Введение

Размышляя о возможных темах юбилейного характера, приуроченных к 2020–2021 гг., я решил, что две крупных темы такого рода заслуживают особого внимания: это 125-летие начала квантово-релятивистской революции, разгар которой пришелся на 1910–1920-е гг., и 200-летие «французской революции», связанной с возникновением выходящих за рамки механики таких основных разделов физики, как волновая оптика (О. Френель), электродинамика (А.-М. Ампер), термодинамика (С. Карно), теория теплопроводности (Ж.-Б. Фурье). Кстати говоря, последняя была одновременно поворотным моментом в математизации физики на основе теории дифференциальных уравнений с частными производными. Замечу также, что именование этого события «французской революцией в физике» введено мною и до сих пор не является общепринятым¹. Этими двумя революциями я занимался достаточно основательно, особенно первой, и в отношении их привязки к 10–20-м гг. и их фундаментальности у меня особых сомнений нет. Но у историка науки «птичьего разряда» (а я думаю, что, подобно физикам и математикам, историки науки подразделяются, по Ф. Дайсону², на «лягушек» и «птиц») возникает естественное желание посмотреть, не распространяется ли эта революционность на другие века, прежде всего ХVIII, XVII, XVI? Интересными и удачными примерами краткого рассмотрения развития физики «с высоты птичьего полета» являются работы Ф. Хунда и Л. Пайнсона³. О более ранних веках, по-видимому, говорить не приходится, поскольку экспериментально-теоретическая наука – это детище эпохи позднего Возрождения и Нового времени. При чуть более пристальном рассмотрении оказывается, что 10-20-е гг. и XVI, и особенно XVII в. тоже были в той или степени революционными. XVI в. – это Н. Коперник, XVII в. – это, бесспорно, мощный старт научной революции XVII в., связанный с именами Г. Галилея, И. Кеплера и Ф. Бэкона. Но вот с XVIII в., как будто, возникает проблема: ничего похожего на революционные события в 10–20‑е гг. на этот раз не видно. Что это: исключение из «правила» (не бывает хорошего правила без исключения) или и тут есть некая скрытая революционность, которая может обнаружиться при более тщательном анализе? В дальнейшем мы бегло рассмотрим особенности «революционных 10–20-х» последовательно, от Коперника до XXI в. Что же касается современной ситуации, то нам предстоит понять, находимся ли мы уже в революционном процессе и вот-вот он должен начаться или и здесь нас ждет своего рода исключение?

XVI в.: Н. Коперник, начало коперниканской революции

Большинство историков и философов науки согласны в том, что начало современной науки было связано с так называемой научной революцией XVII в.⁴ Интересно и важно признание одного из ведущих современных физиков и создателей стандартной модели в физике элементарных частиц, лауреата Нобелевской премии С. Вайнберга. Имея в виду именно эту революцию, он говорит:

«Я убежден, что научная революция была настоящим прорывом в интеллектуальной истории человечества. Я сужу об это с точки зрения современного ученого […] До научной революции наука была насыщена религией и тем, что мы сейчас называем философией; кроме того, все еще не был выработан математический аппарат. После XVII в. в физике и астрономии я чувствую себя как дома. Я узнаю многие черты науки моего времени: поиск объективных законов, выраженных математически, которые позволяют предсказывать широкий спектр явлений и подтверждены сравнением этих предсказаний с наблюдением и экспериментом»⁵.

И почти сразу дальше: «Независимо от того, была ли научная революция революцией или нет, но началась она с Коперника»⁶. В книге В. С. Кирсанова анализ научной революции XVII в. также начинается с Коперника: «Истинная революция в астрономии началась с Николая Коперника»⁷. Главный же труд Коперника «О вращении небесных сфер», в котором впервые обстоятельно и аргументированно была изложена гелиоцентрическая система мира, положившая начало сокрушению птолемеевской геоцентрической астрономии и аристотелевской концепции науки в целом, был опубликован в 1543 г.

Однако генезис гелиоцентрической концепции Коперника восходит к 1510–1520-м гг.! Оказывается, основные положения своей концепции Коперник изложил в рукописном сочинении «Малый комментарий относительно установленных им гипотез о небесных движениях», написанном «не позднее 1515 г., а вероятнее всего между 1505 и 1507 гг.»⁸. Развитие этих положений и привело к великому трактату «О вращении…». Добавим, что в самом конце XV в., а именно в 1496 г., была выпущена книга И. Региомонтана и Г. Пурбаха «Сокращения Клавдия Птолемея»,

«лучший учебник по птолемеевской астрономии, который когда-либо был написан, и именно по этой книге Коперник двадцать лет спустя (а, скорее, десять. – В. В.) познавал птолемеевскую мудрость»⁹.

Кстати говоря, первое печатное издание «Альмагеста» Птолемея на латинском языке увидело свет в эти годы, а именно в 1515 г. Не стоит забывать, что это были годы великих географических открытий и мореплаватели от Колумба до Магеллана пользовались в целях навигации трудами того же Региомонтана по астрономии, к которым были приложены таблицы долгот Солнца, Луны и планет, а также широт Луны.

