От методологических идей к теории и новой картине мира

Первым шагом на пути к специальной теории относительности была фиксация принципа относительности в качестве одного из важнейших операциональных оснований, коррелятивно которому должны вводиться в фундамент физического познания те или иные онтологические представления.

Такая трактовка принципа относительности была намечена еще Пуанкаре, но в наиболее отчетливой форме она выражена в работах Эйнштейна.

Принцип относительности рассматривался Эйнштейном в двух аспектах.

Первый аспект рассмотрения принципа относительности характеризует его как методологический регулятив теоретического описания реальности. На языке такого описания физическая лаборатория, движущаяся равномерно и прямолинейно, обозначается как инерциальная система отсчета, и “согласно принципу относительности законы природы не зависят от движения системы отсчета”[23]. При теоретическом описании в физике используется язык математики. На этом языке система отсчета характеризуется как система координат, а законы природы выражаются в форме уравнений, в которых определенным образом связаны физические величины. Независимость законов природы от движения системы отсчета может быть сформулирована как требование ковариантности соответствующих уравнений относительно преобразования систем координат (при переходе от одной инерциальной системы отсчета к другой).

Второй аспект представлял принцип относительности в качестве глубинного постулата экспериментально-измерительной деятельности. В этом аспекте формулировка принципа относительности утверждает, что физические процессы протекают одинаково во всех лабораториях, движущихся равномерно и прямолинейно, а поэтому никакими экспериментами внутри физической лаборатории нельзя обнаружить ее инерциального движения.

Само существование физики как науки предполагает воспроизводимость экспериментов и измерений. Эта презумпция физического исследования конкретизируется не только посредством принципов воспроизводимости экспериментов в разных “точках” пространства и в различные “моменты” времени (на что указывалось выше), но и посредством принципов, фиксирующих влияние движения лаборатории на протекание физических процессов.

Физические лаборатории всегда связаны с движущимися телами, и проблема воспроизводимости экспериментов и измерений требует учета этого обстоятельства. Если существуют ситуации, когда движение лаборатории вносит возмущения в протекание процесса, то необходим способ учета этих возмущающих воздействий. Для этого следует выделить некоторую эталонную ситуацию, в которой относительное движение двух лабораторий не изменит картины исследуемого процесса. Отклонения от данной ситуации уже можно рассматривать как возмущения, которые принципиально могут быть выявлены и учтены (фиксация и контроль за такими возмущениями возможны только тогда, когда известна ситуация, где последние отсутствуют). В классической физике с самого начала ее формирования в качестве эталонной ситуации рассматривалось инерциальное движение.

Такой подход имеет довольно глубокие основания (хотя последние не всегда осознавались в классическом естествознании). Дело в том, что экспериментальное исследование физического процесса предполагает, что он должен быть получен в максимально “чистом” виде. А для этого необходимо изолировать лабораторию от внешних воздействий, которые могут накладываться на изучаемый процесс, искажая или затемняя его, либо компенсировать такие воздействия. В предельном случае, допуская полную изоляцию лаборатории от внешних воздействий, мы получаем идеализированную лабораторию, которая по определению является инерциальной системой отсчета (на нее не действуют внешние силы) .

Экспериментально-измерительная деятельность физики предполагает, что всегда возможно отыскать ситуацию, когда движение реальной лаборатории может с определенным допуском считаться инерциальным. В каждой такой (локально-инерциальной) лаборатории при прочих равных условиях все процессы будут протекать одинаково (никакими экспериментами внутри лаборатории нельзя обнаружить ее относительного движения), а поэтому результаты экспериментов будут воспроизводимы. Поскольку процессы природы протекают в соответствии с объективными законами, то возможность воспроизведения одного и того же процесса в различных инерциально движущихся лабораториях означает, что законы природы не зависят от инерциального движения системы отсчета.

Принцип относительности как раз и выражает это содержание и, таким образом, предстает как формулировка весьма важных допущений, которые лежат в фундаменте экспериментально-измерительных процедур физики. Посредством этих допущений конкретизируются глубинные постулаты (презумпции) физического исследования: воспроизводимости физического опыта, его подчиненности законам природы и возможности сепарировать проявления законов путем различных экспериментов.

Формулировка принципа относительности как регулятива теоретического исследования (требование ковариантности уравнений) выступает (в качестве идеи инвариантности, выражающей операциональный смысл принципа применительно к особенностям теоретического описания законов природы. Именно такое понимание принципа относительности, при котором он выступает в качестве выражения фундаментальных особенностей метода физического исследования, обеспечивающего адекватность познания его объектов, было характерно для эйнштейновского подхода к анализу физических проблем[24].

