ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ КАК ГЕНЕРАЛЬНАЯ ЛИНИЯ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ
Эйнштейн не пассивно критиковал квантовую теорию, он стремился найти другую основу физики. Ему казалось, что его собственный опыт построения теории относительности и теории тяготения подсказывает ему верный путь. Надо найти простейший «концептуальный фундамент» и из него рациональным путем развить все законы природы. Вещество, электромагнитное поле, поле тяготения,— не слишком ли много расчленений произвел человек в природе? Природа едина и ее законы должны быть выражены в единой теории. Эти идеи привели Эйнштейна к выработке собственной генеральной линии развития физики. Можно проследить четыре ступени развития, намеченные Эйнштейном. Первая — формулировка теории электромагнитного поля, инвариантная для всех инерциальных систем, и разработка в связи с этим теории относительности. Вторая — обобщение принципа относительности на все, в том числе и неинерциальные, системы и выработка «общей теории относительности» (точнее — обобщенной теории тяготения). Третья — обобщение полей электромагнитного и тяготения на базе последнего и выработка «единой теории поля». Четвертая — обобщение частиц вещества как сингулярностей (особых областей) поля и выработка единой физической теории внешнего мира-континуума. Все другие физические теории из этой схемы выпадают. Первые две ступени были пройдены примерно в 1900— 1916 годах, и Эйнштейн приступил к выполнению третьего этапа, над которым работал до конца жизни. Метод обобщения полей в единой теории поля, если не входить в подробности, состоит в следующем. По Эйнштейну, поле тяготения определяет геометрическую структуру пространственно-временного континуума, создавая в нем определенную метрику; этот континуум задается набором некоторых функций — компонент g(( метрического тензора. В теории тяготения Эйнштейна учитывалось влияние на метрику пространства только тензора энергии-импульса, создаваемого распределением масс. Но электромагнитное поле также создает тензор энергии-импульса, следовательно, и оно должно делать вклад в метрику пространства. Это давало надежду на успех создания единой теории поля. С точки зрения сторонников этой идеи нужно было только отыскать некоторые дополнительные произвольные функции, описывающие негравитационное поле. Однако не существует никаких объективных указаний на то, как осуществить включение этих новых функций. Самим Эйнштейном и другими авторами предложено несколько вариантов, число которых уже превышает два десятка. Путь формального обобщения оказывается неоднозначным. В силу этого, как справедливо отмечает известный исследователь «пространств Эйнштейна» А. З. Петров, «все существующие «единые теории» не вышли за рамки отвлеченных построений, не привели к сколько-нибудь значительным открытиям или следствиям, допускающим экспериментальную проверку. Их эвристическое значение равно нулю ». Создалась ситуация, напоминающая ту, перед которой в свое время стоял Декарт. Естественно возникает общий вопрос: правомерна ли сама постановка задачи о создании единой физической теории как конечной цели физики, в чем эта цель состоит и каковы пути ее решения? По Эйнштейну, она состоит в сведении всех типов закономерностей и всех типов объектов к единой закономерности и к единому объекту — обобщенному геометрическому образу, описываемому непрерывными дифференциальными уравнениями, отражающими однозначную связь компонентов поля. Так Эйнштейн понимал единство мира, и эта его трактовка в философском аспекте ничуть не глубже механистических трактовок единства мира конца XIX века. Глубже только ее физическая основа. Но единство мира состоит не в сведении качественных многообразий мира к количественному различию (см. стр. 54—55), а в том, что многообразные качественные образования в мире взаимно связаны друг с другом и переходят друг в друга при определенных условиях. Если физика прошлого века открыла взаимные превращения различных видов энергии, то в наше время она уже открыла взаимные превращения друг в друга элементарных частиц. С каждым годом раскрываются все большие возможности их взаимных превращений. Можно полагать, что взаимопревращения — это всеобщий закон природы. Наличие закономерных взаимосвязей и взаимопереходов качественных образований в природе естественно приводит к идее о потенциальной возможности создания единой теории, охватывающей по крайней мере все физические процессы в мире. В самом деле, поскольку в этих превращениях одни физические категории переходят в другие, постольку, по-видимому, возможно в перспективе отыскать такую физическую теорию, которая обобщала бы все эти категории в единой логической системе. Спор, следовательно, может идти не о самой постановке вопроса о единстве мира, а о трактовке смысла единства и о путях реализации единой физической теории. Очевидно, единая теория должна отвечать ряду требований; здесь