Еще два важных момента, связанных именно с «Малым комментарием», хотелось бы подчеркнуть. Во-первых, хотя Коперник и не опубликовал его, он был достаточно хорошо известен, поскольку автор рассылал эту рукопись астрономам и другим заинтересованным лицам. А во-вторых, именно в «Комментарии» было показано явное эстетическое превосходство гелиоцентризма над геоцентризмом. Это обстоятельство особенно ясно и убедительно отмечает Вайнберг в своей недавно опубликованной книге «Объясняя мир»:

«Схема Коперника является классическим примером того, как теория может быть выбрана по эстетическим критериям, без всякого экспериментального доказательства, которое могло бы дать ей преимущество перед другими теориями. В случае с теорией Коперника, изложенной в «Комментарии», достоинство ее было в том, что очень многие характерные особенности теории Птолемея объяснялись одним махом с помощью вращения Земли и ее обращения вокруг Солнца…»¹⁰

И далее:

«Эта работа Коперника (т. е. «Малый комментарий». – В. В.) является иллюстрацией того, что неоднократно повторялось в истории физики, когда простая и красивая теория, которая достаточно хорошо согласуется с наблюдениями, оказывается ближе к истине, чем теория, которая лучше нее согласуется с наблюдениями, но ужасно сложна¹¹.

В 1543 г. выходит в свет главный труд Коперника «О вращении небесных сфер», насыщенный важными вычислениями и техническими деталями. Почему с такой задержкой, ведь фактически он был закончен в 1520-е гг., не позже 1530 г.? Дело было в том, что система Коперника задолго до публикации этого труда «была встречена протестами со стороны религиозных деятелей»¹² и что и сам «Коперник вполне сознавал революционное значение своего труда» и именно

«поэтому […] столь долго не решался обнародовать свои воззрения и сделал это лишь на пороге смерти, уступив настойчивым просьбам своих друзей, в первую очередь увещеваниям Ретика и вармийского епископа Тидемана Гизе»¹³.

Книга содержала, – резюмировал коперниковскую стадию научной революции XVII в., а точнее XVI–XVII вв., Кирсанов, – развернутое изложение системы мироздания, основанное на принципах, сформулированных еще в «Малом комментарии» (курсив мой. – В. В.). Значение этого события состояло в том, что отныне научное мировоззрение обрело твердую и плодотворную почву, на которой впоследствии смогло возникнуть все здание современной науки¹⁴.

XVII в., галилей-кеплеровская стадия научной революции

Поскольку два главных сочинения Г. Галилея – «Диалог о двух системах мира» и «Беседы о двух новых науках» – были опубликованы в 1630-х гг. (первый в 1632 г., а второй в 1638 г.) и к тому же в 1630– 1640‑х гг. появились важные в этой революции труды Р. Декарта, то следующую после коперниканской стадию обсуждаемой революции чаще всего было принято относить, скорее, к 1630‑м гг. Однако более детальный анализ показывает, что основные революционные достижения в астрономии и механике, принадлежащие в первую очередь Галилею и Кеплеру, в большей степени относятся к более ранним, а именно к 1600–1620‑м гг.¹⁵ Вот краткая хронология этих достижений наших героев в эти годы:

1592–1610: В эти годы (падуанский период) Галилей

«приобретает известность прежде всего своими изобретениями; он составляет для своих учеников наставления по космографии, по механике, по фортификации […] Не будет преувеличением сказать, что он представлял передовую инженерную мысль своего времени»¹⁶.

1602–1609: Галилей устанавливает, что тела в пустоте падают с постоянным ускорением, не зависящим от их природы, а также что тела, брошенные под углом к горизонту, движутся по параболической траектории. 1609: «Новая астрономия…» Кеплера – развитие системы Коперника на основе первого и второго законов Кеплера; революционное значение имела замена круговых орбит Коперника эллипсами. 1609–1610: «Революция в астрономии началась в 1609 г., когда Галилей впервые услышал о новом голландском приборе, который назывался “зрительная труба”»¹⁷. С помощью построенного им телескопа он сделал «шесть астрономических открытий исторической важности», четыре из которых были описаны в его сочинении «Звездный вестник», вышедшем в Венеции в марте 1610 г. Особенно важным было открытие спутников Юпитера, ставшее надежным подтверждением теории Коперника, как и обнаруженные им в сентябре 1610 г. фазы Венеры, абсолютно необъяснимые с позиций теории Птолемея. 1612: «Рассуждение о телах, пребывающих в воде» Галилея; помимо вклада в гидростатику это сочинение содержало результаты измерения периодов обращения открытых им спутников Юпитера, почти совпадающие с современными значениями. 1613: «Письма о солнечных пятнах» Галилея, в которых он впервые открыто выступил в защиту теории Коперника. 1616: Вызов Галилея в инквизицию в связи с его защитой учения Коперника и предание анафеме трактата Коперника «О вращении небесных сфер». 1619: «Гармония мира» Кеплера, в которой был сформулирован и третий закон Кеплера. 1620: «Новый органон» Ф. Бэкона, сочинение,

«в котором он выступает против догматического наследия Аристотеля и говорит, что в основание науки должен быть положен опыт, который, в свою очередь, служит критерием ее истинности»¹⁸.

1624: «Послание к Инголи» Галилея – первая попытка обоснования системы Коперника на основе механики; формулировка и объяснение галилеевского принципа относительности.

