Фізика та збільшення інформації

Наука, розглянута як більш-менш зв’язна система знань, знаходиться в постійному розвитку. Наукознавці з’ясували, що кількість інформації в ній зростає експоненціально. Але експоненціальне зростання науки в цілому. Якщо ж звернутися до конкретних, приватних наук, легко помітити, що є науки, які здаються завершеними і, навпаки, такі, що інтенсивно розвиваються; є, нарешті, науки, народження яких відбувається на наших очах. Думається, що ніхто не стане оскаржувати практичну завершеність евклідової геометрії. Всі, напевно, погодяться, що біофізика бурхливо розвивається, а квантова електроніка або космонавтика народилися на наших очах.

Всякий раз, коли нова система знання тільки починає формуватися, вона розвивається дуже інтенсивно: відкриття слідують одне за іншим, вік Нобелівських лауреатів різко знижується та інше. Потім, коли фундамент нової системи знання закладений, починається копітка екстенсивна робота з освоєння “застовплених” рубежів. Наука розвивається в основному вшир і відносно повільніше. Поки темпи зростання знання в ній не стануть практично невідчутними.

Але, — зауважить читач,— навіть класичні науки, які, здавалося б, давно завершені, продовжують поповнюватися новими знаннями.

Так,— погодиться автор. І не втримається від спокуси навести аналогію, яка йому дуже подобається,— зростання інформації в часі для відносно завершеної системи знань дуже схоже на… зарядку конденсатора великої ємності. Справді, підключимо конденсатор до джерела постійної напруги. Спочатку струм заряду буде рости швидко (експоненціально), а потім все повільніше (асимтотично). На графіку ми побачимо так звану логістичну криву. Цікаво, що повністю конденсатор зарядити неможливо – чим більше заряд, що накопичився на його обкладинках, тим менше струм заряду.

До речі кажучи, приватну науку теж завершити повністю неможливо: завжди будуть знаходитися нові точки її прикладення.

Застосуємо все сказане до фізики. Чи можна розглядати її як систему знання? Щоб не бути голослівними, звернімося до авторитетних висловлювань та думок. Як і годиться, точок зору цілий букет: виділяються окремі теорії, розділи, підрозділи. У кожного авторитету — своя класифікація.

Але, мабуть, найбільш природний поділ на фізику, заснований на принципах дальнодії (континуальності), і фізику, засновану на принципах близькодії (атомізму). Інакше кажучи, на класичну і на сучасну (до речі багато цікавих матеріалів з сучасної фізики можна знайти на Учметі – учбовому методичному порталі, а за посиланням отримати промокод на навчання).

Сучасна фізика — це не тільки фізика атомного ядра, елементарних частинок і теорія відносності. Це і застосування квантових методів в класичних областях, скажімо, у фізиці твердого тіла, і багато іншого. Коротше кажучи, майже все, чим займаються фізики сучасності.

Збагнути, що класична фізика свого часу почалася, а потім інтенсивно розвивалася, легко кожному. Багато хто також пам’ятає з книг, як молодому Максу Планку його професор Жоллі сказав, що в теоретичній фізиці майже нічого робити. Відомо, напевно, і те, що в кінці XIX століття фізики бачили тільки дві хмарки на ясному горизонті практично побудованого будинку фізики — так звану ультрафіолетову катастрофу і незрозумілий результат досліду Майкельсона та Морлі.

Ультрафіолетова катастрофа була такою, оскільки з суворих викладок випливало, що, наприклад, людина з температурою 36,6 С є потужним джерелом ультрафіолетового або тільки що відкритого рентгенівського випромінювання, чого на ділі, звичайно, не спостерігалося. З досвіду ж Майкельсона та Морлі випливало, що рух Землі щодо світлоносного середовища ефіру — зафіксувати з незрозумілої причини неможливо.

