ЛОГИКА СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
АВТОР:
P. W. BRIDGMAN
ХОЛЛИСОВСКИЙ ПРОФЕССОР МАТЕМАТИКИ И ЕСТЕСТВЕННОЙ ИСТОРИИ ГАРВАРДСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
НЬЮ-ЙОРК ИЗДАТЕЛЬСТВО THE MACMILLAN COMPANY
АВТОРСКОЕ ПРАВО, 1927, THE MACMILLAN COMPANY.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Этот экскурс в область фундаментальной критики, предпринятый человеком, чья деятельность до сих пор ограничивалась почти исключительно экспериментом, не является свидетельством старческого слабоумия, как можно было бы цинично предположить. На протяжении всей своей экспериментальной работы я всегда ощущал настоятельную потребность в лучшем понимании основ нашего физического мышления и долгое время предпринимал более или менее бессистемные попытки достичь такого понимания. Однако лишь теперь полугодовой творческий отпуск дал мне досуг для попытки более или менее упорядоченного изложения.
Несмотря на предыдущие работы по широким фундаментальным вопросам, принадлежащие Клиффорду, Сталло, Маху и Пуанкаре, если упомянуть лишь некоторых, я полагаю, что новое эссе такого критического характера не нуждается в оправданиях. Ибо, совершенно независимо от вопроса о том, можно ли отстаивать многие точки зрения этих эссе, открытие новых фактов в области теории относительности и квантовой теории сместило центр интереса и акценты. Вся весьма недавняя активность, связанная с новой квантовой механикой, по-видимому, требует нового рассмотрения фундаментальных вопросов, которое признавало бы, по крайней мере имплицитно, существование особых явлений квантовой области. Однако необходимость пересмотра вовсе не означает, что многие результаты предыдущей критики не могут быть приняты до сих пор; некоторые из этих результатов настолько глубоко вошли в физическое мышление, что мы можем принимать их без упоминания. Таким образом, фундаментальной установкой этого эссе является эмпиризм, который теперь оправдан как позиция физика в значительной степени благодаря исследованию физиологического происхождения наших концепций пространства, времени и механики, которым были в основном посвящены предыдущие эссе.
Ни одно из предыдущих эссе не повлияло сознательно или непосредственно на детали этого; на самом деле я не читал ни одного из них в течение нескольких лет. Если отрывки здесь напоминают уже написанные, то это потому, что идеи были усвоены, а точное происхождение забыто; вероятно, стоит оставить такие отрывки без изменений, поскольку такие идеи приобретают убедительность благодаря тому, что были признаны приемлемыми для независимой мысли.
Я весьма обязан профессору Р. Ф. Альфреду Хёрнле с кафедры философии Йоханнесбургского университета, Южная Африка, за предложение нескольких модификаций, сделавших текст более приемлемым для философа, и небольшие дополнения в пользу читателей, не знакомых со всеми деталями недавних технических разработок в физике.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из наиболее примечательных движений в современной физике является изменение отношения к тому, что можно назвать интерпретационным аспектом физики. Как в трудах, так и в беседах физиков все чаще признается, что мир эксперимента не является понятным без некоторого исследования целей физики и природы ее фундаментальных концепций. Попытки более критического понимания природы физики не являются чем-то новым, но до недавнего времени все такие попытки рассматривались с определенным подозрением или даже иногда с презрением. Среднестатистический физик склонен преуменьшать свою собственную озабоченность такими вопросами и склонен отмахиваться от спекуляций коллег-физиков эпитетом «метафизический». Это отношение, несомненно, имело определенное оправдание в полной непонятности для физика многих метафизических спекуляций и бесплодности таких спекуляций в получении физических результатов. Однако растущая реакция в пользу лучшего понимания интерпретационных основ физики не является маятниковым колебанием моды мышления в сторону метафизики, возникшим в результате потрясения моральных ценностей, вызванного великой войной, или чем-то подобным, а является реакцией, абсолютно навязанной нам быстро растущим массивом холодных экспериментальных фактов.
