Философские идеи Гейзенберга

   Введение………………………………………………………….2

1. Смысл и  цели научной деятельности………………………..….3

2. Принцип неопределенностей…………………………………….

Критика материализма как основы научного познания…….....6

3. Проблема структуры  материи…………………………………..15

4. Перспективы  развития физики………………………………….20

5. «Копенгагенская  интерпретация» квантовой механики……….32

    Заключение……………………………………………………….39

    Список литературы………………………………………………41

Введение 

Гейзенберг, Хайзенберг (Heisenberg) Вернер (р. 5.12.1901, Вюрцбург), немецкий физик. В 1923 окончил Мюнхенский университет, где слушал лекции А. Зоммерфельда. В 1923—27 ассистент М. Борна. В 1927—41 профессор Лейпцигского и Берлинского университетов. С 1941 профессор и директор института физики Макса Планка в Берлине и Гёттингене, с 1955 — в Мюнхене. Лауреат Нобелевской премии по физике (1932). Член ряда академий и научных обществ мира. 

 В 1925 Г.  совместно с Н. Бором разработал т. н. матричную механику — первый вариант квантовой механики, давший возможность вычислить интенсивность спектральных линий, испускаемых простейшей квантовой системой — линейным осциллятором. Произвёл квантовомеханический расчёт атома гелия, показав возможность его существования в двух различных состояниях. В 1927 сформулировал соотношение неопределённостей, выражающее связь между импульсом и координатой микрочастицы, обусловленную её корпускулярно-волновой природой.За работы по квантовой механике Г. в 1933 присуждена Нобелевская премия Г. разработал (независимо и одновременно с Я. И. Френкелем) теорию спонтанной намагниченности ферромагнетиков и обменного взаимодействия, ориентирующего элементарные магнитики при намагничивании вещества. Гейзенбергу принадлежит одна из первых квантовомеханических теорий ядерных сил; во время Второй мировой войны он был ведущим теоретиком немецкого ядерного проекта. Ряд работ посвящён также физике космических лучей, теории турбулентности, философским проблемам естествознания. Гейзенберг сыграл большую роль в организации научных исследований в послевоенной Германии.

Но теоретические  интересы Гейзенберга и его творческая  активность  выходили далеко за пределы  специально  научной деятельности. Все те, кто его знал лично, подчеркивают его непреходящий интерес к философской мысли и ее истории, его внимание к проблемам художественного творчества, его серьезную озабоченность социальными событиями времени. Ученик и близкий друг Гейзенберга Карл Вейцзеккер писал, что он был, прежде всего, внутренне активной личностью с широким кругом интеллектуальных интересов и только потом выдающимся ученым.

       1. Смысл и цели  научной деятельности.

В чем же Гейзенберг видит смысл и цели научной  деятельности? С помощью науки человек определяет и строит свои отношения с окружающим миром и находит тем самым приемлемые формы жизни в этом  мире. Если естествознание открывает нам смысловое единство природы, то искусство, замечает Гейзенберг, побуждает нас к прояснению смысла нашего существования. Как наука, так и искусство ставят человека перед невероятным многообразием явлений. Наука стремится понять все существующее, в том числе и жизнь, с единой точки зрения. В искусстве можно наблюдать стремление найти такое миропонимание, которое было бы общим для всех людей на Земле.

В последние  десятилетия замечательные достижения физики элементарных частиц порождают в умах ученых тревожные сомнения в перспективах развития физики вообще. Был поставлен вопрос: а не закончится ли в самое ближайшее время физика как наука? В самом деле - все природные вещества и все излучение состоят из элементарных частиц. Создается впечатление, что остается только описать и исследовать определяющие свойства частиц и найти общий закон их поведения. Если это будет сделано, то станут известны контуры всех физических процессов. Прикладная физика и разработка технических применений могут еще продолжаться, но изучение фундаментальных явлений было бы в этом случае закончено.

Исследуя вопрос о возможном конце физической науки, Гейзенберг справедливо обращается к историческому опыту развития науки. Этот опыт показывает, что подобные идеи уже выдвигались в истории физики, но каждый раз они отвергались самим ходом развития науки.

