"Эволюция физики" - читать интересную книгу автора (Эйнштейн А., Инфельд Л.)

А. ЭЙНШТЕЙН, Л. �НФЕЛЬД

ЭВОЛЮЦ�Я Ф�З�К�

РАЗВ�Т�Е �ДЕ� ОТ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ ПОНЯТ�Й ДО ТЕОР�� ОТНОС�ТЕЛЬНОСТ� � КВАНТОВ

I. Р  Рђ РЎ Р¦ B E T Рњ Р• РҐ Рђ Рќ Р� РЎ Рў Р� Р§ Р• РЎ Рљ Рћ Р“ Рћ Р’ Рћ Р— Р— Р  Р• Рќ Р� РЇ
Великая повесть о тайнах природы.— Первая руководящая идея.— Векторы.— Загадка движения.— Еще одна руководящая идея.—Является ли теплота субстанцией. — Увеселительная горка.— Мера превращения. — философские воззрения.— Кинетическая теория вещества.

ВЕЛ�КАЯ ПОВЕСТЬ О ТАЙНАХ ПР�РОДЫ
В нашем воображении рисуется книга. Это искусно написанная повесть о событиях, обстоятельства которых скрыты от нас под покровом загадочных тайн. Повесть эта дает нам все существенные путеводные нити и заставляет нас создать свою собственную теорию происходящего. Если мы внимательно следуем замыслу повести, мы приходим к полному раскрытию всех обстоятельств еще раньше, чем автор раскрывает их в конце книги. Само это раскрытие, если речь идет не о плохой повести, не разочаровывает нас: оно появляется в тот самый момент, когда мы его ждем.
Можем ли мы уподобить читателя такой книги ученым, которые через все следующие друг за другом поколения продолжают добиваться раскрытия тайн в книге природы? Сравнение неверно и его нужно впоследствии отбросить, но оно имеет некоторое оправдание; его следует расширить и видоизменить, чтобы сделать более соответствующим попыткам науки разгадать тайну Вселенной.
Эта великая повесть о тайнах еще не окончена. Мы даже не можем быть уверены в том, что она имеет окончательное завершение. Но уже само чтение дало нам много. Оно научило нас основам языка природы. Оно позволило нам понять многие путеводные нити и было источником радости и духовного подъема в периоды усиленного продвижения науки. Но мы ясно представляем себе, что, несмотря на все прочитанные и разобранные тома, мы еще далеки от ее конца, если, конечно, такой конец вообще существует. В каждой стадии мы стремимся найти объяснение, находящееся в согласии с уже открытыми идеями.
7
Теории, принятые в качестве пробных, объяснили много фактов, но никакого общего решения, совместимого со всем тем, что нам известно, пока еще не достигнуто. Очень часто совершенная на вид теория оказывалась неверной. Появляются новые факты, которые противоречат теории или же не объясняются ею. Чем больше мы читаем, тем более полно и высоко оцениваем совершенную конструкцию книги, хотя полная разгадка ее тайн кажется все удаляющейся по мере того, как мы продвигаемся вперед.
Со времени великолепных рассказов Конан-Дойля почти в каждой детективной новелле наступает такой момент, когда исследователь собрал все факты, в которых он нуждается, по крайней мере, для некоторой фазы своей проблемы. Эти факты часто кажутся совершенно странными, непоследовательными и в целом не связанными. Однако великий детектив заключает, что в данный момент он не нуждается ни в каких дальнейших розысках и что только чистое мышление приведет его к установлению связи между собранными фактами. Он играет на скрипке, или, развалившись в кресле, наслаждается трубкой, как вдруг, о Юпитер, эта связь найдена! Он не только уже имеет в руках объяснение всех обстоятельств дела, но он знает, какие другие определенные события должны были случиться. Так как теперь он совершенно точно знает, где искать их, он может, если ему хочется, идти собирать дальнейшие подтверждения своей теории.
Ученый, читая книгу природы, если нам позволено будет повторить эту банальную фразу, должен сам найти разгадку, потому что он не может, как это часто делает нетерпеливый читатель других повестей, обратиться к концу книги. В нашем случае читатель — это тоже исследователь, который ищет, как объяснить, хотя бы отчасти, связь событий между собой. Чтобы получить даже частичное решение этой задачи, ученый должен собирать неупорядоченные факты и своим творческим мышлением делать их связанными и понятными.
Наша цель — в последующих страницах описать в общих чертах, какова работа физиков, соответствующая чистому мышлению исследователя. Мы будем, главным образом, касаться роли мыслей и идей в смелых исследованиях, имеющих целью познание физического мира.
8

ПЕРВАЯ РУКОВОДЯЩАЯ �ДЕЯ
Попытки прочитать великую повесть о тайнах природы так же стары, как н само человеческое мышление. Однако лишь немногим более трех столетий назад ученые начали понимать язык этой повести. С того времени, т. е. со времени Галилея и Ньютона, чтение продвигалось быстро. Развилась техника исследования, систематические методы отыскания и изучения руководящих идей. Были разрешены некоторые загадки природы, хотя многие решения в свете дальнейших исследований оказались временными и поверхностными.
Самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за ее сложности,— это проблема движения. Все движения, которые мы встречает в природе,— движение камня, брошенного в воздух, движение плывущего в море корабля, движение повозки, тянущейся вдоль улицы,— в действительности очень сложны. Чтобы понять все эти явления, лучше всего начать с наиболее простых возможных случаев и постепенно продвигаться к более сложным. Рассмотрим тело, находящееся в покое. Чтобы изменить положение такого тела, необходимо оказать некоторое воздействие на него, толкнуть или поднять, или заставить действовать на него другие тела, например лошадь или паровую машину. Наша интуиция связывает движение с такими действиями, как толчок или тяга. Повторение опыта заставило бы нас отважиться на дальнейшее утверждение, что если мы хотим, чтобы тело двигалось быстрее, мы должны толкать его сильнее. Кажется естественным заключение, что чем сильнее действие, оказываемое на тело, тем больше будет его скорость. Карета, запряженная четверкой лошадей, движется быстрее, чем карета, запряженная парой. Таким образом, интуиция говорит нам, что скорость существенно связана с внешним воздействием.
Для читателей детективных выдумок привычно, что фальшивая нить запутывает повесть и отдаляет ее разрешение. Метод рассуждения, навязываемый интуицией, неверен и приводит к ложным идеям о движении, которые сохранялись в течение столетий. Может быть, главным
9
основанием продолжительной веры в эту интуитивную идею повсюду в Европе был великий авторитет Аристотеля. В “Механике”, в продолжение двух тысяч лет приписываемой ему, мы читаем:
“Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие”.
Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу.
Но где интуиция ведет к ошибкам? Правильно ли сказать, что карета, запряженная четверкой лошадей, должна двигаться быстрее, чем запряженная только двумя?
Проверим ближе основные факты движения, начиная с простых повседневных опытов, хорошо известных человечеству с начала цивилизации и полученных в жестокой борьбе за существование.
Предположим, что некто, идущий по горизонтальной дороге с багажной тележкой, внезапно перестает ее толкать. Тележка будет двигаться еще некоторое время, пройдя небольшое расстояние, а затем остановится. Мы спрашиваем: как можно увеличить это расстояние? Для этого имеются различные способы, например смазывание колес или устройство более гладкой дороги. Чем легче вращаются колеса и чем ровнее дорога, тем дальше будет двигаться тележка. А что же дает смазывание колес или сглаживание неровностей пути? Только одно: становится меньше внешнее влияние. Уменьшается эффект, называемый трением, как в колесах, так и между колесами и дорогой. Это уже теоретическое толкование наблюдаемых данных, толкование, которое пока еще произвольно. Один важный шаг дальше, и мы попадем на правильный след. Представим себе совершенно гладкий путь и колеса, вовсе не имеющие трения. Тогда ничто не остановит тележки и она будет катиться вечно. Этот вывод достигнут только размышлением об идеализированном эксперименте, который никогда не может быть осуществлен, так как невозможно исклю-
10
чить все внешние влияния. �деализированный эксперимент указывает путь, на котором фактически были установлены основы механики движения.
Сравнивая оба метода подхода к проблеме, мы можем сказать, что интуитивная идея такова: чем больше воздействие, тем больше скорость. Таким образом, наличие скорости показывает, действуют ли на тело внешние силы. Новый же путь, указанный Галилеем, таков: если ничто не толкает и не тянет тело или если на тело ничто не действует каким-либо другим образом, короче говоря, если на тело не действуют никакие силы, оно покоится или движется прямолинейно и равномерно, т. е. всегда с одинаковой скоростью по прямой. Следовательно, скорость сама по себе не показывает, действуют ли на тело внешние силы или нет. Правильный вывод Галилея был сформулирован спустя поколение Ньютоном в виде закона инерции. Этот закон — обычно первое из физики, что мы выучиваем в школе наизусть, и многие из нас могут его вспомнить.
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменять его под влиянием действующих сил.
Мы видели, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением. Этот идеализированный эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов
�з многообразия сложных движений в окружающем нас мире мы выбираем в качестве первого примера прямолинейное и равномерное движение. Это движение — простейшее, ибо при этом на движущееся тело не действуют никакие внешние силы. Однако прямолинейное и равномерное движение никогда нельзя реализовать; камень, брошенный с башни, или тележка, толкаемая вдоль дороги, никогда не могут двигаться абсолютно прямолинейно и равномерно, потому что мы не можем полностью исключить влияния внешних сил.
В хорошей повести о загадочных тайнах самые очевидные нити часто ведут к ложным подозрениям. В наших попытках понять законы природы мы подобным же
11
образом находим, что самое очевидное интуитивное объяснение зачастую бывает ложным.
Человеческое мышление творит вечно изменяющуюся картину вселенной. Вклад Галилея в науку состоял в разрушении интуитивного воззрения и в замене его новым. В этом — значение открытия Галилея.
Но немедленно же возникают дальнейшие вопросы о движении. Если не скорость является показателем внешней силы, действующей на тело, то что же тогда? Ответ на этот фундаментальный вопрос был найден Галилеем, а вернее Ньютоном; он образует новую руководящую идею в наших исследованиях.
Чтобы найти правильный ответ, мы должны немного глубже вдуматься в опыт с тележкой на абсолютно гладкой дороге. Прямолинейность и равномерность движения в нашем идеализированном опыте были обязаны отсутствию всех внешних сил. Теперь представим себе, что прямолинейно и равномерно движущаяся тележка получает толчок в направлении движения. Что произойдет при этом? Очевидно, ее скорость увеличится. Так же очевидно, что толчок в направлении, противоположном направлению движения, должен уменьшить скорость. В первом случае движение тележки ускоряется толчком, во втором—замедляется. Вывод вытекает сразу же: действие внешней силы изменяет скорость. Таким образом, не сама скорость, а ее изменение есть следствие толчка или тяги. Сила либо увеличивает, либо уменьшает скорость, соответственно тому, действует ли она в направлении движения или в противоположном направлении. Галилей видел это ясно и написал в своем труде “Беседы о двух новых науках”;
“... скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления,— условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в случае движения по наклонной плоскости вниз уже существует причина ускорения, в то время как при движении по наклонной плоскости вверх налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно, ибо, если скорость будет постоянной, движение не может быть уменьшено или ослаблено, а тем более уничтожено”.
�дя по этому верному пути, мы достигаем более глубокого понимания проблемы движения. Основой классической механики, как она сформулирована Ньютоном,
12
является связь между силой и изменением скорости, а не между силой и самой скоростью, как мы думали, согласно интуиции.
Мы использовали два понятия, играющих принципиальную роль в классической механике: силу и изменение скорости. В дальнейшем развитии науки оба эти понятия расширяются и обобщаются. Поэтому они должны быть исследованы подробнее.
Что такое сила? �нтуитивно мы чувствуем, что именно обозначается этим термином. Это понятие возникает из усилия, которое мы производим при толчке, броске или тяге, из того мускульного ощущения, которое сопровождает все эти действия. Но обобщение этих понятий выходит далеко за пределы столь простых примеров. Мы можем думать о силе, даже не воображая себе лошадь, тянущую повозку. Мы говорим о силе притяжения между Солнцем и Землей, Землей и Луной, и о таких силах, которые вызывают приливы и отливы. Мы говорим о силе, с которой Земля воздействует на все предметы вокруг нас, удерживая их в сфере своего влияния, и о силе ветра, производящей морские волны и приводящей в движение листья деревьев. Когда и где мы наблюдаем изменение скорости, тогда и там причиною этому является внешняя сила в самом общем смысле. Ньютон писал в своих “Принципах”:
“Воздействующая сила есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Эта сила проявляется только в действии, она не сохраняется в теле, когда действие прекращается, ибо тело сохраняет всякое новое состояние, которое оно приобретает, исключительно благодаря его инерции. Воздействующие силы имеют различное происхождение: таковы силы удара, давления и центростремительные”.
Если камень падает с вершины башни, его движение неравномерно: его скорость возрастает с падением. Мы заключаем, что в направлении движения действует внешняя сила или, другими словами, что Земля притягивает камень. Возьмем другой пример. Что происходит, когда камень брошен прямо вверх? Скорость уменьшается до тех пор, пока камень не достигнет своей наивысшей точки, после чего он начинает падать на Землю. Это уменьшение
13
скорости вызывается той же силой, что и ускорение падающего тела. В одном случае сила действует в направлении движения, в другом случае — в противоположном направлении. Сила одна и та же, но она вызывает или возрастание скорости или замедление, соответственно тому, падает ли камень или он брошен вверх.
14
 

Ф�ЛОСОФСК�Е ВОЗЗРЕН�Я
Результаты научного исследования очень часто вызывают изменения в философских взглядах на проблемы, которые распространяются далеко за пределы ограниченных областей самой науки. Какова цель науки? Что
47
требуется от теории, которая стремится описать природу? Эти вопросы, хотя и выходят за пределы физики, близко связаны с ней, так как наука дает тот материал, из которого они вырастают. Философские обобщения должны основываться на научных результатах. Однако, раз возникнув и получив широкое распространение, они очень часто влияют на дальнейшее развитие научной мысли, указывая одну из многих возможных линий развития. Успешное восстание против принятого взгляда имеет своим результатом неожиданное и совершенно новое развитие, становясь источником новых философских воззрений. Эти замечания неизбежно звучат неопределенно и неостроумно до тех пор, пока они не иллюстрированы примерами, взятыми из истории физики.
Мы постараемся здесь описать первые философские идеи о целях науки. Эти первые идеи сильно влияли на развитие физики до тех пор, пока, около ста лет назад, они не были отброшены благодаря новым данным, новым фактам и теориям, которые в свою очередь образовали новую основу для науки.
Во всей истории науки от греческой философии до современной физики имелись постоянные попытки свести внешнюю сложность естественных явлений к некоторым простым фундаментальным идеям и отношениям. Это основной принцип всей натуральной философии. Он выражен уже в работе атомистов. Двадцать три столетия назад Демокрит писал:
“Условно сладкое, условно горькое, условно горячее, условно холодное, условен цвет. А в действительности существуют атомы и пустота. То есть объекты чувств предполагаются реальными и в порядке вещей — рассматривать их как таковые, но на самом деле они не существуют. Реальны только атомы и пустота”,
Эта идея остается в древней философии ни чем иным, как остроумным вымыслом воображения. Законы природы, устанавливающие связь следующих друг за другом событий, были неизвестны грекам. Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически началась с работ Галилея. Мы проследили за первыми шагами ее развития, приводящими к законам движения. На протяжении двухсот лет научного исследования сила и материя были основными
48
понятиями во всех попытках понять природу. Невозможно представить себе одно без другого, ибо материя обнаруживает свое существование в качестве источника силы благодаря ее действию на другую материю.
Рассмотрим простейший пример: две частицы, между которыми действуют силы. Легче всего представить себе силы притяжения и отталкивания. В обоих случаях векторы сил лежат на линии, соединяющей материальные точки (рис. 21). Требование простоты приводит нас к картине частиц, притягивающих или отталкивающих друг друга; любое другое предположение о направлении действующих сил привело бы к гораздо более сложной картине. Можем ли мы сделать столь же простое предположение о длине векторов сил? Если мы пожелаем избежать слишком специальных предположений, мы можем высказать одно соображение: сила, действующая меж- ду двумя данными частицами, зависит только от расстояния между ними, подобно силам тяготения. Это предположение кажется довольно простым. Можно было бы представить гораздо более сложные силы, например зависящие не только от расстояния, но и от скоростей обеих частиц. С материей и силой в качестве основных понятий мы едва ли можем связать более простые предположения, чем те, что силы действуют вдоль линии, связывающей частицы, и зависят только от расстояния. Но возможно ли описать все физические явления с помощью сил только этого рода?
Огромные достижения механики во всех ее ветвях, ее поразительный успех в развитии астрономии, приложение ее идей к проблемам, по-видимому, отличным от механических по своему характеру,— все это способствовало развитию уверенности в том, что с помощью простых сил, Действующих между неизменными объектами, можно описать все явления природы. На протяжении двух столетий, последовавших за временем Галилея, такая попытка, сознательная или бессознательная, проявляется почти во всех научных трудах.
49
Особенно ясно ее сформулировал Гельмгольц около середины девятнадцатого столетия:
“Следовательно, конечную задачу физической науки мы видим в том, чтобы свести физические явления к неизменным силам притяжения или отталкивания, величина которых целиком зависит от расстояния. Разрешимость этой задачи есть условие полного понимания природы”.
Таким образом, линия развития науки согласно Гельмгольцу определена и следует строго установленному курсу:
“Ее призвание будет выполнено по мере того, как будет выполнено сведение явлений природык простым силам и будет доказано,что это единственно возможное сведение, которое допускают явления”.
Физику двадцатого столетия это воззрение представляется недалеким и наивным. Ему страшно было бы подумать, что величайшие успехи исследования могли бы скоро закончиться, перестав возбуждать умы, если бы непогрешимая картина строения Вселенной была установлена на все времена.
Хотя эти догматы сводили бы описание всех событий к простым силам, они оставляли открытым вопрос о точной зависимости сил от расстояния. Возможно, что для различных явлений эта зависимость различна. Необходимость введения многих различных видов сил для различных событий, конечно, неудовлетворительна с философской точки зрения. Тем не менее, это так называемое механистическое воззрение, наиболее ясно сформулированное Гельмгольцем, сыграло в свое время важную роль. Развитие кинетической теории вещества есть одно из величайших достижений науки, непосредственно вызванное механистическим воззрением.
Прежде чем показать его упадок, временно станем на ту точку зрения, которой придерживались физики прошлого столетия, и посмотрим, какие заключения мы можем вывести из этой картины внешнего мира.
50

РЎ. Р“. РЎРЈР’РћР РћР’

ЭВОЛЮЦ�Я Ф�З�К� В ПРЕДСТАВЛЕН�� ЭЙНШТЕЙНА
/. Эйнштейн о популяризации науки. Эволюция физики как “драма uдей.—Вклад Эйнштейна в современную физику.—Отход от идей квантовой теории.
II. Какая же философия вела Эйнштейна?—Методологические выводы из разработки теории относительности. Отклонение позитивизма и one рационализма.—Проблема реформы классической физики под углом зрения ее целостности. Теория тяготения Эйнштейна.— Оценка дифференциального закона как единственной формы причинности.—Рациональные пути построения физической теории.—Рационализм и кантианство в гносеологии Эйнштейна.
IІІ. Гносеология Эйнштейна и реальный процесс познания. Опыт и теория у Эйнштейна.—Метод Эйнштейна в действии. Общая теория относительности или обобщенная теория тяготения?—Квантовая теория и гносеология Эйнштейна.—Единая теория поля как генеральная линия развития физики.—Заключение.

ЭЙНШТЕЙН О ПОПУЛЯР�ЗАЦ�� НАУК�.

ЭВОЛЮЦ�Я Ф�З�К� КАК “ДРАМА �ДЕЙ”
Великий физик нашего времени Альберт Эйнштейн высоко ценил дело популяризации науки. В своей “Творческой автобиографии”, написанной им к 70-летию (1949), Эйнштейн рассказывал, какое огромное влияние оказала на него научно-популярная литература еще в детские и юношеские годы *).
До 12 лет он был глубоко религиозным, но в эти же годы религия разочаровала его. Что же было тому причиной? “Чтение научно-популярных книжек,— писал он,— привело меня вскоре к убеждению, что в библейских рассказах многое не может быть верным. Следствием этого было
__________________________________
*) Перевод опубликован в журнале “Успехи физических наук”, т. LIX, в. 1, 1956.
Заглавие “Творческая автобиография” дано переводчиками — В. А. Фоком и А. В. Лермантовой; сам автор озаглавил эту работу скромнее: “Autobiographisches” — “Нечто автобиографическое”.
243
прямо-таки фантастическое свободомыслие, соединенное с выводами, что молодежь умышленно обманывается государством; это был потрясающий вывод. Такие переживания породили недоверие ко всякого рода авторитетам и скептическое отношение к верованиям и убеждениям, жившим в окружавшей меня тогда социальной среде”.
В последующие годы научно-популярная литература ввела молодого Эйнштейна в круг физических и математических проблем и помогла сложиться устойчивым интересам в науке, определившим его судьбу на всю жизнь. С большой теплотой и благодарностью вспоминал он те книги, которые захватили и покорили его юношескую душу.
Поучительно отметить, какие качества он ценил в них. “На мое счастье,— писал он о книгах, познакомивших его с основами дифференциального и интегрального исчислений,— мне попались книги, в которых обращалось не слишком много внимания на логическую строгость, зато хорошо была выделена везде главная мысль. Все это занятие было поистине увлекательно... Мне посчастливилось также получить понятие о главнейших результатах и методах естественных наук по очень хорошему популярному изданию, в котором изложение почти везде ограничивалось качественной стороной вопроса (Бернштейновские естественно-научные книги для народа — труд в 5—6 томов); книги эти я читал, не переводя дыхания”.
Замечательны взгляды Эйнштейна на методы популяризации науки. �нфельд рассказывает в статье “Мои воспоминания об Эйнштейне”: “Мы ненавидели популяризацию, спекулирующую на чувствах читателя. Чтобы держать в напряжении внимание несчастного читателя, некоторые писатели жонглируют остроумием, не имеющим ничего общего с предметом; в результате в памяти читателя остаются остроты, но он забывает о цели, ради которой преподнес их автор... В таких книгах подчеркиваются те результаты, которые противоречат здравому рассудку простого человека, для того, чтобы показать, как мудры и просвещенны ученые... Хорошая популяризация может и должна возбуждать чувства не экскурсами в область метафизики, а вызываемым ею усилием постижения, мучительным и в то же время радостным усилием все более полного и глубокого постижения.
244
Однако, чтобы решиться на такого рода популяризацию, следует отказаться от внешних эффектов. Это значит, надо писать ясно и просто, убеждая читателя, что наука опирается на зрелый и развитой здравый рассудок, что ее целью является воссоздание картины окружающей нас действительности”.
Существенно также отметить, что Эйнштейн связывал дело популяризации науки не с удовлетворением праздного любопытства, а видел в нем средство обогащения духовной жизни народа. В предисловии к книге Линкольна Барнетта “Эйнштейн и Вселенная” (1950) он писал: “Недостаточно того, что отдельные результаты признаются, разрабатываются и применяются немногими специалистами. То обстоятельство, что научные знания являются достоянием лишь маленькой группы людей, снижает философский уровень народа, приводит к его духовному оскудению”.
Эта мысль Эйнштейна становится особенно весомой на нынешнем этапе развития физических наук, когда их содержание стало крайне абстрактным и не наглядным, когда они находят свое выражение только в форме, доступной лишь узкому кругу лиц, работающих по данной проблеме, и когда их философское значение сильно возросло.
Таковы глубокие мысли о значении и методах популяризации естественных наук, высказанные величайшим корифеем науки. Многим нашим ученым и популяризаторам полезно было бы их учитывать.
� тем не менее сам Эйнштейн самостоятельно не написал ни одной общедоступной книги, хотя всегда сожалел о том, что разработанная им теория относительности непонятна для неспециалистов. Свою попытку в 1916 году написать такую книгу он не считал удачной: книга получилась трудной, и он сам острил, что вопреки подзаголовку она скорее “общеНЕдоступна”. Других попыток не было, если не считать небольших газетных статей о теории относительности для широкой публики. Это, видимо, следует объяснить огромной целеустремленностью ученого и тем, что при любых результатах он всегда ощущал незавершенность своих больших идей и потребность отдать им все силы.
245
Тут, однако, помог Леопольд �нфельд, польский физик, состоявший в 1936—1938 годах ассистентом Эйнштейна в �нституте высших исследований в Принстоне, в США. В своих воспоминаниях об Эйнштейне �нфельд рассказывает, по какому поводу появилась книга двух авторов “Эволюция физики”. �нститут предоставил �нфельду стипендию только на один год. Надо было обеспечить ему материальную возможность продолжать научную работу. Прямую денежную помощь от Эйнштейна он отказался бы принять. Возникла идея написать совместно книгу о физике для широкой публики и тем заодно решить и финансовую проблему �нфельда. “Мысль о том, чему посвятить книгу, родилась в голове Эйнштейна,— вспоминает �нфельд.— Он намеревался написать популярную книгу, содержащую основные идеи физики в ее логическом развитии. По Эйнштейну, в физике имеется лишь несколько принципиальных идей, и они могут быть выражены словами.— Ни один ученый не мыслит формулами,—говорил он часто”.
Но первоначальный план — написать “просто популярную книгу” — в ходе работы над ней изменился. Авторы решили: “она должна представлять нечто большее! Это должна быть книга, из которой я (�нфельд.—С. С.) и другие физики смогут что-то извлечь — не конкретные факты, а новую точку зрения, идеи, расположенные в правильной перспективе; это должна быть научная книга, но в то же время написанная как можно проще”.
Эйнштейн был захвачен идеей изложить развитие физики как “драму идей”, в которой новое вечно приходит в столкновение со старым. “Наша книга,—говорил он,— должна быть интересной, захватывающей для каждого, кто любит науку”.
Так в 1938 году появилась эта книга, из которой, по замыслу ее авторов, не только широкие круги интеллигенции, но и специалисты-физики могут извлечь “новую точку зрения, идеи, расположенные в правильной перспективе”. Естественно, что “Эволюция физики” не представляет собой истории физики в обычном смысле, она не описывает все ее теоретические и технические достижения, не показывает связи физики с развитием производительных сил. В ней широкими штрихами нарисованы картина общего
246
развития физических идей, логическая линия развития физики, смена физических воззрений от механической картины мира до “полевой”, сделана попытка нарисовать перспективы дальнейшего развития физики. В рамках поставленной задачи книга описывает только принципиальные научные открытия, которые явились поворотными пунктами в развитии физических теорий. Она показывает те активные силы, которые вынуждают науку создавать идеи, отражающие реальность нашего мира, дают “некоторые представления о вечной борьбе изобретательного человеческого разума за более полное понимание законов, управляющих физическими явлениями” (стр. 6).
Книга оказалась действительно общедоступной, а для тех, кто будет внимательно следить за логикой развития идей, прямо-таки захватывающей. Но главное достоинство ее состоит в том, что она является отражением физического мышления одного из крупнейших ученых современности, мышления глубокого и поразительно целеустремленного. Вот почему этой книге был обеспечен огромный интерес со стороны не только представителей смежных специальностей, но и физиков. Она многократно переиздавалась на языке оригинала (английском) и переводилась на многие языки мира. После двух изданий на русском языке можно сказать, что большой интерес к ней проявил и советский читатель.
Развитие физики действительно показано в книге как “драма идей”. Эта драма достигла наивысшего напряжения в годы жизни Эйнштейна и при его непосредственном участии. Более того, он сам до конца вскрывал все возможные коллизии в столкновении физических идей. На всех этапах исследований он стремился создать единую логическую систему, отображающую закономерности мира; вместе с тем он способствовал развитию идей, которые если не преграждали, как полагал позднее сам Эйнштейн, то, несомненно, усложняли путь к этой единой картине мира. При этом он сам пережил драму ученого, оставшись в своих взглядах почти в одиночестве, и это после того, как он уже был признанным знаменосцем и вождем современной физики.
Об этой персонифицированной драме в книге ничего не сказано, а между тем знакомство с ней очень поучительно.
247

