмпирические ситуации по исследованию квантовых процессов в релятивистской области. Оказалось, что нельзя отыскать рецепты связи компонентов поля в точке с реальными особенностями экспериментов и измерений, изучающих квантово-релятивистские эффекты. В классике, например, величина электрической напряженности в точке определялась через внесение туда пробного заряда, приобретенный импульс которого служил мерой напряженности поля. Но при учете квантовых эффектов в силу соотношения неопределенностей Гейзенберга локализация пробного заряда ведет к возрастающей неопределенности его импульса, а, следовательно, к невозможности определить поле в точке. Далее к этому добавлялись неопределенности, возникающие при передаче импульса от пробного заряда к регистрирующему его прибору. То есть гипотетически введенная модель квантованного электромагнитного поля утрачивала физический смысл, а вместе с ней терял такой смысл и связанный с ней аппарат.
Таким образом, математические гипотезы часто формируют поначалу неадекватную интерпретацию математического аппарата. Они тянут с собой старые физические объекты, вводимые в новые уравнения, что может привести к рассогласованию теории с опытом. Поэтому на промежуточных стадиях математического синтеза вводимые уравнения должны подкрепляться анализом теоретических знаний и их обоснованием. К тому же выявление неконструктивных элементов в предварительной теоретической модели обнаруживает ее наиболее слабые звенья и создает необходимую базу для ее перестройки.
Так в примере квантовой электродинамики работы Ландау и Пайерлса указали путь перестройки первоначальной теоретической модели квантованного электромагнитного поля. А решающий шаг в построении адекватной интерпретации аппарата новой теории был сделан Бором. Он был связан с отказом от трактовки классических компонентов поля в точке в качестве наблюдаемых, характеризующих поле как квантовую систему, и заменой их новыми наблюдаемыми – компонентами поля, усредненным по конечным пространственно-временным областям. Эта идея возникла при активной роли философско-методологических размышлений Бора о принципиальной макроскопичности приборов, посредством которых наблюдатель как макроскопическое существо получает информацию о микрообъектах. Как следствие этих размышлений возникла идея о том, что пробные тела, поскольку они являются частью приборов, должны быть классическими макротелами. Следовательно, в квантовой теории абстракция точечного пробного заряда должна быть заменена другой абстракцией: заряженного пробного тела, локализованного в конечной пространственно-временной области. В свою очередь, это приводило к идее компонент квантованного поля, усредненных по соответствующей пространственно-временной области. Такая интеграция философско-методологических рассуждений в структуру физического поиска не случайна, а характерна для этапа формирования представлений о принципиально новых типах объектов науки и методах их познания. После работ Бора в квантовой электродинамике возникал новая теоретическая модель, призванная обеспечивать интерпретацию уже созданного математического аппарата.
Такой ход исследования, при котором аппарат отчленяется от неадекватной модели, а затем соединяется с новой теоретической моделью, характерен для современной теоретической физики. Заново построенная модель сразу же сверяется с особенностями аппарата. Согласованность же новой модели с математическим аппаратом является сигналом, свидетельствующим о ее продуктивности, но тем не менее, не выводит новую теоретическую конструкцию из ранга гипотезы. Для этого необходимо еще эмпирическое обоснование модели, которое производится путем конструктивного введения ее абстрактных объектов. Средством, обеспечивающим такое введение, являются процедуры идеализированного эксперимента и измерения, в которых учитываются особенности реальных экспериментов и измерений, обобщаемых новой теорией. В истории квантовой электродинамики указанные процедуры были проделаны Бором и Розенфельдом. В процессе их осуществления была получена эмпирическая интерпретация уравнений теории и вместе с тем были открыты новые аспекты микроструктуры электромагнитных взаимодействий. Например, одним из важнейших следствий процедур Бора-Розенфельда было обоснование неразрывной связи между квантованным полем излучения и электромагнитным вакуумом.
