Глава IV. Философское значение законов сохранения и превращения в современной физике

Философское значение законов сохранения и превращения в современной физике

Развитие естествознания, и прежде всего физики, дает новые и новые данные, подтверждающие незыблемость всеобщего закона сохранения и превращения материи и движения, отображаемого с помощью частных законов сохранения и превращения, число которых в физике все время увеличивается.

Среди всех законов природы законы сохранения и превращения играют особую роль, будучи одним из методов познания скрытых сил природы. Классики марксизма придавали основополагающее значение для материализма известным им законам сохранения, и прежде всего законам сохранения массы и энергии.

Значение закона сохранения и превращения энергии как абсолютного закона природы впервые в науке показал Ф. Энгельс. Следует подчеркнуть, что Энгельс, отмечая однопорядковость понятий энергии и движения, указывал, что понятие энергии уже понятия движения, которое понимается как изменение вообще, что энергию можно определить как меру перехода одной формы движения в другую при их взаимных превращениях.

Ф. Энгельс в "Диалектике природы" писал, что сама эта теория (теория превращения энергии в природе.- В. Г.) превращается, если последовательно применить ее ко всем явлениям природы, в историческое изображение изменений, происходящих одно за другим в какой-нибудь мировой системе от ее возникновения до гибели, т. е. превращается в историю, на каждой ступени которой господствуют другие законы, другие формы проявления одного и того же универсального движения,- и, таким образом, абсолютно всеобщим значением обладает одно лишь движение (1, 20, 553-554).

В. И. Ленин в "Материализме и эмпириокритицизме" отмечал, что материалисты считают закон сохранения и превращения энергии установлением "основных положений материализма" (2, 18, 353). В то время в науке были известны законы сохранения массы, электрического заряда, энергии, импульса, момента количества движения. Было открыто А. Эйнштейном соотношение между массой и энергией, но не были известны многие другие свойства материи, формы движения и многие законы сохранения, такие, как закон сохранения четности, закон сохранения ядерного заряда, закон сохранения зарядовой симметрии, закон сохранения изотопического спина, закон сохранения странности, закон сохранения лептонного заряда и другие, роль которых в познании закономерностей развития природы исключительно велика.

В свое время В. И. Ленин, указывая на неразрывную связь пространства, времени, движения и материи, подчеркивал, что пространство и время суть объективно существующие формы бытия материи. Развитие физики дало естественнонаучное подтверждение этому ленинскому положению. Оказалось, что законы сохранения и превращения в физике не только отражают свойства материи и движения, но и связаны с общими свойствами пространства и времени. Они выражают тот факт, что законы физики во всех точках пространства одинаковы (закон сохранения импульса), что они не изменяются во времени (закон сохранения энергии), что в пространстве отсутствуют избранные направления (закон сохранения момента количества движения).

Материалистическое содержание законов сохранения всегда вызывало атаки на них со стороны идеалистов. Борьба материализма против идеализма по вопросам, связанным с законами сохранения, проходит через всю современную физику.

Характерным для представителей различных идеалистических направлений является стремление использовать возникающие в процессе развития физики временные трудности для очередной попытки подорвать научную достоверность законов сохранения, а значит, подорвать одно из существенных положений материализма о неуничтожимости материи и движения, о неразрывном единстве материи, движения, пространства, времени.

В истории физики бывало не раз, что новые явления не сразу удавалось объяснить, а тем более создать их теорию, и вместо того чтобы опираться на законы сохранения (содержание которых обогащается в процессе развития наших знаний), отдельные естествоиспытатели, а за ними философы-идеалисты спешили объявить, что, скажем, закон сохранения энергии не применим в атомном мире и т. д. Но именно применение закона сохранения энергии позволило и позволяет теоретически осмыслить многие открытия.

Научное мышление характеризуется не только отображением изменчивости в объективном мире, но и стремлением охватить мыслью эти изменения, выразить их в относительно неподвижных понятиях, законах. На протяжении всей истории существования человечества люди в процессе практической деятельности, в процессе взаимодействия с окружающей природой наблюдали повторяемость в явлениях природы. Это постоянное, повторяющееся в определенных условиях, получило название порядка, закономерности, закона. "Порядок, цель, закон,- приводит слова Л. Фейербаха В. И. Ленин,- суть не более, как слова, которыми человек переводит дела природы на свой язык, чтобы понять их..." (2, 18, 158).

Целью науки является познание объективных законов, действующих в природе, обществе и нашем познании. За время своего существования человечество накопило богатейший опыт направленного использования познанных законов, которое было бы невозможно без знания условий и сферы действия этих законов. Вместе с развитием общества открываются новые и новые законы природы. При этом происходит сложный процесс, в котором из многих частных законов выкристаллизовываются более общие, объединяющие их, а частные законы оказываются конкретными проявлениями этих более общих законов. Из всех законов науки о природе мы рассмотрим наиболее общие законы физики - законы сохранения. Сам процесс открытия и познания законов сохранения прошел ряд этапов. Прежде всего необходимо накопление сведений об отдельных проявлениях неизвестного пока общего закона - как положительных, так и отрицательных (например, невозможность создания вечного двигателя). Опираясь на большое количество положительных или отрицательных данных, полученных в ходе практической деятельности, экспериментов, а также на различные гипотезы и теории, выдвигаемые отдельными учеными или группами ученых, делается попытка сформулировать новый закон, предсказываются новые явления, подлежащие экспериментальной проверке.