Этой комментированной хронологии достаточно, чтобы уверенно утверждать, что 10–20-е гг. XVII в. были действительно революционными. При этом в центре внимания продолжало оставаться противостояние Коперника с Птолемеем и Аристотелем. Система Коперника стимулировала и построение новой механики, которая, в свою очередь, позволяла глубже обосновать саму эту систему. С другой стороны, астрономическая теория Коперника уточнялась и совершенствовалась. Законы Кеплера, как и принципы механики Галилея, во второй половине XVII в. привели И. Ньютона к завершению основ классической механики и созданию небесной механики, позволившей дать поразительное по точности описание движения планет и других небесных тел Солнечной системы, фактически мироздания Коперника. «Математическими началами натуральной философии» Ньютона (1687) завершается и великая научная революция XVII в. Но не будем забывать, что у ее истоков находятся два революционных периода – 10–20-е гг. XVI и XVII вв., – насыщенные гениальными прозрениями революционеров, их удивительной смелостью, острыми социальными конфликтами, сомнениями и ошибками.

XVIII век – исключение?

Если бы «Начала» Ньютона увидели свет хотя бы на 20–25 лет позже, то и 10–20-е гг. XVIII в. было бы правомерно назвать революционными и наше наблюдение не знало бы исключений. Но этого не случилось. А что же происходило в это время? Чтобы это понять, надо снова обратиться к хронологии. Но наука выросла, ученых стало больше, поэтому даже самая беглая хронология 1710–1720-х (1730‑х) гг. более насыщена событиями, чем революционные 10–20-е гг. двух предыдущих столетий. Итак, хронология развития физики первых десятилетий XVIII в.: 1703: «Оптика» Ньютона, Ньютон – президент Лондонского королевского общества (ЛКО). 1706–1709: Электростатические исследования члена ЛКО Ф. Гауксби. 1713: Второе издание «Начал» Ньютона, шесть экземпляров Ньютон посылает Петру I. 1715–1716: Г. В. Лейбницпротив Ньютона и ньютонианства. Введение Лейбницем понятия действия и возможное предвосхищение принципа наименьшего действия, впервые явно введенного П. Л. Мопертюи в 1740 г. Встреча Лейбница с Петром I и лейбницевский проект Петербургской академии наук. Кончина Лейбница (1716). 1716: «Форономия» Я. Германа – развитие классической механики Ньютона. С 1725 г. Герман в Петербургской академии наук. 1717: Принцип возможных перемещений И. Бернулли. 1719: Второе издание «Оптики» Ньютона (дополнено проблемами эфира, развитие корпускулярной оптики). 1722: Х. Вольф – введение понятия «теплород». 1724: И. Бернулли – принцип виртуальных скоростей, использование принципа живых сил в работах 1720‑х гг. 1724–1725: Создание Петербургской академии наук. С 1725 г. в ней начали работать 16 иностранных ученых, среди них такие крупные фигуры, как Я. Герман, Д. и Н. Бернулли, Г. Б. Бюльфингер, Ж. Делиль, Х. Гольдбах и др. Л. Эйлер появится там в 1727 г. и будет работать до начала 1740-х гг. 1724–1742: Работы Д. Фаренгейта, Р. Реомюра и А. Цельсия по термометрии. 1727: Кончина Ньютона. Механика и физика Ньютона продолжают завоевывать континентальную Европу в борьбе с картезианством. 1727–1741: Эйлер в Петербургской академии наук; выдающиеся труды по классической механике и математике, изданная в 1736 г. «Механика» Эйлера – наиболее важный вклад в механику после Ньютона и важный шаг на пути создания «аналитической механики». 1727–1729: С. Грей, исследование электрических явлений, открытие электропроводности. 1730: И. Бернулли разрабатывает картезианскую вихревую теорию движения планет, работа была удостоена премии Парижской академии наук (свидетельство продолжающейся борьбы между ньютонианством и картезианством в континентальной Европе). 1731: Дискуссия об истинной мере силы и движения (mv или mv в квадрате, среди участников Герман и И. Бернулли, опубликовавшие работы на эту тему в «Комментариях» Петербургской академии наук). 1732: П. Л. Мопертюи выступает в защиту ньютонианства, особенно закона всемирного тяготения в «Речи о фигуре звезд». Несколько позже (в 1750-е гг.) он писал об этом:

«Потребовалось более полустолетия для того, чтобы приучить континентальные академии к притяжению. Оно оказывалось запертым на своем острове; как только оно пересекло море, оно казалось репродукцией отвергнутого чудовища…»¹⁹

В 1744 г. Мопертюи выдвинул принцип наименьшего действия, получивший развитие в работах Эйлера и Ж. Л. Лагранжа и составивший в дальнейшем одно из основных направлений развития аналитической механики.