ВКЛАД ЭЙНШТЕЙНА В СОВРЕМЕННУЮ Ф�З�КУ
Эйнштейн вступил на арену научной деятельности в самом начале XX века, в знаменательный и переломный для физики период. В истории физики этот период характеризуется не только известными открытиями электрона, радиоактивности, развитием кинетической теории газов, спектральных методов и т. п., но и мощным подъемом теоретической мысли. Среди физических теорий наряду с термодинамикой получила огромное значение теория электромагнитного поля Максвелла.
Еще незадолго до того, далекую от наглядных представлений теорию Максвелла многие физики встречали с явным скепсисом. Однако к началу XX века эта теория, казавшаяся крайне абстрактной и непонятной, уже показала глубокую связь с реальным миром, с техникой. Ее реальная познавательная ценность выразилась в подтверждении существования предсказанных ею электромагнитных волн (Г. Герц, 1887), в быстром развитии на этой основе радиотехники (А. Попов, 1895), в объединении всех электромагнитных излучений в единую по своей природе шкалу, включая в нее и свет, в раскрытии связи электромагнитных и оптических свойств вещества. В студенческие годы Эйнштейна теория Максвелла уже стала проникать в учебные планы европейских университетов.
Но в этот же период были обнаружены и существенные затруднения теории. Они были связаны с необходимостью применить электродинамику к движущимся заряженным телам. Этой проблемой занимались выдающиеся физики того времени: Лоренц, Пуанкаре, Абрагам, Ланжевен и другие. Занимала эта проблема и молодого Эйнштейна.
Трудности возникали в связи с тем, что теория Максвелла описывала взаимодействие проводника и магнита так, что различались два случая взаимодействия: первый — когда проводник покоится, а магнит движется, а второй — при обратной ситуации. В случае, когда движется магнит, картина представлялась такой: силовые линии возникающего при движении магнита электрического поля пересекают проводник и возбуждают в нем ток. Когда же магнит покоится, а движется проводник, то, с точки зре-
248
ния теории Максвелла, электрическое поле не возникает, но в проводнике появляется электродвижущая сила, вызывающая точно такой же эффект. Таким образом, теория Максвелла рассматривала эти два случая как разные, хотя и не отличающиеся по их проявлениям.
Это обстоятельство, подмеченное Эйнштейном, было характеризовано им как несимметричность формы теории в отношении обоих случаев. Тем самым теория неявным образом допускала наличие в природе одной-единственной системы отсчета, по отношению к которой можно установить, что покоится, а что движется. Несимметричность формы теории была неадекватна самому явлению. В самом деле, известно, что для возбуждения тока в проводнике существенно перемещение магнита и проводника лишь относительно друг друга. Эта равноправность систем отсчета подтверждалась и тем фактом,— уже в то время широко использованным в технике,— что процессы в динамо, вырабатывающем ток, и в моторе, в котором ток преобразуется в энергию вращения ротора, обратимы.
Выявление существенной роли именно относительного движения означало, что и электродинамическую теорию следует формулировать так, чтобы ее уравнения были справедливыми для любых систем отсчета, для которых справедливы также и уравнения механики.
Наряду с этим надо было учесть и установленный экспериментально факт независимости скорости передачи электромагнитного сигнала (скорости света) от движения его источника.
�менно эти теоретические проблемы и рассматривает Эйнштейн в своей знаменитой работе “К электродинамике движущихся тел” (1905), в которой развиты основы теории относительности. Теория привела к формулировке условий инвариантности электродинамических законов в инерциальных системах. Эти условия состоят в том, что физические величины, которые ранее считались инвариантными (расстояния, время, масса, магнитная и электрическая напряженности и проч.), в действительности оказываются относительными: при переходе к новой инер-циальной системе они преобразуются по определенному закону, зависящему от относительной скорости движения системы.
249
Физическое и принципиальное значение теории относительности огромно. Пожалуй, до того ни одна теория еще не приносила столько новых обобщающих идей. Здесь мы только напомним о важнейших из них.
Оказалось несостоятельным метафизическое представление о наличии абсолютной системы отсчета, абсолютном пространстве и времени. Потерпела крах идея о мировой среде — эфире — специфическом носителе электромагнитных процессов, физические свойства которого физики тщетно пытались определить в XIX веке. Выявилась необоснованность трактовки ряда свойств тел как абсолютных, не зависящих от состояния движения их. Установлена связь массы и энергии.
Теория относительности положила начало представлению о пространственно-временном континууме, физические свойства (метрика) которого определяются находящимися в нем массами. Развивая эти идеи, Эйнштейн создал обобщенную теорию тяготения, показав, что поля тяготения естественно включаются в континуум через изменение его метрики. Теория тяготения Эйнштейна привела к предсказанию новых физических явлений, о чем будет подробнее сказано ниже.
Зародившись как абстрактная теория, которая должна была разрешить теоретические трудности, возникшие в электродинамике движущихся тел, теория относительности в наше время вошла в практику атомных исследований. Без учета ее выводов нельзя конструировать современные ускорители элементарных частиц, невозможно производить расчеты ядерных реакций. Даже человеку, далекому от современной ядерной техники, ясно, как велико должно быть практическое значение такой теории. Однако это еще не все.
Теория относительности наложила глубокий отпечаток на все другие, настоящие и будущие, физические теории: в предельной области высоких скоростей они должны отвечать ее формальным требованиям. Поэтому наряду с обычной квантовой механикой возникает релятивистская квантовая механика, наряду с классической космологией — релятивистская космология и т. д.
Теория относительности оказала огромное влияние на самое мышление физиков. Она показала важную роль
250
обобщения и обобщающих наук. Вместе с ней в физике появился дух новаторства, смело ломающий закостенелые взгляды на физические понятия, всегда требующий обобщенного подхода к физическим явлениям.
Но вклад Эйнштейна в физику не ограничивается созданием теории относительности и обобщенной теории тяготения, вместе со всеми обновляющими идеями, которые они несли. Его заслуги огромны и в других областях физики, в которых надо было прокладывать первые тропы. О важнейших из них необходимо здесь рассказать и не только потому, что они меньше известны широким кругам, но и ввиду особой отрицательной позиции, какая выявилась у Эйнштейна позднее по отношению к тем направлениям в физике, мощный импульс к развитию которых он сам же дал.
Здесь надо прежде всего указать на преобразование, которое Эйнштейн произвел во взглядах на природу света.
�звестно, что Планк, проанализировав условия, при которых так называемое излучение абсолютно черного тела должно находиться в равновесном состоянии, установил (1900) связь энергии (ε) и частоты (v) света: ε = hv, где h = 2π¯h— планковская постоянная, которая равна 6,63·10^-27 эрг·сек. Наличие такой связи удивляло физиков, поскольку она была необычной в аспекте классической физики, согласно которой энергия волны связана с ее амплитудой, а не частотой.
Но в первые годы эту связь еще не трактовали глубоко. По свидетельству Макса Борна, ее считали своеобразной гипотезой, пригодной лишь для данного случая. Экспериментаторы не проявляли к ней интереса, считая ее “инструментом теоретиков”, полезным лишь для того, чтобы свести концы с концами в каком-то сугубо теоретическом вопросе о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Теоретиков эта странная связь энергии и частоты беспокоила: вместе с ней появилась идея о квантованности энергии, но никто не знал, как это понимать. Теоретики не шли далее того, чтобы представить себе механизм, посредством которого осциллятор может испускать и поглощать только определенные порции энергии. Особенные затруднения испытывались при отыскании механизма поглощения, поскольку
251
все еще исходили из представления, что энергия на осциллятор падает непрерывно: по-видимому, каким-то образом она должна накапливаться, прежде чем быть поглощенной. Никто из физиков, в том числе и сам Планк, не подозревал, что из открытия обобщенной формулы излучения абсолютно черного тела могут последовать революционные идеи, которые раскроют перед физикой совершенно новые горизонты.
Решающий шаг сделал Эйнштейн. Он первый осознал основополагающее значение квантовых идей *) и стал рассматривать ряд известных к тому времени затруднений классической физики в свете квантовых представлений.
Одно из таких затруднений представляло явление фотоэлектрического тока (фотоэффект). Фотоэффект был открыт еще Генрихом Герцем, Гальваксом и другими физиками в восьмидесятых годах прошлого века и тогда же был обстоятельно исследован А. Г. Столетовым. Как известно, этот эффект состоит в том, что лучи света, падая на металлическую пластинку, вырывают из нее поток электронов, создающий ток в замкнутом контуре. Столетов нашел закономерную связь фототока со светом, его вызывающим. Оказалось, что сила фототока зависит не от яркости возбуждающего света, как ожидалось в соответствии с законами классической физики, а от цветности падающих лучей, иначе говоря, от частоты падающего на пластинку излучения. Эту закономерность невозможно было объяснить по законам классической физики. Фотоэффект противоречил этим законам. В течение почти двух десятилетий он оставался загадочным явлением.
Эйнштейн рассмотрел теперь это явление в свете квантовых представлений и нашел, что оно получает простое и непротиворечивое объяснение, если предположить, что сам световой поток представляет собой поток квантов (фотонов), несущих энергию, пропорциональную частоте:
ε = hv, как это и соответствует планковскому кванту энергии. Тогда ясно, что энергия, переданная квантом света свободному электрону пластинки, будет зависеть не от яркости света, а именно от его частоты. Найденное
________________________________
*) У Эйнштейна были к этому своп основания, о которых будет сказано ниже.
252
ранее Планком соотношение получило в работах Эйнштейна ясный смысл: взаимодействие света с веществом, в процессе которого вещество поглощает или испускает квант энергии, определяется квантовой структурой самого света, тем, что сам световой поток состоит из потока световых квантов. При этом объяснении отпадает необходимость придумывать для атома специальный механизм, регулирующий испускание и поглощение световой энергии квантами: сама световая энергия прерывна.
В той же работе — “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света” (1905) — Эйнштейн применил квантовые идеи для объяснения правила смещения Стокса в люминесценции, а также к фотоионизации газа; он показал, что во всех подобных явлениях происходит превращение кинетической энергии электрона в световой квант или наоборот. Во всех процессах взаимосвязи электронов и света передаваемая энергия излучения пропорциональна частоте и постоянной h. Это уже легко проверить экспериментально.
Насколько взгляды Эйнштейна были новы и революционны для того времени, свидетельствует факт, описываемый А. Ф. �оффе в статье “Памяти Альберта Эйнштейна” (1956). В 1907 году �оффе стал экспериментально проверять фотонную теорию света на натрии и калии, а в 1909 году попытался вывести из теории фотонов законы равновесной лучистой энергии. О своих результатах он послал статью в журнал “Анналы физики”, редактором которого был Планк. �оффе пишет: “Последний [Планк], познакомившись с моей статьей, которую он затем все же опубликовал в своем журнале..., убеждал меня в необходимости оставаться на почве классических представлений Максвелла и не идти дальше, чем это крайне необходимо, ограничиться своеобразием механизма излучения, допускать, если это окажется неизбежным, своеобразие в поглощении света электроном и ряд других частных гипотез, но не порывать с теорией электромагнитного поля и не посягать на самый свет. “Классическая теория дала нам столько полезного, что к ней надо относиться с величайшей осторожностью и охранять ее”,—говорил Планк”.
Вслед за квантовым объяснением фотоэффекта, явлений люминесценции, ионизации газа Эйнштейн рассмотрел
253
и еще одну загадку, которая не находила решения в аспекте классической физики. Речь идет о теплоемкости твердых тел при низких температурах. Согласно классической физике, на каждую степень свободы сложной физической системы приходится одинаковая доля энергии из находящейся в системе. Зная число степеней свободы физической системы, можно было рассчитать удельную теплоемкость любого вещества; она не должна была зависеть от температуры вещества (закон Дюлонга и Пти). Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы подтверждался экспериментами для доступных в то время не слишком низких температур; это доказывало, что расчеты классической физики имели определенное обоснование. Казалось, что этот закон раскрывает простой и наглядный механизм распределения энергии внутри физической системы и потому является незыблемым. Однако к этому времени уже выяснилось, что при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, теплоемкость становится меньше теоретически вычисленной; это отступление становится резким для кристаллических тел, особенно таких как алмаз. Классическая физика не могла дать объяснения этому факту. � опять для объяснения этой закономерности Эйнштейн применил к внутриатомным и молекулярным связям идею об их квантовой природе. Работы эти были вслед за тем успешно продолжены и углублены Дебаем, Борном, Карманом и другими.
Мы видим, что Эйнштейн чрезвычайно расширил применение квантовых идей, показав их определяющую роль в атомной физике. Тем самым он дал мощный побуждающий толчок бесчисленным исследованиям физиков в этом направлении. Становилось ясным, что в свете новых идей должны быть проанализированы и все уже известные физике трудности, и все вновь открываемые явления. Новые идеи становились генеральной линией развития физики.
Необходимо подчеркнуть, что для исследований Эйнштейна этих лет характерна одна черта: глубокая связь новых теоретических идей с экспериментом. Сугубо абстрактные методы и гипотезы он применял к практическим проблемам, которые волновали физиков, и сразу вносил в них ясность; при этом он доводил свои теоретические
254
рассуждения до формы, в которой их легко можно было проверить экспериментально. Поэтому вслед за исследованиями Эйнштейна стали появляться в большом числе экспериментальные работы по самым различным проблемам атомной физики. Эти работы неизменно подтверждали его выводы. Они показали, что гипотеза квантов, которая до Эйнштейна рассматривалась только как удобный прием для расчетов в теории излучения абсолютно черного тела, на самом деле есть открытие новой стороны физических процессов и что на всю атомную физику надо смотреть теперь только с позиций квантовой гипотезы.
До применения квантовых идей непосредственно к атомной структуре физика дошла позднее, в начале второго десятилетия, после знаменитых экспериментальных исследований Резерфорда, вскрывших ядерную структуру атома, и на их основе. В этих исследованиях принимал близкое участие и Нильс Бор, работавший в то время (1912) в группе Резерфорда в Манчестере. Ему принадлежит честь создания первой модели квантованного атома.
Эйнштейн в этот период был полностью поглощен разработкой теории тяготения и участия в исследованиях структуры атома не принимал. Но кто может отрицать, что мощным импульсом, побуждавшим Нильса Бора, было также влияние идей Эйнштейна, убедительно показавшего решающую роль квантовых связей во всей атомной физике? Сам Бор в “Воспоминаниях о Резерфорде...” (1961) писал об истории своих работ: “Это открытие (кванта действия.—С. С.), в особенности в работах Эйнштейна, нашло весьма перспективные приложения в теории теп-лоемкостей и фотохимических реакций. Поэтому совершенно независимо от новых экспериментальных данных, касающихся строения атома, существовало широко распространенное убеждение в том, что квантовые представления могут иметь решающее значение для всей проблемы атомного строения вещества”. Это убеждение как раз и возникло под влиянием работ Эйнштейна. О широкой распространенности такого убеждения говорит и тот упоминаемый Бором факт, что попытки применить квантовые идеи к структуре атома предпринимались в то время многими физиками (А. Гааз, Дж. Никольсон, Н. Бьеррум и другие).
255
Конечно, нельзя сказать, что среди физиков было сразу достигнуто полное единодушие. Были и скептики. �звестен, например, такой факт, относящийся к 1913 году. Ряд крупных немецких физиков — Нернст, Рубенс, Варбург, во главе с Планком — обратились к прусскому министерству просвещения с ходатайством о приглашении в Берлинскую академию наук Эйнштейна для работы на особо льготных условиях. Мотивируя это ходатайство, его авторы указывали, что Эйнштейн — крупный ученый-новатор, который по всем большим проблемам современной физики занимает примечательную позицию. � далее в ходатайстве было сказано: “То, что он в своих рассужде-ниях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. �бо не решившись пойти на риск, нельзя осуществить действительно нового даже в самом точном естествознании”. Смысл этих фраз: виновен, но заслуживает снисхождения.
Но физика неумолимо развивалась, и шествие квантовых идей уже нельзя было остановить, особенно после успешного их применения к объяснению структуры атомов. А после открытия эффекта Комптона (1923), доказавшего наличие у фотонов импульса, окончательно утвердилась и фотонная гипотеза света.
Но Эйнштейн положил начало не только широкому “квантовому мышлению”, он показал также огромные возможности статистических методов физики.
Несколько позднее Гиббса, но, по-видимому, независимо от него, Эйнштейн разработал общие методы статистической механики и, что особенно существенно, в форме, которая позволила сразу же приложить их к анализу броуновского движения — хаотического движения мельчайших, видимых в микроскоп частиц, взвешенных в жидкости. На рубеже XX века было высказано немало различных гипотез о причинах движения броуновских частиц. Одна из гипотез состояла в утверждении, что такой причиной является тепловое движение ненаблюдаемых молекул жидкости, которые со всех сторон толкают взвешенную частицу; равнодействующая всех получаемых частицей импульсов не равна нулю, а постоянно и хаотически изменяется вследствие непрерывного хаотического
256
изменения отдельных импульсов. Задача состояла в том, чтобы отыскать связи наблюдаемых величин с ненаблюдаемыми и тем самым обосновать причину процесса. Эйнштейн показал статистический характер этой связи; таким путем он рассчитал размер молекул жидкости, число их в грамм-молекуле и другие параметры. Расчеты Эйнштейна нашли свое подтверждение. Тем самым он поднял кинетическую теорию вещества с уровня возможной гипотезы до уровня физической, доступной проверке, теории.
Выводы из этих статистических работ Эйнштейна имели также существенное методологическое значение. “Я думаю,—справедливо пишет Макс Борн в статье “Статистические теории Эйнштейна” (1949),—что эти исследования Эйнштейна больше, чем все другие работы, убеждают физиков в реальности атомов и молекул, в справедливости теории теплоты и фундаментальной роли вероятности в законах природы”. Нелишне напомнить, что это было время (1902—1906), когда некоторые физики отрицали реальность атомов просто потому, что они непосредственно не наблюдаемы, не даны в ощущениях. Вспоминая об этих своих работах в автобиографии (1949), Эйнштейн сам утверждает: “При этом главной моей целью было найти такие факты, которые возможно надежнее устанавливали бы существование атомов определенной конечной величины”. � действительно, он вправе был заключить: “Согласие этих выводов (касающихся определения параметров атомов.—С. С.) с опытом, а также сделанное Планком определение истинной величины молекул из закона излучения (для высоких температур) убедили многочисленных тогда скептиков (Оствальд, Мах) в реальности атомов”. Нужно подчеркнуть и другую сторону проблемы:
этими исследованиями Эйнштейна была показана эвристическая роль статистических закономерностей в физике. Впервые обнаружилось, что статистические закономерности отражают новый тип реальных связей в природе.
Было естественно, по мере развития квантовых идей в атомной физике, учесть в статистических связях также и квантовые. Путь к этому подходу открывало фундаментальное соотношение Больцмана, связывающее термодинамическую величину — энтропию S замкнутой системы —
257
с вероятностью W ее состояния: S = k lnW, откуда W = e^S/k . Больцман вывел эго соотношение для систем, подчиняющихся законам классической механики. Но статистические закономерности имеют то преимущество, что они обладают огромной общностью, не зависят от природы исследуемых объектов. Эйнштейн применил их к анализу структуры излучения абсолютно черного тела. Соотношение Больцмана он использовал для определения вероятности случайной концентрации полной энергии Е в определенной части объема αV, вычислив энтропию S из найденного Вином закона излучения. Эта вероятность равна: W = α ^E/hν.
�менно этот результат чисто статистических методов привел Эйнштейна к идее, что излучение ведет себя так, как будто оно состоит из совокупности N == E/hν независимых квантов энергии величины hv. Этот вывод был для Эйнштейна настолько убедителен, что он немедленно стал искать прямое его подтверждение в известных физических процессах. Так он пришел к рассмотрению с новой точки зрения уже описанного выше фотоэффекта, загадка которого была, наконец, разгадана.
Эйнштейн расширял применение статистических методов и в дальнейшем. В статье “К квантовой теории излучения” (1917) он дал вывод закономерности излучения черного тела (формулы Планка), опираясь на картину излучения как чисто статистического процесса. Оказалось, что формула Планка может быть получена этим методом при условии допущения нового вида излучения, происходящего под воздействием окружающего излучатель электромагнитного поля (“индуцированное излучение”). В течение ряда десятилетий индуцированное излучение существовало только как “теоретический факт”. Лишь в начале пятидесятых годов был предложен способ усиления света и радиоволн, основанный на использовании индуцированного излучения, а в наши дни оно легло в основу конструирования квантовых генераторов и квантовых усилителей.
Статистический вывод Эйнштейном формулы Планка и теоретическое открытие им индуцированного излучения не только соответствовали духу квантовой физики, но и
259
еще более подтвердили эвристическую ценность статистических методов, их объективный смысл.
Наконец, в начале двадцатых годов Эйнштейн развил и обобщил идеи индийского физика Бозе, который применил статистические методы к фотонам как частицам, рассматривая распределение состояний в совокупности тождественных частиц. Этим методом планковский закон излучения получается непосредственно. Таким образом, квантовая статистика вела к углубленному пониманию объекта этой статистики: физический смысл имеет не счет индивидуальных предметов, а статистика их состояний. Эта специфическая квантовая статистика, названная статистикой Бозе—Эйнштейна (в отличие от квантовой статистики другого типа— Ферми — Дирака), оказалась применимой к особому классу квантовых частиц (фотоны, альфа-частицы, атомные ядра с четным числом нуклонов).
Таким образом, Эйнштейн способствовал обоснованию и широкому внедрению в физику статистических методов.
Естественно, что в это время Эйнштейна занимала проблема сближения двух образовавшихся после открытия фотонов вполне устойчивых картин: одна из них выражалась через непрерывное электромагнитное поле с его динамической закономерностью, другая — через поток фотонов с их статистическими закономерностями. В этом плане он высказал весьма важное соображение о том, что плотность фотонов в световом пучке должна совпадать с плотностью энергии электромагнитных волн в нем. Отмечая этот факт в своей нобелевской речи, Макс Борн, который обосновал статистическую трактовку волновой функции, говорил, что он, Борн, в 1927 году лишь разработал эту идею Эйнштейна в применении к волновой функции Шредингера.
�так, на крутом повороте развития физики, когда она перешла к более глубокому обобщению электромагнитного и гравитационного полей, а также к изучению атомных процессов, Эйнштейн проявил большую проницательность исследователя, беспримерную смелость мышления, умение преодолевать устоявшиеся догмы. Эти свойства рисуют его как подлинно передового ученого. Недаром ведущие физики признали в Эйнштейне своего “знаменосца и вождя” (Борн).
259

ОТХОД ОТ �ДЕЙ КВАНТОВОЙ ТЕОР��
С появлением работ Резерфорда и Бора центр тяжести научных интересов в физике переместился в область исследований квантовых свойств атомных систем. Эйнштейн же, дав мощный импульс основополагающим идеям атомной физики (квантовая структура света, квантование атомных процессов, статистические методы в атомной физике), вновь сосредоточил свою творческую энергию на проблемах, связанных с дальнейшим обобщением идей относительности и теории тяготения.
Между тем уже в конце первой четверти XX века в атомной физике встали свои задачи обобщения. Раскрытые в этот период закономерности атомных явлений и излучения обнаружили квантовые свойства света и энергетических состояний атома. Однако многочисленный экспериментальный материал не был обобщен в единой теории. В свете классических представлений он казался крайне противоречивым. Квантовые свойства полей и микрообъектов выступали лишь как одна из сторон реальности. Эксперимент показывал, что другой стороной ее являлись волновые свойства. Работы де Бройля, подтвердившиеся позднее опытами Дэвисона и Джермера, а также Томсона, показали, что волновые свойства характерны не только для электромагнитного поля, но также и для вещества (для потока вещественных частиц). Хотя оба типа свойств (корпускулярные и волновые) в классическом смысле взаимно противоречат и исключают друг друга, ни одним из них нельзя было пренебрегать при характеристике квантовых явлений. Эта необычная ситуация крайне осложняла их понимание и трактовку. Далее, физики много занимались разработкой методов квантования атомных орбит (Бор, Зоммерфельд и другие); но эти методы покоились на некоторых классических соображениях и имели характер поисков решений применительно к случаю, что было явно неудовлетворительным.
Надо было создать теорию, которая органически включала бы в себя характеристику возможных квантовых переходов систем из одного состояния в другое, объединить в одной обобщенной теории волновые и корпуску-
260
лярные представления. Таких сложных задач перед физикой никогда еще не возникало.
Эйнштейн в этой работе участия уже не принимал. Он целиком посвятил себя задаче построения единой теории поля, в которой мыслил объединить электромагнитные и гравитационные поля. Этот отход Эйнштейна от актуальных проблем атомной физики вызвал огромное огорчение и сожаление физиков.
Квантовая теория была создана в середине двадцатых годов трудами Бора, Гейзенберга, Берна, �ордана, Дирака, Шредингера, Ферми, Паули и других физиков.
Как в свое время теория относительности, обобщая экспериментальные факты в области электродинамики, привела к новой широкой картине мира, раскрыв до того неизвестные свойства пространственно-временного континуума, так это сделала и квантовая механика, развившая ряд новых идей.
Квантовая механика раскрыла специфические свойства квантового объекта, существенно отличающие его от классического. Оказалось, что в нем неразрывно связаны волновые и корпускулярные свойства; он не есть нечто неизменное: в зависимости от физических условий он преобразуется, приближаясь то больше к образу волны, то к образу частицы; его особенности находят свое выражение в “соотношении неопределенностей” некоторых попарно сопряженных характеризующих квантовый объект величин (например, импульса и координат). Квантовая механика выдвинула статистическое понимание “состояния микрочастицы”; она показала, что статистические закономерности в микромире уже не могут рассматриваться как прием расчета, как мера незнания динамического хода индивидуальных процессов; они представляют собой новую форму взаимосвязей в объекте; классический детерминизм, согласно которому события развиваются однозначно и который исключает случайность, представляет собой лишь предельный и абстрактный случай *).
Как же отнесся к этим новым идеям Эйнштейн, ученый, необычайно чуткий к логической цельности и логическому совершенству физической теории?
_____________________________________
*) В этой статье нет возможности и необходимости обсуждать трактовку этих проблем отдельными физиками и школами.
261
Эйнштейн отказался от пути, по которому пошло большинство физиков, разработавших квантовую теорию.
Он отказался от того пути, развитию которого, как мы видели выше, он сам в значительной мере способствовал, обосновывая квантовые воззрения во всех областях атомной физики, показывая, что квантовые задачи следует решать статистическими методами.
В книге “Эволюция физики” эти взгляды нашли лишь косвенное отражение. Отмечается, что если в классической физике мы встречаем статистические законы, “полученные на основе индивидуальных законов”, то “в квантовой физике положение дел совершенно другое. Здесь статистические законы даны непосредственно. �ндивидуальные законы исключены” (стр. 233). Ввиду этого оказывается невозможным ответить на ряд вопросов, например на рассматриваемый в книге вопрос о том, сквозь какую из щелей дифракционной решетки проходит “данный индивидуальный электрон”.
В книге в тактичной форме читателю дается понять, что квантовая механика многие существенные и притом закономерные вопросы оставляет без ответа. “Мы должны были отказаться от описания индивидуальных случаев, как объективных явлений в пространстве и времени; мы должны были ввести законы статистического характера. Они являются основной характеристикой современной квантовой физики” (стр. 233) *).
Авторы не говорят о том, что квантовая теория с ее статистической закономерностью — это неизбежный этап развития физики, необходимая форма разрешения проблем, стоящих перед ней. Напротив, они подчеркивают стоящие перед ней трудности (необходимость прибегать к “волнам вероятностей с бесконечным числом измерений”, трудности создания релятивистской квантовой механики), указывают на задачи, которые она еще не решила. Они пишут: “В квантовой физике нет места таким утверждениям, как: “этот объект таков-то, он имеет такое-то свойство”. Вместо этого мы имеем утверждения такого рода: “�меется такая-то вероятность того, что индивидуальный
__________________________________
*) Здесь и повсюду в последующем, если нет оговорок, курсив принадлежит мне.
262
объект таков-то и что он имеет такое-то свойство”. В квантовой физике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во времени. Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями вероятности во времени” (стр. 237).
Так пишут авторы, и в общем контексте это звучит как упрек в адрес квантовой физики.
Наконец, они усиливают это впечатление, высказывая сожаление, что “квантовая физика все еще должна будет базироваться на двух понятиях — на понятиях вещества и поля. В этом смысле она — дуалистическая теория, которая не приближает ни на один шаг реализацию нашей старой проблемы — свести все к понятию поля” (стр. 238).
В книге “Эволюция физики” все страсти приглушены, только возбуждаются некоторые сомнения, обосновывается мысль, что квантовая физика лишь преходящая ступень развития (как будто это не справедливо в отношении любой теории!), что она неполноценна.
Но физики хорошо знают, как бушевали эти страсти в публичных дискуссиях, в личных беседах, в переписке с друзьями, продолжавшими разрабатывать методы квантовой физики, наконец, в упорном многолетнем стремлении Эйнштейна построить физику на других основах. �з всех этих материалов известно, что Эйнштейн рассматривал статистическое толкование квантовой механики как временную замену знания индивидуальных, однозначно определенных процессов, которое он считал единственно подлинным знанием. Он считал чуждым духу физики также и двойственный, корпускулярно-волновой характер свойств полей и объектов атомной физики; соединение таких свойств в одном объекте он считал, по-видимому, невозможным. Но суть квантовой механики как раз и состоит в том, что она отражает двойственный характер микрообъектов и полей и их статистические закономерности. Отклонить их значило отклонить всю квантовую механику.
В чем же была причина того, что Эйнштейн, этот бесстрашный новатор в науке, резко критиковал тот путь, на который вступила квантовая физика?