Интерпретируя принцип относительности как важнейший компонент схемы метода, посредством которого выявляются характеристики физического мира, Эйнштейн формулирует проблему онтологических постулатов физики в необычном с классической точки зрения виде: он ставит вопрос, как будет выглядеть физическая реальность (какова будет физическая картина мира), если принцип относительности распространяется на описание любых взаимодействий (в том числе и электромагнитных)[25].

Реализуя эту программу, Эйнштейн проанализировал онтологические постулаты физики конца XIX века, составляющие электродинамическую картину мира. Это был второй шаг на пути к специальной теории относительности.

В процессе анализа обнаружилось, что постулат о существовании мирового эфира, заполняющего абсолютное пространство, несовместим с принципом относительности, поскольку он приводит к неодинаковому описанию электромагнитных процессов в различных инерциальных системах отсчета. Это означало, что мировой эфир принципиально ненаблюдаемый объект, так как он не укладывался в схему экспериментально-измерительных процедур физики.

Подчеркнем особо это важное обстоятельство. Элиминация из физической картины мира представлений о мировом эфире как о субстанции, передающей электромагнитные взаимодействия, обычно связывается с результатами опытов Майкельсона, Физо и др., не обнаруживших движения Земли относительно эфира. В своих многочисленных изложениях СТО Эйнштейн также использует эту аргументацию. Но в первой своей работе “К электродинамике движущихся тел”, содержащей изложение всех основных идей новой теории, Эйнштейн лишь вскользь говорит о неудавшихся попытках “обнаружить движение Земли” относительно “светоносной среды”, но не упоминает опыта Майкельсона[26]. Более того, он отмечал в одном из своих писем, что при построении СТО опыт Майкельсона не сыграл решающей роли (это обстоятельство тщательно проанализировал Холтон, и его анализ подтвердил справедливость отмеченного утверждения Эйнштейна[27]).

В рамках предлагаемой нами реконструкции логики становления специальной теории относительности указанное обстоятельство находит свое естественное объяснение. Чтобы квалифицировать постулат о мировом эфире как не соответствующий принципу наблюдаемости, ссылки на результаты конкретных опытов, типа опыта Майкельсона, были необязательны (хотя сами эти опыты могли выступить в качестве подтверждения ненаблюдаемости эфира). Важно, чтобы была выявлена структура экспериментально-измерительной практики и показано, что в ней не может быть принципиально зафиксирован такой гипотетический объект, как мировой эфир. Принцип относительности как раз и характеризовал весьма существенные аспекты этой структуры. Поэтому противоречие постулатов картины мира принципу относительности означало, что данные постулаты не имеют операционального обоснования и должны быть пересмотрены.

В эйнштейновском анализе принцип наблюдаемости ипринцип относительности выступали не как внеположенные, а как связанные между собой. Первый из них задавал общую стратегию исследования, ориентируя на выявление и элиминацию из картины мира тех абстракций, которые не соответствуют постулатам измерения, второй — конкретизировал эту стратегию. Будучи истолкован как постулат измерения, он выступал в качестве одного из конкретных критериев наблюдаемости объектов, вводимых в картине мира.

С этих позиций Эйнштейн критиковал не только представление об эфире, но и постулат о существовании абсолютного пространства и времени. Последний выделял лабораторию, покоящуюся относительно абсолютного пространства, в качестве привилегированной системы отсчета, отличной от движущихся лабораторий.

Знаменитая статья “К электродинамике движущихся тел” начинается с указания на то, что такого рода подход, основанный на представлении об “абсолютном покоящемся пространстве”, порождает асимметрию в описании электродинамических явлений, которая самим явлениям не присуща. Отмечая, что такая асимметрия противоречит принципу относительности, Эйнштейн лишь после этого указывает на неудавшиесяпопытки экспериментально обнаружить движение Земли относительно эфира, интерпретируя эти факты как подтверждение несостоятельности концепции абсолютного пространства[28]. Главным же стимулом к пересмотру этой концепции было желание устранить ее несоответствие принципу относительности.

Таким образом, новые идеалы обоснования теории и соответствующие им новые нормативы физического исследования (принцип наблюдаемости и конкретизирующий его принцип относительности) целенаправляли перестройку физической картины мира и стимулировали построение новой фундаментальной физической теории.