В последующие 1730-е и 1740-е гг. тенденции развития физико-математических наук, четко обозначившиеся в 1710–1720‑е гг., продолжают укрепляться. Мы имеем в виду нарастающее торжество ньютонианства и формирование основ аналитической механики (1734 г. – «Набросок новой физики неба» И. Бернулли, 1736 г. – «Механика» Эйлера, 1738 г. – «Элементарное изложение учения Ньютона» Ф. М. Вольтера и «Гидродинамика» Д. Бернулли, 1743 г. – «Трактат о динамике» Ж. Л. Даламбера, 1744–1746 гг. – работы Мопертюи и Эйлера по принципу наименьшего действия и т. д.), появление все большего числа работ по электростатике и электрическим явлениям вообще (1733–1737 гг. – исследования Ш. Ф. Дюфе о двух видах электричества и первые идеи об электрической природе молнии, 1745– 1747 гг. – изобретение лейденской банки – конденсатора, разного рода электрометров и т. д. (П. Мушенбрёк, У. Ватсон, Г. В. Рихман (в Петербурге) и др.) и продолжающееся расширение академических исследований в России (в том числе на основе Физического кабинета Академии наук и работ Эйлера, Г. В. Крафта, Рихмана и вернувшегося в 1741 г. из-за границы М. В. Ломоносова).

Таким образом, 10–20-е гг. XVIII в. не отмечены масштабными революционными сдвигами. Скорее, происходит восприятие, усвоение и развитие ньютоновской части революции XVII в., которое особенно остро протекает в континентальной Европе (в связи с противостоянием ньютонианства и картезианства). Одним из важных направлений этого развития были первые шаги на пути к созданию аналитической механики (Лейбниц, Герман, И. Бернулли, Эйлер, Д. Бернулли, Мопертюи), достигшие полной зрелости в трудах Лагранжа и существенно позже – У. Р. Гамильтона. Обращают на себя внимание и экстенсивно растущие исследования электричества. Все-таки с определенной натяжкой можно говорить о начале своеобразной научной революции в России,которая носила институциональный характер. Мы имеем в виду создание Петербургской академии наук, благодаря членам которой российский вклад в мировую науку XVIII в. оказался вполне заметным²⁰.

XIX в. – «французская революция в физике»

В XIX в. дело обстоит и проще, и сложней. Проще потому, что в 1995–1999 гг. я сам, изучая взаимодействие физики и математики в ХIX в., обнаружил поразивший меня феномен, который я сначала назвал «французским взлетом» классической физики, а чуть позже решился назвать «французской революцией в физике»²¹. Сложнее потому, что в действительности речь шла только о первой фазе в возникновении классической физики, сосредоточенной в окрестности 1820 г. Второй же фазой, связанной с созданием максвелловской электродинамики, термодинамики У. Томсона и Р. Клаузиуса, а также кинетико-статистической теории теплоты Дж. К. Максвелла и Л. Больцмана и оформившейся в 1860–1870-е гг., заниматься обстоятельно не приходилось. И для правомерности сопоставления научных революций XVII и XIX вв. требуются дополнительные исследования. Тем более что среди историков физики сложилась устойчивая традиция считать процесс возникновения классической физики после Ньютона процессом, скорее, эволюционным, на смену которому только в конце 1890-х гг. приходит ошеломляющая квантово-релятивистская революция, в полной мере развернувшаяся в 10–20-е гг. XX в.

Вернемся к «французской революции» в физике. Прежде всего кратко обсудим, почему создание основ классической физики как учения о свете, электричестве и магнетизме, а также о теплоте сфокусировалось на весьма коротком отрезке времени и притом главным образом во Франции. После этого мы покажем, что общей доминантной чертой главных сдвигов в каждой из упомянутых областей физики была их аналитическая математизация, т. е. создание немеханических теорий, основанных на математическом анализе. Анализируя хронологию событий в физике в 10–20-е гг., мы обнаруживаем поразительную вещь: на рубеже 1820-х гг. в основных областях физики происходит своего рода «фазовый переход» от накопления эмпирических фактов и попыток их истолкования на основе механистических гипотез (в духе «молекулярной механики» П. С. Лапласа) к построению феноменологических, не связанных с механикой теорий, основанных на математико-аналитическом истолковании эмпирических соотношений (см. об этом также работы И. Граттана-Гиннеса²²). И здесь мы наблюдаем не только временную фокусировку главных событий (1820 г. плюс-минус три-четыре года), но и «пространственную» их локализацию: они почти все происходят во Франции. Вот очень беглая хронология: 1819: О. Френель «Мемуар о дифракции света», в котором была развита волновая оптика, эти исследования были начаты им в 1815 г. 1820: После обнаружения Х. Эрстедом магнитного действия электрического тока Ампер открывает элементарный закон взаимодействия электрических токов (закон Ампера) и затем разрабатывает с помощью математического анализа методы решения задач «электродинамики». Законченная им в 1823 г. «Теория электродинамических явлений» была опубликована в 1826 г. Максвелл впоследствии называл Ампера «Ньютоном электричества». 1822: «Аналитическая теория теплоты» Фурье, знаменитый трактат, стоящий у истоков математической физики вообще и содержащий теорию теплопроводности на основе соответствующего дифференциального уравнения параболического типа с частными производными. 1824: «Размышления о движущей силе огня…» Карно, труд, положившей начало термодинамике.