II

КАКАЯ ЖЕ Ф�ЛОСОФ�Я ВЕЛА ЭЙНШТЕЙНА?
Как ответить на вопрос о том, какая же философия вела Эйнштейна, кто он по своим философским взглядам — материалист, идеалист или позитивист? Если подойти к решению этого вопроса методом цитат, то в его трудах можно найти достаточно высказываний в пользу любого направления.
�звестно, например, что Эйнштейн высоко оценивал критическую работу Маха в отношении априорных идей Канта или введения Ньютоном в обиход классической физики понятий абсолютного пространства, времени, движения, вообще “метафизических” понятий, которым в опыте, как его понимает Мах, ничего не сопоставляется. Эйнштейн неоднократно заявлял, что концепция Маха помогла ему критически осмыслить исходные положения классической физики.
Неоднократно также Эйнштейн определял теорию как систему упорядочения наших чувственных восприятии, а не как отражение объективных закономерностей внешнего мира. Эти формулировки не случайны для Эйнштейна, они встречаются в его работах на протяжении всей его жизни. Так, в лекциях об основах теории относительности, читанных в Принстонском университете в 1921 году, он утверждал, что “понятие и системы понятий ценны для нас лишь постольку, поскольку они облегчают нам обозрение комплексов наших переживаний”. В 1936 году в статье “Физика и реальность” Эйнштейн писал: “В противоположность психологии, физика истолковывает непосредственно только чувственные восприятия и “постижение” их связи”. � далее: “Я считаю, что первый шаг в установлении “реального внешнего мира” состоит в образовании понятия телесных объектов различных видов. �з всего многообразия чувственных восприятии мы мысленно и произвольным образом выделяем постоянно повторяющиеся комплексы чувственных восприятии (частично в совпадении с чувственными восприятиями, которые могут истолковываться как знаки чувственного опыта других людей) и мы сопоставляем им понятие телесного
265
объекта”. В книге “Эволюция физики” сказано: “С помощью физических теорий мы пытаемся найти себе путь сквозь лабиринт наблюденных фактов, упорядочить и постичь мир наших чувственных восприятии” (стр. 241).
Наконец, в его автобиографии мы встречаем: “...всякое паше мышление того же рода: оно представляет свободную игру с понятиями. Обоснование этой игры заключается в достижимой при помощи нее возможности обозреть чувственные восприятия. Понятие “истины” к такому образованию еще совсем неприменимо; это понятие может, по моему мнению, быть введено только тогда, когда имеется налицо условное соглашение относительно элементов и правил игры”. � далее: “Система понятий есть творение человека, как и правила синтаксиса, определяющие ее структуру... Все понятия, даже и ближайшие к ощущениям и переживаниям, являются с логической точки зрения произвольными положениями, точно так же как и понятие причинности, о котором в первую очередь и шла речь”.
Таковы суждения Эйнштейна, в которых, несомненно, обнаруживается влияние позитивистской философии.
Однако известно и другое. Мы помним, что позитивистские взгляды Оствальда и Маха Эйнштейн назвал философскими предубеждениями, помешавшими им найти правильное истолкование фактам, приводящим к признанию атомов и молекул. Далее, свое несогласие с идеями квантовой механики, в частности с введением ею статистической закономерности наряду с динамической, Эйнштейн мотивировал тем, что переход от описания самих вещей к описанию вероятностей появления вещей есть переход к позитивизму. Критикуя аргументацию в пользу квантовой механики, он в “Ответе на критику” (1949) писал: “Что мне не нравится в подобного рода аргументации,— это, по моему мнению, общал позитивистская позиция, которая, с моей точки зрения, является несостоятельной и которая, по моему мнению, ведет к тому же самому, что и принцип Беркли —esse est percipi (существовать — значит быть воспринимаемым)”. Эйнштейн считал, что защита статистической трактовки квантовой механики есть защита позитивистских взглядов. Даже в дружеской переписке Эйнштейн выступает против позитивизма. В
266
конце сороковых годов, говоря о желательной встрече с Борном, он писал ему: “Хотя ты никогда не согласишься с моей точкой зрения, она тебя могла бы позабавить. Я бы тоже получил удовольствие, разбив твои позитивистские философские взгляды”.
Впрочем, Макс Борн не был согласен с таким обвинением. Комментируя это письмо, Макс Борн говорил Зелигу, издателю и биографу Эйнштейна: “Эти строки касаются моих взглядов на основные вопросы физики. Я, как и Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, защищаю статистическую квантовую механику, в то время как Эйнштейн стоит на позициях классического детерминизма. Вообще же я вовсе не последователь позитивизма”. Как видим, к позитивистам не хочет быть причисленным и выдающийся физик нашего времени Макс Борн, и он действительно много сделал для того, чтобы развенчать позитивизм в глазах зарубежных ученых *).
Но вернемся к Эйнштейну. Это, конечно, серьезный довод, чтобы не признавать Эйнштейна позитивистом, если он отклонял целое направление в физике, огромное практическое значение которого он всегда и безоговорочно признавал, отклонял из-за того, что считал его основу позитивистской. Другое дело, прав ли Эйнштейн, толкуя квантовую физику как по существу своему позитивистскую; в данном случае существенно подчеркнуть, что, отклоняя ее, он руководствовался антипозитивистскими мотивами.
Крайне интересное понимание процесса познания высказано Эйнштейном в статье “Влияние Максвелла на эволюцию идей о физической реальности”, написанной к столетию со дня рождения Максвелла в 1931 году. Эту статью он начинает со следующего утверждения: “Вера в существование внешнего мира, независимого от воспринимающего субъекта, есть основа всего естествознания. Но так как чувственное восприятие дает информацию об этом внешнем мире, или о “физической реальности”, только
______________________________________
*) См. С. Суворов, Макс Борн и его философские взгляды, в книге: Макс Борн, Физика в жизни моего поколения, �Л, 1963, а также: С. Суворов, Проблема “физической реальности” в копенгагенской школе, Успехи физических наук, т. LXII, в, 2, июнь 1957.
267
опосредованно, мы можем охватить последнюю только умозрительными средствами. �з этого следует, что наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными. Мы всегда должны быть готовы изменить эти представления, то есть изменить аксиоматическую базу физики,— чтобы оправдать факты восприятия логически наиболее совершенным образом. � действительно, беглый взгляд на развитие физики показывает, что она испытывает глубокие изменения с течением времени”.
Это высказывание вполне в духе материализма, и трудно понять, как Эйнштейн совмещает столь противоположные точки зрения.
Однако он не только их совмещает, но и отлично при этом сознает, какое недоумение может вызвать это совмещение. Но он относит это недоумение за счет философов, ко-торые-де слишком жестки в своих концепциях, представляющих собой, правда, цельную, но все же абстрактную схему. Естествоиспытателя же невозможно уложить в какую-либо схему. Его положение, по Эйнштейну, сложнее потому, что он должен считаться с результатами своих исследований и принимать точки зрения, несовместимые в одной системе. В своем “Ответе на критику” он пишет, что философ, однажды додумавшийся до какой-то системы, “...будет склонен интерпретировать богатство идей точных наук в смысле своей системы и не признавать того, что под его систему не подходит. Ученый же не может себе позволить, чтобы устремления к теоретико-познавательной систематике заходили так далеко. Он с благодарностью принимает теоретико-познавательный анализ понятий, но внешние условия, которые поставлены ему фактами переживаний, не позволяют ему при, построении своего мира понятий слишком сильно ограничивать себя установками одной теоретико-познавательной системы. В таком случае он должен систематизирующему философу-гносеологу показаться своего рода беспринципным оппортунистом. Он кажется реалистом (т. е. материалистом.—С. С.), поскольку старается представить не зависящий от актов ощущений мир; идеалистом — поскольку смотрит на понятия и на теории как на свободные изобретения человеческого духа (не выводимые логи
268
чески из эмпирически данного); позитивистом — поскольку рассматривает свои понятия и теории лишь настолько обоснованными, насколько они доставляют логическое представление связей между чувственными переживаниями. Он может показаться даже платоником или пифагорейцем, поскольку рассматривает точку зрения логической простоты необходимым и действенным инструментом своего исследования” *).
Эйнштейн по разным поводам подчеркивает невозможность для естествоиспытателя придерживаться какой-либо одной философской системы. Отвечая Маргенау по поводу его утверждения о том, что “позиция Эйнштейна... содержит черты рационализма, а также крайнего эмпиризма”, Эйнштейн в “Ответе на критику” пишет: “Это замечание совершенно правильно. Откуда происходит эта флуктуация? Логическая система понятий является физикой постольку, поскольку ее понятия и утверждения необходимо приведены в связь с миром переживаний (experiences). Тот, кто желает установить такую систему, встретится с опасным препятствием в виде произвола выбора. Вот почему стараются по возможности прямо и необходимым образом связать свои понятия с миром переживаний. В этом случае взгляды исследователя эмпиричны. Этот путь часто плодотворен, но он всегда открыт для сомнений в силу того, что отдельное понятие и единичное утверждение может выражать нечто сопоставляемое с эмпирически данным в конечном счете только в связи с целостной системой. Тогда признают, что никакого пути от данного в опыте к миру понятий нет. Тогда взгляды исследователя становятся скорее рационалистическими, потому что он признает логическую независимость системы. В такой позиции возникает опасность того, что при поисках этой системы можно потерять всякий контакт с миром переживаний. Колебания между этими крайностями кажутся мне неустранимыми”.
Конечно, нельзя согласиться с неизбежностью для естествоиспытателя выглядеть в глазах философа “беспринципным оппортунистом” и находиться в вечном, неустранимом колебании между философскими “крайностями”.
________________________________________
*) Курсивная разрядка — выделение Эйнштейна.
269
Если философия существует как наука, а не как предвзятая схема, то в ней непротиворечивым образом должны быть обобщены такие категории, как объективный внешний мир, ощущения как информации о внешнэм мире, понятия и теории как обобщение этих информации, представляющие собой образ объективной реальности. Мы твердо убеждены, что такая философия существует.
Но философия Эйнштейна, действительно, не такова, и тот факт, что она не такова, он сам оценивал не как ее недостаток, а как ее достоинство. Эйнштейн прав, утверждая, что философию такого естествоиспытателя, то есть собственно его, Эйнштейна, философию, одни философы (философы-схоласты) будут причислять к позитивистской, другие — к реалистической (материалистической), и одни будут порицать за то, за что другие будут восхвалять. В частности, это можно видеть и по нескольким статьям сборника, посвященного 70-летию Эйнштейна, в котором различные авторы делают попытку анализа философских взглядов Эйнштейна. Например, Филипп Франк, физик и философ, профессор кафедры теоретической физики в Пражском немецком университете, глава “венского кружка” неопозитивистов, прямо зачисляет Эйнштейна в ряды активных проводников “логического позитивизма”. А Бриджмен — физик и философ, главный идеолог операционализма — считает, что при обосновании специальной теории относительности Эйнштейн выступал как операционалист. Среди советских ученых также высказывались самые крайние оценки философских взглядов Эйнштейна. Мы видели, что повод для этих крайних оценок дал сам Эйнштейн, впрочем, мало беспокоившийся о них.
Однако правильнее будет рассматривать взгляды Эйнштейна во всей их сложности и постараться понять, откуда она появилась. � тут он сам дал хороший совет, как относиться к самооценкам ученого. В интересной спенсеровской лекции “О методе теоретической физики” (1933) он говорил: “Если вы хотите кое-что выяснить у физиков-теоретиков о методах, которые они применяют, я советую вам твердо придерживаться одного принципа: не слушайте, что они говорят, а лучше изучайте их действия. Тому, кто в этой
270
области что-то открывает, продукты его творческого воображения кажутся ему столь необходимыми и естественными, что он рассматривает их не как создания мышления, а как данные реальности. � ему хотелось бы, чтобы так их рассматривали и другие”.
Это справедливый совет. Профессиональная деятельность накладывает глубокий отпечаток на весь образ мышления ученого, да и вообще любого деятеля. Через это окно профессиональной деятельности он видит мир, его внешний облик, его закономерности, способ его постижения. Чего достиг ученый в науке, как ему представляется путь к этому достижению — в этом лежит разгадка его, подчас сложного противоречивого мировоззрения. Здесь по нашему мнению, лежит ключ к пониманию взглядов и самого Эйнштейна, противоречивость которых с точки зрения целостной философии он понимал и сам.
Но в таком случае мы должны будем ответить на вопрос о том, что же было главным в профессиональной деятельности Эйнштейна?
Вряд ли можно сомневаться в том, что при всех замечательных идеях Эйнштейна в области квантовой и статистической физики основной стороной его деятельности всегда были (и оставались главными для него самого) развитие теории относительности и его, эйнштейновская, система обобщения и расширения сферы применения этой теории. Электромагнитные и гравитационные поля, еще только становившиеся в годы его юности реальностями для физиков, пространственно-временной континуум как единая теоретическая основа для всей физики,— вот круг тесно связанных друг с другом проблем, которые с ранних пор и до конца жизни владели Эйнштейном, в развитие которых" гениальный ученый вложил свою душу и разум.
Работа над этими проблемами и метод их решения как раз и оказали решающее влияние на взгляды Эйнштейна. Мы должны, следовательно, попытаться рассмотреть вопрос о том, к каким философским идеям могли привести и, по-видимому, привели Эйнштейна его разработка теории относительности и раздумье над ее результатами.
271

МЕТОДОЛОГ�ЧЕСК�Е ВЫВОДЫ �З РАЗРАБОТК� ТЕОР�� ОТНОС�ТЕЛЬНОСТ�. ОТКЛОНЕН�Е ПОЗ�Т�В�ЗМА � ОПЕРАЦ�ОНАЛ�ЗМА
В начале века физики встретились с необходимостью дать более совершенную, “симметричную” формулировку электромагнитной теории Максвелла. Этого требовали физические факты.
Но построение симметричной электродинамики привело к большим следствиям, выходящим за пределы решения частной задачи, которая ставилась непосредственно. �зменилась не только форма электродинамической теории, изменились и представления о пространстве, времени, длине, длительности и т. д., вообще изменились представления о связи физических категорий. Хотели только приспособить теорию поля к фактам, несколько подправить ее, а пришли к опровержению понятий ньютоновской физики, введенных как априорные, внеопыт-ные, к выводу о том, что физические величины зависят от состояния движения тела по отношению к системе отсчета, в которой это движение выражается.
В наше время эта зависимость принимается как факт, но в то время остро встал вопрос: как ее объяснить?
�звестно, что тогда появились попытки объяснить эту зависимость как результат непосредственного физического взаимодействия движущегося тела с полем; начались поиски механизма, приводящего к изменению параметров движущегося тела (так называемые гипотезы сокращения Лоренца — Фитцджеральда).
Эйнштейн отверг эти объяснения. В своих первых работах по теории относительности он пытался с помощью “мысленного опыта” показать, что, поскольку длина линейки, к примеру, есть результат измерения, она зависит от процедуры измерения, которая различна для тела движущегося и покоящегося относительно наблюдателя.
Бриджмен был прав, утверждая, что подход Эйнштейна к определению физических понятий в это время был операционалистским, точнее, именно такое обоснование изменения физических величин через процедуру измерения положило начало целому направлению в философии—операционализму, которое в дальнейшем развивал
272
Бриджмен. Согласно операционализму, любое физическое понятие можно вводить в науку только в том случае, если ему можно сопоставить определенную операцию измерения, которой и определяется смысл понятия. Казалось, что история физики вполне укладывалась п эту операционалист-скую методологию: Ньютон погрешил перед физикой тем, что ввел в нее абсолютные понятия, которым нельзя сопоставить никакой операции измерения (что, впрочем, Ньютон сознавал и сам); Эйнштейн отбросил внеопытные понятия ньютоновской физики и показал, что в соответствии с процедурой измерения изменяются и сопоставленные ей понятия. Теорию можно строить только на основе таких операционально определенных понятий путем связывания их в законы.
Этот операционалистский подход к обоснованию изменения физических величин, к определению понятий вообще, довольно широко распространен в физике до сих пор; многие книги, посвященные, в частности, теории относительности, не исключая и эйнштейновских, начинают ее изложение с рассмотрения процедуры измерения, якобы определяющей смысл понятий *).
Но хотя Эйнштейн и дал повод к развитию операцио-нализма, сам он вовсе не последовал ему в своих дальнейших исследованиях, чем и заслужил упрек Бриджмена. Свою статью “Теории Эйнштейна и операционалистская точка зрения” в упомянутом выше сборнике Бриджмен прямо начинает с этого упрека: “В этой статье делается попытка показать, что Эйнштейн в свою общую теорию относительности не перенес те уроки и то понимание, которым он сам учил нас в своей специальной теории относительности”. � это, действительно, так.
Почему же Эйнштейн отошел от операционалистской методологии?
Потому, что теория относительности не давала оснований для операцпоиалнстской методологии, как не давала она их и для позитивизма, и для принципа наблюдаемости, который позднее хотели оправдать ссылками на эйнштейновский метод построения этой теории. Напротив
_________________________________________
*) Критика операционализма дана в статье автора “Операционализм”, Большая Советская Энциклопедия, 2-е изд.
273
того, в теории относительности отражался совсем иной подход к определению содержания понятий и к структуре теорий. Размышляя над итогами теории относительности, Эйнштейн в какой-то мере, по-видимому, это осознал, что видно и из методов его защиты положений теории относительности, и из его последующих приемов исследования, и из его, правда более поздних, высказываний.
�звестно, что многие выводы теории относительности подверглись резкой критике вследствие их необычности. Они действительно были необычны. Таков, например, вывод о том, что длина одной и той же линейки различна в различных ннерциально движущихся системах; вызывало недоумение то, что это изменение оказывается взаимным, так что длина линейки, покоящейся в системе S и равная в ней единице, будет в ннерциально движущейся системе S' укорачиваться, точно так же как длина линейки, покоящейся в системе S' и равная в ней единице, будет укорачиваться в системе S и притом в том же отношении. Достаточно эти эффекты в целях наглядности и конкретности сформулировать при помощи термина “наблюдатели, сидящие в системах S и S'”, как описание того, что они “наблюдают”, получает крайне субъективистскую форму.
Так оно и было, и это в то время вызывало огромное сопротивление физиков и философов.
Вызывали критику необычные выводы о том, что в системе, совершающей путешествие, процессы должны протекать замедленнее, чем в системе, остающейся в это время неподвижной, ввиду чего, скажем, космонавт, летавший к далекой звезде и вернувшийся обратно на Землю, оказывается “моложе” своих сверстников на Земле.
Противоречили повседневному опыту и наглядному представлению новый закон сложения скоростей, изменение массы “благодаря только движению” и т. п.
Все аналогичные выводы теории относительности казались парадоксальными с точки зрения непосредственных восприятии или привычного опыта. Многочисленные попытки связать указанные в теории закономерности поведения каждой физической категории непосредственно
274
с изменением структуры движущегося тела не приводили к положительным результатам. В те времена сравнительно большие относительные скорости, могущие оказать экспериментально уловимый эффект, достигались только у электронов в катодных лучах (≈0,1 с). �сследуя отклонение катодных лучей в магнитном поле, Кауфман установил (1902—1906) факт изменения массы быстродвижущихся электронов, но сам закон изменения не был определен из этих экспериментов. Последовал ряд работ (М. Абрагам, Дж. Герглоц, П. Герц, А. Зоммерфельд и другие), в которых авторы пытались представить механизм этого изменения (главным образом через приписывание массе электромагнитного происхождения и определение связи ее с полем). Позднее эти попытки были оставлены.
Все это свидетельствует о трудностях, с которыми было связано развитие новых представлений. Неслучайно у теории относительности на протяжении долгих десятилетий оказывалось немало противников.
Однако выводы теории оправдывались. Физики, и в первую очередь Эйнштейн, все более приходили к мысли, что справедливость новых представлений о природе и изменениях физических категорий может быть подтверждена лишь ссылкой на то, что она является логическим результатом релятивистской теории (как “релятивистский эффект”), которую физики вынуждены были создать, преследуя непосредственно другую цель — обобщить принцип относительности и факт независимости скорости света от движения его источника.
Таким образом, создание теории относительности подводило Эйнштейна к раскрытию единства физических понятий, их связи с теорией в целом. Эта связь понятий была адекватным отображением связи физических категорий в самом объекте. Например, изменение длин и длительности в инерцнально движущихся системах находит свое объяснение в том, что они существуют не сами по себе, а связаны в некую целостность через инвариантный интервал.
Со временем Эйнштейн все более укреплялся в этой позиции. Есть основания полагать, что огромное влияние в этом отношении оказали на физиков и на Эйнштейна,
275
 
в частности, труды выдающегося математика Германа Минковского. В 1908 году он опубликовал работу “Основания теории электромагнитных процессов в движущихся телах”, в которой пространство и время были обобщены в единый четырехмерный “мир” с псевдоевклидовой геометрией.
�дея единства пространства и времени была изложена Минковским в известном популярном докладе “Пространство и время” (1908) обществу немецких естествоиспытателей и врачей, который он начал знаменитым афоризмом:
“Отныне пространство само по себе и время само по себе должны быть низведены до роли теней, и только некоторый вид соединения обоих должен по-прежнему сохранять самостоятельность”.
В физике проблема связи понятий и теории в такой резкой форме встала впервые. Ньютон вводил некоторые понятия — абсолютные пространство, время, движение, массу и проч.— еще до теории, как внешние определения, как условие формулировки законов. У Маха (позитивизм) все понятия выступали как символическое обозначение отличительных признаков некоторого комплекса восприятии, имели мнемоническо-служебную цель и вводились до теории. У Бриджмена (операционализм) понятия должны были прежде всего получить определение через непосредственную операцию измерения, и лишь после того как это оказывалось возможным, они могли быть использованы в теории.
Однако реальное развитие физической теории показало, что содержание физических понятий не может быть определено вне теории, до теории. В этом отношении оказались неправы и Ньютон, и Мах, и Бриджмен. Понятия должны выступать как органическая часть теории, которая в целом отвечает реальным фактам восприятии, и только через эту целостность отвечают фактам и те категории, которые она использует,— таков вывод, к которому все более склонялся Эйнштейн.
Несомненно, эта идея уже владела Эйнштейном, когда он приступал к разработке теории тяготения, которую он рассматривал как дальнейшее обобщение принципа относительности, как второй этап развития теории относительности.
276

ПРОБЛЕМА РЕФОРМЫ КЛАСС�ЧЕСКОЙ Ф�З�К� ПОД УГЛОМ ЗРЕН�Я ЕЕ ЦЕЛОСТНОСТ�. ТЕОР�Я ТЯГОТЕН�Я ЭЙНШТЕЙНА
Нельзя не видеть различия в задачах, которые ставил Эйнштейн на первом и втором этапах развития физической теории. На первом этапе была конкретная физическая задача — привести уравнения Максвелла в соответствие с требованием симметрии электромагнитных процессов и с фактом независимости скорости света от движения его источника. В результате Эйнштейн обнаружил, что разумно построенная теория вскрывает взаимосвязи понятий, о которых вне обобщающей теории и не подозревали, не подозревали именно потому, что подход к развитию науки был слишком эмпиричен.
Теперь, после получения плодотворных результатов, Эйнштейн уже на всю классическую физику стал смотреть иными глазами, глазами критика. Он увидел, что дело не только в том, что Ньютон включил в физику внеопытные понятия абсолютного пространства, времени, дальнодей-ствующих сил и проч.; о происхождении их и сам Ньютон проявлял беспокойство. Дело в том, что и все другие понятия классической физики были слишком слабо “упакованы” в единой теории, так как возникали они независимо друг от друга из разрозненного опыта. В уже упомянутой лекции “О методе теоретической физики” Эйнштейн говорил: “Ньютон, первый основатель обширной работоспособной системы теоретической физики, был еще убежден в том, что основные понятия и законы его системы происходят из опыта. Его слова hypotheses non lingo (гипотез я не строю) можно понять в этом смысле. Действительно, появившиеся в это время понятия пространства и времени не создавали никаких проблем. Понятия массы, инерции и силы и связанные с ними законы казались взятыми непосредственно из опыта. Раз эта база была принята, то и выражение для силы тяготения казалось выведенным из опыта и было основание ожидать то же самое в отношении других сил”.
Для Эйнштейна было ясно, что при таком понимании метода образования понятий и законов — из разрозненного опыта — в классической физике неизбежно должны
277
были возникать понятия, хотя и различные по происхождению, по их связи с экспериментами, но эквивалентные по природе. Так, “специальная теория относительности” вскрыла эквивалентность массы и энергии. Очевидно, накопление таких понятий, которые позднее оказываются эквивалентными, не есть достоинство метода, в результате которого они возникали; теория построенная на основе таких понятий, не может быть совершенной.
Свою важнейшую задачу Эйнштейн видел теперь в том, чтобы реформировать классическую физику, навести в ней порядок, удалить из нее все понятия, сформулированные вне свят с теорией, а также излишние, эквивалентные понятия, которые так же не нужны теории, как автомобилю пятое опорное колесо.
Результатом таких методологических установок Эйнштейна явилась разработанная им обобщенная теория тяготения, истолкованная им как “общая теория относительности”.
Таким образом, появление этой теории не было вынуждено противоречием существующей теории с каким-либо новым экспериментом. Эйнштейн сам понимал свой путь как результат требования “внутреннего совершенства” теории, логической стройности общей картины мироздания. �менно это различие причин возникновения “специальной” и “общей” теории относительности привело к такой ситуации, которую Макс Борн в своей лекции “Физика и относительность” (1955) отмечает в следующих словах: “Специальная теория относительности была открытием в конечном счете не одного человека. Работа Эйнштейна была тем последним и решающим элементом в фундаменте, заложенном Лоренцом, Пуанкаре и другими, на котором могло держаться здание, воздвигнутое затем Минковским”. Над проблемами, возникшими в связи с электродинамикой движущихся систем, работали многие физики, в том числе и Эйнштейн, вложивший “решающий элемент” в теорию. А вот “внутренним совершенством” классической теории практически занимался только Эйнштейн. Поэтому Борн и отмечает, что “в противоположность специальной теории относительности, это была работа одного человека”.
Главная идея новой теории Эйнштейна состояла в том, чтобы пространственно-временной континуум, к идее
278
которого привела теория относительности, представить как единую сущность внешнего физического мира.
Что выигрывает от этого физика?
В классической физике все ее законы разрознены, они связывают физические категории, представления о смысле которых возникали в различных экспериментах. В новой физике континуума все физические законы должны быть представлены как свойства этого континуума, как его метрика. Это и позволяет улучшить “концептуальный фундамент” физики, удалить из нее излишние понятия, представить ее как единую систему.
С этой новой позиции Эйнштейн рассмотрел закон тяготения Ньютона. Вместо сил тяготения он стал оперировать с полями тяготения; это уже делала и классическая физика, но там это было скорее только “формальным приемом”. Поля тяготения Эйнштейн включил в пространственно-временной континуум как его “искривление”. Метрика континуума перестала быть евклидовой (точнее псевдоевклидовой), она стала “римановой метрикой”. Тем самым из физики были удалены далыюдействующпе силы Ньютона, которые всегда считались слабым пунктом нью-тоновой физики. “Кривизна” континуума рассматривается как следствие соответствующего “распределения движущихся масс” в нем. Опираясь на идеи римановой геометрии, Эйнштейн ввел меру кривизны пространства-времени (в ковариантной форме) в виде некоторого “тензора кривизны”. Для “распределения движущихся масс” в этом континууме он также нашел некоторую специфическую меру — “тензор энергии-импульса”. Важнейшим результатом всех этих исследований Эйнштейна является установление взаимосвязи между тензором энергии-импульса (распределением движущихся масс) и тензором кривизны пространства-времени (метрикой континуума). Найденное уравнение играет здесь роль, аналогичную роли ньютонова уравнения движения масс в обычном евклидовом пространстве.
Понятия, которыми оперирует в этой теории Эйнштейн, имеют весьма абстрактный характер. Но схема взаимосвязей здесь довольно проста. “Распределение движущихся масс” в континууме определяет его “кривизну”. Кривизна континуума определяет “гео-
279
дезические линии” в нем — “линии кратчайших расстояний”. Кривизна, геодевические линии континуума,— это его существенные свойства, они определяют происходящие в нем процессы. Так, массы, не создающие большого поля, перемещаются в континууме только вдоль геодезических линий.
Р’ евклидовом пространстве геодезическими линиями являются прямые. Согласно ньютоновой механике вдоль этих прямых РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ инерционное движение. РќРѕ рассмотрение всех РґСЂСѓРіРёС… движений требует РІ ньютоновой ¹ механике введения новых физических категорий — СЃРёР», определения закона РёС… действия, возникает проблема передачи действия СЃРёР» РЅР° расстояние Рё С‚. Рґ. Рё С‚. Рї. Рљ тому же теория тяготения Ньютона РЅРµ объясняет полностью РІСЃРµ процессы, связанные СЃРѕ взаимодействием масс. Так, например, констатируя наличие вращения перигелия планет, близких Рє Солнцу (Меркурий), РѕРЅР° РЅРµ РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє точной величине этого вращения. Теория Ньютона отражает действительность лишь для слабых полей Рё небольших скоростей масс.
Тот факт, что теория Эйнштейна не требует введения сил тяготения, а взаимодействие масс учитывается в ней через характер искривления пространственно-временного континуума, т. е. через его общее свойство, раскрывает новые возможности теории. В самом деле, общие свойства континуума, раз они найдены, определяют характер любых физических процессов, в нем происходящих. Например, из этого следует, что вдоль геодезических линий континуума должны перемещаться не только массы, но и лучи света; если геодезические линии континуума искривлены, то и распространение света не будет прямолинейным. Это должно обнаружиться в областях континуума, в которых искривление линий достаточно велико, например при прохождении луча вблизи Солнца, где поле тяготения велико сравнительно с полем вблизи Земли. Эйнштейн рассчитал, что луч звездного света, проходя вблизи Солнца, должен испытывать отклонение от прямолинейного пути на 1,75 угловых секунд. Этот вывод теории Эйнштейна был подтвержден во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года, когда две английские экспедиции — одна на западном побережье Африки, а другая в северной части Бразилии — получили фотографии звезд, видимых вблизи закрытого солнечного диска.
280
Теория Эйнштейна предсказала также смещение к красному концу спектра спектральных линий излучения, проходящего в поле тяготения звезд; это смещение особенно заметно при прохождении излучения вблизи звезд, обладающих большой массой, где, следовательно, поле тяготения велико. Теория дала расчет и точной величины вращения траектории Меркурия.
Вообще теория тяготения Эйнштейна точнее, чем теория Ньютона, отображала процессы в области сильных полей при наличии быстродвижущихся масс.
Таким образом, несмотря на огромную абстрактность, чуждую мышлению многих физиков того времени, теория Эйнштейна оказалась плодотворной, она подвинула знание природы вперед. �менно в этом сочетании абстрактности и плодотворности лежит причина исключительной мировой славы Эйнштейна как ученого. После подтверждения предсказаний обобщенной теории тяготения об Эйнштейне заговорили как об ученом, который одной только силой своего мышления раскрывает неизвестные до того тайны природы.
Но одновременно успех теории утвердил Эйнштейна в его теоретико-познавательных взглядах. Разработка теории относительности и теории тяготения убедила Эйнштейна в том, какое огромное значение имеет теория, взятая в целом.
Несомненно, что он убедился в этом в ходе исследований, то есть уже в первом и втором десятилетии нашего века. Позднее, в своем “Ответе на критику” Эйнштейн дважды возвращается к объяснению своей позиции по этому вопросу. На критику Рейхенбаха он отвечает в форме диалога между Рейхенбахом и неким Не-позитивистом(!), и от имени последнего ставит вопрос: “А почему отдельные встречающиеся в теории понятия вообще требуют какого-то отдельного оправдания, если они необходимы только в рамках логической структуры теории и теория утверждается только в своей целостности?”
А по поводу упрека Бриджмена в отходе от операцио-нализма Эйнштейн еще более точно определяет свою позицию: “Чтобы логическая система могла рассматриваться как физическая теория, нет необходимости требовать, чтобы все ее утверждения могли толковаться независимо и чтобы они могли быть независимо
281
“проверяемы” “в операционалистском смысле”, фактически это никогда еще не было выполнено ни в одной теории, да и не может быть выполнено вообще. Чтобы некоторую теорию можно было рассматривать как физическую, необходимо только, чтобы она вообще заключала в себе эмпирически проверяемые утверждения” (курсив Эйнштейна).
�так, реформа классической (ньютоновой) теории тяготения, проведенная Эйнштейном под углом зрения увязывания физических понятий в единой теории (обобщенной теории тяготения), привела к положительным результатам и подтвердила роль теории как целоcности. Разъясняя позже фактически реализованную их линию, Эйнштейн уже в явной форме подчеркивает это значение теории.