Эта реакция, или, скорее, новое движение, была, без сомнения, инициирована специальной теорией относительности Эйнштейна. До Эйнштейна все возрастающее число экспериментальных фактов, касающихся тел, движущихся с большой скоростью, требовало все более сложных модификаций наших наивных представлений для сохранения самосогласованности, пока Эйнштейн не показал, что все можно вернуть к удивительной простоте путем небольшого изменения некоторых наших фундаментальных концепций. Концепции, которых наиболее очевидно коснулся Эйнштейн, были концепции пространства и времени, и большая часть работ, сознательно вдохновленных Эйнштейном, была посвящена этим концепциям. Но то, что эксперимент требует критики гораздо большего, чем концепции пространства и времени, становится все более очевидным благодаря всем новым фактам, открываемым в квантовой области.
Ситуация, представленная нам этими новыми квантовыми фактами, является двоякой. Во-первых, все эти эксперименты имеют дело с вещами настолько малыми, что они навсегда остаются вне возможности прямого опыта, так что перед нами стоит проблема перевода свидетельств эксперимента на другой язык. Так, мы наблюдаем линию излучения в спектроскопе и можем сделать вывод о скачке электрона с одного энергетического уровня на другой в атоме. Во-вторых, у нас есть проблема понимания переведенных экспериментальных свидетельств. Теперь, конечно, каждый знает, что эта проблема создает нам величайшие трудности. Экспериментальные факты настолько совершенно отличаются от фактов нашего обычного опыта, что мы не только, по-видимому, должны отказаться от обобщений прошлого опыта, таких широких, как полевые уравнения электродинамики, например, но даже ставится под сомнение, применимы ли наши обычные формы мышления в новой области; часто предполагается, например, что концепции пространства и времени разрушаются.
Ситуация быстро становится острой. С тех пор как я начал писать это эссе, наблюдается поразительный рост критической активности, вдохновленной новой квантовой механикой 1925-26 годов, и часто можно услышать изложения новых идей, предваряемые анализом того, что эксперимент действительно дает нам или что на самом деле означают наши фундаментальные концепции. Изменение идей сейчас происходит настолько быстро, что ряд утверждений этого эссе уже устарел как выражение лучшего современного мнения; однако я позволил этим утверждениям остаться, поскольку фундаментальные аргументы ни в коей мере не затронуты, и у нас нет оснований думать, что нынешние лучшие мнения являются в чем-либо окончательными. У нас есть впечатление, что мы находимся в важный формирующий период; если это так, то облик физики на долгое время в будущем будет определяться нашим нынешним отношением к фундаментальным вопросам интерпретации. Чтобы справиться с этой ситуацией, мне кажется, нужно нечто большее, чем философия «на злобу дня», которая сейчас растет, чтобы справиться с особыми чрезвычайными ситуациями, нечто, более близкое к систематической философии всей физики, которая охватит экспериментальные области, уже консолидированные, а также те, которые сейчас доставляют нам так много хлопот. Это эссе является попыткой дать более или менее всеобъемлющую критику всей физики. Наша проблема — двойная: понять, что мы пытаемся сделать и какими должны быть наши идеалы в физике, и понять природу структуры физики в том виде, в каком она существует сейчас. Эти две цели вместе продвигаются анализом фундаментальных концепций физики; понимание концепций, которые у нас есть, раскрывает нынешнюю структуру физики, а осознание того, какими должны быть концепции, включает в себя идеалы физики. Это эссе будет в значительной степени посвящено фундаментальным концепциям; окажется, что почти все концепции могут выиграть от пересмотра.
Материал этого эссе в значительной степени получен путем наблюдения за актуальными течениями мнений в физике; многое из того, что я должен сказать, является более или менее общим достоянием, и, несомненно, каждый читатель найдет отрывки, о которых он почувствует, что они были взяты из его собственных уст. Однако в отношении определенных широких тенденций в современной физике я применил свою собственную интерпретацию, и более чем вероятно, что эта интерпретация будет неприемлема для многих. Но даже если она не будет принята, я надеюсь, что стимул борьбы с предложенными здесь идеями может быть ценным.
Необходимо будет установить определенные ограничения для нашего исследования, чтобы удержать его в управляемых рамках. Конечно, является чистейшей трюизмом то, что все наше экспериментальное знание и наше понимание природы невозможны и не существуют отдельно от наших собственных ментальных процессов, так что, строго говоря, ни один аспект психологии или эпистемологии не является неуместным. К счастью, мы сможем обойтись более или менее наивным отношением ко многим из этих вопросов. Мы примем как значимое наше здравое суждение о том, что существует мир, внешний по отношению к нам, и ограничим, насколько это возможно, наше исследование поведением и интерпретацией этого «внешнего» мира. Мы исключим исследования наших состояний сознания как таковых. Однако, несмотря на самые лучшие намерения, мы не сможем полностью устранить соображения, отдающие метафизикой, потому что очевидно, что природа нашего мыслительного механизма существенно окрашивает любую картину, которую мы можем сформировать о природе, и мы должны будем признать, что неизбежные характеристики любого нашего взгляда навязываются именно таким образом.