Конечно, в истории  познания природы строились такие  теории, которые можно назвать внутренне замкнутыми и в этом смысле окончательно завершенными. В  книге «Физика и философия» Гейзенбергом констатируются четыре существующие в современной физической науке «замкнутые системы»  известным образом  связанных понятий, определений и аксиом, каждая из которых описывает определенную область явлений природы. Первая система – механика Ньютона, включающая статику, акустику, аэродинамику, небесную механику и т. д. Вторая система сформировалась в связи с теорией теплоты. Третья система выведена из электрических и магнитных явлений. Четвертая система – квантовая теория, охватывающая квантовую механику, теорию атомных спектров, химию, теорию проводимости и т. д.Кроме того, отмечается возможность существования пятой замкнутой системы понятий, которая будет построена в связи с созданием теории элементарных частиц.

Характеризуя типический черты замкнутых систем, Гейзенберг указывает, что каждой системе понятий отвечает математическое представление и что система должна быть пригодной для описания широкой области опыта, причем границы применимости понятий должны определяться эмпирически. Несомненно, что эти введенные Гейзенбергом «замкнутые системы» понятий соответствуют тому, что формы движения материи, будучи связаны переходами, качественно отличаются друг от друга. Из соображений Гейзенберга о соотношении между «системами понятий» особый интерес представляет следующее высказывание: «Первая система содержится в третьей и четвертой как их предельный случай, и вместе с тем первая и отчасти третья необходимы для четвертой как априорное основание для описания  экспериментов». Идея этого высказывания проходит в различных аспектах через все содержание книги «Физика и философия».

Изучая историю  науки, замечает Гейзенберг, мы не должны ограничиваться историей открытий и наблюдений, но обязаны включать в рассмотрение историю развития понятий. Такие понятия  классической механики как масса, сила, скорость, место, время, представляют собой отвлечение от многих реальных особенностей изучаемых процессов. Содержание этих и других понятий  теории строго определено и  в силу этого теоретические утверждения, в которые входят эти понятия, оказываются верными вне зависимости  от указанных особенностей, а значит верными на все времена и в  любых  самых отдаленных звездных системах. В рамках своих понятий механика Ньютона окончательна и завершена.

Претензии на всеобщность  продолжают действовать, но это не означает их реализации в том смысле, что все природные явления могут быть объяснены на основе механики. И, тем не менее, большая  сфера опыта вполне определенно описывается в понятиях механики и всегда может быть представлена этими понятиями. Гейзенберг замечает в этой связи, что общее и особенное сосуществуют и в общей структуре знания и составляют существенную и необходимую особенность его развития.

Теория относительности  и квантовая механика - также замкнутые теории, опирающиеся на своеобразные идеализации. Для построения подобной замкнутой теории при исследовании элементарных частиц необходимо искать или строить более глубокую идеализацию, которая в предельном случае приводила бы к уже известным физическим теориям. Допустим, что такая идеализация найдена и построена замкнутая теория элементарных частиц. Можно ли в таком случае говорить, что физика пришла к своему завершению?

При формулировке всеобъемлющих законов используется процедура идеализации, ведущая к  выработке исходных понятий теории. Гейзенберг обращает особое внимание на процедуру идеализации и показывает, что любая идеализация охватывает ограниченный круг явлений. Все биологические объекты состоят из элементарных частиц. Однако понятие жизни не содержится в тех или иных идеализациях, которые лежат в основании физических теорий. Необходимо осознать,  что наука не однородна, способы образования понятий существенно несходны. Но эти способы подвижны и не закреплены за  какой-либо отдельной наукой. Такая подвижность, различие в способах формирования понятий требуют исследований в пограничных сферах - в области математики, теории информации, философии. Эти области дают нам  средства объединения и связи различных научных дисциплин. Дальнейшее развитие науки, ее судьба зависит от того, насколько успешно будут проходить процессы объединения, ведущие к преодолению исторически сложившихся границ.