ОЦЕНКА Д�ФФЕРЕНЦ�АЛЬНОГО ЗАКОНА КАК ЕД�НСТВЕННОЙ ФОРМЫ ПР�Ч�ННОСТ�
Континуум Эйнштейна с его римановой метрикой явился более обобщенным образом объективной реальности, чем ньютоновы представления, согласно которым разделенные расстоянием массы действовали друг на друга дальнодействующими силами, обратно пропорциональными их взаимному расстоянию. Обобщение Эйнштейна явилось успешной попыткой удалить из теории Ньютона некоторые ее слабые стороны, например представление о дальнодействующих силах, о независимости метрики и законов движения и другие.
Но вместе с тем Эйнштейн рассматривал себя вовсе не как ниспровергателя классической физики, а только как реформатора ее, совершенствующего ее основы.
В теории Ньютона он видел и такие существенные стороны, которые, по его мнению, должны были остаться незыблемыми во всякой будущей теории, какие бы общие формы она ни принимала. Он видел гениальность Ньютона в том, что этот основатель классической физики в своих законах движения сумел выразить количественным образом взаимосвязь каждого состояния движения тела в данный момент с его состояниями в предшествующий
282
момент в смежной точке пространства и в последующий момент в другой смежной точке. Пространство, время и движение в физике Ньютона выступали как непрерывные сущности, а связи между состояниями выражались в форме дифференциальных уравнений. Величайшая заслуга Ньютона состояла в том, что он открыл метод дифференциального исчисления, однозначно определяющий взаимосвязи состояний тела в его движении. В ньютоновых дифференциальных уравнениях движения Эйнштейн видел “удовлетворение потребности современных физиков” в причинной связи. Естественно, что заслугу открытия математической формы причинной связи он целиком относил к Ньютону.
В статье “Механика Ньютона и ее влияние на форму теоретической физики” (1927) Эйнштейн писал: “...До Ньютона не существовало законченной системы физической причинности, которая была бы в состоянии как-то передать основные черты опытного мира”. Законы Кеплера, разъяснял он дальше, давали ответ на вопрос о том, как движутся планеты, но они не удовлетворяли потребности показать причинную зависимость; эти законы выступали как три логически независимых друг от друга правила, “лишенные всякой внутренней связи”. Только Ньютон, создав дифференциальное исчисление, дал необходимую форму закону причинной взаимосвязи. “Дифференциальный закон,— писал там же Эйнштейн,— есть та единственная форма, которая полностью удовлетворяет потребность современных физиков в причинности. Ясная концепция дифференциального закона есть величайший духовный подвиг Ньютона”. Не столь существен спор о том, кто первый открыл дифференциальное исчисление — Ньютон или Лейбниц, но существенно то, что для Ньютона открытие дифференциального исчисления было необходимостью именно потому, что оно, по Эйнштейну, является адекватной формой причинной связи. Полная причинная концепция была получена после того, как наряду с уравнением движения была дана сила, действующая на массу и определяемая положением всех других масс.
Теория относительности (“специальная”) не только опиралась на ньютонову динамическую трактовку
283
причинности, но и уточнила ее в одном отношении: она указала, что события М и N могут находиться в причинно-следственном отношении друг к другу лишь в том случае, если эти события разделены промежутком времени, достаточным для передачи действия от места события М до места события N с конечной скоростью, не превышающей скорости света. Это уточнение вводит фактор действия между событиями М и N и подчеркивает связь пространства и времени в одном континууме. Уточненная теорией относительности формулировка причинности использована в ней в качестве исходного пункта для анализа важнейшего понятия теории — одновременности.
�з сказанного следует, что классическое представление о причинной связи органически входит в самую структуру теории относительности.
Теория тяготения Эйнштейна в этом отношении не отличается от его теории относительности. � там, и здесь физические процессы выражаются как процессы, происходящие в континууме — некотором непрерывном пространственно-временном образовании; только в теории относительности этот континуум имеет евклидову (точнее, псевдоевклидову) метрику, а в теории тяготения — риманову. � там, и здесь уравнения движения представляют собой дифференциальные уравнения, связывающие между собой смежные в пространстве и времени события (в “Эволюции физики” эти уравнения названы “структурными”). Континуумы Эйнштейна с различной метрикой описываются дифференциальными уравнениями в частных производных, что характерно для описания процессов, происходящих в поле. Эти континуумы и представляют собой некоторый непрерывный “полевой” образ.
Бесконечно малые непрерывные изменения аргументов в уравнениях с частными производными в принципе ничем не отличаются, как казалось Эйнштейну, от бесконечно малых изменений аргументов в уравнениях с обычными производными. Поэтому Эйнштейн полагал, что его теория тяготения сохраняет неизменными классические представления о физической причинности, согласно которой однозначно связываются события, бесконечно близкие друг к другу в пространстве и во времени. Более того, поскольку созданная им теория тяготения по своей структуре
284
наиболее совершенна, классическая форма причинной связи представлялась ему всеобщей.
Успешные предсказания теории тяготения должны были утвердить его в этом убеждении.

РАЦ�ОНАЛЬНЫЕ ПУТ� ПОСТРОЕН�Я Ф�З�ЧЕСКОЙ ТЕОР��
�так, профессиональный опыт Эйнштейна утверждает его в мысли, что понятия органически связаны с теорией, через нее получают свое содержание и оправдание. А теория отражает мир лишь как целое.
Возникает вопрос: как же строится сама теория?
Мах, служивший Эйнштейну примером критика абсолютных категорий ньютоновой физики, отвечал РЅР° этот РІРѕРїСЂРѕСЃ просто. Понятие — чисто психическое образование. Характерная черта понятия — это воспоминание Рѕ каком-либо постоянном комплексе восприятии Рё выделение РІ нем главных восприятии, РїРѕ которым вспоминается весь комплекс (абстрагирование, РїРѕ Маху). Научные теории имеют своей целью “упорядочить” множество фактов восприятии, которые без такого упорядочения невозможно удержать РІ памяти. Уже РІ таком процессе, как падение тела, содержится множество фактов восприятии, РёР±Рѕ каждому мгновению времени соответствует СЃРІРѕСЏ высота падающего тела. Чтобы обозреть РІСЃРµ эти соответствия, пришлось Р±С‹ составить бесконечную таблицу. РќРѕ такую таблицу нельзя РЅРё исчерпать, РЅРё удержать РІ памяти! РќР° помощь РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ упорядочивающая теория; РѕРЅР° сжимает бесконечную таблицу РІ РѕРґРЅСѓ формулу S=gt²/2, дает правило, РїРѕ которому РјС‹ всегда можем найти путь S, пройденный падающим телом, для любого заданного момента. “Но это правило, эта формула, этот “закон”,— писал Мах РІ своем раннем труде “Принцип сохранения работы”,— РІРѕРІСЃРµ РЅРµ имеет более существенного значения, чем РІСЃРµ отдельные факты, вместе взятые. Р’СЃРµ значение его заключается только РІ удобстве применения. РћРЅРѕ имеет экономическое значение”.
�так, теория, по Маху, не заключает в себе ничего более, чем все отдельные “факты восприятия”, она есть
285
только экономная запись их ради облегчения памяти. Эйнштейн не мог пойти в этом вопросе за Махом. Он уже увидел в теории нечто большее, чем только сжатую запись “фактов восприятии”: она дает “картину мира”, его связи, которые непосредственно в фактах восприятии усмотреть нельзя.
Не дает этой картины и теория, построенная на физических экспериментах. Пример такой теории Эйнштейн усматривал в теории тяготения Ньютона. Она дала многое, но ведь Эйнштейну пришлось ее реформировать, поскольку она содержала много понятий, не нужных для обобщенной совершенной теории. Такая теория хотя и имеет “внешнее оправдание”, поскольку опирается на опыт, но она внутренне несовершенна.
Необходимость преобразования классической теории тяготения и успешный опыт построения новой реформированной теории подсказывали ему вывод: непосредственный опыт не ведет к однозначной теории. Эйнштейн уже давно пришел к этому выводу и руководствовался им в теоретической работе, но наиболее резко сформулировал его в “Творческой автобиографии”, в которой обозревал пройденный путь: “Теория тяготения научила меня и другому: собрание эмпирических фактов, как бы обширно оно ни было, не может привести к таким сложным уравнениям (поля тяготения.— С. С.). На опыте можно проверить теорию, но нет пути от опыта к построению теории” *).
Здесь мы видим и прямую ссылку на свой профессиональный опыт, на свой метод построения теории тяготения (значение профессионального опыта мы подчеркивали выше), и резкое отрицание пути от опыта к построению теории. То, что содержит опыт, и взаимные соотношения опытных данных, находят свое выражение только в выводах теории; выводы теории, действительно, должны соответствовать опыту, иначе теория окажется пустой схемой. Опыт выступает лишь как мера оценки теории и лишь после того, как теория создана.
Но если от опыта нет путей к построению теории, то каково же ее происхождение?
__________________________________________
*) См. аналогичное высказывание, приведенное на стр. 269.
286
В лекции “О методе теоретической физики” Эйнштейн говорил: “В том, что такое отражение (опыта — в выводах теории.— С. С.) возможно, состоит единственная ценность и оправдание всей системы, и особенно понятий и фундаментальных законов, лежащих в ее основе. В остальном эти последние суть свободные изобретения человеческого разума, которые не могут быть оправданы ни природой этого разума, ни каким-либо другим видом априори”. Физик отыскивает такие фундаментальные понятия и законы, которые дальше логически несводимы. “Важнейшая цель теории состоит в том,— продолжал Эйнштейн,— чтобы этих несводимых элементов было как можно меньше и чтобы они были как можно проще, однако так, чтобы это не исключало точного отображения того, что содержится в опыте”.
Здесь мы видим выражение двух важных гносеологических идей, которые Эйнштейн считал выводом из своего метода построения теории тяготения. Первая идея состоит в том, что понятия и теории суть свободные изобретения разума, вторая — в том, что задача теоретика состоит в отыскании несводимых далее простейших элементов, фундаментальных понятий, которые должны быть положены в основу теории.
�дея о том, что понятия и теории суть свободные изобретения разума,— не случайное высказывание Эйнштейна. Эту идею можно найти почти во всех его работах, в которых обсуждаются методологические проблемы, начиная со статей периода построения теории тяготения, продолжая книгой “Эволюция физики”, написанной для массового читателя, и кончая его “Творческой автобиографией”
Несомненно, что идею о том, что понятия и теории суть свободные изобретения разума, Эйнштейн противопоставлял кантианской идее об априорности знания, желая подчеркнуть этим, что понятия (например, пространства, времени) создаются не в силу природы разума, а благодаря его деятельности. Это противопоставление видно из приведенной выше фразы. Но несомненно также, что он противопоставлял эту идею другой идее, а именно, что понятия и теории являются для нас принудительными в той мере, в какой они являются необходимым следствием анализа экспериментального материала, опыта. Но
287
случайно поэтому против эйнштейновской трактовки понятий и теорий возражали даже друзья Эйнштейна, несогласные с его трактовкой роли опыта. Например, Макс Борн говорил в докладе “Альберт Эйнштейн и световые кванты” (1955): “Сам Эйнштейн не устает подчеркивать, что не существует однозначного логического пути от фактов опыта к теоретическим системам физики; последние, по его мнению, суть дети свободной фантазии. � все же несомненно, что ценность теории тем выше, наше доверие к ней тем больше, чем меньше в ней свободы выбора, чем больше ее логическая принудительность”.
Успехи в построении обобщенной теории тяготения Эйнштейн относил за счет правильного подбора фундаментальных понятий, положенных в ее основу. Но теперь он и несовершенство ньютоновой физики рассматривает как результат плохого подбора фундаментальных понятий. Ньютону и его последователям только казалось, что они применяют единственно возможные понятия, связанные с опытом. На самом же деле понятия классической физики имеют не опытное происхождение, а все то же свободное творчество разума. Но только обычно этот факт не осознается до конца, что и приводит к несовершенной теории. В уже упомянутой лекции “О методе теоретической физики”, развивая идею о том, что Ньютон и его последователи рассматривали понятия и законы классической физики как непосредственно связанные с опытом, Эйнштейн продолжал: “Большинство естествоиспытателей тех времен были проникнуты идеей, что фундаментальные понятия и основные законы физики не были в логическом смысле свободными изобретениями человеческого разума и что они могли быть выведены из экспериментов посредством “абстракции”, т. е. логическими средствами”. Эйнштейн считает эту идею ошибочной, правда, он сознает, что другого понимания в то время быть не могло. “Ясное осознание неправильности этого понимания по существу принесла только общая теория относительности (опять профессиональный опыт!—С. С.). Эта теория показала, что на фундаменте понятий, сильно отличающемся от ньютонова, можно соответствующий круг опытных фактов объяснить даже более удовлетворительным и совершенным образом, чем это было возможно на ньютоновой основе”.
288
Подобную же мысль Эйнштейн высказывает и в “Творческой автобиографии”: “Предрассудок, который сохранился и до сих пор, заключается в убеждении, будто факты сами по себе, без свободного теоретического построения, могут и должны привести к научному познанию. Такой самообман возможен только потому, что не легко осознать что и те понятия, которые благодаря проверке и длительному употреблению кажутся непосредственно связанными с эмпирическим материалом, на самом деле свободно выбраны”.
�так, по Эйнштейну, независимо от того, как Ньютон и его последователи сами понимали истоки теории, фактически они строили ее на фундаменте некоторых свободно выбранных и потому необязательных понятий; это были понятия абсолютного пространства, времени, движения, материальной точки, тяжелой и инертной масс, дально-действующих сил, ускорения, инерции, энергии и т. д.
Выводы теории, построенной на этих понятиях, действительно подтверждались опытом. Но теория оказалась несовершенной. В ней некоторые понятия оказались искусственными, органически несвязанными в развитой затем теории, они были только внешними условиями для теории. Некоторые другие понятия оказались попарно эквивалентными друг другу.
Теория тяготения Эйнштейна рассматривалась им как попытка создать другую систему фундаментальных понятий, увязанных в единой теории. Эта теория охватывает тот же опыт. Но фундамент ее очищен, выражаясь языком оптиков, от “привидений”, а потому связи в ней, ведущие от фундаментальных понятий к опыту, другие. Эта теория отличается от первой своим “внутренним совершенством”; одного критерия “внешнего оправдания” оказывается недостаточно, ибо теорий, отвечающих этому критерию, т. е. охватывающих одну и туже совокупность опыта, может быть несколько и, возможно, даже множество.
Эйнштейн говорит об этих критериях неоднократно, в частности, в “Творческой автобиографии”, где он признает “недостаточную определенность” своих утверждений в отношении критерия “внутреннего совершенства”. Ясно, однако, что поиски критерия теории, отвечающей требованию “внутреннего совершенства”, это прежде всего
289
поиски наиболее совершенного фундамента теории, исходных категорий и законов, на которые она опирается. Мы уже видели вышз, каким мыслился этот фундамент: конечных несводимых элементов должно быть как можно меньше и они должны быть как можно проще.
В самой последней своей работе, посвященной методам теоретической физики,— во втором приложении к третьему изданию “Сущности теории относительности” (1950) — Эйнштейн писал: “Одна теория отличается от другой главным образом выбором “кирпичей” для фундамента, т. е. ни к чему не сводимых основных понятий, на которых построена вся теория”.
Эйнштейн указывает дальше, как менялся фундамент физики: “В классической теории (механика) такими основными понятиями являются: материальная точка, сила взаимодействия между материальными точками (потенциальная энергия) и инерциальная система (последняя составляется из декартовой системы координат и временной координаты). С ростом наших знаний об электромагнитном поле к числу основных понятий наравне с материальной точкой (вещество) прибавилось понятие поля, рассматриваемого как второй носитель энергии. Специальная теория относительности “предполагает далее, что мы можем отбросить концепцию материальной точки и иметь дело только с концепцией поля”. Общая теория относительности “вовсе отбросила понятие инерциальной системы”.
Основную тенденцию эволюции физики Эйнштейн видит именно в улучшении отбора “„кирпичей" для фундамента физики”. Это является лейтмотивом его (совместно с �нфельдом) книги “Эволюция физики”. До теории относительности, пишут в ней авторы, еще можно было утверждать, что между веществом и полем имеется качественное различие; вещество имеет массу, в то время как поле ее не имеет: поле представляет энергию, вещество представляет массу. Теория же относительности, установив эквивалентность массы и энергии, показала, что вещество отличается от поля лишь большей концентрацией энергии. “Но если это так, то различие между веществом и полем скорее количественное, чем качественное. Нет смысла рассматривать вещество и поле как два качества, совершенно отличные друг от друга”, (стр. 200).
290
На основе качественного отождествления вещества и поля авторы стремятся построить “новую философскую основу” естествознания. Они пишут: “Мы не можем построить физику на основе только одного понятия — вещества. Но деление на вещество и поле, после признания эквивалентности массы и энергии, есть нечто искусственное и неясно определенное. Не можем ли мы отказаться от понятия вещества и построить чистую физику поля? То, что действует на наши чувства в виде вещества, есть на деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путем можно было бы создать новую философскую основу (естествознания.—С.С.). Ее конечная цель состояла бы в объяснении всех событий в природе структурными законами, справедливыми всегда и всюду. С этой точки зрения брошенный камень есть изменяющееся поле, в котором состояния наибольшей интенсивности поля перемещаются в пространстве со скоростью камня. В нашей новой физике не было бы места для поля и вещества, поскольку единственной реальностью было бы поле” (стр. 201).
�так, главная физическая концепция Эйнштейна состоит в следующем. Все процессы, происходящие в природе, должны быть выражены в единой полевой теории. Эта теория свободно конструируется разумом на фундаменте свободно отобранных понятий. Теория должна отвечать определенным требованиям: быть внутренне совершенной, связывать события однозначным образом, приводить к выводам, не противоречащим опыту.

РАЦ�ОНАЛ�ЗМ � КАНТ�АНСТВО В ГНОСЕОЛОГ�� ЭЙНШТЕЙНА
Постижение роли теории как целостности, в которой каждая физическая категория играет служебную роль,— большое достижение современной теоретической мысли. Труды Эйнштейна,— впрочем, не одного только его,— сильно способствовали усвоению этой истины.
Но мы видели, что Эйнштейн отрицал путь от опыта к построению теории. Тот путь, который подсказывал
291
Мах, не мог удовлетворить Эйнштейна. При всей своей высокой оценке маховской критики априорных понятий ньютоновой физики, Эйнштейн не мог принять тезис позитивизма о существовании только мира ощущений, о понятиях как психических образованиях, о теориях как экономической записи все тех же фактов восприятии. Эйнштейн сам создавал теории и вовсе не таким путем, какой указывал Мах; весь профессиональный опыт Эйнштейна выражал внутренний протест против маховского опрощения проблемы происхождения понятий и теорий. Он вел к более глубоким выводам. Если образование теории — не такая опрощенная операция с “фактами восприятии” и “комплексами восприятии”, как указывал Мах, а логический процесс, в результате которого возникает целостная логическая система, выводы которой совпадают с новыми комплексами ощущений, то это действительно вселяет “веру в существование внешнего мира, независимого от воспринимающего субъекта”, в то, что и теория, и ощущения выражают именно этот мир.
Но структура этого мира постигается не чувствами, а разумом.
Таким образом, Эйнштейн в своей профессиональной деятельности, как физик-теоретик, подошел ближе к рационализму, чем к позитивизму. Не случайно он высказывал симпатии к выдающемуся рационалисту XVII века — Спинозе. Но, пожалуй, его метод ближе к рационализму старшего современника Спинозы —Декарта.
Как в наше время Эйнштейн брал за образец научного метода геометрический метод Евклида и математики вообще (Эйнштейн говорит об этом и в лекции “О методе теоретической физики” и в “Творческой автобиографии”), так в свое время и Декарт опирался на геометрический метод (как известно, геометрия была профессией Декарта, он положил начало аналитическим методам в ней). В “Рассуждении о методе для руководства разума и отыскания истины в науках” (1637) Декарт писал: “Те длинные цепи простых и легких рассуждении, которыми обычно пользуются геометры, чтобы дойти до своих наиболее трудных доказательств, дали мне случай представить себе, что все вещи, способные стать предметом знания людей, стоят между собою в такой же последовательности.
292
Если таким образом остерегаться принимать за истинное что-либо, что таковым не является, и соблюдать всегда порядок, в каком следует выводить одно из другого, то нет таких отдаленных вещей, которых нельзя было бы достигнуть, и таких сокровенных, которых нельзя было бы открыть”.
В этой рационалистической схеме Декарта все вещи стоят между собой в той же последовательности, что и в геометрии, и в ней логические следствия схемы Декарта совпадают с опытом. Декарт (как и Эйнштейн в наше время) искал исходные предпосылки познания, из которых он мог бы вывести все знание: “Я старался найти принципы или первые причины всего, что существует или может существовать в мире, пользуясь для этой цели рассмотрением бога, сотворившего его, и выводя все лишь из некоторых семян истины, естественно находящихся в нашей душе. Потом я исследовал, каковы первые и самые обыкновенные следствия, которые можно вывести из этих причин: и кажется мне, что таким путем я нашел небо, светила, звезды и на них воду, воздух, огонь, минералы и некоторые другие предметы, наиболее общие и простые, а потому и более доступные познанию”.
Как известно, Декарт признал невозможным практически провести эту логическую нить до “самых отдаленных вещей”, ибо хотя вещи и стоят между собой в геометрической последовательности, но где-то эта последовательность становится неоднозначной, и какая ветвь из этих последовательностей реализована в природе — человеческий разум логически не может решить. “Следовательно, обратить их (разнообразные частные следствия.— С. С.) в нашу пользу можно, только восходя от следствий к причинам и производя множество различных опытов”.
Декарт верил в рациональную структуру мира, но он признал, что отразить ее в мышлении возможно только в принципе, практически же необходимо восходить от следствий к причинам. Позиция Эйнштейна отличается тем, что в этом вопросе он не шел ни на какие компромиссы. Рационализм Эйнштейна отличен от классического и в другом отношении. В классическом рационализме (Декарта) все следствия выводятся из начальных принципов, они развертываются в последовательную цепь, в
293
которой каждое звено вытекает из предыдущего и каждое из них может быть сопоставлено с реальным миром.
Эйнштейн же исходил из того, что физическая теория представляет собой замкнутую логическую структуру и потому может быть проверена только в целом, в ее конечных выводах. Следовательно, теория не развертывается в последовательную цепь следствий, в которой может быть проверено каждое звено. До получения конечных выводов исследователь творит теорию чисто логически. Не случайно Эйнштейн всю жизнь настаивал на том, что теория — это свободное изобретение разума.
Что, однако, означают слова “проверка выводов теории”?
При обсуждении гносеологических проблем Эйнштейн не выдвигает в качестве решающего критерия познания активное взаимодействие человека с внешним миром, изменение внешнего мира на основе познания. Он сравнивает выводы теории с миром восприятии, довольствуясь сознанием того, что восприятия как-то связывают человека с внешним миром. Как относится свободно созданная разумом теория к внешнему миру — это можно судить по тому, как она объясняет, “упорядочивает” мир ощущений, который, несомненно, вызывается в нас внешним миром. Подтверждение последнего факта Эйнштейн видит в том, что наши ощущения имеют “надличный” (или внеличный) характер, т. е. одни и те же ощущения в одинаковых обстоятельствах присущи не одному человеку, а ряду людей.
Таким образом, по Эйнштейну, теория возникает не из опыта, а свободно изобретается разумом на основе более или менее совершенного отбора понятий — “кирпичей” фундамента — и, минуя внешний мир, накоротко замыкается непосредственно с миром ощущений, с тем “надличным”, что в нем встречается, объясняет и “упорядочивает” его.
Что касается самого внешнего мира, то он представляется Эйнштейну загадкой. Он находит эту идею — мир есть загадка — очень ценной и указывает, что она идет от Канта. В “Ответе на критику” Эйнштейн пишет: “Я не был воспитан в традициях Канта и довольно поздно пришел к пониманию того действительно ценного, что имеется в его
294
учении, наряду с заблуждениями, которые теперь совершенно очевидны. Оно заключено в утверждении: “реальное нам не дано, а загадано (в виде загадки)”. Это, очевидно, означает: для охвата межличного существует умозрительная конструкция, основание которой лежит исключительно в ней самой. Эта умозрительная конструкция относится именно к “реальному” (по определению), и все дальнейшие вопросы о “природе реального” бессодержательны”.
Более популярно эта концепция изложена в книге “Эволюция физики”. В ней авторы пишут: “Физические понятия суть свободные творения человеческого разума и не однозначно определены внешним миром, как это иногда может показаться. В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но он не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения. Он никогда не будет в состоянии сравнить свою картину с реальным механизмом, и он не может даже представить себе возможность или смысл такого сравнения. Но он, конечно, уверен в том, что по мере того, как возрастает его знание, картина реальности становится все проще и проще и будет объяснять все более широкий ряд его чувственных восприятии. Он может даже верить в существование идеального предела знаний и в то, что человеческий разум приближает этот предел. Этот идеальный предел он может назвать объективной истиной” (стр. 30).
Теперь перед нами вполне законченная картина мира и путей его познания, как представлял их Эйнштейн. В этой картине, действительно, отведено место всем философским направлениям — реализму (точнее, материализму) и позитивизму, кантианству и рационализму и, несомненно, элементам ряда других философских направлений. Эйнштейн видел в этом достоинство философских взглядов естествоиспытателя, выражение необходимости для него считаться не с “односторонней философской
295
схемой”, а с реальным разносторонним процессом познания.
В этой главе мы проследили, как зарождалась гносеология Эйнштейна из его понимания собственного опыта построения физических теорий. В следующей главе мы рассмотрим вопрос о том, оправдалась ли эта гносеология, когда он стал руководствоваться ею в трактовке уже созданных физических теорий, а также в разработке новых.

 
 
296
Эйнштейн А., �нфельд Л. Эволюция физики. - М., 1965. - С. 7-14, 47-50, 243-296.
 

А. ЭЙНШТЕЙН, Л. �НФЕЛЬД

ЭВОЛЮЦ�Я Ф�З�К�

РАЗВ�Т�Е �ДЕ� ОТ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ ПОНЯТ�Й ДО ТЕОР�� ОТНОС�ТЕЛЬНОСТ� � КВАНТОВ

I. Р  Рђ РЎ Р¦ B E T Рњ Р• РҐ Рђ Рќ Р� РЎ Рў Р� Р§ Р• РЎ Рљ Рћ Р“ Рћ Р’ Рћ Р— Р— Р  Р• Рќ Р� РЇ
Великая повесть о тайнах природы.— Первая руководящая идея.— Векторы.— Загадка движения.— Еще одна руководящая идея.—Является ли теплота субстанцией. — Увеселительная горка.— Мера превращения. — философские воззрения.— Кинетическая теория вещества.