CONTENTS
Preface
Introduction
ГЛАВА I. ШИРОКИЕ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ Новые виды опыта всегда возможны Операциональный характер концепций Вклад Эйнштейна в изменение нашего отношения к концепциям Детальное обсуждение концепции длины Относительный характер знания Бессмысленные вопросы Общие комментарии об операциональном подходе II. ДРУГИЕ ОБЩИЕ СООБРАЖЕНИЯ Приблизительный характер эмпирического знания Объяснения и механизмы Модели и конструкты Роль математики в физике III. ДЕТАЛЬНОЕ РАССМОТРЕНИЕ РАЗЛИЧНЫХ КОНЦЕПЦИЙ ФИЗИКИ Концепция пространства Концепция времени Концепция причинности Концепция тождества Концепция скорости Концепции силы и массы Концепция энергии Концепции термодинамики Электрические концепции Природа света и концепции теории относительности Другие концепции теории относительности Вращательное движение и теория относительности Квантовые концепции IV. ОСОБЫЕ ВЗГЛЯДЫ НА ПРИРОДУ Простота природы Детерминизм О возможности полного описания природы в терминах анализа Взгляд в будущее ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ
ЛОГИКА СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКИ
ГЛАВА I ШИРОКИЕ ТОЧКИ ЗРЕНИЯ
КАКОВО бы ни было мнение о нашем постоянном принятии аналитических деталей специальной и общей теорий относительности Эйнштейна, нет сомнений в том, что благодаря этим теориям физика навсегда изменилась. Было большим потрясением обнаружить, что классические концепции, принятые без вопросов, были неадекватны для соответствия реальной ситуации, и шок от этого открытия привел к критическому отношению ко всей нашей концептуальной структуре, которое должно, по крайней мере частично, быть постоянным. Размышление о ситуации после события показывает, что не нужно было новых экспериментальных фактов, которые привели к теории относительности, чтобы убедить нас в неадекватности наших предыдущих концепций, но что достаточно проницательный анализ должен был подготовить нас, по крайней мере, к возможности того, что сделал Эйнштейн.
Заглядывая теперь в будущее, наши идеи о том, что такое внешняя природа, всегда будут подвержены изменениям по мере получения нами новых экспериментальных знаний, но есть часть нашего отношения к природе, которая не должна быть подвержена будущим изменениям, а именно та часть, которая опирается на постоянную основу характера нашего разума. Именно здесь, в улучшенном понимании наших ментальных отношений с природой, следует искать постоянный вклад теории относительности. Мы должны теперь сделать своим делом настолько тщательное понимание характера наших постоянных ментальных отношений с природой, чтобы другое изменение нашего отношения, подобное тому, что произошло из-за Эйнштейна, было навсегда невозможно. Было, пожалуй, извинительно, что революция в ментальном отношении произошла однажды, потому что, в конце концов, физика — молодая наука, и физики были очень заняты, но было бы, безусловно, упреком, если бы такая революция когда-либо снова оказалась необходимой.
НОВЫЕ ВИДЫ ОПЫТА ВСЕГДА ВОЗМОЖНЫ
Первый урок нашего недавнего опыта с теорией относительности — это лишь усиление и подчеркивание урока, которому научил и весь прошлый опыт, а именно: когда эксперимент проникает в новые области, мы должны быть готовы к новым фактам, совершенно иного характера, чем факты нашего прежнего опыта. Этому учит не только открытие тех неожиданных свойств материи, движущейся с высокими скоростями, которые вдохновили теорию относительности, но даже еще более решительно — новые факты в квантовой области. В определенной степени, конечно, признание всего этого не влечет за собой изменения прежнего отношения; факт всегда был для физика единственной окончательной вещью, от которой нет апелляции и перед лицом которой единственно возможным отношением является смирение, почти религиозное. Новая черта в нынешней ситуации — это усилившееся убеждение в том, что в действительности существуют новые порядки опыта и что мы можем ожидать встречи с ними постоянно. Мы уже столкнулись с новыми явлениями при переходе к высоким скоростям и при переходе к малым масштабам величин: мы можем аналогичным образом ожидать обнаружить их, например, при работе с отношениями космических величин или при работе со свойствами материи огромных плотностей, таких, как, предполагается, существуют в звездах.