После того как были выявлены “слабые точки” электродинамической картины мира, возникли новые проблемы. Элиминация представлений об эфире и абсолютном пространстве разрушала прежнюю картину физической реальности, на которую опиралось ядро электродинамики Максвелла—Лоренца. Поэтому требовалось установить, как это скажется на электродинамике движущихся тел. Не приведет ли изменение признаков эфира, абсолютного пространства и абсолютного времени к разрушению конструктов теоретической схемы, лежащей в фундаменте классической электродинамики (векторов электрического и магнитного полей, вектора плотности заряда-тока, инерциальной системы отсчета), поскольку признаки этих конструктов связывались с признаками объектов электродинамической картины мира.

Такого рода анализ лежал в основе формулировки второго (после принципа относительности) фундаментального принципа СТО — постулата постоянства скорости света.

Эфир в теории Лоренца включал важное физическое свойство: независимо от того, движется или покоится тело, излучающее свет, световой луч распространяется в системе, покоящейся относительно эфира, с универсальной скоростью с[29]. Чтобы элиминация эфира не разрушила классической электродинамики, требовалось постулировать, что существует система отсчета, в которой каждый световой луч распространяется в пустоте с универсальной скоростью с независимо от движения источника. Но поскольку, согласно принципу относительности, все инерциальные системы отсчета физически эквивалентны, то отсюда следовало, что принцип постоянства скорости света справедлив для любой системы отсчета[30], и это позволяло придать ему статус фундаментального постулата теории. Данный постулат включал специфическое содержание и в этом смысле был независим от принципа относительности. Последний, однако, позволял обосновать универсальность постулата о постоянстве скорости света, что явилось третьим важным шагом в формировании СТО.

Четвертый же, решающий шаг состоял в анализе измерительных процедур, посредством которых обосновывались свойства пространства и времени. В соответствии с идеалом операционального обоснования постулатов теории Эйнштейн тщательно проанализировал процедуры измерения пространственных и временных интервалов. Он выявил схему этих процедур, показав, что в их основе лежат операции с жесткими стержнями инерциальной системы отсчета и ее часами, синхронизированными с помощью световых сигналов[31]. Роль этих процедур в построении теории относительности достаточно полно проанализирована в методологической и историко-физической литературе. Однако не всегда подчеркивается то важное обстоятельство, что Эйнштейн из анализа схемы измерения временных и пространственных интервалов получил преобразования Лоренца (этот вывод содержится в работе Эйнштейна “К электродинамике движущихся тел”).

Такой вывод придавал преобразованиям Лоренца и их следствиям реальный физический смысл. Поскольку характеристики пространственных и временных интервалов, вытекающие из преобразований Лоренца, обосновывались схемой измерений, которая выявляла реальные пространственно-временные свойства и отношения природных объектов, постольку эти характеристики следовало считать отражением признаков пространства-времени самой природы.

На этом ключевом моменте построения теории относительности следует остановиться особо. В 60—80 годах в методологической и историко-научной литературе активно дискутировался вопрос о том, можно ли считать создателем теории относительности только А. Эйнштейна, или же ее следует считать созданной по меньшей мере Г. Лоренцем, А. Пуанкаре и А. Эйнштейном. Споры по этому вопросу по сей день ведутся историками науки. Действительно, при анализе работ Лоренца и Пуанкаре можно установить, что основное математическое содержание теории — преобразование пространственно-временных координат, обеспечивающих ковариантность законов как механики, так и электродинамики, были получены именно Лоренцем. Далее, Пуанкаре был первым, кто четко сформулировал принцип относительности для инерциального движения[32], высказал идею об относительности пространственного местоположения и об относительности одновременности[33]. В его же работах был также сформулирован в качестве основополагающего принципа измерения скорости принцип постоянства скорости света.

Таким образом получается, что аксиоматическая база теории относительности была создана до и независимо от творчества Эйнштейна. Как подчеркивает А.А.Тяпкин в своей статье, которая выступает послесловием к составленному им сборнику работ по специальной теории относительности “Принцип относительности” (1973), “крупнейшим математиком того времени Пуанкаре был сделан решающий вклад в открытие именно физических принципов построения релятивистской теории”[34]. Со всем этим можно было бы согласиться, если бы отнюдь не маленькое “но”. А именно, любые гипотезы и общие обоснования основных постулатов еще не дают теории, а из аксиом чисто дедуктивно не выводится ее основное содержание. Можно допустить, что Пуанкаре был действительно близок к созданию специальной теории относительности, но тем не менее он не сделал последнего и, наверное, самого главного шага. Он не доказал, что следствие из преобразований Лоренца об относительности пространственных и временных интервалов и сами преобразования Лоренца имеют реальный физический смысл, что это характеристики не фиктивного, а реального физического пространства и времени. В работах Пуанкаре отсутствует обоснование эмпирической интерпретации преобразований Лоренца, вне которой его гипотетические идеи относительно их возможной семантической интерпретации оставались только гипотетическими идеями и не более.