Взагалі-то кажучи, автор як фізик відчуває, що, напевно, були й інші хмарки, про які в популярних книжках через нестачу місця або ще з якої причини не пишуть. Це, наприклад, розбіжність між експериментальними і теоретично обчисленими значеннями питомої теплоємності твердих тіл, незрозуміле явище фотоефект, нескінченне значення енергії для точкового електрона і дещо інше. Але коли стало традицією говорити тільки про дві хмаринки, то, так і бути, не станемо порушувати її.

Отже, фізика в кінці позаминулого століття здавалася майже завершеною, інтерес до неї поступово падав, коротше кажучи, фізика розвивалася все повільніше і повільніше. (“Логістично” – підказує автору його внутрішній голос. Що ж, внутрішній голос — штука серйозна, і автору нічого не залишається робити, окрім як погодитися з ним.) Фізику можна розглядати як систему знання. В якості характерної величини наукознавцями взята інформація (точніше, кількість публікацій, яка приблизно пропорційна інформації).

Чи то в кінці позаминулого століття (з відкриттям Х-променів і радіоактивності), чи то на початку минулого століття народилася нова фізика. Вона, як і класична, розвивалася спочатку дуже бурхливо вглиб (згадаймо молодих і геніальних Альберта Ейнштейна, Вернера Гейзенберга, Поля Дірака, Луї де Бройля та інших), а потім стала вельми плідно розтікатися вшир. Процес цей йде і нині. Але як? Про фізику класичну судити нам легко – вона практично завершилася. А сучасна, фундаментом якої є теорія відносності і квантова фізика? Припустимо, що ми не знаємо, яка ступінь її завершеності («припустимо» — це для красного слівця, ми і насправді не знаємо, яка ступінь її завершеності). Звернемо увагу на те, що зростання інформації в ній експоненціальне. Але якщо зростання інформації експоненціальне, то, виходить, ми можемо говорити, що сучасна фізика не завершена.

Думка ця виглядає настільки незвичною, що її хочеться негайно відкинути як єретичну. Як це так — далека до завершення? Адже превелика маса науково-популярної літератури спирається на думку про близький кінець сучасної фізики! Автори науково-популярних книг чекають не дочекаються «божевільної» теорії, здатної вирішити протиріччя сучасної фізики і, можливо, включити її, сучасну фізику, в себе як окремий випадок. Адже включила ж в себе сучасна фізика класичну як граничний випадок!

Автори науково-популярної літератури аж ніяк не фантазери. За останні два десятиліття, як пише академік В. Л. Гінзбург, співвідношення питомої ваги проблем мікрофізики та макрофізики у фізичних реферативних журналах сильно знизилося в порівнянні з попередніми декількома десятиліттями – приблизно на порядок. Подібна картина спостерігається і для інших показників наукової активності. Медалістів на фізфаках зараз теж менше. Автор пам’ятає, що коли він вступав до університету, на спеціальність «ядерна фізика» з двадцяти п’яти зарахованих двадцять чотири поступили після першого іспиту — медалісти. «Простим смертним» залишалося вибирати спеціальності з менш інтригуючими назвами (до слова гарну спеціальність можна підібрати з допомогою Фоксфорду – центру онлайн навчання, а за посиланням так само можна отримати промокод на скиду до навчання).

Отже, багато хто вважає, що сучасна фізика закінчиться «якщо не сьогодні, то обов’язково завтра до обіду». Але пройшло вже більше двадцяти років після того, як Нільс Бор вимовив з приводу нелінійної спінорної теорії поля Вернера Гейзенберга слова, які стали знаменитими, що пропонована теорія недостатньо божевільна, щоб бути вірною. Минуло багато років, а нової теорії немає і немає.

Чи випадковість це? Швидше, навпаки, закономірність. Нової фізики немає, і їй ще рано з’являтися на світ, тому що стара, чи то пак сучасна, далеко не вичерпала своїх можливостей. Адже майбутня фізика повинна бути не просто черговою теорією, а такою фізикою, яка буде і логічним продовженням, і діалектичним запереченням сучасної. Але, образно кажучи, молода яблуня не плодоносить, поки не підійде пора.