ВЕЛ�КАЯ ПОВЕСТЬ О ТАЙНАХ ПР�РОДЫ
В нашем воображении рисуется книга. Это искусно написанная повесть о событиях, обстоятельства которых скрыты от нас под покровом загадочных тайн. Повесть эта дает нам все существенные путеводные нити и заставляет нас создать свою собственную теорию происходящего. Если мы внимательно следуем замыслу повести, мы приходим к полному раскрытию всех обстоятельств еще раньше, чем автор раскрывает их в конце книги. Само это раскрытие, если речь идет не о плохой повести, не разочаровывает нас: оно появляется в тот самый момент, когда мы его ждем.
Можем ли мы уподобить читателя такой книги ученым, которые через все следующие друг за другом поколения продолжают добиваться раскрытия тайн в книге природы? Сравнение неверно и его нужно впоследствии отбросить, но оно имеет некоторое оправдание; его следует расширить и видоизменить, чтобы сделать более соответствующим попыткам науки разгадать тайну Вселенной.
Эта великая повесть о тайнах еще не окончена. Мы даже не можем быть уверены в том, что она имеет окончательное завершение. Но уже само чтение дало нам много. Оно научило нас основам языка природы. Оно позволило нам понять многие путеводные нити и было источником радости и духовного подъема в периоды усиленного продвижения науки. Но мы ясно представляем себе, что, несмотря на все прочитанные и разобранные тома, мы еще далеки от ее конца, если, конечно, такой конец вообще существует. В каждой стадии мы стремимся найти объяснение, находящееся в согласии с уже открытыми идеями.
7
Теории, принятые в качестве пробных, объяснили много фактов, но никакого общего решения, совместимого со всем тем, что нам известно, пока еще не достигнуто. Очень часто совершенная на вид теория оказывалась неверной. Появляются новые факты, которые противоречат теории или же не объясняются ею. Чем больше мы читаем, тем более полно и высоко оцениваем совершенную конструкцию книги, хотя полная разгадка ее тайн кажется все удаляющейся по мере того, как мы продвигаемся вперед.
Со времени великолепных рассказов Конан-Дойля почти в каждой детективной новелле наступает такой момент, когда исследователь собрал все факты, в которых он нуждается, по крайней мере, для некоторой фазы своей проблемы. Эти факты часто кажутся совершенно странными, непоследовательными и в целом не связанными. Однако великий детектив заключает, что в данный момент он не нуждается ни в каких дальнейших розысках и что только чистое мышление приведет его к установлению связи между собранными фактами. Он играет на скрипке, или, развалившись в кресле, наслаждается трубкой, как вдруг, о Юпитер, эта связь найдена! Он не только уже имеет в руках объяснение всех обстоятельств дела, но он знает, какие другие определенные события должны были случиться. Так как теперь он совершенно точно знает, где искать их, он может, если ему хочется, идти собирать дальнейшие подтверждения своей теории.
Ученый, читая книгу природы, если нам позволено будет повторить эту банальную фразу, должен сам найти разгадку, потому что он не может, как это часто делает нетерпеливый читатель других повестей, обратиться к концу книги. В нашем случае читатель — это тоже исследователь, который ищет, как объяснить, хотя бы отчасти, связь событий между собой. Чтобы получить даже частичное решение этой задачи, ученый должен собирать неупорядоченные факты и своим творческим мышлением делать их связанными и понятными.
Наша цель — в последующих страницах описать в общих чертах, какова работа физиков, соответствующая чистому мышлению исследователя. Мы будем, главным образом, касаться роли мыслей и идей в смелых исследованиях, имеющих целью познание физического мира.
8

ПЕРВАЯ РУКОВОДЯЩАЯ �ДЕЯ
Попытки прочитать великую повесть о тайнах природы так же стары, как н само человеческое мышление. Однако лишь немногим более трех столетий назад ученые начали понимать язык этой повести. С того времени, т. е. со времени Галилея и Ньютона, чтение продвигалось быстро. Развилась техника исследования, систематические методы отыскания и изучения руководящих идей. Были разрешены некоторые загадки природы, хотя многие решения в свете дальнейших исследований оказались временными и поверхностными.
Самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за ее сложности,— это проблема движения. Все движения, которые мы встречает в природе,— движение камня, брошенного в воздух, движение плывущего в море корабля, движение повозки, тянущейся вдоль улицы,— в действительности очень сложны. Чтобы понять все эти явления, лучше всего начать с наиболее простых возможных случаев и постепенно продвигаться к более сложным. Рассмотрим тело, находящееся в покое. Чтобы изменить положение такого тела, необходимо оказать некоторое воздействие на него, толкнуть или поднять, или заставить действовать на него другие тела, например лошадь или паровую машину. Наша интуиция связывает движение с такими действиями, как толчок или тяга. Повторение опыта заставило бы нас отважиться на дальнейшее утверждение, что если мы хотим, чтобы тело двигалось быстрее, мы должны толкать его сильнее. Кажется естественным заключение, что чем сильнее действие, оказываемое на тело, тем больше будет его скорость. Карета, запряженная четверкой лошадей, движется быстрее, чем карета, запряженная парой. Таким образом, интуиция говорит нам, что скорость существенно связана с внешним воздействием.
Для читателей детективных выдумок привычно, что фальшивая нить запутывает повесть и отдаляет ее разрешение. Метод рассуждения, навязываемый интуицией, неверен и приводит к ложным идеям о движении, которые сохранялись в течение столетий. Может быть, главным
9
основанием продолжительной веры в эту интуитивную идею повсюду в Европе был великий авторитет Аристотеля. В “Механике”, в продолжение двух тысяч лет приписываемой ему, мы читаем:
“Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие”.
Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу.
Но где интуиция ведет к ошибкам? Правильно ли сказать, что карета, запряженная четверкой лошадей, должна двигаться быстрее, чем запряженная только двумя?
Проверим ближе основные факты движения, начиная с простых повседневных опытов, хорошо известных человечеству с начала цивилизации и полученных в жестокой борьбе за существование.
Предположим, что некто, идущий по горизонтальной дороге с багажной тележкой, внезапно перестает ее толкать. Тележка будет двигаться еще некоторое время, пройдя небольшое расстояние, а затем остановится. Мы спрашиваем: как можно увеличить это расстояние? Для этого имеются различные способы, например смазывание колес или устройство более гладкой дороги. Чем легче вращаются колеса и чем ровнее дорога, тем дальше будет двигаться тележка. А что же дает смазывание колес или сглаживание неровностей пути? Только одно: становится меньше внешнее влияние. Уменьшается эффект, называемый трением, как в колесах, так и между колесами и дорогой. Это уже теоретическое толкование наблюдаемых данных, толкование, которое пока еще произвольно. Один важный шаг дальше, и мы попадем на правильный след. Представим себе совершенно гладкий путь и колеса, вовсе не имеющие трения. Тогда ничто не остановит тележки и она будет катиться вечно. Этот вывод достигнут только размышлением об идеализированном эксперименте, который никогда не может быть осуществлен, так как невозможно исклю-
10
чить все внешние влияния. �деализированный эксперимент указывает путь, на котором фактически были установлены основы механики движения.
Сравнивая оба метода подхода к проблеме, мы можем сказать, что интуитивная идея такова: чем больше воздействие, тем больше скорость. Таким образом, наличие скорости показывает, действуют ли на тело внешние силы. Новый же путь, указанный Галилеем, таков: если ничто не толкает и не тянет тело или если на тело ничто не действует каким-либо другим образом, короче говоря, если на тело не действуют никакие силы, оно покоится или движется прямолинейно и равномерно, т. е. всегда с одинаковой скоростью по прямой. Следовательно, скорость сама по себе не показывает, действуют ли на тело внешние силы или нет. Правильный вывод Галилея был сформулирован спустя поколение Ньютоном в виде закона инерции. Этот закон — обычно первое из физики, что мы выучиваем в школе наизусть, и многие из нас могут его вспомнить.
Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменять его под влиянием действующих сил.
Мы видели, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением. Этот идеализированный эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов
�з многообразия сложных движений в окружающем нас мире мы выбираем в качестве первого примера прямолинейное и равномерное движение. Это движение — простейшее, ибо при этом на движущееся тело не действуют никакие внешние силы. Однако прямолинейное и равномерное движение никогда нельзя реализовать; камень, брошенный с башни, или тележка, толкаемая вдоль дороги, никогда не могут двигаться абсолютно прямолинейно и равномерно, потому что мы не можем полностью исключить влияния внешних сил.
В хорошей повести о загадочных тайнах самые очевидные нити часто ведут к ложным подозрениям. В наших попытках понять законы природы мы подобным же
11
образом находим, что самое очевидное интуитивное объяснение зачастую бывает ложным.
Человеческое мышление творит вечно изменяющуюся картину вселенной. Вклад Галилея в науку состоял в разрушении интуитивного воззрения и в замене его новым. В этом — значение открытия Галилея.
Но немедленно же возникают дальнейшие вопросы о движении. Если не скорость является показателем внешней силы, действующей на тело, то что же тогда? Ответ на этот фундаментальный вопрос был найден Галилеем, а вернее Ньютоном; он образует новую руководящую идею в наших исследованиях.
Чтобы найти правильный ответ, мы должны немного глубже вдуматься в опыт с тележкой на абсолютно гладкой дороге. Прямолинейность и равномерность движения в нашем идеализированном опыте были обязаны отсутствию всех внешних сил. Теперь представим себе, что прямолинейно и равномерно движущаяся тележка получает толчок в направлении движения. Что произойдет при этом? Очевидно, ее скорость увеличится. Так же очевидно, что толчок в направлении, противоположном направлению движения, должен уменьшить скорость. В первом случае движение тележки ускоряется толчком, во втором—замедляется. Вывод вытекает сразу же: действие внешней силы изменяет скорость. Таким образом, не сама скорость, а ее изменение есть следствие толчка или тяги. Сила либо увеличивает, либо уменьшает скорость, соответственно тому, действует ли она в направлении движения или в противоположном направлении. Галилей видел это ясно и написал в своем труде “Беседы о двух новых науках”;
“... скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления,— условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в случае движения по наклонной плоскости вниз уже существует причина ускорения, в то время как при движении по наклонной плоскости вверх налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно, ибо, если скорость будет постоянной, движение не может быть уменьшено или ослаблено, а тем более уничтожено”.
�дя по этому верному пути, мы достигаем более глубокого понимания проблемы движения. Основой классической механики, как она сформулирована Ньютоном,
12
является связь между силой и изменением скорости, а не между силой и самой скоростью, как мы думали, согласно интуиции.
Мы использовали два понятия, играющих принципиальную роль в классической механике: силу и изменение скорости. В дальнейшем развитии науки оба эти понятия расширяются и обобщаются. Поэтому они должны быть исследованы подробнее.
Что такое сила? �нтуитивно мы чувствуем, что именно обозначается этим термином. Это понятие возникает из усилия, которое мы производим при толчке, броске или тяге, из того мускульного ощущения, которое сопровождает все эти действия. Но обобщение этих понятий выходит далеко за пределы столь простых примеров. Мы можем думать о силе, даже не воображая себе лошадь, тянущую повозку. Мы говорим о силе притяжения между Солнцем и Землей, Землей и Луной, и о таких силах, которые вызывают приливы и отливы. Мы говорим о силе, с которой Земля воздействует на все предметы вокруг нас, удерживая их в сфере своего влияния, и о силе ветра, производящей морские волны и приводящей в движение листья деревьев. Когда и где мы наблюдаем изменение скорости, тогда и там причиною этому является внешняя сила в самом общем смысле. Ньютон писал в своих “Принципах”:
“Воздействующая сила есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.
Эта сила проявляется только в действии, она не сохраняется в теле, когда действие прекращается, ибо тело сохраняет всякое новое состояние, которое оно приобретает, исключительно благодаря его инерции. Воздействующие силы имеют различное происхождение: таковы силы удара, давления и центростремительные”.
Если камень падает с вершины башни, его движение неравномерно: его скорость возрастает с падением. Мы заключаем, что в направлении движения действует внешняя сила или, другими словами, что Земля притягивает камень. Возьмем другой пример. Что происходит, когда камень брошен прямо вверх? Скорость уменьшается до тех пор, пока камень не достигнет своей наивысшей точки, после чего он начинает падать на Землю. Это уменьшение
13
скорости вызывается той же силой, что и ускорение падающего тела. В одном случае сила действует в направлении движения, в другом случае — в противоположном направлении. Сила одна и та же, но она вызывает или возрастание скорости или замедление, соответственно тому, падает ли камень или он брошен вверх.
14
 

Ф�ЛОСОФСК�Е ВОЗЗРЕН�Я
Результаты научного исследования очень часто вызывают изменения в философских взглядах на проблемы, которые распространяются далеко за пределы ограниченных областей самой науки. Какова цель науки? Что
47
требуется от теории, которая стремится описать природу? Эти вопросы, хотя и выходят за пределы физики, близко связаны с ней, так как наука дает тот материал, из которого они вырастают. Философские обобщения должны основываться на научных результатах. Однако, раз возникнув и получив широкое распространение, они очень часто влияют на дальнейшее развитие научной мысли, указывая одну из многих возможных линий развития. Успешное восстание против принятого взгляда имеет своим результатом неожиданное и совершенно новое развитие, становясь источником новых философских воззрений. Эти замечания неизбежно звучат неопределенно и неостроумно до тех пор, пока они не иллюстрированы примерами, взятыми из истории физики.
Мы постараемся здесь описать первые философские идеи о целях науки. Эти первые идеи сильно влияли на развитие физики до тех пор, пока, около ста лет назад, они не были отброшены благодаря новым данным, новым фактам и теориям, которые в свою очередь образовали новую основу для науки.
Во всей истории науки от греческой философии до современной физики имелись постоянные попытки свести внешнюю сложность естественных явлений к некоторым простым фундаментальным идеям и отношениям. Это основной принцип всей натуральной философии. Он выражен уже в работе атомистов. Двадцать три столетия назад Демокрит писал:
“Условно сладкое, условно горькое, условно горячее, условно холодное, условен цвет. А в действительности существуют атомы и пустота. То есть объекты чувств предполагаются реальными и в порядке вещей — рассматривать их как таковые, но на самом деле они не существуют. Реальны только атомы и пустота”,
Эта идея остается в древней философии ни чем иным, как остроумным вымыслом воображения. Законы природы, устанавливающие связь следующих друг за другом событий, были неизвестны грекам. Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически началась с работ Галилея. Мы проследили за первыми шагами ее развития, приводящими к законам движения. На протяжении двухсот лет научного исследования сила и материя были основными
48
понятиями во всех попытках понять природу. Невозможно представить себе одно без другого, ибо материя обнаруживает свое существование в качестве источника силы благодаря ее действию на другую материю.
Рассмотрим простейший пример: две частицы, между которыми действуют силы. Легче всего представить себе силы притяжения и отталкивания. В обоих случаях векторы сил лежат на линии, соединяющей материальные точки (рис. 21). Требование простоты приводит нас к картине частиц, притягивающих или отталкивающих друг друга; любое другое предположение о направлении действующих сил привело бы к гораздо более сложной картине. Можем ли мы сделать столь же простое предположение о длине векторов сил? Если мы пожелаем избежать слишком специальных предположений, мы можем высказать одно соображение: сила, действующая меж- ду двумя данными частицами, зависит только от расстояния между ними, подобно силам тяготения. Это предположение кажется довольно простым. Можно было бы представить гораздо более сложные силы, например зависящие не только от расстояния, но и от скоростей обеих частиц. С материей и силой в качестве основных понятий мы едва ли можем связать более простые предположения, чем те, что силы действуют вдоль линии, связывающей частицы, и зависят только от расстояния. Но возможно ли описать все физические явления с помощью сил только этого рода?
Огромные достижения механики во всех ее ветвях, ее поразительный успех в развитии астрономии, приложение ее идей к проблемам, по-видимому, отличным от механических по своему характеру,— все это способствовало развитию уверенности в том, что с помощью простых сил, Действующих между неизменными объектами, можно описать все явления природы. На протяжении двух столетий, последовавших за временем Галилея, такая попытка, сознательная или бессознательная, проявляется почти во всех научных трудах.
49
Особенно ясно ее сформулировал Гельмгольц около середины девятнадцатого столетия:
“Следовательно, конечную задачу физической науки мы видим в том, чтобы свести физические явления к неизменным силам притяжения или отталкивания, величина которых целиком зависит от расстояния. Разрешимость этой задачи есть условие полного понимания природы”.
Таким образом, линия развития науки согласно Гельмгольцу определена и следует строго установленному курсу:
“Ее призвание будет выполнено по мере того, как будет выполнено сведение явлений природык простым силам и будет доказано,что это единственно возможное сведение, которое допускают явления”.
Физику двадцатого столетия это воззрение представляется недалеким и наивным. Ему страшно было бы подумать, что величайшие успехи исследования могли бы скоро закончиться, перестав возбуждать умы, если бы непогрешимая картина строения Вселенной была установлена на все времена.
Хотя эти догматы сводили бы описание всех событий к простым силам, они оставляли открытым вопрос о точной зависимости сил от расстояния. Возможно, что для различных явлений эта зависимость различна. Необходимость введения многих различных видов сил для различных событий, конечно, неудовлетворительна с философской точки зрения. Тем не менее, это так называемое механистическое воззрение, наиболее ясно сформулированное Гельмгольцем, сыграло в свое время важную роль. Развитие кинетической теории вещества есть одно из величайших достижений науки, непосредственно вызванное механистическим воззрением.
Прежде чем показать его упадок, временно станем на ту точку зрения, которой придерживались физики прошлого столетия, и посмотрим, какие заключения мы можем вывести из этой картины внешнего мира.
50

РЎ. Р“. РЎРЈР’РћР РћР’

ЭВОЛЮЦ�Я Ф�З�К� В ПРЕДСТАВЛЕН�� ЭЙНШТЕЙНА
/. Эйнштейн о популяризации науки. Эволюция физики как “драма uдей.—Вклад Эйнштейна в современную физику.—Отход от идей квантовой теории.
II. Какая же философия вела Эйнштейна?—Методологические выводы из разработки теории относительности. Отклонение позитивизма и one рационализма.—Проблема реформы классической физики под углом зрения ее целостности. Теория тяготения Эйнштейна.— Оценка дифференциального закона как единственной формы причинности.—Рациональные пути построения физической теории.—Рационализм и кантианство в гносеологии Эйнштейна.
IІІ. Гносеология Эйнштейна и реальный процесс познания. Опыт и теория у Эйнштейна.—Метод Эйнштейна в действии. Общая теория относительности или обобщенная теория тяготения?—Квантовая теория и гносеология Эйнштейна.—Единая теория поля как генеральная линия развития физики.—Заключение.

ЭЙНШТЕЙН О ПОПУЛЯР�ЗАЦ�� НАУК�.

ЭВОЛЮЦ�Я Ф�З�К� КАК “ДРАМА �ДЕЙ”
Великий физик нашего времени Альберт Эйнштейн высоко ценил дело популяризации науки. В своей “Творческой автобиографии”, написанной им к 70-летию (1949), Эйнштейн рассказывал, какое огромное влияние оказала на него научно-популярная литература еще в детские и юношеские годы *).
До 12 лет он был глубоко религиозным, но в эти же годы религия разочаровала его. Что же было тому причиной? “Чтение научно-популярных книжек,— писал он,— привело меня вскоре к убеждению, что в библейских рассказах многое не может быть верным. Следствием этого было
__________________________________
*) Перевод опубликован в журнале “Успехи физических наук”, т. LIX, в. 1, 1956.
Заглавие “Творческая автобиография” дано переводчиками — В. А. Фоком и А. В. Лермантовой; сам автор озаглавил эту работу скромнее: “Autobiographisches” — “Нечто автобиографическое”.
243
прямо-таки фантастическое свободомыслие, соединенное с выводами, что молодежь умышленно обманывается государством; это был потрясающий вывод. Такие переживания породили недоверие ко всякого рода авторитетам и скептическое отношение к верованиям и убеждениям, жившим в окружавшей меня тогда социальной среде”.
В последующие годы научно-популярная литература ввела молодого Эйнштейна в круг физических и математических проблем и помогла сложиться устойчивым интересам в науке, определившим его судьбу на всю жизнь. С большой теплотой и благодарностью вспоминал он те книги, которые захватили и покорили его юношескую душу.
Поучительно отметить, какие качества он ценил в них. “На мое счастье,— писал он о книгах, познакомивших его с основами дифференциального и интегрального исчислений,— мне попались книги, в которых обращалось не слишком много внимания на логическую строгость, зато хорошо была выделена везде главная мысль. Все это занятие было поистине увлекательно... Мне посчастливилось также получить понятие о главнейших результатах и методах естественных наук по очень хорошему популярному изданию, в котором изложение почти везде ограничивалось качественной стороной вопроса (Бернштейновские естественно-научные книги для народа — труд в 5—6 томов); книги эти я читал, не переводя дыхания”.
Замечательны взгляды Эйнштейна на методы популяризации науки. �нфельд рассказывает в статье “Мои воспоминания об Эйнштейне”: “Мы ненавидели популяризацию, спекулирующую на чувствах читателя. Чтобы держать в напряжении внимание несчастного читателя, некоторые писатели жонглируют остроумием, не имеющим ничего общего с предметом; в результате в памяти читателя остаются остроты, но он забывает о цели, ради которой преподнес их автор... В таких книгах подчеркиваются те результаты, которые противоречат здравому рассудку простого человека, для того, чтобы показать, как мудры и просвещенны ученые... Хорошая популяризация может и должна возбуждать чувства не экскурсами в область метафизики, а вызываемым ею усилием постижения, мучительным и в то же время радостным усилием все более полного и глубокого постижения.
244
Однако, чтобы решиться на такого рода популяризацию, следует отказаться от внешних эффектов. Это значит, надо писать ясно и просто, убеждая читателя, что наука опирается на зрелый и развитой здравый рассудок, что ее целью является воссоздание картины окружающей нас действительности”.
Существенно также отметить, что Эйнштейн связывал дело популяризации науки не с удовлетворением праздного любопытства, а видел в нем средство обогащения духовной жизни народа. В предисловии к книге Линкольна Барнетта “Эйнштейн и Вселенная” (1950) он писал: “Недостаточно того, что отдельные результаты признаются, разрабатываются и применяются немногими специалистами. То обстоятельство, что научные знания являются достоянием лишь маленькой группы людей, снижает философский уровень народа, приводит к его духовному оскудению”.
Эта мысль Эйнштейна становится особенно весомой на нынешнем этапе развития физических наук, когда их содержание стало крайне абстрактным и не наглядным, когда они находят свое выражение только в форме, доступной лишь узкому кругу лиц, работающих по данной проблеме, и когда их философское значение сильно возросло.
Таковы глубокие мысли о значении и методах популяризации естественных наук, высказанные величайшим корифеем науки. Многим нашим ученым и популяризаторам полезно было бы их учитывать.
� тем не менее сам Эйнштейн самостоятельно не написал ни одной общедоступной книги, хотя всегда сожалел о том, что разработанная им теория относительности непонятна для неспециалистов. Свою попытку в 1916 году написать такую книгу он не считал удачной: книга получилась трудной, и он сам острил, что вопреки подзаголовку она скорее “общеНЕдоступна”. Других попыток не было, если не считать небольших газетных статей о теории относительности для широкой публики. Это, видимо, следует объяснить огромной целеустремленностью ученого и тем, что при любых результатах он всегда ощущал незавершенность своих больших идей и потребность отдать им все силы.
245
Тут, однако, помог Леопольд �нфельд, польский физик, состоявший в 1936—1938 годах ассистентом Эйнштейна в �нституте высших исследований в Принстоне, в США. В своих воспоминаниях об Эйнштейне �нфельд рассказывает, по какому поводу появилась книга двух авторов “Эволюция физики”. �нститут предоставил �нфельду стипендию только на один год. Надо было обеспечить ему материальную возможность продолжать научную работу. Прямую денежную помощь от Эйнштейна он отказался бы принять. Возникла идея написать совместно книгу о физике для широкой публики и тем заодно решить и финансовую проблему �нфельда. “Мысль о том, чему посвятить книгу, родилась в голове Эйнштейна,— вспоминает �нфельд.— Он намеревался написать популярную книгу, содержащую основные идеи физики в ее логическом развитии. По Эйнштейну, в физике имеется лишь несколько принципиальных идей, и они могут быть выражены словами.— Ни один ученый не мыслит формулами,—говорил он часто”.
Но первоначальный план — написать “просто популярную книгу” — в ходе работы над ней изменился. Авторы решили: “она должна представлять нечто большее! Это должна быть книга, из которой я (�нфельд.—С. С.) и другие физики смогут что-то извлечь — не конкретные факты, а новую точку зрения, идеи, расположенные в правильной перспективе; это должна быть научная книга, но в то же время написанная как можно проще”.
Эйнштейн был захвачен идеей изложить развитие физики как “драму идей”, в которой новое вечно приходит в столкновение со старым. “Наша книга,—говорил он,— должна быть интересной, захватывающей для каждого, кто любит науку”.
Так в 1938 году появилась эта книга, из которой, по замыслу ее авторов, не только широкие круги интеллигенции, но и специалисты-физики могут извлечь “новую точку зрения, идеи, расположенные в правильной перспективе”. Естественно, что “Эволюция физики” не представляет собой истории физики в обычном смысле, она не описывает все ее теоретические и технические достижения, не показывает связи физики с развитием производительных сил. В ней широкими штрихами нарисованы картина общего
246
развития физических идей, логическая линия развития физики, смена физических воззрений от механической картины мира до “полевой”, сделана попытка нарисовать перспективы дальнейшего развития физики. В рамках поставленной задачи книга описывает только принципиальные научные открытия, которые явились поворотными пунктами в развитии физических теорий. Она показывает те активные силы, которые вынуждают науку создавать идеи, отражающие реальность нашего мира, дают “некоторые представления о вечной борьбе изобретательного человеческого разума за более полное понимание законов, управляющих физическими явлениями” (стр. 6).
Книга оказалась действительно общедоступной, а для тех, кто будет внимательно следить за логикой развития идей, прямо-таки захватывающей. Но главное достоинство ее состоит в том, что она является отражением физического мышления одного из крупнейших ученых современности, мышления глубокого и поразительно целеустремленного. Вот почему этой книге был обеспечен огромный интерес со стороны не только представителей смежных специальностей, но и физиков. Она многократно переиздавалась на языке оригинала (английском) и переводилась на многие языки мира. После двух изданий на русском языке можно сказать, что большой интерес к ней проявил и советский читатель.
Развитие физики действительно показано в книге как “драма идей”. Эта драма достигла наивысшего напряжения в годы жизни Эйнштейна и при его непосредственном участии. Более того, он сам до конца вскрывал все возможные коллизии в столкновении физических идей. На всех этапах исследований он стремился создать единую логическую систему, отображающую закономерности мира; вместе с тем он способствовал развитию идей, которые если не преграждали, как полагал позднее сам Эйнштейн, то, несомненно, усложняли путь к этой единой картине мира. При этом он сам пережил драму ученого, оставшись в своих взглядах почти в одиночестве, и это после того, как он уже был признанным знаменосцем и вождем современной физики.
Об этой персонифицированной драме в книге ничего не сказано, а между тем знакомство с ней очень поучительно.
247