Мало обоснованными являются также утверждения, что соавтором теории относительности можно считать Лоренца. Спор о том, знал или не знал Эйнштейн статью Лоренца 1904 года, в которой были опубликованы новые преобразования пространственно-временных координат, не меняет дело. Главное в том, что Лоренц рассматривал свои преобразования как математическую форму, которая не требует радикального изменения классических представлений о пространстве и времени, а сохраняет их. “Местное время” у Лоренца — фиктивное, а не реальное физическое время. И то, что Лоренц полагал фиктивным пространством и временем, у Эйнштейна предстало как реальное физическое пространство и время, поскольку оно выводилось в качестве следствия из анализа идеализированных измерений, аккумулирующих существенные черты реального физического опыта.

Если все эти познавательные процедуры описать в терминах современного методологического анализа, то можно сказать, что Эйнштейн осуществил операцию конструктивного обоснования новых гипотетических свойств пространственно-временных интервалов, свойств, которые следовали из преобразования Лоренца. И эту операцию, которая связывала соответствующие величины с опытом и тем самым вводила преобразование Лоренца в качестве имеющих эмпирическую интерпретацию — эту познавательную процедуру осуществил именно Эйнштейн. И это было как раз то самое недостающее звено, которое связывало отдельные мозаичные предположения, принципы и математические выражения в целостную систему новой физической теории. Только после того как преобразования Лоренца получили связь с опытом, можно было полагать физически корректными все основные следствия из них ( закон сложения скоростей, закон изменения массы с изменением скорости, связь массы и энергии и т.п.). И эти следствия также вывел и обосновал А. Эйнштейн.

Потому его имя с полным правом фигурирует как имя создателя специальной теории относительности. Дж.Холтон совершенно справедливо отмечает, что “статья Лоренца в сущности не трактует теорию относительности так, как мы понимаем ее после Эйнштейна”.

Таким образом, решающий шаг, который определил создание теории, сделал только Эйнштейн, и не сделали его современники, размышлявшие над проблемами электродинамики движущихся тел. Именно Эйнштейн вывел преобразование Лоренца не из требований ковариантности уравнений, а на основе анализа локальной процедуры синхронизации часов. Пуанкаре отмечал важность такой процедуры, но не показал, как можно вывести отсюда преобразование Лоренца.

В методологическом отношении особо важно подчеркнуть, что подход Эйнштейна к обоснованию гипотез, связанных с новыми пространственно-временными преобразованиями был тем самым методом, который фиксировал своеобразный водораздел между классическим и неклассическим построением физической теории.

В явной форме процедура конструктивной проверки новых абстрактных объектов, возникающих на стадии гипотезы стала применяться только в неклассических исследованиях.

Ее можно обнаружить, например, в истории квантовой механики, когда знаменитые соотношения неопределенности, в принципе выводимые в качестве следствия из применяемых в математическом аппарате теории перестановочных соотношений, Гейзенберг получает на основе знаменитого мысленного эксперимента по наблюдению за положением электронов с помощью идеального микроскопа (Гейзенберг показал, что взаимодействие электрона с квантом света не позволяет одновременно со сколь угодно большой точностью установить его координату и импульс). Та же стратегия лежала и в основе процедур Бора — Розенфельда в квантовой электродинамике.

Только после того как величины и их основные признаки, вводимые “сверху” на основе математической гипотезы, получают подтверждение в системе мысленных экспериментов, аккумулирующих реальные особенности опыта, только после этого им можно приписывать реальный физический смысл. И тогда уже правомерно сопоставлять их новые свойства с конструктами физической картины мира и соответственно выносить вердикт относительно истинности тех или иных традиционных представлений о физической реальности. Собственно так и развертывалась теория относительности после того как Эйнштейн ввел новую интерпретацию преобразований Лоренца. Из физической картины мира были элиминированы представления о мировом эфире и об абсолютном пространстве и времени. Они были заменены релятивистскими представлениями. Правда, здесь еще не было целостного образа пространства-времени, но переход к нему уже обозначился. И хотя новое понимание пространства и времени, включенное в физическую картину мира, противоречило стереотипам обыденного здравого смысла, оно довольно быстро обрело признание в научном сообществе и отрезонировало в других сферах культуры.