Можливо, міркування ці здаються недостатньо переконливими для читача. Перейдемо від абстрактно-системного розгляду фізики до конкретно-системного. Вище вже говорилося, що класична фізика являє собою відносно завершену систему знання. Ця відносно завершена система може бути органічною, а може і не бути такою. Справді, купа піску або каменів — система цілком завершена, біоценоз — теж. І так далі. Але очевидно, що органічною система буде тоді і тільки тоді, коли її елементи не здатні до повноцінного самостійного існування. Перевіримо, чи підходить це до класичної фізики.

Будь-який її елемент, скажімо, закон Ома, має сенс тільки в рамках вчення про електрику. Сам по собі він є лише кілька значків, з’єднаних знаком рівності. Щоб сформулювати і застосувати закон Ома, треба знати, що таке напруга, опір, сила струму. Щоб зрозуміти, що є напруга або опір, треба ще глибше «влазити» у вчення про електрику. І так кожен елемент класичної фізики.

Висновок напрошується сам: класична фізика органічна. У такій системі зв’язки між елементами повинні бути досить сильні. Які елементи найкраще розглядати в першу чергу?

Це повинні бути досить загальні елементи, що відображають істотне у фізиці. Можна показати, що такими будуть закони зміни (динамічні, статистичні) і закони збереження. Звернімося до законів збереження.

Це, як вважають багато вчених, найбільш загальні із законів фізики. Дійсно, закони збереження енергії, маси, кількості руху та інші — як би знаходяться на передньому краї сучасної фізики: вони апріорі, заздалегідь, відсікають ті процеси, в яких не зберігається, наприклад, повна кількість енергії (так сказати, дозволяють робити все, крім того, що не можна). Тим самим закони збереження допоможуть знайти дозволені форми руху, а значить, і динамічні закони у вигляді рівнянь руху.

Закони збереження виконують і методологічні функції. Завдяки своїй спільності в нових теоріях вони часто застосовуються в колишньому вигляді, що не вимагає переформулювання. Складається досить цікава ситуація: теорії ще немає, і не передбачається, а її найбільш загальні закони, нехай навіть і не всі,— відомі!

Як обґрунтувати і показати системність законів збереження? У науці найчастіше робиться так: обгрунтування чогось передбачає погляд на досліджуване здалеку, зовні, зверху. Такий «мета-погляд» повинен бути досить широким. У нашому випадку це може бути погляд системника-філософа. Ось він.

Світ, як відомо, єдиний через матеріальність. Законами приватних наук, в тому числі і фізики, матеріальність і єдність повинні відображатися у вигляді зв’язності, системності законів цих наук. Звичайно, єдність законів науки може бути і не такою повною, як хотілося б. Адже конкретна наука вивчає не весь єдиний світ, а тільки його зріз, фрагмент. Але чи не надто повна ця єдність – питання другорядне. Важливіше, що вона є.

Отже, необхідність системності законів збереження обґрунтована. Залишилося найважче — показати її. Прикинемо, як може виглядати матеріальна єдність світу в світлі законів збереження або законів зміни, коротше – законів фізики, що вивчає загальні властивості і закони руху речовини і поля.

Для класичної фізики безсумнівний факт єдності законів зміни. Настільки безсумнівний, що не потребує особливого доказу. Справді, з порівняно невеликого числа вихідних законів виводиться вся будівля класичної фізики, що складається з поверхів механіки, термодинаміки та електродинаміки.

Що ж стосується законів збереження (а всі закони збереження класичної фізики, за винятком закону збереження заряду, є законами класичної механіки), то вони фіксують збереження тих чи інших кількісних сторін різних видів механічного руху. Інакше кажучи, грають роль вузлової лінії заходів, де одна міра руху органічно пов’язана з іншими.