Конечно, названные работы не исчерпывали теории соответствующих областей физики, но, тем не менее, так или иначе лежали в их основе. Кроме того, их исключительно французское происхождение – это определенная идеализация. Френелю в определенной степени предшествовал англичанин Т. Юнг, немец Г. С. Ом в 1826 г. открыл основной закон электрических цепей, носящий его имя и т. д. Отметим еще два обстоятельства. Во-первых, названные прорывные труды во многом противостояли доминирующей в конце XVIII – начале XIX в. исследовательской программе Лапласа, механистической по своему существу (концепция «молекулярноймеханики») и опирающейся в оптике на корпускулярные представления. Впрочем, Лаплас и его приверженцы (С. Д. Пуассон, Ж.-Б. Био, Ж. Гей-Люссак и др.) тоже высоко ценили и использовали математический анализ. Во-вторых, этими достижениями французская физика в значительной мере была обязана возникшей на волне Великой французской революции знаменитой Парижской политехнической школе (1794), с которой так или иначе были связаны и «лапласианцы», и «антилапласианцы» (Френель, Ампер, Фурье и Карно). Именно в этот период формируется концепция, что классическая физика с математической точки зрения – это теория дифференциальных уравнений с частными производными (в отличие от механики, которая в математическом плане сводится к теории обыкновенных дифференциальных уравнений). «Дифференциально-аналитическая» суть классической физики, согласно А. Пуанкаре, коренится в том, что она по своей природе локальна и поэтому «знание элементарного факта позволяет […] сформулировать задачу в виде дифференциального уравнения»²³. И в заключение приведем высказывание русского творца неевклидовой геометрии Н. И. Лобачевского, который в 1820-е гг. возглавлял кафедру физики в Казанском университете и прекрасно владел новейшими физическими теориями:

«Хотя физика повсюду заимствует пособие математики и одолжена сей науке своим существованием […] главнейшее в ней применение чистой математики и механики до сих пор сделано в той части, где говорится о телах без тяжести, каковы вещество теплоты, света, электричества и магнита».

И далее:

«Теория распространения теплоты в телах дана г-м Фурье; учение о свете г-м Френелем; в сочинениях Лапласа и Пуассона находим достаточное учение о движении звука и волн; теория электрических и электродинамических явлений в записках Пуассона и Ампера, изданных от Французской академии»²⁴.

XX в. – квантово-релятивистская революция

1910–1920-е гг. – это время уже развернувшейся в полной мере научной революции, начало которой можно довольно точно датировать открытием в декабре 1895 г. рентгеновских лучей. В отношении этой революции, как и в отношении революции XVII в., среди историков и философов науки принципиальных разногласий нет²⁵. Главное содержание этой революции, несмотря на ее сложность, – это переход от классической механики и физики с присущими им классическими представлениями о пространстве, времени, причинности, взаимодействии и т. п. к неклассической физике, с лежащими в ее основе специальной и общей теориями относительности, а также квантовой механикой и квантовой электродинамикой, в которых зафиксированы существенно новые представления о названных выше фундаментальных понятиях. Бегло коснемся хронологии событий именно 10–20-х гг., добавив лишь, что в 1900 г. М. Планк предложил квантовую теорию излучения, а в 1905 г. А. Эйнштейн создал специальную теорию относительности (СТО) и постулировал существование световых квантов. В 1907 г. он же выдвинул принцип эквивалентности, а Г. Минковский ввел четырехмерное пространство – время, две ключевые концепции, позволившие Эйнштейну создать общую теорию относительности (ОТО).

1911: Ядерная планетарная модель атома Э. Резерфорда. 1911: Первый Сольвеевский конгресс в Брюсселе, посвященный квантовой теории, на котором были четко зафиксированы неспособность классической физики объяснить ряд явлений микромира и первые успехи квантовой теории в этом направлении. 1913: Квантовая теория атома водорода Н. Бора. 1915: Создание ОТО Эйнштейном (общековариантные уравнения гравитационного поля получены одновременно Эйнштейном и Д. Гильбертом). 1915–1916: Теория строения атома Бора – Зоммерфельда. 1917: Эйнштейн – основы релятивистской космологии. Модель статической замкнутой Вселенной, введение космологической постоянной. 1918: Теорема Э. Нётер о связи законов сохранения с принципами симметрии. 1921: Геометрическая полевая программа. Единые теории гравитации и электромагнетизма Г. Вейля, Т. Калуцы, А. С. Эддингтона. Эйнштейн становится лидером этой программы. 1922–1924: Теория нестационарной (расширяющейся) Вселенной А. А. Фридмана. 1923–1924: Концепция корпускулярно-волнового дуализма вещества Л. де Бройля. 1925: В. Гейзенберг – квантовая механика, М. Борн и П. Иордан – матричная структура квантовой механики. 1926: Э. Шрёдингер – волновой вариант квантовой механики (уравнение Шрёдингера). 1926: М. Борн – статистическая интерпретация волновой функции и квантовой механики. 1927: Принцип неопределенности Гейзенберга и принцип дополнительности Бора. Вместе со статистической трактовкой Борна они составляют основу физической интерпретации квантовой механики. 1927: К. Дэвиссон, Л. Джермер, Дж. П. Томсон – дифракция электронов. 1927–1929: Ж. Леметр разрабатывает теорию расширяющейся Вселенной, а Э. Хаббл подтверждает это расширение наблюдениями. 1928–1929: П. Дирак, Гейзенберг, В. Паули – основы квантовой электродинамики и квантовой теории поля (уравнение Дирака).