Целенаправленные исследования дают новые данные, которые ведут к дальнейшему уточнению содержания закона и установлению сферы его применения. Применение же закона в различных областях теоретических исследований и подтверждение его истинности на практике ведет к превращению открытого наукой закона сохранения в важное средство познания новых явлений.

Изложенные выше условные стадии формирования законов сохранения отражают сложный процесс становления "закона в себе" в "закон для нас", когда на протяжении определенного отрезка времени объективно существующий закон познается человеком, а затем начинается сознательное его применение к анализу новых и новых явлений в целях их познания: в процессе этих применений подтверждается (или ограничивается) его роль как абсолютного закона природы.

Следует коротко сказать об абсолютности законов науки. Это относительная абсолютность, ибо действие таких абсолютных законов всегда связано с точно определенными условиями, в которых они проявляются, а если в ходе дальнейшего развития науки устанавливаются границы применимости данного закона, то, как правило, открывается новый обобщенный закон.

В отличие от других законов с познанием каждого закона сохранения неразрывно связано появление нового, фундаментального понятия физики, к которому он относится. Такое выделение инвариантной характеристики движения, пространства, времени, материи представляет существенный и необходимый шаг в познании.

Тенденция сохранения, присущая материальным объектам и формам их существования, отображается в науке с помощью понятий об их сохраняющихся характеристиках, которые представляют собой единство объективного и субъективного. Объем этих понятий может и увеличиваться и уменьшаться в ходе познания, содержание отдельных понятий может входить в содержание новых, более общих понятий. Но так как тенденция сохранения неразрывно связана с тенденцией изменения, закон сохранения или совокупность ряда законов сохранения характеризуют не только сохранение, но и превращение, изменение.

Одной из характерных особенностей законов сохранения является то, что они могут проявляться в форме ограничений или даже категорических запретов, накладываемых на те или иные процессы в определенных условиях. С этого часто и начинается их познание. Когда человек сталкивается с принципиальной невозможностью каких-либо процессов, он приходит в конечном итоге к открытию новой сохраняющейся величины. При этом важная черта законов сохранения заключается в том, что они в общей форме определяют возможность или невозможность тех или иных процессов независимо от их конкретной природы. Это одно из проявлений их абсолютности и всеобщности, принципиально отличной от всеобщности других законов природы. Если закон сохранения и превращения энергии отображает одну из характерных, общих сторон, присущих всем формам движения, любым видам взаимодействий, и выполняется с абсолютной точностью (в изолированных системах), то, скажем, закон всемирного тяготения Ньютона относится лишь к определенной сфере материальных взаимодействий (гравитационных) и даже в этой сфере не является абсолютно точным.

Существенным для познания является также то, что очень часто одно лишь совместное применение законов сохранения дает возможность выяснить сущность конкретного явления. Примером может служить создание теории Комптон-эффекта.

Открытое в 1923 г. американским физиком А. Комптоном явление состоит в увеличении длины волны рентгеновых лучей при их рассеивании на свободном или слабо связанном электроне. Этот эффект можно объяснить, применяя к рассмотрению явления совместно закон сохранения количества движения и закон сохранения и превращения энергии. Для этого рассматривают упругое столкновение кванта с покоящимся электроном. В этом случае закон сохранения количества движения имеет вид:

а закон сохранения энергии

где - постоянная Планка h, деленная на 2π; ω - угловая частота кванта; m - масса электрона; с - скорость света в вакууме; k - волновой вектор, равный по величине ω/c и направленный в сторону распространения волны; р и W - количество движения и энергия электрона; k - количество движения кванта; ω - его энергия (штрихом обозначены величины после столкновения). Из законов сохранения получается связь между частотами рассеянных и падающих рентгеновых лучей, как функция угла между k и к' (угол рассеяния):

переходя от частот к длинам волн, можно переписать это соотношение так:

Это и есть соотношение, экспериментально подтвержденное в опытах А. Комптона. Таким образом, совместное применение известных законов сохранения позволило создать теорию нового явления.

Законы сохранения, число которых растет по мере развития физических знаний, являются важнейшим средством для теоретического обобщения новых данных, получаемых в ходе физических исследований, для создания новых теорий, заключающих в себе частицу абсолютной истины, предсказывающих новые явления, направляющих экспериментальный поиск с целью достижения определенных результатов. Законы сохранения служат незаменимым инструментом нашего познания.

В этой главе рассмотрим физические законы сохранения, установленные в ходе длительного развития человеческих знаний об окружающей природе, и постараемся проследить, как открытие новых законов сохранения способствует дальнейшему развитию теории и практики, развитию теории познания.