В этом исторически  необходимом процессе преодоления  разобщенности между науками особая роль принадлежит философскому мышлению. Задача состоит в том, чтобы найти действительно плодотворные подходы к решению вопроса, опираясь на необходимую в данной проблеме философскую мысль. Обращаясь к трудностям в развитии науки, Гейзенберг замечает, что, к сожалению, приходится наблюдать множество бесплодных усилий в попытках преодолеть эти трудности. Безрезультатность такого рода исследований обусловлена, по его мнению, нежеланием многих ученых обращаться к философскому мышлению. Но поскольку рождение подлинно новых научных достижений невозможно без взаимодействия с философскими идеями, исследователи-специалисты невольно исходят из дурной философии и под влиянием ее предрассудков приходят к путанице в  самой постановке вопросов. «Дурная философия, - говорит Гейзенберг с необычной для его стиля резкостью, - исподволь губит хорошую физику». 
2 Принцип неопределенностей

В обыденной  жизни нас окружают материальные объекты, размеры которых сопоставимы  с нами: машины, дома, песчинки и т. д. Наши интуитивные представления об устройстве мира формируются в результате повседневного наблюдения за поведением таких объектов. Поскольку все мы имеем за плечами прожитую жизнь, накопленный за ее годы опыт подсказывает нам, что раз всё наблюдаемое нами раз за разом ведет себя определенным образом, значит и во всей Вселенной, во всех масштабах материальные объекты должны вести себя аналогичным образом. И когда выясняется, что где-то что-то не подчиняется привычным правилам и противоречит нашим интуитивным понятиям о мире, нас это не просто удивляет, а шокирует.

В первой четверти ХХ века именно такова была реакция физиков, когда они стали исследовать поведение материи на атомном и субатомном уровнях. Появление и бурное развитие квантовой механики открыло перед нами целый мир, системное устройство которого попросту не укладывается в рамки здравого смысла и полностью противоречит нашим интуитивным представлениям. Но нужно помнить, что наша интуиция основана на опыте поведения обычных предметов соизмеримых с нами масштабов, а квантовая механика описывает вещи, которые происходят на микроскопическом и невидимом для нас уровне, — ни один человек никогда напрямую с ними не сталкивался. Если забыть об этом, мы неизбежно придем в состояние полного замешательства и недоумения.

Принцип Гейзенберга  вообще играет в квантовой механике ключевую роль хотя бы потому, что достаточно наглядно объясняет, как и почему микромир отличается от знакомого нам  материального мира. Чтобы понять этот принцип, задумайтесь для начала о том, что значит «измерить» какую бы то ни было величину. Чтобы отыскать, например, книгу, вы, войдя в комнату, окидываете ее взглядом, пока он не остановится на ней. На языке физики это означает, что вы провели визуальное измерение (нашли взглядом книгу) и получили результат — зафиксировали ее пространственные координаты (определили местоположение книги в комнате). На самом деле процесс измерения происходит гораздо сложнее: источник света (Солнце или лампа, например) испускает лучи, которые, пройдя некий путь в пространстве, взаимодействуют с книгой, отражаются от ее поверхности, после чего часть из них доходит до ваших глаз, проходя через хрусталик, фокусируется, попадает на сетчатку — и вы видите образ книги и определяете ее положение в пространстве. Ключ к измерению здесь — взаимодействие между светом и книгой. Так и при любом измерении, представьте себе, инструмент измерения (в данном случае, это свет) вступает во взаимодействие с объектом измерения (в данном случае, это книга).

В классической физике, построенной на ньютоновских принципах и применимой к объектам нашего обычного мира, мы привыкли игнорировать тот факт, что инструмент измерения, вступая во взаимодействие с объектом измерения, воздействует на него и изменяет его свойства, включая, собственно, измеряемые величины. Включая свет в комнате, чтобы найти книгу, вы даже не задумываетесь о том, что под воздействием возникшего давления световых лучей книга может сдвинуться со своего места, и вы узнаете ее искаженные под влиянием включенного вами света пространственные координаты. Интуиция подсказывает нам (и, в данном случае, совершенно правильно), что акт измерения не влияет на измеряемые свойства объекта измерения. А теперь задумайтесь о процессах, происходящих на субатомном уровне. Допустим, мне нужно зафиксировать пространственное местонахождение электрона. Мне по-прежнему нужен измерительный инструмент, который вступит во взаимодействие с электроном и возвратит моим детекторам сигнал с информацией о его местопребывании. И тут же возникает сложность: иных инструментов взаимодействия с электроном для определения его положения в пространстве, кроме других элементарных частиц, у меня нет. И, если предположение о том, что свет, вступая во взаимодействие с книгой, на ее пространственных координатах не сказывается, относительно взаимодействия измеряемого электрона с другим электроном или фотонами такого сказать нельзя.

