АНАЛОГИЯ В ПОЯВЛЕНИИ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ ПОСТОЯННЫХ

 

К.А.Томилин

 

 

Существует аналогия в появлении в физике фундаментальных постоянных c, h и e. Все эти три постоянные были введены учеными для обоснования конкретных эмпирических законов вопреки основным парадигмальным установкам, которые были общеприняты в то время и которым следовали сами эти ученые.

1. Мгновенность света была общепринятым воззрением в начале XVII в. Сторонником мгновенности "действия света" был и Р.Декарт, обосновывая это, в частности, отсутствием соответствующих астрономических эффектов. Для обоснования законов распространения света в "Диоптрике" Декарт применил несколько различных сравнений (comparaisons). Наиболее продуктивным оказалось сравнение "действия лучей света" и движения мяча, примененное Декартом к объяснению преломления, а также метод разложения движения на две составляющие (и то, и другое ранее применил еще Альхазен). Последовательное применение оптико-механической аналогии приводит к признанию конечности скорости света, поскольку предполагает изменение скорости тела при его переходе из одной среды в другую. Это противоречило общепринятым воззрениям начала XVII века о мгновенности света, но позволило Декарту обосновать найденный эмпирически закон преломления (закон синусов). В "Диоптрике" Декарт оперировал понятием "наклон луча" и избежал введения понятия скорости света. Еще до публикации "Диоптрики" противоречие между использованной Декартом моделью и представлениями о свете, было осознано П.Ферма и высказано в сентябре 1637 г. в письме Декарту, как недопустимость распространения на свет свойств движения тел, поскольку скорости тел конечны и переменны, в то время как свет, как он считал, распространяется мгновенно. В дальнейшем, в 1661 г. Ферма удалось открыть принцип наименьшего времени и с его помощью обосновать закон преломления уже в рамках новой парадигмы конечности скорости света. Декарт же, отвечая на первоначальную критику Ферма или предвосхищая аналогичную критику, перед применением своих сравнений в "Диоптрике" сделал специальную оговорку, что не собирается "вскрывать истинную природу света" и "чтобы объяснить обнаруживаемые из опыта свойства света" "достаточно воспользоваться двумя или тремя сравнениями". "В этом я подражаю астрономам, которые, хотя их гипотезы почти всегда ошибочны или недостоверны, делают весьма правильные заключения, опирающиеся на различные выполненные ими наблюдения" [1, с.70]. Ясно, что Декарт осознавал неприемлемость оптико-механической аналогии с точки зрения основной парадигмальной установки того времени – мгновенности света, но допускал эту аналогию для обоснования эмпирического закона преломления, одновременно оставаясь сторонником мгновенности света. М.Льоцци объяснил это неизбежной "долей эмпиризма", который присутствует в любой науке и "который позволил, например, Ньютону допустить действие на расстоянии, хотя он был убежден, что даже бог не может действовать на расстоянии" [2, с.116].

2. Одной из основных парадигм классической физики является непрерывность и инфинитезимальность всех физических величин, что проявляется, в частности, в математическом аппарате дифференциального и интегрального исчисления. Максвелловская электродинамика является в этом смысле типично классической теорией, поэтому квантование заряда и факт существования элементарного заряда являются чужеродными для максвелловской электродинамики. Эта дисгармония с максвелловской теорией во многом обусловила длительность процесса признания существования элементарного заряда. Однако, интересно, что идея элементарного заряда была выдвинута самим Дж.К.Максвеллом и именно в "Трактате об электричестве и магнетизме", наряду с построением концепции электромагнитного поля. Максвелл столкнулся с проблемой объяснения эмпирически открытых усилиями М.Фарадея и др. физико-химиков законов электролиза. "В духе спекуляций молекулярной теории" Максвелл предположил постоянство числа молекул в одном электрохимическом эквиваленте N (ныне это число Авогадро NA). Основную трудность вызвало объяснение эмпирически известного факта индуцирования фиксированного заряда при соединении различных молекул с разными "электродвижущими силами". Чтобы "перескочить (leap over) через эту трудность", Максвелл выдвинул предположение о постоянстве молекулярного заряда, который назвал "одной молекулой электричества" (one molecule of electricity) (в настоящее время общепринятый термин – элементарный заряд e). Идея "молекулы электричества" совершенно противоречила всему духу его трактата. Однако, как отмечал сам Максвелл, хотя эта идея "груба (gross) и не гармонирует (out of harmony) с остальным содержанием этого трактата, она позволит нам, по крайней мере, четко установить то, что известно об электролизе" [3, т.1, с.308]. Таким образом, Максвелл сознательно пошел на установление постулата, дисгармонировавшего с одной из основных парадигмальных установок классической физики и развитой им электродинамики, с целью достижения конкретного результата – обоснования эмпирического закона электролиза (в настоящее время известного как F=NAe).