В этой впечатляющей хронологии опущен целый ряд важный экспериментальных достижений, которые так или иначе сопровождали развитие квантово-релятивистских теорий. Это эксперименты Резерфорда, Х. Гейгера и Э. Марсдена по рассеянию альфа-частиц в тонких металлических пленках и Р. Милликена по измерению заряда электрона, опыты Дж. Франка и Г. Герца, подтвердившие квантовые постулаты Бора, опыты О. Штерна и В. Герлаха, приведшие к введению спина электрона, открытие рассеяния фотонов на свободных электронах (эффект А. Комптона), гравитационное отклонение света вблизи Солнца (Эддингтон и др.) и т. д.

Если считать, что научная революция (по Т. Куну) – это переход от парадигмы классической физики к парадигме неклассики, то динамику событий, содержащуюся в хронологии, описать в этих терминах очень трудно, если вообще возможно. Этот переход поддается определенному истолкованию в терминах глобальных исследовательских программ (т. е., скорее, по И. Лакатосу, чем по Куну)²⁶. Но при этом приходится учитывать возникшие в этот период электромагнитно-полевую программу, на смену которой пришли релятивистская программа, основанная на СТО, и квантовая программа. При попытке построить релятивистскую теорию тяготения пришлось ввести расширенную релятивистскую программу, выходящую за рамки СТО и приведшую сначала к ОТО, а затем – даже к геометрической полевой программе, которая в определенном смысле оказалась тупиковой. Квантовая программа бурно прогрессировала и привела к квантовой механике, которую удалось развить за счет ее соединения с релятивистской программой: в итоге появилась квантово-релятивистская программа. Эта программа стала базовой в физике элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий. Дополнив ее концепцией локально-калибровочной симметрии, физики пришли в начале 1970-х гг. к так называемой Стандартной модели, являющейся общепринятой современной теорией элементарных частиц²⁷.

Главными «революционерами» 10–20-х гг. в XVI в. был Коперник, в XVII в. – Галилей и Кеплер, в ХIХ в. – Френель, Ампер, Фурье и Карно, в ХХ же веке их число заметно возрастает: помимо бесспорных корифеев Эйнштейна и Бора, к ним надо добавить, как минимум, Э. Резерфорда и «квантовых теоретиков» де Бройля, Гейзенберга, Шрёдингера, Паули, Борна, Дирака (а может быть, еще и Х. А. Лоренца, Планка, Минковского, Эддингтона и др.).

XXI в. – революционные события уже начались или они вот-вот начнутся?

В попытке ответить на этот вопрос историк науки рискует значительно больше, чем физики, работающие на переднем крае науки. Тем не менее мы попробуем это сделать. Во-первых, мы соберем высказывания некоторых из лидеров физики конца ХХ – начала XXI в. о современной ситуации. Во-вторых, интересно сопоставить ожидания, зафиксированные в текстах физиков 1990–2000-х гг., с тем, что произошло через 10–30 лет, т. е. в последние пять-десять лет. Здесь хотя бы бегло следует выявить и назвать главные достижения последнего времени и вместе с тем основные нерешенные проблемы фундаментального характера.

Наиболее значительные достижения последних десятилетий в фундаментальной физике, к которой мы относим (по В. Л. Гинзбургу²⁸) микрофизику (прежде всего физику элементарных частиц) и мегафизику (астрофизику и особенно космологию), не слишком заметны в первой области и более внушительны во второй. Вот примерная хронология этих достижений. 1998–1999: Открытие ускоренного расширения Вселенной, открытие антигравитирующей «темной энергии», ответственной за это расширение. 1998–2002: Открытие нейтринных осцилляций, выходящих за пределы Стандартной модели и приведших к определению масс различных нейтрино. 2003: Измерения анизотропии реликтового излучения (миссией WMAP) надежно подтвердили возникновение начальных неоднородностей во Вселенной из начальных квантовых флуктуаций (В. Ф. Муханов и Г. В. Чибисов). 2012: Открытие бозона Хиггса. 2013: Уточнение данных по анизотропии реликтового излучения (миссия Planck), подтверждение евклидовости Вселенной и квантово-флуктуационной концепции формирования неоднородностей Вселенной. 2016: Открытие гравитационных волн, возникающих при слиянии черных дыр или черных дыр с нейтронными звездами (коллaборация LIGO). 2018–2020: Экспериментальные исследования по поиску четвертого, так называемого стерильногонейтрино сравнительно большой массы, которое могло бы претендовать на роль темной материи (в частности В. Н. Гаврин в ИЯИ РАН). 2020: М. Башканов и Д. П. Уоттс – гипотеза использования дибарионного шестикваркового бозона (гексакварка d-star) в качестве частиц темной материи²⁹.

По авторитетному мнению Вайнберга,

«прогресс в физике частиц замедлился после создания в 1960–1970-х гг. Стандартной модели элементарных частиц, которая обобщала все имеющиеся на тот момент данные об их поведении. Единственное открытие, сделанное за последние годы в этой области, которое выходит за рамки Стандартной модели, – определение мизерных масс различных типов нейтрино…»³⁰

Если это так, то революции в этой области явно не случилось. Гораздо больше оснований говорить о локально-калибровочной революции 1960–1970‑х гг., завершившейся созданием Стандартной модели. Кстати говоря, открытие бозона Хиггса в 2012 г. стало еще одним блестящим экспериментальным подтверждением Стандартной модели. Итак, современная фундаментальная физика стоит на трех китах: квантовая механика, общая теория относительности (ОТО) и Стандартная модель частиц (СМ). Первым двум китам примерно по 100 лет, а СМ, впрочем, сильно связанной с квантовой теорией поля (и значит, с квантовой механикой), – уже полвека.