(Насправді, за допомогою простих математичних дій неважко перейти від однієї міри до іншої. Наприклад, якщо продиференціювати по швидкості вираз для імпульсу, то отримаємо масу тіла. А проінтегрувавши за швидкістю той самий вираз для імпульсу, отримаємо кінетичну енергію. Таким чином, в ряду “маса, імпульс, енергія” кожен наступний член – інтегральна міра для попереднього. І назад: кожен попередній член – диференціальна міра для подальшого.)

Крім того, два будь-яких сусідніх члена діалектично протилежні, являють собою діалектичне заперечення один одного. Маса — це міра інертності тіла, імпульс ж — міра руху. Таким чином, ці закони збереження утворюють діалектичну систему. Таку систему утворюють і закони збереження для обертального руху.

Отже, діалектико-матеріалістичний принцип єдності світу знаходить своє втілення і підтвердження в класичній механіці (і класичній фізиці) не тільки в єдності законів зміни — трьох законів Ньютона, але і в єдності, системності законів збереження.

Тепер перейдемо до сучасної фізики. Для неї характерні закони збереження так званого зарядового типу: електричного заряду, баріонів заряду, дивацтва, парності та інші. Як вже говорилося вище, закони ці лежать у фундаменті сучасної фізики. Але поки що принцип, що дозволяє об’єднати їх в систему, не знайдений, не відкритий. Деякі з законів збереження вдалося емпірично висловити через інші. А тим часом число їх зростає. П’ять років тому були запропоновані нові закони збереження — для кварків — шарму та кольору. Але органічної системи законів збереження в сучасній фізиці поки немає. Виходить, що неорганічною повинна бути і система сучасного фізичного знання. Тобто неблизькою від завершення. Може бути, далекою.

— Що Земля кругла — це всі знають. А ти доведи.
— А навіщо?
— А щоб по-науковому…

Отже, те, що сучасна фізика не завершена, показано двічі. Але, дозвольте, вигукне читач, що розбирається у фізиці, – хіба це і так не ясно? Адже проблема єдиного опису гравітації і процесів в мікросвіті ще не вирішена. Немає гібрида загальної теорії відносності і квантової електродинаміки! Навіщо ж доводити незавершеність фізики ще й за допомогою системного підходу, намагаючись загнати в систему закони збереження?

Виправдовуватися почнемо здалеку. По-перше, факт системності законів збереження сам по собі цікавий. По-друге, давайте встанемо в положення фізиків, які в 1956 році були вражені тим, що парність в слабких взаємодіях порушується. Інакше кажучи, ліве в мікросвіті відрізняється від правого. Відрізняється, хоча це ні з яких рівнянь не слідує – не повинно начебто бути переважного напрямку.

З цього приводу професор Д. І. Блохінцев на одній науковій конференції якось кинув репліку з місця, що, мовляв, коли читаєш популярну лекцію про елементарні частинки, то порушення парності ніякого здивування у широкої публіки не викликає. Мовляв, що тут дивного? У макросвіті є праве і ліве. А чому в мікросвіті має бути інакше?

Розвинемо цю думку відвідувача публічних лекцій з фізики. Мовляв, сноби-фізики вважають, що дійсність повинна описуватися тільки «їхніми» рівняннями і нічим більше. Занадто, мовляв, довіряють фізики своїм рівнянням.

Але що накажете снобам-фізикам робити? Можна, звичайно, сказати, що рівняння неточні, неповні і т. п. Однак така критика буде неконструктивною. Адже замість «нехороших рівнянь» треба пропонувати щось вартісне, «хороше». Фізики тому і довіряють своїм рівнянням, що інших немає.

Отже, ситуація з відкриттям порушення парності може бути прокоментована так: експериментально доведено, що світ несиметричний. Що рівняння сучасної фізики не вичерпують всього різноманіття світу.

Приклад фізиків надихнув автора, і він спробував показати, що класична фізика, її закони збереження системні. А сучасна і начебто системна фізика не така вже й системна. І тому далека від завершення. Хоча це і без доказів ясно. Чи ясно?..

Автор: В. Обухів.