мы отметим важнейшие условия ее реализации, как они нам представляются. Ясно, что единая физическая теория может быть получена не путем рационалистического метода обобщения, по Эйнштейну, а путем обобщения, в котором теория появляется как условие совместности разнообразных, но относящихся к единому объекту явлений, или же — для данной задачи — как условие совместности частных физических теорий. Это означает, что, строя единую теорию, нельзя игнорировать те теории, в отношении которых уже установлено, что они отражают некоторые реальные процессы мира, хотя эти теории и не укладываются в рационалистическую схему. Единая физическая теория не может игнорировать, например, закономерности, от- крытые квантовой теорией,— квантованность микрообъектов и процессов, их двойственную природу, статистические закономерности, определение состояний через потенциальные возможности и т. д. Учитывать эти закономерности тем более необходимо, что уже сейчас ясно: сам образ поля, в котором Эйнштейн желает найти убежище, вовсе не снимает всех проблем и трудностей, которые он стремится игнорировать или обойти. Поля непрерывны только в макроскопическом масштабе. В микромасштабе поля прерывны, и Эйнштейн сам был пионером в утверждении квантовой структуры электромагнитного поля. Теория тяготения Эйнштейна разрабатывалась им как неквантовая теория; но она применима для ограниченных областей пространства, нижний предел которых равен 1,6*10-33см. «В меньших масштабах существенными должны стать квантовые флуктуации метрики ». Этой возможности Эйнштейн не предусматривал. В порядок дня встал вопрос об экспериментальном установлении гравитационных волн. Эйнштейн не исключал возможности их открытия. Но обнаружение гравитационных волн, несомненно, повлечет за собой открытие квантов полей тяготения — гравитонов. Открытие гравитационных волн и гравитонов, конечно, требует усовершенствования экспериментальных методов. Оно, несомненно, раскроет новую широкую область фактов, как это было при открытии электромагнитных волн. В частности, оно позволит подойти к решению проблемы энергии гравитационного поля, которая в схеме единых теорий не находит своего решения ввиду того, что энергия не находит здесь своего однозначного выражения и зависит от выбора системы координат. А. 3. Петров справедливо отмечает настоятельную необходимость экспериментальных исследований поля гравитации. «Пока теория будет питаться таким скудным фактическим материалом, как это было до сих пор, ни о какой серьезной физической науке в современном значении этого слова не может быть и речи»,— пишет он. Тот же автор отмечает характерную статистику научных работ, показывающую сильное уменьшение числа работ, посвященных формальной разработке «единых теорий», и, напротив, увеличение числа работ, посвященных проблеме энергии поля, анализу основных посылок теории, их физической обоснованности. Но что означают этот вывод о необходимости увеличения экспериментальных исследований и эта статистика, характеризующая изменение характера исследований, как не признание того, что новая теория должна явиться результатом не спекулятивных методов, а рассмотрения условий совместности относящихся к проблеме экспериментальных фактов? Все сказанное означает, что даже проблема гравитационного поля не может быть рассмотрена во всем ее объеме в том аспекте, который предлагает Эйнштейн. Естественно, что этот неквантовый аспект не может служить основой для «теории единого поля». Вообще ни одна какая-либо отдельная теория,— будет ли то теория тяготения (как думал сам Эйнштейн) или же теория элементарных частиц, или какая-либо иная,— не может быть единственной основой единой физической теории. Но, поскольку она может быть только обобщением ряда частных физических теорий,— квантовой механики, квантовой электродинамики, теории элементарных частиц, теории ядра, будущей квантовой теории гравитации и прочих,— очевидно также, что для обобщенной единой теории должен выполняться специфический принцип соответствия, как и для любой обобщенной теории, но, быть может, в какой-то «разветвленной» форме. Это означает, что при некоторых предельных значениях соответствующих характеристических параметров обобщенная физическая теория должна будет принимать форму тех частных теорий, которые послужили исходными элементами для обобщения. Ясно, что перспективы такого обобщения еще не очень близки. Известно, с какими пока непреодоленными трудностями встретилась квантовая теория полей, которая еще не получила сколько-нибудь законченной формы. Далеко не ясно, достаточно ли вообще известных «узловых теорий», которые могут послужить элементами единой теории. И во всяком случае будет правильным вывод, что единая физическая теория, отображающая все физические процессы природы, никогда не будет замкнутой и завершенной, так как процесс раскрытия новых свойств природы, так же как и процесс их возникновения, никогда не завершается. Единая