В начале 1920-х  годов, когда произошел бурный всплеск  творческой мысли, приведший к созданию квантовой механики, эту проблему первым осознал молодой немецкий физик-теоретик Вернер Гейзенберг. Начав со сложных математических формул, описывающих мир на субатомном уровне, он постепенно пришел к удивительной по простоте формуле, дающий общее описание эффекта воздействия инструментов измерения на измеряемые объекты микромира, о котором мы только что говорили. В результате им был сформулирован принцип неопределенности, названный теперь его именем:

неопределенность  значения координаты x неопределенность скорости > h/m,

математическое выражение которого называется соотношением неопределенностей Гейзенберга:

Δx х Δv > h/m

где Δx — неопределенность (погрешность измерения) пространственной координаты микрочастицы, Δv — неопределенность скорости частицы, m — масса частицы, а h — постоянная Планка, названная так в честь немецкого физика Макса Планка, еще одного из основоположников квантовой механики. Постоянная Планка равняется примерно 6,626 x 10^–34 Дж·с, то есть содержит 33 нуля до первой значимой цифры после запятой.

Термин «неопределенность  пространственной координаты» как  раз и означает, что мы не знаем  точного местоположения частицы. Например, если вы используете глобальную систему  рекогносцировки GPS, чтобы определить местоположение этой книги, система вычислит их с точностью до 2-3 метров. (GPS, Global Positioning System — навигационная система, в которой задействованы 24 искусственных спутника Земли. Если у вас, например, на автомобиле установлен приемник GPS, то, принимая сигналы от этих спутников и сопоставляя время их задержки, система определяет ваши географические координаты на Земле с точностью до угловой секунды.) Однако, с точки зрения измерения, проведенного инструментом GPS, книга может с некоторой вероятностью находиться где угодно в пределах указанных системой нескольких квадратных метров. В таком случае мы и говорим о неопределенности пространственных координат объекта (в данном примере, книги). Ситуацию можно улучшить, если взять вместо GPS рулетку — в этом случае мы сможем утверждать, что книга находится, например, в 4 м 11 см от одной стены и в 1м 44 см от другой. Но и здесь мы ограничены в точности измерения минимальным делением шкалы рулетки (пусть это будет даже миллиметр) и погрешностями измерения и самого прибора, — и в самом лучшем случае нам удастся определить пространственное положение объекта с точностью до минимального деления шкалы. Чем более точный прибор мы будем использовать, тем точнее будут полученные нами результаты, тем ниже будет погрешность измерения и тем меньше будет неопределенность. В принципе, в нашем обыденном мире свести неопределенность к нулю и определить точные координаты книги можно.

И тут мы подходим к самому принципиальному отличию  микромира от нашего повседневного  физического мира. В обычном мире, измеряя положение и скорость тела в пространстве, мы на него практически не воздействуем. Таким образом, в идеале мы можем одновременно измерить и скорость, и координаты объекта абсолютно точно (иными словами, с нулевой неопределенностью).

В мире квантовых  явлений, однако, любое измерение  воздействует на систему. Сам факт проведения нами измерения, например, местоположения частицы, приводит к изменению ее скорости, причем непредсказуемому (и  наоборот). Вот почему в правой части  соотношения Гейзенберга стоит не нулевая, а положительная величина. Чем меньше неопределенность в отношении одной переменной (например, Δx), тем более неопределенной становится другая переменная (Δv), поскольку произведение двух погрешностей в левой части соотношения не может быть меньше константы в правой его части. На самом деле, если нам удастся с нулевой погрешностью (абсолютно точно) определить одну из измеряемых величин, неопределенность другой величины будет равняться бесконечности, и о ней мы не будем знать вообще ничего. Иными словами, если бы нам удалось абсолютно точно установить координаты квантовой частицы, о ее скорости мы не имели бы ни малейшего представления; если бы нам удалось точно зафиксировать скорость частицы, мы бы понятия не имели, где она находится. На практике, конечно, физикам-экспериментаторам всегда приходится искать какой-то компромисс между двумя этими крайностями и подбирать методы измерения, позволяющие с разумной погрешностью судить и о скорости, и о пространственном положении частиц.