В этом признании возможности нового опыта за пределами нашего нынешнего диапазона подразумевается признание того, что ни один элемент физической ситуации, каким бы нерелевантным или тривиальным он ни казался, не может быть отброшен как не влияющий на конечный результат, пока не будет доказано фактическим экспериментом, что он не оказывает влияния.
Позиция физика должна, следовательно, быть позицией чистого эмпиризма. Он не признает никаких априорных принципов, которые определяют или ограничивают возможности нового опыта. Опыт определяется только опытом. Практически это означает, что мы должны отказаться от требования, чтобы вся природа была охвачена какой-либо формулой, простой или сложной. Возможно, в конечном итоге окажется, что на самом деле природа может быть охвачена формулой, но мы должны организовать наше мышление так, чтобы не требовать этого как необходимости.
ОПЕРАЦИОНАЛЬНЫЙ ХАРАКТЕР КОНЦЕПЦИЙ
Вклад Эйнштейна в изменение нашего отношения к концепциям
Признавая существенную непредсказуемость эксперимента за пределами нашего нынешнего диапазона, физик, если он хочет избежать постоянного пересмотра своей позиции, должен использовать при описании и корреляции природы концепции такого характера, чтобы наш нынешний опыт не брал в заложники будущее. И здесь, мне кажется, заключается величайший вклад Эйнштейна. Хотя он сам не формулирует или не подчеркивает это явно, я полагаю, что изучение того, что он сделал, покажет, что он существенно изменил наш взгляд на то, какими являются и какими должны быть концепции, полезные в физике. До сих пор многие концепции физики определялись в терминах их свойств. Отличный пример дает ньютоновская концепция абсолютного времени. Следующая цитата из Схолии в Книге I «Математических начал натуральной философии» является поучительной:
Я не определяю Время, Пространство, Место или Движение, как вещи, всем известные. Только я должен заметить, что вульгарные люди представляют себе эти величины не иначе, как через их отношение к чувственным объектам. И отсюда возникают определенные предрассудки, для устранения которых будет удобно разделить их на Абсолютные и Относительные, Истинные и Кажущиеся, Математические и Обыденные.
(I) Абсолютное, Истинное и Математическое Время, само по себе и по своей собственной природе, течет равномерно, без отношения к чему-либо внешнему, и под другим именем называется Длительностью.
Теперь нет никакой уверенности в том, что в природе существует что-либо со свойствами, подобными тем, что предполагаются в определении, и физика, когда она сводится к концепциям такого характера, становится столь же чисто абстрактной наукой и столь же далекой от реальности, как абстрактная геометрия математиков, построенная на постулатах. Задача эксперимента — обнаружить, соответствуют ли концепции, определенные таким образом, чему-либо в природе, и мы всегда должны быть готовы обнаружить, что концепции не соответствуют ничему или соответствуют лишь частично. В частности, если мы исследуем определение абсолютного времени в свете эксперимента, мы не находим в природе ничего с такими свойствами.
Новое отношение к концепции совершенно иное. Мы можем проиллюстрировать это, рассмотрев концепцию длины: что мы подразумеваем под длиной объекта? Мы, очевидно, знаем, что подразумеваем под длиной, если можем сказать, какова длина любого и каждого объекта, и для физика ничего больше не требуется. Чтобы найти длину объекта, мы должны выполнить определенные физические операции. Концепция длины, следовательно, фиксируется, когда фиксируются операции, с помощью которых измеряется длина: то есть концепция длины включает в себя столько же и ничего больше, чем набор операций, с помощью которых определяется длина. В общем, мы подразумеваем под любой концепцией не что иное, как набор операций; концепция синонимична соответствующему набору операций. Если концепция физическая, как длина, операции являются актуальными физическими операциями, а именно теми, с помощью которых измеряется длина; или если концепция ментальная, как математическая непрерывность, операции являются ментальными операциями, а именно теми, с помощью которых мы определяем, является ли данный агрегат величин непрерывным. Не подразумевается, что существует жесткое и быстрое разделение между физическими и ментальными концепциями, или что один вид концепции не всегда содержит элемент другого; эта классификация концепций не важна для наших будущих соображений.