физическая теория есть только некоторый идеал, к которому можно и следует стремиться, сознавая, однако, что никакая единая теория не может исчерпать богатство мира. Идее создания единой теории поля Эйнштейн отдал последние четыре десятилетия своей жизни. А в это время перед экспериментальной и теоретической физикой широким потоком возникали многочисленные актуальные проблемы, появлялись новые теории — квантовая механика, физика ядра, физика элементарных частиц, квантовая электродинамика, физика твердого тела и другие. Эти проблемы не занимали Эйнштейна. В бурном потоке открытий элементарных частиц, полей, взаимодействий нового типа Эйнштейн, по-видимому, не видел никакого материала для размышления физика-теоретика об эволюции физики и ее задачах. Не случайно в книге, посвященной эволюции физики, не освещены проблемы ядерной физики; авторы сами мотивировали это тем, что их интересуют только общие идеи физики (стр. 211). Экспериментальный материал ядерной физики не укладывался в их схему эволюции физических идей. По свидетельству И. Е. Тамма, Эйнштейн в одной из бесед утверждал, что «уже факт существования электрона должен быть достаточным для построения основ общей теории элементарных частиц ». Но из этого следует, что эту теорию уже можно было построить в 1905 году — время появления теории относительности. И тот огромный новый материал, который накоплен экспериментальной физикой за последние десятилетия,— открытие многих новых элементарных частиц, в том числе и античастиц, открытие их взаимных превращений и их новых свойств (например, четности, странности),— оказывается, не имеет отношения к общей теории элементарных частиц! Приведенное выше высказывание Эйнштейна, равно как и его отношение к открытиям современной физики, характеризует его рационалистический метод, его крайнюю одностороннюю целеустремленность, его стремление отыскать формальный метод устранения из физики электрона, о котором он в упомянутой И. Е. Таммом беседе сказал, что всегда считал электрон «чужеземцем в стране классической электродинамики». И действительно, эти идеи Эйнштейн высказывал еще в 1909 году в статье «К современному состоянию проблемы излучения». Выдающиеся физики, друзья Эйнштейна, высоко ценившие его как ученого, относились скептически к его попыткам создать единую теорию поля. Так, из ученого, в котором ранее видели «вождя и знаменосца», Эйнштейн превратился в ученого-одиночку, который не только шел в физике своим путем, но и отрицал ряд основных идей современной квантовой физики, хотя и признавал ее огромные фактические достижения. И отрицал как раз те идеи, развитию которых он сам столь энергично содействовал в ранние годы. Свое одиночество сознавал и сам Эйнштейн, что он неоднократно отмечал в переписке с друзьями, крупнейшими физиками современности. Он хорошо сознавал и трудности своего пути. Много раз Эйнштейна окрыляла надежда, что наконец-то он достиг своей цели и единая теория поля создана. Но каждый раз он сам находил изъяны в выполненной работе и снова принимался за трудные исследования. Это продолжалось многие десятилетия. Какое же мужество, какую убежденность и силу воли должен был проявить стареющий ученый в этой упорной, но не дававшей желанных результатов, работе! Вот как сам Эйнштейн характеризовал результаты этой работы в «Автобиографических набросках» (март 1955): «Со времени завершения теории тяготения теперь прошло уже сорок лет. Они почти исключительно были отданы усилиям вывести, путем обобщения теории полей тяготения, единую теорию поля, которая могла бы образовать основу для всей физики. С той же целью работали многие. Некоторые обнадеживающие попытки я впоследствии отбросил. Но последние десять лет привели, наконец, к теории, которая кажется мне естественной и обнадеживающей, Я не в состоянии сказать, можно ли считать эту теорию физически полноценной; это связано с пока еще непреодолимыми математическими трудностями, которые, впрочем, встречаются при применении любой нелинейной теории поля. Кроме того, вообще кажется сомнительным, можно ли из теории поля вывести атомистическую структуру вещества и излучения, а также квантовые явления. Большинство физиков без сомнения ответят убежденным «нет», ибо они полагают, что квантовая проблема должна решаться принципиально иным путем. Как бы то ни было, нам в утешение остаются слова Лессинга: стремление к истине ценнее, чем гарантированное обладание ею». Такова его самая последняя, данная за месяц до кончины, оценка своих усилий вывести путем обобщения полей тяготения единую теорию поля, которая могла бы образовать основу для всей физики. Эта оценка не стимулирует физиков идти по его пути. Это и есть та персонифицированная драма идей, о которой Эйнштейн умолчал в книге, только косвенно затронув в ней трудности, все еще не решенные физикой.
Ви переглядаєте статтю (реферат): «ЕДИНАЯ ТЕОРИЯ ПОЛЯ КАК ГЕНЕРАЛЬНАЯ ЛИНИЯ РАЗВИТИЯ ФИЗИКИ» з дисципліни «Еволюція фізики»