На самом деле, принцип неопределенности связывает  не только пространственные координаты и скорость — на этом примере он просто проявляется нагляднее всего; в равной мере неопределенность связывает и другие пары взаимно увязанных характеристик микрочастиц. Путем аналогичных рассуждений мы приходим к выводу о невозможности безошибочно измерить энергию квантовой системы и определить момент времени, в который она обладает этой энергией. То есть, если мы проводим измерение состояния квантовой системы на предмет определения ее энергии, это измерение займет некоторый отрезок времени — назовем его Δt. За этот промежуток времени энергия системы случайным образом меняется — происходят ее флуктуация, — и выявить ее мы не можем. Обозначим погрешность измерения энергии ΔЕ. Путем рассуждений, аналогичных вышеприведенным, мы придем к аналогичному соотношению для ΔЕ и неопределенности времени, которым квантовая частица этой энергией обладала:

ΔЕΔt > h

Относительно  принципа неопределенности нужно сделать  еще два важных замечания:

он не подразумевает, что какую-либо одну из двух характеристик  частицы — пространственное местоположение или скорость — нельзя измерить сколь угодно точно;

принцип неопределенности действует объективно и не зависит  от присутствия разумного субъекта, проводящего измерения.

Иногда вам  могут встретиться утверждения, будто принцип неопределенности подразумевает, что у квантовых  частиц отсутствуют определенные пространственные координаты и скорости, или, что эти величины абсолютно непознаваемы. Не верьте: как мы только что видели, принцип неопределенности не мешает нам с любой желаемой точностью измерить каждую из этих величин. Он утверждает лишь, что мы не в состоянии достоверно узнать и то, и другое одновременно. И, как и во многом другом, мы вынуждены идти на компромисс. Опять же, писатели-антропософы из числа сторонников концепции «Новой эры» иногда утверждают, что, якобы, поскольку измерения подразумевают присутствие разумного наблюдателя, то, значит, на некоем фундаментальном уровне человеческое сознание связано с Вселенским разумом, и именно эта связь обусловливает принцип неопределенности. Повторим по этому поводу еще раз: ключевым в соотношении Гейзенберга является взаимодействие между частицей-объектом измерения и инструментом измерения, влияющим на его результаты. А тот факт, что при этом присутствует разумный наблюдатель в лице ученого, отношения к делу не имеет; инструмент измерения в любом случае влияет на его результаты, присутствует при этом разумное существо или нет.

2. Критика материализма как основы научного познания. 

   В книге  «Философские проблемы атомной   физики»  Гейзенберг  неоднократно

возвращается  к  вопросу  -   что  дало  развитие  современной  физики   для

понимания коренных принципов научного знания? Как  подчеркивает  Гейзенберг,

классическая  физика строилась на следующем  основном  положении:  существуют

объективные события, происходящие во времени и пространстве и  не  зависящие

от  наблюдателя  и  его  измерений.  Познание  этих   объективных   событий,

совершающихся в реальных  пространстве  и  времени,  и  составляет  сущность

науки.  В  целом   эта   характеристика   классической   физики   правильна.

Действительно, материалистическая теория познания стихийно принимается  всем

естествознанием, в том числе и классической физикой. 

   Однако  Гейзенберг утверждает, что положение  изменилось с  возникновением

атомной физики и в особенности  квантовой  механики.  Эти  новые  физические

теории привели  якобы  к  созданию  совершенно  «нового  способа  мышления»,

неизбежным следствием которого является  отказ  от  признания  объективности

пространства  и времени, отказ от  принципа  причинности.  Гейзенберг  ставит

вопрос  –  должен  ли  ученый  раз  и  навсегда  отказаться  от   мысли   об

объективности событий во времени и пространстве  или  же  этот  отказ  можно

рассматривать  как  некий  «переходящий  кризис»,  от   которого   наука   в

дальнейшем избавится? На этот вопрос он отвечает  с  полной  решительностью:

такой отказ  должен быть окончательным; никогда  и  никакие  эксперименты  уже

не вернут науку  на путь  признания  объективности  явлений,  пространства  и

времени. Стремление понимать явления природы как  объективные, он  сравнивает

с донаучными попытками  людей, считавших Землю плоским  диском  ограниченного

размера, найти «край мира».  Как нет «края мира»,  так будто бы  и нет

объективных  явлений,  независящих  от  наблюдателя!  «…надежда,  что  новые

эксперименты  наведут  нас  на  след  объективных  событий  во   времени   и

пространстве, была бы не более основательной,  -  пишет  Гейзенберг,  -  чем

надежда обнаружить «край мира» где-нибудь  в  районах  Антарктики»  (1,с10).