Европейская культура конца XIX — начала XXвека всем своим предшествующим развитием оказалась подготовленной к восприятию новых идей, лежащих в русле неклассического типа рациональности. Можно указать не только на своеобразную перекличку между идеями теории относительности Эйнштейна и концепциями “лингвистического авангарда” 70—80-х годов XIX века (Й.Винтелер и др.), но и на их резонанс с формированием новой художественной концепции мира в импрессионизме и постимпрессионизме, а также новыми для литературы последней трети XIX столетия способами описания и осмысления человеческих ситуаций (например, в творчестве Достоевского), когда сознание автора, его духовный мир и его мировоззренческая концепция не стоят над духовными мирами его героев, как бы со стороны, из абсолютной системы координат описывая их, а сосуществуют с этими мирами и вступают с ними в равноправный диалог[35].

Этот своеобразный резонанс идей, развиваемых в различных сферах культурного творчества в конце XIX — начале XX столетия, обнаруживал глубинные мировоззренческие основания, на которых вырастала новая неклассическая наука и в развитии которых она принимала активное участие. Новые мировоззренческие смыслы, постепенно укоренявшиеся в эту эпоху в культуре техногенной цивилизации, во многом обеспечивали онтологизацию тех необычных для здравого смысла представлений о пространстве и времени, которые были введены Эйнштейном в физическую картину мира.

Дальнейшее развитие этих представлений было связано с творчеством Г.Минковского, который разработал новую математическую форму специальной теории относительности и ввел в физическую картину мира целостный образ пространственно-временнóго континуума, характеризующегося абсолютностью пространственно-временных интервалов при относительности их разделения на пространственные и временные интервалы в каждой инерциальной системе отсчета.

Утверждение в физике новой картины исследуемой реальности сопровождалось дискуссиями философско-методологического характера, в ходе которых осмысливались и обосновывались новые представления о пространстве и времени и новые методы формирования теории. В процессе такого анализа уточнялись и развивались философские предпосылки, которые обеспечивали перестройку классических идеалов и норм исследования и электродинамической картины мира. Таким путем они превращались в философские основания релятивистской физики, во многом способствуя ее интеграции в ткань современной культуры.

Таким образом, перестройка оснований науки не является актом внезапной смены парадигмы (как это считает Т. Кун) , а представляет собой процесс, который начинается задолго до непосредственного преобразования норм исследования и научной картины мира. Начальной фазой этого процесса является философское осмысление тенденций научного развития, рефлексия над основаниями культуры и движение в поле собственно философских проблем, позволяющее философии наметить контуры будущих идеалов научного познания и выработать категориальные структуры, закладывающие фундамент для построения новых научных картин мира.

Все эти предпосылки и “эскизы” будущих оснований научного поиска конкретизируются и дорабатываются затем в процессе методологического анализа проблемных ситуаций науки. В ходе этого анализа уточняется обоснование новых идеалов науки и формируются соответствующие им нормативы, которые целенаправляют построение ядра новой теории и новой научной картины мира.

Однако и на этой стадии еще не завершается формирование новых оснований научного поиска. Реальная исследовательская практика может внести коррективы в предварительно выработанные методологические установки. Показательно, например, что идея операционального контроля за понятиями и принципами теории на первых порах понималась Эйнштейном скорее в духе классических представлений о путях теоретического исследования (когда принципы рассматриваются как результат непосредственного обобщения опыта). Но после того как СТО была построена, выяснилось, что такое понимание не является адекватным, поскольку при построении СТО уже имелась предварительно созданная математическая структура (преобразования Лоренца) и ее гипотетическая интерпретация (относительность пространственных и временных интервалов), которая высвечивала необходимую для своего обоснования область опыта и тем самым ориентировала на применение в теоретическом поиске соответствующих операциональных структур.

Рефлексия над уже построенной теорией, как правило, приводит к уточнению и развитию методологических установок, к более адекватному осмыслению новых идеалов и норм, запечатленных в соответствующих теоретических образцах. Поэтому перестройка оснований науки включает не только начальную, но и завершающую стадию становления новой фундаментальной теории, предполагая многократные переходы из сферы специально-научного в сферу философско-методологического анализа.