«Успех Стандартной модели, – отмечает тот же Вайнберг, – очевидно, не означает конца истории. Во-первых, значения масс кварков и лептонов в этой теории получаются из экспериментов, а не рассчитываются из первых принципов […] Кроме того, некоторые ужасно интересные вещи не входят в Стандартную модель, например гравитация и темная материя…»³¹

Тут следовало бы добавить еще «одну интересную вещь» – темную энергию, которой также нет места в СМ. Эта давняя выделенность гравитационного взаимодействия, которое по-прежнему описывается классической ОТО, не поддающейся квантованию, и появление «темных феноменов», связанных с релятивистской космологией и находящихся за пределами СМ, особенно отчетливо подчеркивает неполноту Стандартной модели.

Из приведенной выше хронологии видно, что наиболее впечатляющие открытия последних десятилетий были сделаны в космологии. По Вайнбергу, «сегодня мы живем в золотой век космологии»³², и многие именно от нее ожидают революционных воздействий на физику элементарных частиц и фундаментальную физику в целом. Отмечая «относительный застой» в развитии физики частиц, С. В. Троицкий писал в своем обзоре «Нерешенные проблемы физики элементарных частиц»:

«Тем не менее есть все основания предполагать, что физика частиц в ближайшие годы вновь станет бурно развивающейся дисциплиной. С одной стороны, накопилось определенное количество экспериментальных результатов (в первую очередь связанных с космологией и астрофизикой элементарных частиц, но также и лабораторных), указывающих на неполноту Стандартной модели»³³.

Правда, в 2012 г. были еще особые ожидания, связанные с пуском Большого адронного коллайдера, которые вскоре оправдались, но в своего рода консервативном варианте: через полгода после обзора Троицкого на БАКе был открыт бозон Хиггса, блестяще подтвердивший СМ. В. А. Рубаков вскоре после открытия писал по этому поводу:

«Несмотря на все усилия, до сих пор никаких экспериментальных указаний на «новую физику» получено не было. Это, вообще-то, уже начинает внушать тревогу: а правильно ли мы все понимаем?»

Все напряженно ждут революции, «новой физики», радикального преобразования СМ, а всего этого не происходит.

«Вполне возможно, однако, – продолжал тогда Рубаков, – что мы еще не добрались до «новой физики» по энергии и по количеству набранной статистики и что именно с ней будут связаны новые, революционные открытия. Основные надежды здесь возлагаются опять-таки на Большой адронный коллайдер, который через полтора года начнет работать на полную энергию 13– 14 ТэВ и быстро набирать данные»³⁴.

Но и эти надежды в общем пока не оправдались, несмотря на отдельные интересные результаты и интенсивные исследования.³⁵ И хотя в самой релятивистской астрофизике и космологии последние десятилетия были действительно золотыми³⁶, пока все эти «ужасно интересные» вещи к революционной ситуации в физике элементарных частиц и фундаментальной физике в целом не привели.

Были и до некоторой степени продолжают сохраняться определенные надежды на чисто теоретические революционные прорывы со стороны теории струн, отличающейся математической глубиной, превосходящей СМ в эстетическом отношении и создающей перспективу синтеза СМ и ОТО, но далекой от эксперимента и однозначности. А. В. Маршаков в 2002 г., отметив «абсолютную удовлетворительность» СМ «с точки зрения описания всех известных экспериментов», указал на ее «совершенную неудовлетворительность» с точки зрения своего рода «принципа красоты» и добавил, что теория струн – это теория, «существование которой непроверяемо в опытах по физике элементарных частиц» и которая ближе к ОТО, для которой «внутренняя красота является одним из главных физических принципов»³⁷. Вайнберг в своей недавней книге так выразил свое отношение к этому подходу:

«Теория струн довольно привлекательна, поскольку включает в себя гравитацию, не содержит бесконечностей […] Я был поклонником теории струн, однако меня огорчает то, что пока никому не удалосьнайти решение, соответствующее наблюдаемому нами миру»³⁸.

Серьезные надежды на близкую революцию в физике, иногда даже переходящие в уверенность в ее неизбежности, связаны также с концепцией «окончательной теории» (final theory)³⁹. Если, скажем, удастся объединить квантовополевую СМ с ОТО и, таким образом, построить единую теорию всех (четырех) фундаментальных взаимодействий и на этой основе заодно решить космологические проблемы «темных феноменов», барионной асимметрии и инфляционной концепции, а к этому и стремятся теоретики-фундаменталисты, то это и будет окончательная теория. И соответствующая революция в физике будет последней. «Мечты об окончательной теории» восходят к Ньютону и Лапласу, затем эстафету принимают Эйнштейн, а также Гильберт, Г. Вейль, Шрёдингер, Гейзенберг и др., во второй половине ХХ в. эти мечты вдохновляют творцов СМ – Вайнберга, А. Салама, Ш. Глэшоу и др. В 2000-е гг. возникает и укрепляется более трезвый взгляд на возможность достижения этой цели и, соответственно, на возможность близкой и окончательной революции в фундаментальной физике. Заслуживает внимания мнение такого противника идеи окончательной теории, как Дайсон:

«Я нахожу саму идею окончательной теории отталкивающей, потому что она принижает как богатство и разнообразие природы, так и богатство и разнообразие человеческого предназначения. Я предпочитаю жить во Вселенной, полной неисчерпаемых загадок, и принадлежать к виду, у которого впереди лежат неисчерпаемые возможности для умственного роста»⁴⁰.