Из аппарата теории следовало, что квантованное поле обладает энергией в нулевом состоянии, при отсутствии фотонов. Но до обоснования измеримости поля было абсолютно неясно, можно ли придать вакууму реальный физический смысл или его следует воспринимать только как вспомогательную теоретическую конструкцию. Физики склонялись ко второму выводу, так как энергия квантованного поля в нулевом состоянии оказывалась бесконечной. Кроме того, Ландау и Пайерлс связывали идею вакуума с парадоксом измеримости, и в их анализе вакуумные состояния фигурировали как одно из свидетельств принципиальной неприменимости квантовых методов к описанию электромагнитного поля. Но Бор и Розенфельд показали, что определение точного значения компонентов поля может быть осуществлено лишь тогда, когда в них включаются как флуктуации, связанные с рождением и уничтожением фотонов, так и неотделимые от них нулевые флуктуации поля, возникающие при отсутствии фотонов и связанные и нулевым энергетическим уровнем поля. То есть если убрать вакуум, то само представление о квантованном электромагнитном поле не будет иметь эмпирического смысла, поскольку его усредненные компоненты не будут измеримыми. Тем самым вакуумным состояниям был придан реальный физический смысл. После интерпретации аппарата квантованного электромагнитного поля Бор и Розенфельд проанализировали возможность построения идеализированных измерений для источников, взаимодействующих с квантованным полем излучения.
Характерно, что такой путь построения интерпретации воспроизводил на уровне содержательного анализа основные этапы исторического развития математического аппарата квантовой электродинамики. При этом не была опущена ни одна существенная промежуточная стадия, то есть логика построения интерпретации совпадала в основных чертах с логикой исторического развития математического аппарат теории.
Если в классической физике каждый шаг в развитии аппарата теории подкреплялся построением и конструктивным обоснованием адекватной ему теоретической модели, то в современной физике стратегия теоретического поиска изменилась. Сейчас математический аппарат может достаточно продолжительное время строиться без эмпирической интерпретации, а при ее осуществлении исследование заново в сжатом виде проходит все основные этапы становления аппарата теории. В процессе построения квантовой электродинамики оно шаг за шагом перестраивало сложившиеся гипотетические модели и, осуществляя их конструктивное обоснование, вводило промежуточные интерпретации, соответствующие основным вехам развития аппарата. Итогом было прояснение физического смысла уравнений квантовой электродинамики. В классической физике построение теории происходило по схеме уравнение1 ® промежуточная интерпретация1, уравнение2 ® промежуточная интерпретация2,…, обобщающая система уравнений ® обобщающая интерпретация. В современной же физики этот процесс проходит другим образом: уравнение1 ® уравнение2 ® …, а лишь потом интерпретация1 ® интерпретация2 ® …(но не уравнение1 ® уравнение2 ® обобщающая система уравнений и сразу же завершающая интерпретация). Конечно, сама смена промежуточных интерпретаций в современной физике не воспроизводит полностью аналогичных процессов классического периода. При этом речь не идет только о замене дискретного перехода от одной промежуточной интерпретации к другой непрерывным переходом. Меняется само количество промежуточных интерпретаций. В современной физике они как бы уплотняются, из-за чего процесс построения интерпретации и развития понятийного аппарата теории протекает здесь в кумулятивной форме.
Итак, эвристические принципы благодаря своему объективному содержанию облегчают поиск наиболее адекватных гипотез, соответствующих характеру изучаемой действительности. Но окончательные приговор гипотезе выносит опыт. Причём этап опытной проверки связан с трудностями, возникающими при интерпретации, то есть правил, по которым соотносятся с опытом физические величины нового уравнения. По словам П. Дирака, "легче открыть математическую форму, необходимую для какой-нибудь основной физической теории, чем ее интерпретацию, так как число случаев, среди которых приходится выбирать при открытии формализма, весьма ограничено, так как в математике не много основных идей, тогда как при их физической интерпретации могут обнаружиться чрезвычайно интересные вещи".
2. Применение метода математической гипотезы в развитии физических теорий.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5