ВКЛАД ЭЙНШТЕЙНА В СОВРЕМЕННУЮ Ф�З�КУ
Эйнштейн вступил на арену научной деятельности в самом начале XX века, в знаменательный и переломный для физики период. В истории физики этот период характеризуется не только известными открытиями электрона, радиоактивности, развитием кинетической теории газов, спектральных методов и т. п., но и мощным подъемом теоретической мысли. Среди физических теорий наряду с термодинамикой получила огромное значение теория электромагнитного поля Максвелла.
Еще незадолго до того, далекую от наглядных представлений теорию Максвелла многие физики встречали с явным скепсисом. Однако к началу XX века эта теория, казавшаяся крайне абстрактной и непонятной, уже показала глубокую связь с реальным миром, с техникой. Ее реальная познавательная ценность выразилась в подтверждении существования предсказанных ею электромагнитных волн (Г. Герц, 1887), в быстром развитии на этой основе радиотехники (А. Попов, 1895), в объединении всех электромагнитных излучений в единую по своей природе шкалу, включая в нее и свет, в раскрытии связи электромагнитных и оптических свойств вещества. В студенческие годы Эйнштейна теория Максвелла уже стала проникать в учебные планы европейских университетов.
Но в этот же период были обнаружены и существенные затруднения теории. Они были связаны с необходимостью применить электродинамику к движущимся заряженным телам. Этой проблемой занимались выдающиеся физики того времени: Лоренц, Пуанкаре, Абрагам, Ланжевен и другие. Занимала эта проблема и молодого Эйнштейна.
Трудности возникали в связи с тем, что теория Максвелла описывала взаимодействие проводника и магнита так, что различались два случая взаимодействия: первый — когда проводник покоится, а магнит движется, а второй — при обратной ситуации. В случае, когда движется магнит, картина представлялась такой: силовые линии возникающего при движении магнита электрического поля пересекают проводник и возбуждают в нем ток. Когда же магнит покоится, а движется проводник, то, с точки зре-
248
ния теории Максвелла, электрическое поле не возникает, но в проводнике появляется электродвижущая сила, вызывающая точно такой же эффект. Таким образом, теория Максвелла рассматривала эти два случая как разные, хотя и не отличающиеся по их проявлениям.
Это обстоятельство, подмеченное Эйнштейном, было характеризовано им как несимметричность формы теории в отношении обоих случаев. Тем самым теория неявным образом допускала наличие в природе одной-единственной системы отсчета, по отношению к которой можно установить, что покоится, а что движется. Несимметричность формы теории была неадекватна самому явлению. В самом деле, известно, что для возбуждения тока в проводнике существенно перемещение магнита и проводника лишь относительно друг друга. Эта равноправность систем отсчета подтверждалась и тем фактом,— уже в то время широко использованным в технике,— что процессы в динамо, вырабатывающем ток, и в моторе, в котором ток преобразуется в энергию вращения ротора, обратимы.
Выявление существенной роли именно относительного движения означало, что и электродинамическую теорию следует формулировать так, чтобы ее уравнения были справедливыми для любых систем отсчета, для которых справедливы также и уравнения механики.
Наряду с этим надо было учесть и установленный экспериментально факт независимости скорости передачи электромагнитного сигнала (скорости света) от движения его источника.
�менно эти теоретические проблемы и рассматривает Эйнштейн в своей знаменитой работе “К электродинамике движущихся тел” (1905), в которой развиты основы теории относительности. Теория привела к формулировке условий инвариантности электродинамических законов в инерциальных системах. Эти условия состоят в том, что физические величины, которые ранее считались инвариантными (расстояния, время, масса, магнитная и электрическая напряженности и проч.), в действительности оказываются относительными: при переходе к новой инер-циальной системе они преобразуются по определенному закону, зависящему от относительной скорости движения системы.
249
Физическое и принципиальное значение теории относительности огромно. Пожалуй, до того ни одна теория еще не приносила столько новых обобщающих идей. Здесь мы только напомним о важнейших из них.
Оказалось несостоятельным метафизическое представление о наличии абсолютной системы отсчета, абсолютном пространстве и времени. Потерпела крах идея о мировой среде — эфире — специфическом носителе электромагнитных процессов, физические свойства которого физики тщетно пытались определить в XIX веке. Выявилась необоснованность трактовки ряда свойств тел как абсолютных, не зависящих от состояния движения их. Установлена связь массы и энергии.
Теория относительности положила начало представлению о пространственно-временном континууме, физические свойства (метрика) которого определяются находящимися в нем массами. Развивая эти идеи, Эйнштейн создал обобщенную теорию тяготения, показав, что поля тяготения естественно включаются в континуум через изменение его метрики. Теория тяготения Эйнштейна привела к предсказанию новых физических явлений, о чем будет подробнее сказано ниже.
Зародившись как абстрактная теория, которая должна была разрешить теоретические трудности, возникшие в электродинамике движущихся тел, теория относительности в наше время вошла в практику атомных исследований. Без учета ее выводов нельзя конструировать современные ускорители элементарных частиц, невозможно производить расчеты ядерных реакций. Даже человеку, далекому от современной ядерной техники, ясно, как велико должно быть практическое значение такой теории. Однако это еще не все.
Теория относительности наложила глубокий отпечаток на все другие, настоящие и будущие, физические теории: в предельной области высоких скоростей они должны отвечать ее формальным требованиям. Поэтому наряду с обычной квантовой механикой возникает релятивистская квантовая механика, наряду с классической космологией — релятивистская космология и т. д.
Теория относительности оказала огромное влияние на самое мышление физиков. Она показала важную роль
250
обобщения и обобщающих наук. Вместе с ней в физике появился дух новаторства, смело ломающий закостенелые взгляды на физические понятия, всегда требующий обобщенного подхода к физическим явлениям.
Но вклад Эйнштейна в физику не ограничивается созданием теории относительности и обобщенной теории тяготения, вместе со всеми обновляющими идеями, которые они несли. Его заслуги огромны и в других областях физики, в которых надо было прокладывать первые тропы. О важнейших из них необходимо здесь рассказать и не только потому, что они меньше известны широким кругам, но и ввиду особой отрицательной позиции, какая выявилась у Эйнштейна позднее по отношению к тем направлениям в физике, мощный импульс к развитию которых он сам же дал.
Здесь надо прежде всего указать на преобразование, которое Эйнштейн произвел во взглядах на природу света.
�звестно, что Планк, проанализировав условия, при которых так называемое излучение абсолютно черного тела должно находиться в равновесном состоянии, установил (1900) связь энергии (ε) и частоты (v) света: ε = hv, где h = 2π¯h— планковская постоянная, которая равна 6,63·10^-27 эрг·сек. Наличие такой связи удивляло физиков, поскольку она была необычной в аспекте классической физики, согласно которой энергия волны связана с ее амплитудой, а не частотой.
Но в первые годы эту связь еще не трактовали глубоко. По свидетельству Макса Борна, ее считали своеобразной гипотезой, пригодной лишь для данного случая. Экспериментаторы не проявляли к ней интереса, считая ее “инструментом теоретиков”, полезным лишь для того, чтобы свести концы с концами в каком-то сугубо теоретическом вопросе о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Теоретиков эта странная связь энергии и частоты беспокоила: вместе с ней появилась идея о квантованности энергии, но никто не знал, как это понимать. Теоретики не шли далее того, чтобы представить себе механизм, посредством которого осциллятор может испускать и поглощать только определенные порции энергии. Особенные затруднения испытывались при отыскании механизма поглощения, поскольку
251
все еще исходили из представления, что энергия на осциллятор падает непрерывно: по-видимому, каким-то образом она должна накапливаться, прежде чем быть поглощенной. Никто из физиков, в том числе и сам Планк, не подозревал, что из открытия обобщенной формулы излучения абсолютно черного тела могут последовать революционные идеи, которые раскроют перед физикой совершенно новые горизонты.
Решающий шаг сделал Эйнштейн. Он первый осознал основополагающее значение квантовых идей *) и стал рассматривать ряд известных к тому времени затруднений классической физики в свете квантовых представлений.
Одно из таких затруднений представляло явление фотоэлектрического тока (фотоэффект). Фотоэффект был открыт еще Генрихом Герцем, Гальваксом и другими физиками в восьмидесятых годах прошлого века и тогда же был обстоятельно исследован А. Г. Столетовым. Как известно, этот эффект состоит в том, что лучи света, падая на металлическую пластинку, вырывают из нее поток электронов, создающий ток в замкнутом контуре. Столетов нашел закономерную связь фототока со светом, его вызывающим. Оказалось, что сила фототока зависит не от яркости возбуждающего света, как ожидалось в соответствии с законами классической физики, а от цветности падающих лучей, иначе говоря, от частоты падающего на пластинку излучения. Эту закономерность невозможно было объяснить по законам классической физики. Фотоэффект противоречил этим законам. В течение почти двух десятилетий он оставался загадочным явлением.
Эйнштейн рассмотрел теперь это явление в свете квантовых представлений и нашел, что оно получает простое и непротиворечивое объяснение, если предположить, что сам световой поток представляет собой поток квантов (фотонов), несущих энергию, пропорциональную частоте:
ε = hv, как это и соответствует планковскому кванту энергии. Тогда ясно, что энергия, переданная квантом света свободному электрону пластинки, будет зависеть не от яркости света, а именно от его частоты. Найденное
________________________________
*) У Эйнштейна были к этому своп основания, о которых будет сказано ниже.
252
ранее Планком соотношение получило в работах Эйнштейна ясный смысл: взаимодействие света с веществом, в процессе которого вещество поглощает или испускает квант энергии, определяется квантовой структурой самого света, тем, что сам световой поток состоит из потока световых квантов. При этом объяснении отпадает необходимость придумывать для атома специальный механизм, регулирующий испускание и поглощение световой энергии квантами: сама световая энергия прерывна.
В той же работе — “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света” (1905) — Эйнштейн применил квантовые идеи для объяснения правила смещения Стокса в люминесценции, а также к фотоионизации газа; он показал, что во всех подобных явлениях происходит превращение кинетической энергии электрона в световой квант или наоборот. Во всех процессах взаимосвязи электронов и света передаваемая энергия излучения пропорциональна частоте и постоянной h. Это уже легко проверить экспериментально.
Насколько взгляды Эйнштейна были новы и революционны для того времени, свидетельствует факт, описываемый А. Ф. �оффе в статье “Памяти Альберта Эйнштейна” (1956). В 1907 году �оффе стал экспериментально проверять фотонную теорию света на натрии и калии, а в 1909 году попытался вывести из теории фотонов законы равновесной лучистой энергии. О своих результатах он послал статью в журнал “Анналы физики”, редактором которого был Планк. �оффе пишет: “Последний [Планк], познакомившись с моей статьей, которую он затем все же опубликовал в своем журнале..., убеждал меня в необходимости оставаться на почве классических представлений Максвелла и не идти дальше, чем это крайне необходимо, ограничиться своеобразием механизма излучения, допускать, если это окажется неизбежным, своеобразие в поглощении света электроном и ряд других частных гипотез, но не порывать с теорией электромагнитного поля и не посягать на самый свет. “Классическая теория дала нам столько полезного, что к ней надо относиться с величайшей осторожностью и охранять ее”,—говорил Планк”.
Вслед за квантовым объяснением фотоэффекта, явлений люминесценции, ионизации газа Эйнштейн рассмотрел
253
и еще одну загадку, которая не находила решения в аспекте классической физики. Речь идет о теплоемкости твердых тел при низких температурах. Согласно классической физике, на каждую степень свободы сложной физической системы приходится одинаковая доля энергии из находящейся в системе. Зная число степеней свободы физической системы, можно было рассчитать удельную теплоемкость любого вещества; она не должна была зависеть от температуры вещества (закон Дюлонга и Пти). Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы подтверждался экспериментами для доступных в то время не слишком низких температур; это доказывало, что расчеты классической физики имели определенное обоснование. Казалось, что этот закон раскрывает простой и наглядный механизм распределения энергии внутри физической системы и потому является незыблемым. Однако к этому времени уже выяснилось, что при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, теплоемкость становится меньше теоретически вычисленной; это отступление становится резким для кристаллических тел, особенно таких как алмаз. Классическая физика не могла дать объяснения этому факту. � опять для объяснения этой закономерности Эйнштейн применил к внутриатомным и молекулярным связям идею об их квантовой природе. Работы эти были вслед за тем успешно продолжены и углублены Дебаем, Борном, Карманом и другими.
Мы видим, что Эйнштейн чрезвычайно расширил применение квантовых идей, показав их определяющую роль в атомной физике. Тем самым он дал мощный побуждающий толчок бесчисленным исследованиям физиков в этом направлении. Становилось ясным, что в свете новых идей должны быть проанализированы и все уже известные физике трудности, и все вновь открываемые явления. Новые идеи становились генеральной линией развития физики.
Необходимо подчеркнуть, что для исследований Эйнштейна этих лет характерна одна черта: глубокая связь новых теоретических идей с экспериментом. Сугубо абстрактные методы и гипотезы он применял к практическим проблемам, которые волновали физиков, и сразу вносил в них ясность; при этом он доводил свои теоретические
254
рассуждения до формы, в которой их легко можно было проверить экспериментально. Поэтому вслед за исследованиями Эйнштейна стали появляться в большом числе экспериментальные работы по самым различным проблемам атомной физики. Эти работы неизменно подтверждали его выводы. Они показали, что гипотеза квантов, которая до Эйнштейна рассматривалась только как удобный прием для расчетов в теории излучения абсолютно черного тела, на самом деле есть открытие новой стороны физических процессов и что на всю атомную физику надо смотреть теперь только с позиций квантовой гипотезы.
До применения квантовых идей непосредственно к атомной структуре физика дошла позднее, в начале второго десятилетия, после знаменитых экспериментальных исследований Резерфорда, вскрывших ядерную структуру атома, и на их основе. В этих исследованиях принимал близкое участие и Нильс Бор, работавший в то время (1912) в группе Резерфорда в Манчестере. Ему принадлежит честь создания первой модели квантованного атома.
Эйнштейн в этот период был полностью поглощен разработкой теории тяготения и участия в исследованиях структуры атома не принимал. Но кто может отрицать, что мощным импульсом, побуждавшим Нильса Бора, было также влияние идей Эйнштейна, убедительно показавшего решающую роль квантовых связей во всей атомной физике? Сам Бор в “Воспоминаниях о Резерфорде...” (1961) писал об истории своих работ: “Это открытие (кванта действия.—С. С.), в особенности в работах Эйнштейна, нашло весьма перспективные приложения в теории теп-лоемкостей и фотохимических реакций. Поэтому совершенно независимо от новых экспериментальных данных, касающихся строения атома, существовало широко распространенное убеждение в том, что квантовые представления могут иметь решающее значение для всей проблемы атомного строения вещества”. Это убеждение как раз и возникло под влиянием работ Эйнштейна. О широкой распространенности такого убеждения говорит и тот упоминаемый Бором факт, что попытки применить квантовые идеи к структуре атома предпринимались в то время многими физиками (А. Гааз, Дж. Никольсон, Н. Бьеррум и другие).
255
Конечно, нельзя сказать, что среди физиков было сразу достигнуто полное единодушие. Были и скептики. �звестен, например, такой факт, относящийся к 1913 году. Ряд крупных немецких физиков — Нернст, Рубенс, Варбург, во главе с Планком — обратились к прусскому министерству просвещения с ходатайством о приглашении в Берлинскую академию наук Эйнштейна для работы на особо льготных условиях. Мотивируя это ходатайство, его авторы указывали, что Эйнштейн — крупный ученый-новатор, который по всем большим проблемам современной физики занимает примечательную позицию. � далее в ходатайстве было сказано: “То, что он в своих рассужде-ниях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. �бо не решившись пойти на риск, нельзя осуществить действительно нового даже в самом точном естествознании”. Смысл этих фраз: виновен, но заслуживает снисхождения.
Но физика неумолимо развивалась, и шествие квантовых идей уже нельзя было остановить, особенно после успешного их применения к объяснению структуры атомов. А после открытия эффекта Комптона (1923), доказавшего наличие у фотонов импульса, окончательно утвердилась и фотонная гипотеза света.
Но Эйнштейн положил начало не только широкому “квантовому мышлению”, он показал также огромные возможности статистических методов физики.
Несколько позднее Гиббса, но, по-видимому, независимо от него, Эйнштейн разработал общие методы статистической механики и, что особенно существенно, в форме, которая позволила сразу же приложить их к анализу броуновского движения — хаотического движения мельчайших, видимых в микроскоп частиц, взвешенных в жидкости. На рубеже XX века было высказано немало различных гипотез о причинах движения броуновских частиц. Одна из гипотез состояла в утверждении, что такой причиной является тепловое движение ненаблюдаемых молекул жидкости, которые со всех сторон толкают взвешенную частицу; равнодействующая всех получаемых частицей импульсов не равна нулю, а постоянно и хаотически изменяется вследствие непрерывного хаотического
256
изменения отдельных импульсов. Задача состояла в том, чтобы отыскать связи наблюдаемых величин с ненаблюдаемыми и тем самым обосновать причину процесса. Эйнштейн показал статистический характер этой связи; таким путем он рассчитал размер молекул жидкости, число их в грамм-молекуле и другие параметры. Расчеты Эйнштейна нашли свое подтверждение. Тем самым он поднял кинетическую теорию вещества с уровня возможной гипотезы до уровня физической, доступной проверке, теории.
Выводы из этих статистических работ Эйнштейна имели также существенное методологическое значение. “Я думаю,—справедливо пишет Макс Борн в статье “Статистические теории Эйнштейна” (1949),—что эти исследования Эйнштейна больше, чем все другие работы, убеждают физиков в реальности атомов и молекул, в справедливости теории теплоты и фундаментальной роли вероятности в законах природы”. Нелишне напомнить, что это было время (1902—1906), когда некоторые физики отрицали реальность атомов просто потому, что они непосредственно не наблюдаемы, не даны в ощущениях. Вспоминая об этих своих работах в автобиографии (1949), Эйнштейн сам утверждает: “При этом главной моей целью было найти такие факты, которые возможно надежнее устанавливали бы существование атомов определенной конечной величины”. � действительно, он вправе был заключить: “Согласие этих выводов (касающихся определения параметров атомов.—С. С.) с опытом, а также сделанное Планком определение истинной величины молекул из закона излучения (для высоких температур) убедили многочисленных тогда скептиков (Оствальд, Мах) в реальности атомов”. Нужно подчеркнуть и другую сторону проблемы:
этими исследованиями Эйнштейна была показана эвристическая роль статистических закономерностей в физике. Впервые обнаружилось, что статистические закономерности отражают новый тип реальных связей в природе.
Было естественно, по мере развития квантовых идей в атомной физике, учесть в статистических связях также и квантовые. Путь к этому подходу открывало фундаментальное соотношение Больцмана, связывающее термодинамическую величину — энтропию S замкнутой системы —
257
с вероятностью W ее состояния: S = k lnW, откуда W = e^S/k . Больцман вывел эго соотношение для систем, подчиняющихся законам классической механики. Но статистические закономерности имеют то преимущество, что они обладают огромной общностью, не зависят от природы исследуемых объектов. Эйнштейн применил их к анализу структуры излучения абсолютно черного тела. Соотношение Больцмана он использовал для определения вероятности случайной концентрации полной энергии Е в определенной части объема αV, вычислив энтропию S из найденного Вином закона излучения. Эта вероятность равна: W = α ^E/hν.
�менно этот результат чисто статистических методов привел Эйнштейна к идее, что излучение ведет себя так, как будто оно состоит из совокупности N == E/hν независимых квантов энергии величины hv. Этот вывод был для Эйнштейна настолько убедителен, что он немедленно стал искать прямое его подтверждение в известных физических процессах. Так он пришел к рассмотрению с новой точки зрения уже описанного выше фотоэффекта, загадка которого была, наконец, разгадана.
Эйнштейн расширял применение статистических методов и в дальнейшем. В статье “К квантовой теории излучения” (1917) он дал вывод закономерности излучения черного тела (формулы Планка), опираясь на картину излучения как чисто статистического процесса. Оказалось, что формула Планка может быть получена этим методом при условии допущения нового вида излучения, происходящего под воздействием окружающего излучатель электромагнитного поля (“индуцированное излучение”). В течение ряда десятилетий индуцированное излучение существовало только как “теоретический факт”. Лишь в начале пятидесятых годов был предложен способ усиления света и радиоволн, основанный на использовании индуцированного излучения, а в наши дни оно легло в основу конструирования квантовых генераторов и квантовых усилителей.
Статистический вывод Эйнштейном формулы Планка и теоретическое открытие им индуцированного излучения не только соответствовали духу квантовой физики, но и
259
еще более подтвердили эвристическую ценность статистических методов, их объективный смысл.
Наконец, в начале двадцатых годов Эйнштейн развил и обобщил идеи индийского физика Бозе, который применил статистические методы к фотонам как частицам, рассматривая распределение состояний в совокупности тождественных частиц. Этим методом планковский закон излучения получается непосредственно. Таким образом, квантовая статистика вела к углубленному пониманию объекта этой статистики: физический смысл имеет не счет индивидуальных предметов, а статистика их состояний. Эта специфическая квантовая статистика, названная статистикой Бозе—Эйнштейна (в отличие от квантовой статистики другого типа— Ферми — Дирака), оказалась применимой к особому классу квантовых частиц (фотоны, альфа-частицы, атомные ядра с четным числом нуклонов).
Таким образом, Эйнштейн способствовал обоснованию и широкому внедрению в физику статистических методов.
Естественно, что в это время Эйнштейна занимала проблема сближения двух образовавшихся после открытия фотонов вполне устойчивых картин: одна из них выражалась через непрерывное электромагнитное поле с его динамической закономерностью, другая — через поток фотонов с их статистическими закономерностями. В этом плане он высказал весьма важное соображение о том, что плотность фотонов в световом пучке должна совпадать с плотностью энергии электромагнитных волн в нем. Отмечая этот факт в своей нобелевской речи, Макс Борн, который обосновал статистическую трактовку волновой функции, говорил, что он, Борн, в 1927 году лишь разработал эту идею Эйнштейна в применении к волновой функции Шредингера.
�так, на крутом повороте развития физики, когда она перешла к более глубокому обобщению электромагнитного и гравитационного полей, а также к изучению атомных процессов, Эйнштейн проявил большую проницательность исследователя, беспримерную смелость мышления, умение преодолевать устоявшиеся догмы. Эти свойства рисуют его как подлинно передового ученого. Недаром ведущие физики признали в Эйнштейне своего “знаменосца и вождя” (Борн).
259

ОТХОД ОТ �ДЕЙ КВАНТОВОЙ ТЕОР��
С появлением работ Резерфорда и Бора центр тяжести научных интересов в физике переместился в область исследований квантовых свойств атомных систем. Эйнштейн же, дав мощный импульс основополагающим идеям атомной физики (квантовая структура света, квантование атомных процессов, статистические методы в атомной физике), вновь сосредоточил свою творческую энергию на проблемах, связанных с дальнейшим обобщением идей относительности и теории тяготения.
Между тем уже в конце первой четверти XX века в атомной физике встали свои задачи обобщения. Раскрытые в этот период закономерности атомных явлений и излучения обнаружили квантовые свойства света и энергетических состояний атома. Однако многочисленный экспериментальный материал не был обобщен в единой теории. В свете классических представлений он казался крайне противоречивым. Квантовые свойства полей и микрообъектов выступали лишь как одна из сторон реальности. Эксперимент показывал, что другой стороной ее являлись волновые свойства. Работы де Бройля, подтвердившиеся позднее опытами Дэвисона и Джермера, а также Томсона, показали, что волновые свойства характерны не только для электромагнитного поля, но также и для вещества (для потока вещественных частиц). Хотя оба типа свойств (корпускулярные и волновые) в классическом смысле взаимно противоречат и исключают друг друга, ни одним из них нельзя было пренебрегать при характеристике квантовых явлений. Эта необычная ситуация крайне осложняла их понимание и трактовку. Далее, физики много занимались разработкой методов квантования атомных орбит (Бор, Зоммерфельд и другие); но эти методы покоились на некоторых классических соображениях и имели характер поисков решений применительно к случаю, что было явно неудовлетворительным.
Надо было создать теорию, которая органически включала бы в себя характеристику возможных квантовых переходов систем из одного состояния в другое, объединить в одной обобщенной теории волновые и корпуску-
260
лярные представления. Таких сложных задач перед физикой никогда еще не возникало.
Эйнштейн в этой работе участия уже не принимал. Он целиком посвятил себя задаче построения единой теории поля, в которой мыслил объединить электромагнитные и гравитационные поля. Этот отход Эйнштейна от актуальных проблем атомной физики вызвал огромное огорчение и сожаление физиков.
Квантовая теория была создана в середине двадцатых годов трудами Бора, Гейзенберга, Берна, �ордана, Дирака, Шредингера, Ферми, Паули и других физиков.
Как в свое время теория относительности, обобщая экспериментальные факты в области электродинамики, привела к новой широкой картине мира, раскрыв до того неизвестные свойства пространственно-временного континуума, так это сделала и квантовая механика, развившая ряд новых идей.
Квантовая механика раскрыла специфические свойства квантового объекта, существенно отличающие его от классического. Оказалось, что в нем неразрывно связаны волновые и корпускулярные свойства; он не есть нечто неизменное: в зависимости от физических условий он преобразуется, приближаясь то больше к образу волны, то к образу частицы; его особенности находят свое выражение в “соотношении неопределенностей” некоторых попарно сопряженных характеризующих квантовый объект величин (например, импульса и координат). Квантовая механика выдвинула статистическое понимание “состояния микрочастицы”; она показала, что статистические закономерности в микромире уже не могут рассматриваться как прием расчета, как мера незнания динамического хода индивидуальных процессов; они представляют собой новую форму взаимосвязей в объекте; классический детерминизм, согласно которому события развиваются однозначно и который исключает случайность, представляет собой лишь предельный и абстрактный случай *).
Как же отнесся к этим новым идеям Эйнштейн, ученый, необычайно чуткий к логической цельности и логическому совершенству физической теории?
_____________________________________
*) В этой статье нет возможности и необходимости обсуждать трактовку этих проблем отдельными физиками и школами.
261
Эйнштейн отказался от пути, по которому пошло большинство физиков, разработавших квантовую теорию.
Он отказался от того пути, развитию которого, как мы видели выше, он сам в значительной мере способствовал, обосновывая квантовые воззрения во всех областях атомной физики, показывая, что квантовые задачи следует решать статистическими методами.
В книге “Эволюция физики” эти взгляды нашли лишь косвенное отражение. Отмечается, что если в классической физике мы встречаем статистические законы, “полученные на основе индивидуальных законов”, то “в квантовой физике положение дел совершенно другое. Здесь статистические законы даны непосредственно. �ндивидуальные законы исключены” (стр. 233). Ввиду этого оказывается невозможным ответить на ряд вопросов, например на рассматриваемый в книге вопрос о том, сквозь какую из щелей дифракционной решетки проходит “данный индивидуальный электрон”.
В книге в тактичной форме читателю дается понять, что квантовая механика многие существенные и притом закономерные вопросы оставляет без ответа. “Мы должны были отказаться от описания индивидуальных случаев, как объективных явлений в пространстве и времени; мы должны были ввести законы статистического характера. Они являются основной характеристикой современной квантовой физики” (стр. 233) *).
Авторы не говорят о том, что квантовая теория с ее статистической закономерностью — это неизбежный этап развития физики, необходимая форма разрешения проблем, стоящих перед ней. Напротив, они подчеркивают стоящие перед ней трудности (необходимость прибегать к “волнам вероятностей с бесконечным числом измерений”, трудности создания релятивистской квантовой механики), указывают на задачи, которые она еще не решила. Они пишут: “В квантовой физике нет места таким утверждениям, как: “этот объект таков-то, он имеет такое-то свойство”. Вместо этого мы имеем утверждения такого рода: “�меется такая-то вероятность того, что индивидуальный
__________________________________
*) Здесь и повсюду в последующем, если нет оговорок, курсив принадлежит мне.
262
объект таков-то и что он имеет такое-то свойство”. В квантовой физике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во времени. Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями вероятности во времени” (стр. 237).
Так пишут авторы, и в общем контексте это звучит как упрек в адрес квантовой физики.
Наконец, они усиливают это впечатление, высказывая сожаление, что “квантовая физика все еще должна будет базироваться на двух понятиях — на понятиях вещества и поля. В этом смысле она — дуалистическая теория, которая не приближает ни на один шаг реализацию нашей старой проблемы — свести все к понятию поля” (стр. 238).
В книге “Эволюция физики” все страсти приглушены, только возбуждаются некоторые сомнения, обосновывается мысль, что квантовая физика лишь преходящая ступень развития (как будто это не справедливо в отношении любой теории!), что она неполноценна.
Но физики хорошо знают, как бушевали эти страсти в публичных дискуссиях, в личных беседах, в переписке с друзьями, продолжавшими разрабатывать методы квантовой физики, наконец, в упорном многолетнем стремлении Эйнштейна построить физику на других основах. �з всех этих материалов известно, что Эйнштейн рассматривал статистическое толкование квантовой механики как временную замену знания индивидуальных, однозначно определенных процессов, которое он считал единственно подлинным знанием. Он считал чуждым духу физики также и двойственный, корпускулярно-волновой характер свойств полей и объектов атомной физики; соединение таких свойств в одном объекте он считал, по-видимому, невозможным. Но суть квантовой механики как раз и состоит в том, что она отражает двойственный характер микрообъектов и полей и их статистические закономерности. Отклонить их значило отклонить всю квантовую механику.
В чем же была причина того, что Эйнштейн, этот бесстрашный новатор в науке, резко критиковал тот путь, на который вступила квантовая физика?
Конечно, наш ответ на этот вопрос может быть более или менее обоснованным только на основе анализа его
263
творческих устремлений. В связи с выяснением этих причин поучительно рассмотреть упрек, брошенный самим Эйнштейном Маху по поводу отказа последнего признать существование атомов и молекул.
�звестно, что Мах рассматривал науку как систему упорядочения наших чувственных восприятии, как экономную мнемоническую запись “фактов ощущений”, а не как отражение внешнего мира. �менно такая трактовка предмета познания привела его к отрицанию существования атомов и молекул, которые ведь непосредственно в ощущениях не встречаются. Между тем все развитие науки приводило к выводу о повышении роли познания через абстракцию, которая образуется человеком на основе переработки ощущений. Вспомним, что к установлению ряда характеристик непосредственно ненаблюдаемых атомов и молекул самого Эйнштейна привели именно абстрактные статистические методы. Естественно, что он отлично понял причины отрицательной позиции Маха и не мог их принять. В своей “Творческой автобиографии” он писал: “Предубеждение этих ученых (Оствальда и Маха.—-С. С.) против атомной теории можно несомненно отнести за счет их позитивистской философской установки. Это — интересный пример того, как философские предубеждения мешают правильной интерпретации фактов даже ученым со смелым мышлением и с тонкой интуицией”.
Объяснение Эйнштейна справедливо. Но, увы, оно применимо и к негативной позиции самого Эйнштейна по отношению к квантовой механике. Это подметил уже Макс Борн, один из основателей квантовой теории, близкий друг Эйнштейна. В статье “Воспоминания об Эйнштейне”, приведя процитированное выше объяснение Эйнштейна, Борн заметил: “Мне кажется, что в квантовой механике это оправдывается в отношении его самого”.
� действительно, позицию Эйнштейна в физике можно понять только в свете его общефилософской концепции, в свете того, как этот великий ученый понимал единство законов природы и пути его познания, как он понимал связи, существующие в природе, а также предмет исследования физики.
Однако вопрос о философских взглядах Эйнштейна не так прост.
264