Так, например, по Гейзенбергу, атомы, изучаемые современной  физикой,  нельзя

рассматривать как реальные объекты, находящиеся  в  пространстве и времени.

Гейзенберг утверждает, что,  по  существу,  они  являются  не  материальными

частицами, а  только символами,  введение  которых  придает  законам  природы

особенно  простую  форму.   «Атомное   учение  современной   физики,   таким

образом, существенно отличается от  античной  атомистики  тем,  что  оно  не

допускает    больше    какой-либо    интерпретации    в    духе     наивного

материалистического мировоззрения» (1,с.49-50). 

   Дело  здесь, конечно, не в том,  что Гейзенберга не  удовлетворяет  какая-

либо  наивная  форма  материализма.  Он  отвергает  материализм  вообще  как

научное мировоззрение, как  основу  научного  познания.  Чем  же  Гейзенберг

пытается обосновать свой категорический отказ от материализма и свою  защиту

идеализма? На какие конкретные данные физики он стремится опереться в  своем

столь далеко идущем пересмотре основ научного познания? 

   Нельзя  не увидеть, что аргументация  Гейзенберга  основана  на  смешении

различных вопросов. Гейзенберг строит свое отрицание материализма вообще  на

критике ограниченных представлений  метафизического  материализма.  В  самом

деле, характеризуя точку зрения  классической  физики,  стоящей  на  позиции

признания объективности, данной нам в  ощущении,  Гейзенберг  связывает  это

признание объективной  реальности с обязательным утверждением,  что  время  и

пространство  друг от друга не зависимы, неизменны, с  физическими  объектами

не  связаны  (1,с.3-4).  Материализм,   говорит   он,   обязательно   должен

признавать неизменность пространства и времени,  их  независимость  друг  от

друга  и  от  материальных  объектов.   Но   современная   физика   показала

взаимосвязь пространства и времени, раскрыла  связь свойств  пространства  с

распределением  материи, зависимость  пространственных  и  временных  свойств

тел  от  их  движения.  Следовательно,  заключает  Гейзенберг,   материализм

опровергнут. 

   Однако  из того, что пространство и время оказались тесно  взаимосвязаны,

что они зависят  от  свойств  движущейся  материи,  вовсе  не  следует,  что

физические явления  стали зависимыми производными от субъекта.  Оказалась  не

состоятельной метафизическая точка зрения, согласно которой, пространство  и

время  –  это  некие  неизменные  и  независящие  друг   от   друга   пустые

«вместилища»  для физических процессов.  Но  от  этого  ни  пространство,  ни

время, ни сами физические процессы не перестали быть  объективно  реальными.

Свое отрицание  объективности  физических  явлений,  пространства  и  времени

Гейзенберг не может вывести из данных современной  физики;  он  насильственно

навязывает его  физической науке. 

   Другой  аргумент, используемый Гейзенбергом  для   отрицания объективной

реальности, состоит  в следующем. Материализм,  по  его  мнению,  обязательно

связан  с  признанием  того,  что  мельчайшие   частицы   материи   являются

уменьшенными  копиями  обычных  макроскопических  тел  и  непременно  должны

двигаться  по  законам  механики  Ньютона.  Между  тем  современная   физика

доказала, что  микрообъекты обладают сложной корпускулярно-волновой  природой

и  подчиняются  особым,  неизвестным  ранее,  квантовым   законам.   Значит,

заключает Гейзенберг, материализм потерпел крах,  микрообъекты  не  являются

объективной реальностью! 

   Совершенно  ясно, однако, что развитие физики  показало  несостоятельность

метафизической  точки зрения, согласно которой  все  виды  и  формы  движения