3. Появление в физике постоянной Планка в методологическом плане аналогично введению Максвеллом "молекулы электричества". Также, как и Максвелл, М.Планк опирался на парадигмы классической науки, однако столкнулся с проблемой обоснования, в рамках максвелловской теории, закона излучения, найденного эмпирически. Он предположил, вопреки классическим представлениям об энергии, как непрерывной величине, что полная энергия системы осцилляторов состоит из целого числа "элементов энергии" (Energieelementen) [4, с.261]. Это дало возможность получить правильную формулу закона излучения, хотя противоречило основным парадигмальным установкам классической физики, приверженность к которым сохранял и Планк. "В то время введение h рассматривалось не более как целесообразный методологический прием, не имеющий глубокого физического смысла", – отмечает М.Джеммер [5, с.34]. Противоречие этого приема с общепринятой парадигмой приводило Планка и других ученых к "попыткам как-то включить h в рамки классической физики". Однако, оказалось, что этот "искусственный вычислительный прием" (rechnerischer Kunstgriff) имеет глубокий физический смысл. "Провал всех попыток перекинуть мост через эту пропасть вскоре не оставил более никаких сомнений в том, что квант действия играет фундаментальную роль в атомной физике, и с его появлением в физической науке наступила новая эпоха, ибо в нем заложено нечто, до того времени неслыханное, что призвано радикально преобразить наше физическое мышление, построенное на понятии непрерывности всех причинных связей с тех самых пор, как Ньютоном и Лейбницем было создано исчисление бесконечно малых", – писал впоследствии Планк в "Научной автобиографии" [4, с.661].

Итак, ученые во всех этих случаях (появление других универсальных постоянных, например, гравитационной постоянной G, не нарушало парадигмальных установок) пошли на нарушение глобальной парадигмы с целью достижения локального успеха – обоснования некоего эмпирического закона, обоснование которого в рамках основной парадигмы оказалось проблематичным. Во всех этих случаях они и их современники остались верными основной парадигме и прикладывали усилия, чтобы достичь того же успеха, но в рамках общепринятой парадигмы. Во всех этих случаях примененные учеными приемы ad hoc, представлявшие собой локальное и временное, как им казалось, нарушение парадигмы, привели к дальнейшему прогрессу физики, к осмыслению этих приемов, как отражающих физическую реальность и переформулировке самих основополагающих парадигм. Поведение ученых, которые идут на нарушение парадигмы ради обоснования конкретных эмпирических законов, аналогично поведению политиков, которые вынужденно идут на прагматичные шаги, противоречащие своей идеологии.

 

 

Список литературы

1. Декарт Р. Рассуждение о методе, с прил. "Диоптрика", "Геометрия", "Метеоры", Л., Наука, 1953.

2. Льоцци М. История физики, М., Мир, 1970.

3. Максвелл Дж.К. "Трактат об электричестве и магнетизме", т.1-2, М., Наука, 1989.

4. Планк М. Избранные труды, М., Наука, 1975.

5. Джеммер М. Эволюция понятий квантовой механики, М., Наука, 1985.