II

КАКАЯ ЖЕ Ф�ЛОСОФ�Я ВЕЛА ЭЙНШТЕЙНА?
Как ответить на вопрос о том, какая же философия вела Эйнштейна, кто он по своим философским взглядам — материалист, идеалист или позитивист? Если подойти к решению этого вопроса методом цитат, то в его трудах можно найти достаточно высказываний в пользу любого направления.
�звестно, например, что Эйнштейн высоко оценивал критическую работу Маха в отношении априорных идей Канта или введения Ньютоном в обиход классической физики понятий абсолютного пространства, времени, движения, вообще “метафизических” понятий, которым в опыте, как его понимает Мах, ничего не сопоставляется. Эйнштейн неоднократно заявлял, что концепция Маха помогла ему критически осмыслить исходные положения классической физики.
Неоднократно также Эйнштейн определял теорию как систему упорядочения наших чувственных восприятии, а не как отражение объективных закономерностей внешнего мира. Эти формулировки не случайны для Эйнштейна, они встречаются в его работах на протяжении всей его жизни. Так, в лекциях об основах теории относительности, читанных в Принстонском университете в 1921 году, он утверждал, что “понятие и системы понятий ценны для нас лишь постольку, поскольку они облегчают нам обозрение комплексов наших переживаний”. В 1936 году в статье “Физика и реальность” Эйнштейн писал: “В противоположность психологии, физика истолковывает непосредственно только чувственные восприятия и “постижение” их связи”. � далее: “Я считаю, что первый шаг в установлении “реального внешнего мира” состоит в образовании понятия телесных объектов различных видов. �з всего многообразия чувственных восприятии мы мысленно и произвольным образом выделяем постоянно повторяющиеся комплексы чувственных восприятии (частично в совпадении с чувственными восприятиями, которые могут истолковываться как знаки чувственного опыта других людей) и мы сопоставляем им понятие телесного
265
объекта”. В книге “Эволюция физики” сказано: “С помощью физических теорий мы пытаемся найти себе путь сквозь лабиринт наблюденных фактов, упорядочить и постичь мир наших чувственных восприятии” (стр. 241).
Наконец, в его автобиографии мы встречаем: “...всякое паше мышление того же рода: оно представляет свободную игру с понятиями. Обоснование этой игры заключается в достижимой при помощи нее возможности обозреть чувственные восприятия. Понятие “истины” к такому образованию еще совсем неприменимо; это понятие может, по моему мнению, быть введено только тогда, когда имеется налицо условное соглашение относительно элементов и правил игры”. � далее: “Система понятий есть творение человека, как и правила синтаксиса, определяющие ее структуру... Все понятия, даже и ближайшие к ощущениям и переживаниям, являются с логической точки зрения произвольными положениями, точно так же как и понятие причинности, о котором в первую очередь и шла речь”.
Таковы суждения Эйнштейна, в которых, несомненно, обнаруживается влияние позитивистской философии.
Однако известно и другое. Мы помним, что позитивистские взгляды Оствальда и Маха Эйнштейн назвал философскими предубеждениями, помешавшими им найти правильное истолкование фактам, приводящим к признанию атомов и молекул. Далее, свое несогласие с идеями квантовой механики, в частности с введением ею статистической закономерности наряду с динамической, Эйнштейн мотивировал тем, что переход от описания самих вещей к описанию вероятностей появления вещей есть переход к позитивизму. Критикуя аргументацию в пользу квантовой механики, он в “Ответе на критику” (1949) писал: “Что мне не нравится в подобного рода аргументации,— это, по моему мнению, общал позитивистская позиция, которая, с моей точки зрения, является несостоятельной и которая, по моему мнению, ведет к тому же самому, что и принцип Беркли —esse est percipi (существовать — значит быть воспринимаемым)”. Эйнштейн считал, что защита статистической трактовки квантовой механики есть защита позитивистских взглядов. Даже в дружеской переписке Эйнштейн выступает против позитивизма. В
266
конце сороковых годов, говоря о желательной встрече с Борном, он писал ему: “Хотя ты никогда не согласишься с моей точкой зрения, она тебя могла бы позабавить. Я бы тоже получил удовольствие, разбив твои позитивистские философские взгляды”.
Впрочем, Макс Борн не был согласен с таким обвинением. Комментируя это письмо, Макс Борн говорил Зелигу, издателю и биографу Эйнштейна: “Эти строки касаются моих взглядов на основные вопросы физики. Я, как и Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, защищаю статистическую квантовую механику, в то время как Эйнштейн стоит на позициях классического детерминизма. Вообще же я вовсе не последователь позитивизма”. Как видим, к позитивистам не хочет быть причисленным и выдающийся физик нашего времени Макс Борн, и он действительно много сделал для того, чтобы развенчать позитивизм в глазах зарубежных ученых *).
Но вернемся к Эйнштейну. Это, конечно, серьезный довод, чтобы не признавать Эйнштейна позитивистом, если он отклонял целое направление в физике, огромное практическое значение которого он всегда и безоговорочно признавал, отклонял из-за того, что считал его основу позитивистской. Другое дело, прав ли Эйнштейн, толкуя квантовую физику как по существу своему позитивистскую; в данном случае существенно подчеркнуть, что, отклоняя ее, он руководствовался антипозитивистскими мотивами.
Крайне интересное понимание процесса познания высказано Эйнштейном в статье “Влияние Максвелла на эволюцию идей о физической реальности”, написанной к столетию со дня рождения Максвелла в 1931 году. Эту статью он начинает со следующего утверждения: “Вера в существование внешнего мира, независимого от воспринимающего субъекта, есть основа всего естествознания. Но так как чувственное восприятие дает информацию об этом внешнем мире, или о “физической реальности”, только
______________________________________
*) См. С. Суворов, Макс Борн и его философские взгляды, в книге: Макс Борн, Физика в жизни моего поколения, �Л, 1963, а также: С. Суворов, Проблема “физической реальности” в копенгагенской школе, Успехи физических наук, т. LXII, в, 2, июнь 1957.
267
опосредованно, мы можем охватить последнюю только умозрительными средствами. �з этого следует, что наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными. Мы всегда должны быть готовы изменить эти представления, то есть изменить аксиоматическую базу физики,— чтобы оправдать факты восприятия логически наиболее совершенным образом. � действительно, беглый взгляд на развитие физики показывает, что она испытывает глубокие изменения с течением времени”.
Это высказывание вполне в духе материализма, и трудно понять, как Эйнштейн совмещает столь противоположные точки зрения.
Однако он не только их совмещает, но и отлично при этом сознает, какое недоумение может вызвать это совмещение. Но он относит это недоумение за счет философов, ко-торые-де слишком жестки в своих концепциях, представляющих собой, правда, цельную, но все же абстрактную схему. Естествоиспытателя же невозможно уложить в какую-либо схему. Его положение, по Эйнштейну, сложнее потому, что он должен считаться с результатами своих исследований и принимать точки зрения, несовместимые в одной системе. В своем “Ответе на критику” он пишет, что философ, однажды додумавшийся до какой-то системы, “...будет склонен интерпретировать богатство идей точных наук в смысле своей системы и не признавать того, что под его систему не подходит. Ученый же не может себе позволить, чтобы устремления к теоретико-познавательной систематике заходили так далеко. Он с благодарностью принимает теоретико-познавательный анализ понятий, но внешние условия, которые поставлены ему фактами переживаний, не позволяют ему при, построении своего мира понятий слишком сильно ограничивать себя установками одной теоретико-познавательной системы. В таком случае он должен систематизирующему философу-гносеологу показаться своего рода беспринципным оппортунистом. Он кажется реалистом (т. е. материалистом.—С. С.), поскольку старается представить не зависящий от актов ощущений мир; идеалистом — поскольку смотрит на понятия и на теории как на свободные изобретения человеческого духа (не выводимые логи
268
чески из эмпирически данного); позитивистом — поскольку рассматривает свои понятия и теории лишь настолько обоснованными, насколько они доставляют логическое представление связей между чувственными переживаниями. Он может показаться даже платоником или пифагорейцем, поскольку рассматривает точку зрения логической простоты необходимым и действенным инструментом своего исследования” *).
Эйнштейн по разным поводам подчеркивает невозможность для естествоиспытателя придерживаться какой-либо одной философской системы. Отвечая Маргенау по поводу его утверждения о том, что “позиция Эйнштейна... содержит черты рационализма, а также крайнего эмпиризма”, Эйнштейн в “Ответе на критику” пишет: “Это замечание совершенно правильно. Откуда происходит эта флуктуация? Логическая система понятий является физикой постольку, поскольку ее понятия и утверждения необходимо приведены в связь с миром переживаний (experiences). Тот, кто желает установить такую систему, встретится с опасным препятствием в виде произвола выбора. Вот почему стараются по возможности прямо и необходимым образом связать свои понятия с миром переживаний. В этом случае взгляды исследователя эмпиричны. Этот путь часто плодотворен, но он всегда открыт для сомнений в силу того, что отдельное понятие и единичное утверждение может выражать нечто сопоставляемое с эмпирически данным в конечном счете только в связи с целостной системой. Тогда признают, что никакого пути от данного в опыте к миру понятий нет. Тогда взгляды исследователя становятся скорее рационалистическими, потому что он признает логическую независимость системы. В такой позиции возникает опасность того, что при поисках этой системы можно потерять всякий контакт с миром переживаний. Колебания между этими крайностями кажутся мне неустранимыми”.
Конечно, нельзя согласиться с неизбежностью для естествоиспытателя выглядеть в глазах философа “беспринципным оппортунистом” и находиться в вечном, неустранимом колебании между философскими “крайностями”.
________________________________________
*) Курсивная разрядка — выделение Эйнштейна.
269
Если философия существует как наука, а не как предвзятая схема, то в ней непротиворечивым образом должны быть обобщены такие категории, как объективный внешний мир, ощущения как информации о внешнэм мире, понятия и теории как обобщение этих информации, представляющие собой образ объективной реальности. Мы твердо убеждены, что такая философия существует.
Но философия Эйнштейна, действительно, не такова, и тот факт, что она не такова, он сам оценивал не как ее недостаток, а как ее достоинство. Эйнштейн прав, утверждая, что философию такого естествоиспытателя, то есть собственно его, Эйнштейна, философию, одни философы (философы-схоласты) будут причислять к позитивистской, другие — к реалистической (материалистической), и одни будут порицать за то, за что другие будут восхвалять. В частности, это можно видеть и по нескольким статьям сборника, посвященного 70-летию Эйнштейна, в котором различные авторы делают попытку анализа философских взглядов Эйнштейна. Например, Филипп Франк, физик и философ, профессор кафедры теоретической физики в Пражском немецком университете, глава “венского кружка” неопозитивистов, прямо зачисляет Эйнштейна в ряды активных проводников “логического позитивизма”. А Бриджмен — физик и философ, главный идеолог операционализма — считает, что при обосновании специальной теории относительности Эйнштейн выступал как операционалист. Среди советских ученых также высказывались самые крайние оценки философских взглядов Эйнштейна. Мы видели, что повод для этих крайних оценок дал сам Эйнштейн, впрочем, мало беспокоившийся о них.
Однако правильнее будет рассматривать взгляды Эйнштейна во всей их сложности и постараться понять, откуда она появилась. � тут он сам дал хороший совет, как относиться к самооценкам ученого. В интересной спенсеровской лекции “О методе теоретической физики” (1933) он говорил: “Если вы хотите кое-что выяснить у физиков-теоретиков о методах, которые они применяют, я советую вам твердо придерживаться одного принципа: не слушайте, что они говорят, а лучше изучайте их действия. Тому, кто в этой
270
области что-то открывает, продукты его творческого воображения кажутся ему столь необходимыми и естественными, что он рассматривает их не как создания мышления, а как данные реальности. � ему хотелось бы, чтобы так их рассматривали и другие”.
Это справедливый совет. Профессиональная деятельность накладывает глубокий отпечаток на весь образ мышления ученого, да и вообще любого деятеля. Через это окно профессиональной деятельности он видит мир, его внешний облик, его закономерности, способ его постижения. Чего достиг ученый в науке, как ему представляется путь к этому достижению — в этом лежит разгадка его, подчас сложного противоречивого мировоззрения. Здесь по нашему мнению, лежит ключ к пониманию взглядов и самого Эйнштейна, противоречивость которых с точки зрения целостной философии он понимал и сам.
Но в таком случае мы должны будем ответить на вопрос о том, что же было главным в профессиональной деятельности Эйнштейна?
Вряд ли можно сомневаться в том, что при всех замечательных идеях Эйнштейна в области квантовой и статистической физики основной стороной его деятельности всегда были (и оставались главными для него самого) развитие теории относительности и его, эйнштейновская, система обобщения и расширения сферы применения этой теории. Электромагнитные и гравитационные поля, еще только становившиеся в годы его юности реальностями для физиков, пространственно-временной континуум как единая теоретическая основа для всей физики,— вот круг тесно связанных друг с другом проблем, которые с ранних пор и до конца жизни владели Эйнштейном, в развитие которых" гениальный ученый вложил свою душу и разум.
Работа над этими проблемами и метод их решения как раз и оказали решающее влияние на взгляды Эйнштейна. Мы должны, следовательно, попытаться рассмотреть вопрос о том, к каким философским идеям могли привести и, по-видимому, привели Эйнштейна его разработка теории относительности и раздумье над ее результатами.
271

МЕТОДОЛОГ�ЧЕСК�Е ВЫВОДЫ �З РАЗРАБОТК� ТЕОР�� ОТНОС�ТЕЛЬНОСТ�. ОТКЛОНЕН�Е ПОЗ�Т�В�ЗМА � ОПЕРАЦ�ОНАЛ�ЗМА
В начале века физики встретились с необходимостью дать более совершенную, “симметричную” формулировку электромагнитной теории Максвелла. Этого требовали физические факты.
Но построение симметричной электродинамики привело к большим следствиям, выходящим за пределы решения частной задачи, которая ставилась непосредственно. �зменилась не только форма электродинамической теории, изменились и представления о пространстве, времени, длине, длительности и т. д., вообще изменились представления о связи физических категорий. Хотели только приспособить теорию поля к фактам, несколько подправить ее, а пришли к опровержению понятий ньютоновской физики, введенных как априорные, внеопыт-ные, к выводу о том, что физические величины зависят от состояния движения тела по отношению к системе отсчета, в которой это движение выражается.
В наше время эта зависимость принимается как факт, но в то время остро встал вопрос: как ее объяснить?
�звестно, что тогда появились попытки объяснить эту зависимость как результат непосредственного физического взаимодействия движущегося тела с полем; начались поиски механизма, приводящего к изменению параметров движущегося тела (так называемые гипотезы сокращения Лоренца — Фитцджеральда).
Эйнштейн отверг эти объяснения. В своих первых работах по теории относительности он пытался с помощью “мысленного опыта” показать, что, поскольку длина линейки, к примеру, есть результат измерения, она зависит от процедуры измерения, которая различна для тела движущегося и покоящегося относительно наблюдателя.
Бриджмен был прав, утверждая, что подход Эйнштейна к определению физических понятий в это время был операционалистским, точнее, именно такое обоснование изменения физических величин через процедуру измерения положило начало целому направлению в философии—операционализму, которое в дальнейшем развивал
272
Бриджмен. Согласно операционализму, любое физическое понятие можно вводить в науку только в том случае, если ему можно сопоставить определенную операцию измерения, которой и определяется смысл понятия. Казалось, что история физики вполне укладывалась п эту операционалист-скую методологию: Ньютон погрешил перед физикой тем, что ввел в нее абсолютные понятия, которым нельзя сопоставить никакой операции измерения (что, впрочем, Ньютон сознавал и сам); Эйнштейн отбросил внеопытные понятия ньютоновской физики и показал, что в соответствии с процедурой измерения изменяются и сопоставленные ей понятия. Теорию можно строить только на основе таких операционально определенных понятий путем связывания их в законы.
Этот операционалистский подход к обоснованию изменения физических величин, к определению понятий вообще, довольно широко распространен в физике до сих пор; многие книги, посвященные, в частности, теории относительности, не исключая и эйнштейновских, начинают ее изложение с рассмотрения процедуры измерения, якобы определяющей смысл понятий *).
Но хотя Эйнштейн и дал повод к развитию операцио-нализма, сам он вовсе не последовал ему в своих дальнейших исследованиях, чем и заслужил упрек Бриджмена. Свою статью “Теории Эйнштейна и операционалистская точка зрения” в упомянутом выше сборнике Бриджмен прямо начинает с этого упрека: “В этой статье делается попытка показать, что Эйнштейн в свою общую теорию относительности не перенес те уроки и то понимание, которым он сам учил нас в своей специальной теории относительности”. � это, действительно, так.
Почему же Эйнштейн отошел от операционалистской методологии?
Потому, что теория относительности не давала оснований для операцпоиалнстской методологии, как не давала она их и для позитивизма, и для принципа наблюдаемости, который позднее хотели оправдать ссылками на эйнштейновский метод построения этой теории. Напротив
_________________________________________
*) Критика операционализма дана в статье автора “Операционализм”, Большая Советская Энциклопедия, 2-е изд.
273
того, в теории относительности отражался совсем иной подход к определению содержания понятий и к структуре теорий. Размышляя над итогами теории относительности, Эйнштейн в какой-то мере, по-видимому, это осознал, что видно и из методов его защиты положений теории относительности, и из его последующих приемов исследования, и из его, правда более поздних, высказываний.
�звестно, что многие выводы теории относительности подверглись резкой критике вследствие их необычности. Они действительно были необычны. Таков, например, вывод о том, что длина одной и той же линейки различна в различных ннерциально движущихся системах; вызывало недоумение то, что это изменение оказывается взаимным, так что длина линейки, покоящейся в системе S и равная в ней единице, будет в ннерциально движущейся системе S' укорачиваться, точно так же как длина линейки, покоящейся в системе S' и равная в ней единице, будет укорачиваться в системе S и притом в том же отношении. Достаточно эти эффекты в целях наглядности и конкретности сформулировать при помощи термина “наблюдатели, сидящие в системах S и S'”, как описание того, что они “наблюдают”, получает крайне субъективистскую форму.
Так оно и было, и это в то время вызывало огромное сопротивление физиков и философов.
Вызывали критику необычные выводы о том, что в системе, совершающей путешествие, процессы должны протекать замедленнее, чем в системе, остающейся в это время неподвижной, ввиду чего, скажем, космонавт, летавший к далекой звезде и вернувшийся обратно на Землю, оказывается “моложе” своих сверстников на Земле.
Противоречили повседневному опыту и наглядному представлению новый закон сложения скоростей, изменение массы “благодаря только движению” и т. п.
Все аналогичные выводы теории относительности казались парадоксальными с точки зрения непосредственных восприятии или привычного опыта. Многочисленные попытки связать указанные в теории закономерности поведения каждой физической категории непосредственно
274
с изменением структуры движущегося тела не приводили к положительным результатам. В те времена сравнительно большие относительные скорости, могущие оказать экспериментально уловимый эффект, достигались только у электронов в катодных лучах (≈0,1 с). �сследуя отклонение катодных лучей в магнитном поле, Кауфман установил (1902—1906) факт изменения массы быстродвижущихся электронов, но сам закон изменения не был определен из этих экспериментов. Последовал ряд работ (М. Абрагам, Дж. Герглоц, П. Герц, А. Зоммерфельд и другие), в которых авторы пытались представить механизм этого изменения (главным образом через приписывание массе электромагнитного происхождения и определение связи ее с полем). Позднее эти попытки были оставлены.
Все это свидетельствует о трудностях, с которыми было связано развитие новых представлений. Неслучайно у теории относительности на протяжении долгих десятилетий оказывалось немало противников.
Однако выводы теории оправдывались. Физики, и в первую очередь Эйнштейн, все более приходили к мысли, что справедливость новых представлений о природе и изменениях физических категорий может быть подтверждена лишь ссылкой на то, что она является логическим результатом релятивистской теории (как “релятивистский эффект”), которую физики вынуждены были создать, преследуя непосредственно другую цель — обобщить принцип относительности и факт независимости скорости света от движения его источника.
Таким образом, создание теории относительности подводило Эйнштейна к раскрытию единства физических понятий, их связи с теорией в целом. Эта связь понятий была адекватным отображением связи физических категорий в самом объекте. Например, изменение длин и длительности в инерцнально движущихся системах находит свое объяснение в том, что они существуют не сами по себе, а связаны в некую целостность через инвариантный интервал.
Со временем Эйнштейн все более укреплялся в этой позиции. Есть основания полагать, что огромное влияние в этом отношении оказали на физиков и на Эйнштейна,
275
 
в частности, труды выдающегося математика Германа Минковского. В 1908 году он опубликовал работу “Основания теории электромагнитных процессов в движущихся телах”, в которой пространство и время были обобщены в единый четырехмерный “мир” с псевдоевклидовой геометрией.
�дея единства пространства и времени была изложена Минковским в известном популярном докладе “Пространство и время” (1908) обществу немецких естествоиспытателей и врачей, который он начал знаменитым афоризмом:
“Отныне пространство само по себе и время само по себе должны быть низведены до роли теней, и только некоторый вид соединения обоих должен по-прежнему сохранять самостоятельность”.
В физике проблема связи понятий и теории в такой резкой форме встала впервые. Ньютон вводил некоторые понятия — абсолютные пространство, время, движение, массу и проч.— еще до теории, как внешние определения, как условие формулировки законов. У Маха (позитивизм) все понятия выступали как символическое обозначение отличительных признаков некоторого комплекса восприятии, имели мнемоническо-служебную цель и вводились до теории. У Бриджмена (операционализм) понятия должны были прежде всего получить определение через непосредственную операцию измерения, и лишь после того как это оказывалось возможным, они могли быть использованы в теории.
Однако реальное развитие физической теории показало, что содержание физических понятий не может быть определено вне теории, до теории. В этом отношении оказались неправы и Ньютон, и Мах, и Бриджмен. Понятия должны выступать как органическая часть теории, которая в целом отвечает реальным фактам восприятии, и только через эту целостность отвечают фактам и те категории, которые она использует,— таков вывод, к которому все более склонялся Эйнштейн.
Несомненно, эта идея уже владела Эйнштейном, когда он приступал к разработке теории тяготения, которую он рассматривал как дальнейшее обобщение принципа относительности, как второй этап развития теории относительности.
276

ПРОБЛЕМА РЕФОРМЫ КЛАСС�ЧЕСКОЙ Ф�З�К� ПОД УГЛОМ ЗРЕН�Я ЕЕ ЦЕЛОСТНОСТ�. ТЕОР�Я ТЯГОТЕН�Я ЭЙНШТЕЙНА
Нельзя не видеть различия в задачах, которые ставил Эйнштейн на первом и втором этапах развития физической теории. На первом этапе была конкретная физическая задача — привести уравнения Максвелла в соответствие с требованием симметрии электромагнитных процессов и с фактом независимости скорости света от движения его источника. В результате Эйнштейн обнаружил, что разумно построенная теория вскрывает взаимосвязи понятий, о которых вне обобщающей теории и не подозревали, не подозревали именно потому, что подход к развитию науки был слишком эмпиричен.
Теперь, после получения плодотворных результатов, Эйнштейн уже на всю классическую физику стал смотреть иными глазами, глазами критика. Он увидел, что дело не только в том, что Ньютон включил в физику внеопытные понятия абсолютного пространства, времени, дальнодей-ствующих сил и проч.; о происхождении их и сам Ньютон проявлял беспокойство. Дело в том, что и все другие понятия классической физики были слишком слабо “упакованы” в единой теории, так как возникали они независимо друг от друга из разрозненного опыта. В уже упомянутой лекции “О методе теоретической физики” Эйнштейн говорил: “Ньютон, первый основатель обширной работоспособной системы теоретической физики, был еще убежден в том, что основные понятия и законы его системы происходят из опыта. Его слова hypotheses non lingo (гипотез я не строю) можно понять в этом смысле. Действительно, появившиеся в это время понятия пространства и времени не создавали никаких проблем. Понятия массы, инерции и силы и связанные с ними законы казались взятыми непосредственно из опыта. Раз эта база была принята, то и выражение для силы тяготения казалось выведенным из опыта и было основание ожидать то же самое в отношении других сил”.
Для Эйнштейна было ясно, что при таком понимании метода образования понятий и законов — из разрозненного опыта — в классической физике неизбежно должны
277
были возникать понятия, хотя и различные по происхождению, по их связи с экспериментами, но эквивалентные по природе. Так, “специальная теория относительности” вскрыла эквивалентность массы и энергии. Очевидно, накопление таких понятий, которые позднее оказываются эквивалентными, не есть достоинство метода, в результате которого они возникали; теория построенная на основе таких понятий, не может быть совершенной.
Свою важнейшую задачу Эйнштейн видел теперь в том, чтобы реформировать классическую физику, навести в ней порядок, удалить из нее все понятия, сформулированные вне свят с теорией, а также излишние, эквивалентные понятия, которые так же не нужны теории, как автомобилю пятое опорное колесо.
Результатом таких методологических установок Эйнштейна явилась разработанная им обобщенная теория тяготения, истолкованная им как “общая теория относительности”.
Таким образом, появление этой теории не было вынуждено противоречием существующей теории с каким-либо новым экспериментом. Эйнштейн сам понимал свой путь как результат требования “внутреннего совершенства” теории, логической стройности общей картины мироздания. �менно это различие причин возникновения “специальной” и “общей” теории относительности привело к такой ситуации, которую Макс Борн в своей лекции “Физика и относительность” (1955) отмечает в следующих словах: “Специальная теория относительности была открытием в конечном счете не одного человека. Работа Эйнштейна была тем последним и решающим элементом в фундаменте, заложенном Лоренцом, Пуанкаре и другими, на котором могло держаться здание, воздвигнутое затем Минковским”. Над проблемами, возникшими в связи с электродинамикой движущихся систем, работали многие физики, в том числе и Эйнштейн, вложивший “решающий элемент” в теорию. А вот “внутренним совершенством” классической теории практически занимался только Эйнштейн. Поэтому Борн и отмечает, что “в противоположность специальной теории относительности, это была работа одного человека”.
Главная идея новой теории Эйнштейна состояла в том, чтобы пространственно-временной континуум, к идее
278
которого привела теория относительности, представить как единую сущность внешнего физического мира.
Что выигрывает от этого физика?
В классической физике все ее законы разрознены, они связывают физические категории, представления о смысле которых возникали в различных экспериментах. В новой физике континуума все физические законы должны быть представлены как свойства этого континуума, как его метрика. Это и позволяет улучшить “концептуальный фундамент” физики, удалить из нее излишние понятия, представить ее как единую систему.
С этой новой позиции Эйнштейн рассмотрел закон тяготения Ньютона. Вместо сил тяготения он стал оперировать с полями тяготения; это уже делала и классическая физика, но там это было скорее только “формальным приемом”. Поля тяготения Эйнштейн включил в пространственно-временной континуум как его “искривление”. Метрика континуума перестала быть евклидовой (точнее псевдоевклидовой), она стала “римановой метрикой”. Тем самым из физики были удалены далыюдействующпе силы Ньютона, которые всегда считались слабым пунктом нью-тоновой физики. “Кривизна” континуума рассматривается как следствие соответствующего “распределения движущихся масс” в нем. Опираясь на идеи римановой геометрии, Эйнштейн ввел меру кривизны пространства-времени (в ковариантной форме) в виде некоторого “тензора кривизны”. Для “распределения движущихся масс” в этом континууме он также нашел некоторую специфическую меру — “тензор энергии-импульса”. Важнейшим результатом всех этих исследований Эйнштейна является установление взаимосвязи между тензором энергии-импульса (распределением движущихся масс) и тензором кривизны пространства-времени (метрикой континуума). Найденное уравнение играет здесь роль, аналогичную роли ньютонова уравнения движения масс в обычном евклидовом пространстве.
Понятия, которыми оперирует в этой теории Эйнштейн, имеют весьма абстрактный характер. Но схема взаимосвязей здесь довольно проста. “Распределение движущихся масс” в континууме определяет его “кривизну”. Кривизна континуума определяет “гео-
279
дезические линии” в нем — “линии кратчайших расстояний”. Кривизна, геодевические линии континуума,— это его существенные свойства, они определяют происходящие в нем процессы. Так, массы, не создающие большого поля, перемещаются в континууме только вдоль геодезических линий.
Р’ евклидовом пространстве геодезическими линиями являются прямые. Согласно ньютоновой механике вдоль этих прямых РїСЂРѕРёСЃС…РѕРґРёС‚ инерционное движение. РќРѕ рассмотрение всех РґСЂСѓРіРёС… движений требует РІ ньютоновой ¹ механике введения новых физических категорий — СЃРёР», определения закона РёС… действия, возникает проблема передачи действия СЃРёР» РЅР° расстояние Рё С‚. Рґ. Рё С‚. Рї. Рљ тому же теория тяготения Ньютона РЅРµ объясняет полностью РІСЃРµ процессы, связанные СЃРѕ взаимодействием масс. Так, например, констатируя наличие вращения перигелия планет, близких Рє Солнцу (Меркурий), РѕРЅР° РЅРµ РїСЂРёРІРѕРґРёС‚ Рє точной величине этого вращения. Теория Ньютона отражает действительность лишь для слабых полей Рё небольших скоростей масс.
Тот факт, что теория Эйнштейна не требует введения сил тяготения, а взаимодействие масс учитывается в ней через характер искривления пространственно-временного континуума, т. е. через его общее свойство, раскрывает новые возможности теории. В самом деле, общие свойства континуума, раз они найдены, определяют характер любых физических процессов, в нем происходящих. Например, из этого следует, что вдоль геодезических линий континуума должны перемещаться не только массы, но и лучи света; если геодезические линии континуума искривлены, то и распространение света не будет прямолинейным. Это должно обнаружиться в областях континуума, в которых искривление линий достаточно велико, например при прохождении луча вблизи Солнца, где поле тяготения велико сравнительно с полем вблизи Земли. Эйнштейн рассчитал, что луч звездного света, проходя вблизи Солнца, должен испытывать отклонение от прямолинейного пути на 1,75 угловых секунд. Этот вывод теории Эйнштейна был подтвержден во время полного солнечного затмения 29 мая 1919 года, когда две английские экспедиции — одна на западном побережье Африки, а другая в северной части Бразилии — получили фотографии звезд, видимых вблизи закрытого солнечного диска.
280
Теория Эйнштейна предсказала также смещение к красному концу спектра спектральных линий излучения, проходящего в поле тяготения звезд; это смещение особенно заметно при прохождении излучения вблизи звезд, обладающих большой массой, где, следовательно, поле тяготения велико. Теория дала расчет и точной величины вращения траектории Меркурия.
Вообще теория тяготения Эйнштейна точнее, чем теория Ньютона, отображала процессы в области сильных полей при наличии быстродвижущихся масс.
Таким образом, несмотря на огромную абстрактность, чуждую мышлению многих физиков того времени, теория Эйнштейна оказалась плодотворной, она подвинула знание природы вперед. �менно в этом сочетании абстрактности и плодотворности лежит причина исключительной мировой славы Эйнштейна как ученого. После подтверждения предсказаний обобщенной теории тяготения об Эйнштейне заговорили как об ученом, который одной только силой своего мышления раскрывает неизвестные до того тайны природы.
Но одновременно успех теории утвердил Эйнштейна в его теоретико-познавательных взглядах. Разработка теории относительности и теории тяготения убедила Эйнштейна в том, какое огромное значение имеет теория, взятая в целом.
Несомненно, что он убедился в этом в ходе исследований, то есть уже в первом и втором десятилетии нашего века. Позднее, в своем “Ответе на критику” Эйнштейн дважды возвращается к объяснению своей позиции по этому вопросу. На критику Рейхенбаха он отвечает в форме диалога между Рейхенбахом и неким Не-позитивистом(!), и от имени последнего ставит вопрос: “А почему отдельные встречающиеся в теории понятия вообще требуют какого-то отдельного оправдания, если они необходимы только в рамках логической структуры теории и теория утверждается только в своей целостности?”
А по поводу упрека Бриджмена в отходе от операцио-нализма Эйнштейн еще более точно определяет свою позицию: “Чтобы логическая система могла рассматриваться как физическая теория, нет необходимости требовать, чтобы все ее утверждения могли толковаться независимо и чтобы они могли быть независимо
281
“проверяемы” “в операционалистском смысле”, фактически это никогда еще не было выполнено ни в одной теории, да и не может быть выполнено вообще. Чтобы некоторую теорию можно было рассматривать как физическую, необходимо только, чтобы она вообще заключала в себе эмпирически проверяемые утверждения” (курсив Эйнштейна).
�так, реформа классической (ньютоновой) теории тяготения, проведенная Эйнштейном под углом зрения увязывания физических понятий в единой теории (обобщенной теории тяготения), привела к положительным результатам и подтвердила роль теории как целоcности. Разъясняя позже фактически реализованную их линию, Эйнштейн уже в явной форме подчеркивает это значение теории.

ОЦЕНКА Д�ФФЕРЕНЦ�АЛЬНОГО ЗАКОНА КАК ЕД�НСТВЕННОЙ ФОРМЫ ПР�Ч�ННОСТ�
Континуум Эйнштейна с его римановой метрикой явился более обобщенным образом объективной реальности, чем ньютоновы представления, согласно которым разделенные расстоянием массы действовали друг на друга дальнодействующими силами, обратно пропорциональными их взаимному расстоянию. Обобщение Эйнштейна явилось успешной попыткой удалить из теории Ньютона некоторые ее слабые стороны, например представление о дальнодействующих силах, о независимости метрики и законов движения и другие.
Но вместе с тем Эйнштейн рассматривал себя вовсе не как ниспровергателя классической физики, а только как реформатора ее, совершенствующего ее основы.
В теории Ньютона он видел и такие существенные стороны, которые, по его мнению, должны были остаться незыблемыми во всякой будущей теории, какие бы общие формы она ни принимала. Он видел гениальность Ньютона в том, что этот основатель классической физики в своих законах движения сумел выразить количественным образом взаимосвязь каждого состояния движения тела в данный момент с его состояниями в предшествующий
282
момент в смежной точке пространства и в последующий момент в другой смежной точке. Пространство, время и движение в физике Ньютона выступали как непрерывные сущности, а связи между состояниями выражались в форме дифференциальных уравнений. Величайшая заслуга Ньютона состояла в том, что он открыл метод дифференциального исчисления, однозначно определяющий взаимосвязи состояний тела в его движении. В ньютоновых дифференциальных уравнениях движения Эйнштейн видел “удовлетворение потребности современных физиков” в причинной связи. Естественно, что заслугу открытия математической формы причинной связи он целиком относил к Ньютону.
В статье “Механика Ньютона и ее влияние на форму теоретической физики” (1927) Эйнштейн писал: “...До Ньютона не существовало законченной системы физической причинности, которая была бы в состоянии как-то передать основные черты опытного мира”. Законы Кеплера, разъяснял он дальше, давали ответ на вопрос о том, как движутся планеты, но они не удовлетворяли потребности показать причинную зависимость; эти законы выступали как три логически независимых друг от друга правила, “лишенные всякой внутренней связи”. Только Ньютон, создав дифференциальное исчисление, дал необходимую форму закону причинной взаимосвязи. “Дифференциальный закон,— писал там же Эйнштейн,— есть та единственная форма, которая полностью удовлетворяет потребность современных физиков в причинности. Ясная концепция дифференциального закона есть величайший духовный подвиг Ньютона”. Не столь существен спор о том, кто первый открыл дифференциальное исчисление — Ньютон или Лейбниц, но существенно то, что для Ньютона открытие дифференциального исчисления было необходимостью именно потому, что оно, по Эйнштейну, является адекватной формой причинной связи. Полная причинная концепция была получена после того, как наряду с уравнением движения была дана сила, действующая на массу и определяемая положением всех других масс.
Теория относительности (“специальная”) не только опиралась на ньютонову динамическую трактовку
283
причинности, но и уточнила ее в одном отношении: она указала, что события М и N могут находиться в причинно-следственном отношении друг к другу лишь в том случае, если эти события разделены промежутком времени, достаточным для передачи действия от места события М до места события N с конечной скоростью, не превышающей скорости света. Это уточнение вводит фактор действия между событиями М и N и подчеркивает связь пространства и времени в одном континууме. Уточненная теорией относительности формулировка причинности использована в ней в качестве исходного пункта для анализа важнейшего понятия теории — одновременности.
�з сказанного следует, что классическое представление о причинной связи органически входит в самую структуру теории относительности.
Теория тяготения Эйнштейна в этом отношении не отличается от его теории относительности. � там, и здесь физические процессы выражаются как процессы, происходящие в континууме — некотором непрерывном пространственно-временном образовании; только в теории относительности этот континуум имеет евклидову (точнее, псевдоевклидову) метрику, а в теории тяготения — риманову. � там, и здесь уравнения движения представляют собой дифференциальные уравнения, связывающие между собой смежные в пространстве и времени события (в “Эволюции физики” эти уравнения названы “структурными”). Континуумы Эйнштейна с различной метрикой описываются дифференциальными уравнениями в частных производных, что характерно для описания процессов, происходящих в поле. Эти континуумы и представляют собой некоторый непрерывный “полевой” образ.
Бесконечно малые непрерывные изменения аргументов в уравнениях с частными производными в принципе ничем не отличаются, как казалось Эйнштейну, от бесконечно малых изменений аргументов в уравнениях с обычными производными. Поэтому Эйнштейн полагал, что его теория тяготения сохраняет неизменными классические представления о физической причинности, согласно которой однозначно связываются события, бесконечно близкие друг к другу в пространстве и во времени. Более того, поскольку созданная им теория тяготения по своей структуре
284
наиболее совершенна, классическая форма причинной связи представлялась ему всеобщей.
Успешные предсказания теории тяготения должны были утвердить его в этом убеждении.

РАЦ�ОНАЛЬНЫЕ ПУТ� ПОСТРОЕН�Я Ф�З�ЧЕСКОЙ ТЕОР��
�так, профессиональный опыт Эйнштейна утверждает его в мысли, что понятия органически связаны с теорией, через нее получают свое содержание и оправдание. А теория отражает мир лишь как целое.
Возникает вопрос: как же строится сама теория?
Мах, служивший Эйнштейну примером критика абсолютных категорий ньютоновой физики, отвечал РЅР° этот РІРѕРїСЂРѕСЃ просто. Понятие — чисто психическое образование. Характерная черта понятия — это воспоминание Рѕ каком-либо постоянном комплексе восприятии Рё выделение РІ нем главных восприятии, РїРѕ которым вспоминается весь комплекс (абстрагирование, РїРѕ Маху). Научные теории имеют своей целью “упорядочить” множество фактов восприятии, которые без такого упорядочения невозможно удержать РІ памяти. Уже РІ таком процессе, как падение тела, содержится множество фактов восприятии, РёР±Рѕ каждому мгновению времени соответствует СЃРІРѕСЏ высота падающего тела. Чтобы обозреть РІСЃРµ эти соответствия, пришлось Р±С‹ составить бесконечную таблицу. РќРѕ такую таблицу нельзя РЅРё исчерпать, РЅРё удержать РІ памяти! РќР° помощь РїСЂРёС…РѕРґРёС‚ упорядочивающая теория; РѕРЅР° сжимает бесконечную таблицу РІ РѕРґРЅСѓ формулу S=gt²/2, дает правило, РїРѕ которому РјС‹ всегда можем найти путь S, пройденный падающим телом, для любого заданного момента. “Но это правило, эта формула, этот “закон”,— писал Мах РІ своем раннем труде “Принцип сохранения работы”,— РІРѕРІСЃРµ РЅРµ имеет более существенного значения, чем РІСЃРµ отдельные факты, вместе взятые. Р’СЃРµ значение его заключается только РІ удобстве применения. РћРЅРѕ имеет экономическое значение”.
�так, теория, по Маху, не заключает в себе ничего более, чем все отдельные “факты восприятия”, она есть
285
только экономная запись их ради облегчения памяти. Эйнштейн не мог пойти в этом вопросе за Махом. Он уже увидел в теории нечто большее, чем только сжатую запись “фактов восприятии”: она дает “картину мира”, его связи, которые непосредственно в фактах восприятии усмотреть нельзя.
Не дает этой картины и теория, построенная на физических экспериментах. Пример такой теории Эйнштейн усматривал в теории тяготения Ньютона. Она дала многое, но ведь Эйнштейну пришлось ее реформировать, поскольку она содержала много понятий, не нужных для обобщенной совершенной теории. Такая теория хотя и имеет “внешнее оправдание”, поскольку опирается на опыт, но она внутренне несовершенна.
Необходимость преобразования классической теории тяготения и успешный опыт построения новой реформированной теории подсказывали ему вывод: непосредственный опыт не ведет к однозначной теории. Эйнштейн уже давно пришел к этому выводу и руководствовался им в теоретической работе, но наиболее резко сформулировал его в “Творческой автобиографии”, в которой обозревал пройденный путь: “Теория тяготения научила меня и другому: собрание эмпирических фактов, как бы обширно оно ни было, не может привести к таким сложным уравнениям (поля тяготения.— С. С.). На опыте можно проверить теорию, но нет пути от опыта к построению теории” *).
Здесь мы видим и прямую ссылку на свой профессиональный опыт, на свой метод построения теории тяготения (значение профессионального опыта мы подчеркивали выше), и резкое отрицание пути от опыта к построению теории. То, что содержит опыт, и взаимные соотношения опытных данных, находят свое выражение только в выводах теории; выводы теории, действительно, должны соответствовать опыту, иначе теория окажется пустой схемой. Опыт выступает лишь как мера оценки теории и лишь после того, как теория создана.
Но если от опыта нет путей к построению теории, то каково же ее происхождение?
__________________________________________
*) См. аналогичное высказывание, приведенное на стр. 269.
286
В лекции “О методе теоретической физики” Эйнштейн говорил: “В том, что такое отражение (опыта — в выводах теории.— С. С.) возможно, состоит единственная ценность и оправдание всей системы, и особенно понятий и фундаментальных законов, лежащих в ее основе. В остальном эти последние суть свободные изобретения человеческого разума, которые не могут быть оправданы ни природой этого разума, ни каким-либо другим видом априори”. Физик отыскивает такие фундаментальные понятия и законы, которые дальше логически несводимы. “Важнейшая цель теории состоит в том,— продолжал Эйнштейн,— чтобы этих несводимых элементов было как можно меньше и чтобы они были как можно проще, однако так, чтобы это не исключало точного отображения того, что содержится в опыте”.
Здесь мы видим выражение двух важных гносеологических идей, которые Эйнштейн считал выводом из своего метода построения теории тяготения. Первая идея состоит в том, что понятия и теории суть свободные изобретения разума, вторая — в том, что задача теоретика состоит в отыскании несводимых далее простейших элементов, фундаментальных понятий, которые должны быть положены в основу теории.
�дея о том, что понятия и теории суть свободные изобретения разума,— не случайное высказывание Эйнштейна. Эту идею можно найти почти во всех его работах, в которых обсуждаются методологические проблемы, начиная со статей периода построения теории тяготения, продолжая книгой “Эволюция физики”, написанной для массового читателя, и кончая его “Творческой автобиографией”
Несомненно, что идею о том, что понятия и теории суть свободные изобретения разума, Эйнштейн противопоставлял кантианской идее об априорности знания, желая подчеркнуть этим, что понятия (например, пространства, времени) создаются не в силу природы разума, а благодаря его деятельности. Это противопоставление видно из приведенной выше фразы. Но несомненно также, что он противопоставлял эту идею другой идее, а именно, что понятия и теории являются для нас принудительными в той мере, в какой они являются необходимым следствием анализа экспериментального материала, опыта. Но
287
случайно поэтому против эйнштейновской трактовки понятий и теорий возражали даже друзья Эйнштейна, несогласные с его трактовкой роли опыта. Например, Макс Борн говорил в докладе “Альберт Эйнштейн и световые кванты” (1955): “Сам Эйнштейн не устает подчеркивать, что не существует однозначного логического пути от фактов опыта к теоретическим системам физики; последние, по его мнению, суть дети свободной фантазии. � все же несомненно, что ценность теории тем выше, наше доверие к ней тем больше, чем меньше в ней свободы выбора, чем больше ее логическая принудительность”.
Успехи в построении обобщенной теории тяготения Эйнштейн относил за счет правильного подбора фундаментальных понятий, положенных в ее основу. Но теперь он и несовершенство ньютоновой физики рассматривает как результат плохого подбора фундаментальных понятий. Ньютону и его последователям только казалось, что они применяют единственно возможные понятия, связанные с опытом. На самом же деле понятия классической физики имеют не опытное происхождение, а все то же свободное творчество разума. Но только обычно этот факт не осознается до конца, что и приводит к несовершенной теории. В уже упомянутой лекции “О методе теоретической физики”, развивая идею о том, что Ньютон и его последователи рассматривали понятия и законы классической физики как непосредственно связанные с опытом, Эйнштейн продолжал: “Большинство естествоиспытателей тех времен были проникнуты идеей, что фундаментальные понятия и основные законы физики не были в логическом смысле свободными изобретениями человеческого разума и что они могли быть выведены из экспериментов посредством “абстракции”, т. е. логическими средствами”. Эйнштейн считает эту идею ошибочной, правда, он сознает, что другого понимания в то время быть не могло. “Ясное осознание неправильности этого понимания по существу принесла только общая теория относительности (опять профессиональный опыт!—С. С.). Эта теория показала, что на фундаменте понятий, сильно отличающемся от ньютонова, можно соответствующий круг опытных фактов объяснить даже более удовлетворительным и совершенным образом, чем это было возможно на ньютоновой основе”.
288
Подобную же мысль Эйнштейн высказывает и в “Творческой автобиографии”: “Предрассудок, который сохранился и до сих пор, заключается в убеждении, будто факты сами по себе, без свободного теоретического построения, могут и должны привести к научному познанию. Такой самообман возможен только потому, что не легко осознать что и те понятия, которые благодаря проверке и длительному употреблению кажутся непосредственно связанными с эмпирическим материалом, на самом деле свободно выбраны”.
�так, по Эйнштейну, независимо от того, как Ньютон и его последователи сами понимали истоки теории, фактически они строили ее на фундаменте некоторых свободно выбранных и потому необязательных понятий; это были понятия абсолютного пространства, времени, движения, материальной точки, тяжелой и инертной масс, дально-действующих сил, ускорения, инерции, энергии и т. д.
Выводы теории, построенной на этих понятиях, действительно подтверждались опытом. Но теория оказалась несовершенной. В ней некоторые понятия оказались искусственными, органически несвязанными в развитой затем теории, они были только внешними условиями для теории. Некоторые другие понятия оказались попарно эквивалентными друг другу.
Теория тяготения Эйнштейна рассматривалась им как попытка создать другую систему фундаментальных понятий, увязанных в единой теории. Эта теория охватывает тот же опыт. Но фундамент ее очищен, выражаясь языком оптиков, от “привидений”, а потому связи в ней, ведущие от фундаментальных понятий к опыту, другие. Эта теория отличается от первой своим “внутренним совершенством”; одного критерия “внешнего оправдания” оказывается недостаточно, ибо теорий, отвечающих этому критерию, т. е. охватывающих одну и туже совокупность опыта, может быть несколько и, возможно, даже множество.
Эйнштейн говорит об этих критериях неоднократно, в частности, в “Творческой автобиографии”, где он признает “недостаточную определенность” своих утверждений в отношении критерия “внутреннего совершенства”. Ясно, однако, что поиски критерия теории, отвечающей требованию “внутреннего совершенства”, это прежде всего
289
поиски наиболее совершенного фундамента теории, исходных категорий и законов, на которые она опирается. Мы уже видели вышз, каким мыслился этот фундамент: конечных несводимых элементов должно быть как можно меньше и они должны быть как можно проще.
В самой последней своей работе, посвященной методам теоретической физики,— во втором приложении к третьему изданию “Сущности теории относительности” (1950) — Эйнштейн писал: “Одна теория отличается от другой главным образом выбором “кирпичей” для фундамента, т. е. ни к чему не сводимых основных понятий, на которых построена вся теория”.
Эйнштейн указывает дальше, как менялся фундамент физики: “В классической теории (механика) такими основными понятиями являются: материальная точка, сила взаимодействия между материальными точками (потенциальная энергия) и инерциальная система (последняя составляется из декартовой системы координат и временной координаты). С ростом наших знаний об электромагнитном поле к числу основных понятий наравне с материальной точкой (вещество) прибавилось понятие поля, рассматриваемого как второй носитель энергии. Специальная теория относительности “предполагает далее, что мы можем отбросить концепцию материальной точки и иметь дело только с концепцией поля”. Общая теория относительности “вовсе отбросила понятие инерциальной системы”.
Основную тенденцию эволюции физики Эйнштейн видит именно в улучшении отбора “„кирпичей" для фундамента физики”. Это является лейтмотивом его (совместно с �нфельдом) книги “Эволюция физики”. До теории относительности, пишут в ней авторы, еще можно было утверждать, что между веществом и полем имеется качественное различие; вещество имеет массу, в то время как поле ее не имеет: поле представляет энергию, вещество представляет массу. Теория же относительности, установив эквивалентность массы и энергии, показала, что вещество отличается от поля лишь большей концентрацией энергии. “Но если это так, то различие между веществом и полем скорее количественное, чем качественное. Нет смысла рассматривать вещество и поле как два качества, совершенно отличные друг от друга”, (стр. 200).
290
На основе качественного отождествления вещества и поля авторы стремятся построить “новую философскую основу” естествознания. Они пишут: “Мы не можем построить физику на основе только одного понятия — вещества. Но деление на вещество и поле, после признания эквивалентности массы и энергии, есть нечто искусственное и неясно определенное. Не можем ли мы отказаться от понятия вещества и построить чистую физику поля? То, что действует на наши чувства в виде вещества, есть на деле огромная концентрация энергии в сравнительно малом пространстве. Мы могли бы рассматривать вещество как такие области в пространстве, где поле чрезвычайно сильно. Таким путем можно было бы создать новую философскую основу (естествознания.—С.С.). Ее конечная цель состояла бы в объяснении всех событий в природе структурными законами, справедливыми всегда и всюду. С этой точки зрения брошенный камень есть изменяющееся поле, в котором состояния наибольшей интенсивности поля перемещаются в пространстве со скоростью камня. В нашей новой физике не было бы места для поля и вещества, поскольку единственной реальностью было бы поле” (стр. 201).
�так, главная физическая концепция Эйнштейна состоит в следующем. Все процессы, происходящие в природе, должны быть выражены в единой полевой теории. Эта теория свободно конструируется разумом на фундаменте свободно отобранных понятий. Теория должна отвечать определенным требованиям: быть внутренне совершенной, связывать события однозначным образом, приводить к выводам, не противоречащим опыту.

РАЦ�ОНАЛ�ЗМ � КАНТ�АНСТВО В ГНОСЕОЛОГ�� ЭЙНШТЕЙНА
Постижение роли теории как целостности, в которой каждая физическая категория играет служебную роль,— большое достижение современной теоретической мысли. Труды Эйнштейна,— впрочем, не одного только его,— сильно способствовали усвоению этой истины.
Но мы видели, что Эйнштейн отрицал путь от опыта к построению теории. Тот путь, который подсказывал
291
Мах, не мог удовлетворить Эйнштейна. При всей своей высокой оценке маховской критики априорных понятий ньютоновой физики, Эйнштейн не мог принять тезис позитивизма о существовании только мира ощущений, о понятиях как психических образованиях, о теориях как экономической записи все тех же фактов восприятии. Эйнштейн сам создавал теории и вовсе не таким путем, какой указывал Мах; весь профессиональный опыт Эйнштейна выражал внутренний протест против маховского опрощения проблемы происхождения понятий и теорий. Он вел к более глубоким выводам. Если образование теории — не такая опрощенная операция с “фактами восприятии” и “комплексами восприятии”, как указывал Мах, а логический процесс, в результате которого возникает целостная логическая система, выводы которой совпадают с новыми комплексами ощущений, то это действительно вселяет “веру в существование внешнего мира, независимого от воспринимающего субъекта”, в то, что и теория, и ощущения выражают именно этот мир.
Но структура этого мира постигается не чувствами, а разумом.
Таким образом, Эйнштейн в своей профессиональной деятельности, как физик-теоретик, подошел ближе к рационализму, чем к позитивизму. Не случайно он высказывал симпатии к выдающемуся рационалисту XVII века — Спинозе. Но, пожалуй, его метод ближе к рационализму старшего современника Спинозы —Декарта.
Как в наше время Эйнштейн брал за образец научного метода геометрический метод Евклида и математики вообще (Эйнштейн говорит об этом и в лекции “О методе теоретической физики” и в “Творческой автобиографии”), так в свое время и Декарт опирался на геометрический метод (как известно, геометрия была профессией Декарта, он положил начало аналитическим методам в ней). В “Рассуждении о методе для руководства разума и отыскания истины в науках” (1637) Декарт писал: “Те длинные цепи простых и легких рассуждении, которыми обычно пользуются геометры, чтобы дойти до своих наиболее трудных доказательств, дали мне случай представить себе, что все вещи, способные стать предметом знания людей, стоят между собою в такой же последовательности.
292
Если таким образом остерегаться принимать за истинное что-либо, что таковым не является, и соблюдать всегда порядок, в каком следует выводить одно из другого, то нет таких отдаленных вещей, которых нельзя было бы достигнуть, и таких сокровенных, которых нельзя было бы открыть”.
В этой рационалистической схеме Декарта все вещи стоят между собой в той же последовательности, что и в геометрии, и в ней логические следствия схемы Декарта совпадают с опытом. Декарт (как и Эйнштейн в наше время) искал исходные предпосылки познания, из которых он мог бы вывести все знание: “Я старался найти принципы или первые причины всего, что существует или может существовать в мире, пользуясь для этой цели рассмотрением бога, сотворившего его, и выводя все лишь из некоторых семян истины, естественно находящихся в нашей душе. Потом я исследовал, каковы первые и самые обыкновенные следствия, которые можно вывести из этих причин: и кажется мне, что таким путем я нашел небо, светила, звезды и на них воду, воздух, огонь, минералы и некоторые другие предметы, наиболее общие и простые, а потому и более доступные познанию”.
Как известно, Декарт признал невозможным практически провести эту логическую нить до “самых отдаленных вещей”, ибо хотя вещи и стоят между собой в геометрической последовательности, но где-то эта последовательность становится неоднозначной, и какая ветвь из этих последовательностей реализована в природе — человеческий разум логически не может решить. “Следовательно, обратить их (разнообразные частные следствия.— С. С.) в нашу пользу можно, только восходя от следствий к причинам и производя множество различных опытов”.
Декарт верил в рациональную структуру мира, но он признал, что отразить ее в мышлении возможно только в принципе, практически же необходимо восходить от следствий к причинам. Позиция Эйнштейна отличается тем, что в этом вопросе он не шел ни на какие компромиссы. Рационализм Эйнштейна отличен от классического и в другом отношении. В классическом рационализме (Декарта) все следствия выводятся из начальных принципов, они развертываются в последовательную цепь, в
293
которой каждое звено вытекает из предыдущего и каждое из них может быть сопоставлено с реальным миром.
Эйнштейн же исходил из того, что физическая теория представляет собой замкнутую логическую структуру и потому может быть проверена только в целом, в ее конечных выводах. Следовательно, теория не развертывается в последовательную цепь следствий, в которой может быть проверено каждое звено. До получения конечных выводов исследователь творит теорию чисто логически. Не случайно Эйнштейн всю жизнь настаивал на том, что теория — это свободное изобретение разума.
Что, однако, означают слова “проверка выводов теории”?
При обсуждении гносеологических проблем Эйнштейн не выдвигает в качестве решающего критерия познания активное взаимодействие человека с внешним миром, изменение внешнего мира на основе познания. Он сравнивает выводы теории с миром восприятии, довольствуясь сознанием того, что восприятия как-то связывают человека с внешним миром. Как относится свободно созданная разумом теория к внешнему миру — это можно судить по тому, как она объясняет, “упорядочивает” мир ощущений, который, несомненно, вызывается в нас внешним миром. Подтверждение последнего факта Эйнштейн видит в том, что наши ощущения имеют “надличный” (или внеличный) характер, т. е. одни и те же ощущения в одинаковых обстоятельствах присущи не одному человеку, а ряду людей.
Таким образом, по Эйнштейну, теория возникает не из опыта, а свободно изобретается разумом на основе более или менее совершенного отбора понятий — “кирпичей” фундамента — и, минуя внешний мир, накоротко замыкается непосредственно с миром ощущений, с тем “надличным”, что в нем встречается, объясняет и “упорядочивает” его.
Что касается самого внешнего мира, то он представляется Эйнштейну загадкой. Он находит эту идею — мир есть загадка — очень ценной и указывает, что она идет от Канта. В “Ответе на критику” Эйнштейн пишет: “Я не был воспитан в традициях Канта и довольно поздно пришел к пониманию того действительно ценного, что имеется в его
294
учении, наряду с заблуждениями, которые теперь совершенно очевидны. Оно заключено в утверждении: “реальное нам не дано, а загадано (в виде загадки)”. Это, очевидно, означает: для охвата межличного существует умозрительная конструкция, основание которой лежит исключительно в ней самой. Эта умозрительная конструкция относится именно к “реальному” (по определению), и все дальнейшие вопросы о “природе реального” бессодержательны”.
Более популярно эта концепция изложена в книге “Эволюция физики”. В ней авторы пишут: “Физические понятия суть свободные творения человеческого разума и не однозначно определены внешним миром, как это иногда может показаться. В нашем стремлении понять реальность мы отчасти подобны человеку, который хочет понять механизм закрытых часов. Он видит циферблат и движущиеся стрелки, даже слышит тиканье, но он не имеет средств открыть их корпус. Если он остроумен, он может нарисовать себе некую картину механизма, которая отвечала бы всему, что он наблюдает, но он никогда не может быть вполне уверен в том, что его картина единственная, которая могла бы объяснить его наблюдения. Он никогда не будет в состоянии сравнить свою картину с реальным механизмом, и он не может даже представить себе возможность или смысл такого сравнения. Но он, конечно, уверен в том, что по мере того, как возрастает его знание, картина реальности становится все проще и проще и будет объяснять все более широкий ряд его чувственных восприятии. Он может даже верить в существование идеального предела знаний и в то, что человеческий разум приближает этот предел. Этот идеальный предел он может назвать объективной истиной” (стр. 30).
Теперь перед нами вполне законченная картина мира и путей его познания, как представлял их Эйнштейн. В этой картине, действительно, отведено место всем философским направлениям — реализму (точнее, материализму) и позитивизму, кантианству и рационализму и, несомненно, элементам ряда других философских направлений. Эйнштейн видел в этом достоинство философских взглядов естествоиспытателя, выражение необходимости для него считаться не с “односторонней философской
295
схемой”, а с реальным разносторонним процессом познания.
В этой главе мы проследили, как зарождалась гносеология Эйнштейна из его понимания собственного опыта построения физических теорий. В следующей главе мы рассмотрим вопрос о том, оправдалась ли эта гносеология, когда он стал руководствоваться ею в трактовке уже созданных физических теорий, а также в разработке новых.

 
 
296
Эйнштейн А., �нфельд Л. Эволюция физики. - М., 1965. - С. 7-14, 47-50, 243-296.