Интересные конкретные аргументы против возможности создания окончательной единой теории элементарных частиц приводит видный российский теоретик Б. Л. Иоффе:

«После того как удалось сформулировать струнную теорию калибровочных полей, казалось, что путь к созданию такой теории открыт. Но выяснилось, что струнных теорий невероятно много […] и нет никакой возможности выбрать между ними истинную. Более того, за все 30 лет их развития […] не удалось получить ни одного физического предсказания. Поэтому такой путь к созданию единой теории я считаю закрытым»⁴¹.

С другой стороны,

«характерные расстояния, на которых гравитационное взаимодействие становится сильным – порядка 10 в минус 33-й степени с[анти]м[етров]. Экспериментально область от 10 в минус 18-й степени до 10 в минус 33-й степени не будет пройдена никогда: сооружение ускорителя на энергии, соответствующие расстояниям 10 в минус 33-й степени, т. е. энергии 10 в 16-й степени ТэВ, не позволяют просто ресурсы Земли […] Поскольку эта область экспериментально никогда не будет достижима […] мы приходим к выводу о непознаваемости малых расстояний в физике элементарных частиц»⁴².

Иначе говоря, ожидать масштабной научной революции, связанной с созданием единой (или окончательной) теории частиц и фундаментальных взаимодействий, не приходится: на пути к этой теории стоят непреодолимые экспериментальные трудности, а недавние теоретические надежды, касающиеся теории струн, также не оправдались.

В результате, несмотря на впечатляющие достижения в области астрофизики и космологии в 1990–2000-е гг. и открытия, сделанные на Большом адронном коллайдере, а также теоретический прогресс в области теории струн, ожидаемых очертаний «новой физики», выходящей за пределы СМ и включающей в себя некий синтез СМ и гравитации, так и не появилось. Поэтому нынешняя ситуация соответствует, скорее, взглядам пессимистов: революции не случилось, и мы от нее весьма далеки. Похоже, что создание СМ в 1960–1970-е гг. в какой-то мере было такой революцией.

Это напоминает 1710–1720-е гг. Создание «Начал» Ньютона было завершением революции XVII в., а спустя 30–40 лет и дальше происходило лишь восприятие и развитие этой революции. В экспериментальной же сфере появлялись загадочные феномены (такие как электрические, магнитные явления или интерференционные эффекты в оптике), но тогдашним теоретикам-механицистам они были не по зубам. Так же как пока не по зубам нынешним теоретикам оказываются проблемы темной материи и темной энергии, несмотря на их квантово-релятивистскую мощь и математическую изощренность. Но оптимисты могут считать, что нынешняя ситуация близка, скорее, к 1610–1620-м гг., т. е. временам Галилея и Кеплера, когда было немало нового открыто и был какой-то теоретический задел, но до настоящей классической механики, развитой в «Началах» Ньютона, было еще далеко. И тогда мы присутствуем при начальной стадии революции в физике, которую также можно сравнить с 1890-ми гг., когда в физике четко обозначились проблемы с распределением энергии в спектре абсолютно черного тела и опытом Майкельсона, которые со временем привели к квантовой теории и теориям относительности, а также началась лавина экспериментальных открытий, связанных с вторжением в микромир, – рентгеновских лучей, электрона, радиоактивности и др. Аналогичными облачками (или, скорее, «тучками») на горизонте физики теперь являются «темные феномены», а экспериментально-наблюдательная лавина уже началась в космологии.

Заключительные замечания

Рассматривая эту серию революций (или их отдельных стадий, как правило начальных) от Коперника и Галилея – Кеплера до Эйнштейна – Бора и далее вплоть до 2010–2020-х гг., делая, так сказать, вековые срезы по 10–20-м гг., мы наблюдаем не только поразительный рост физики, но и наличие революционных периодов в ее развитии, и немалое разнообразие этих революций. Говоря о поразительном росте физики, мы имеем в виду и просто количественный рост участвующих в этих революциях: от буквально нескольких человек (Коперник и несколько его учеников) к дюжине (с двумя-тремя корифеями, такими как Галилей и Кеплер), затем к нескольким десяткам (с пятью-семью ведущими фигурами – Френелем, Ампером, Фурье, Карно и др.), далее к сотням физиков во главе с парой десятков бесспорных лидеров в ХХ в. (теоретиков Планка, Лоренца, Пуанкаре, Эйнштейна, Бора, Зоммерфельда, Гейзенберга, Борна, Паули, Шрёдингера, Дирака и др. и экспериментаторов Майкельсона, Рентгена, Беккереля, супругов Кюри, П. Н. Лебедева, Дж. Дж. Томсона, Резерфорда, Милликена и др.) и, наконец, к тысячам физиков на рубеже ХХ и ХХI вв. (так, первые публикации об открытии бозона Хиггса в 2012 г. и открытии гравитационных волн в 2016 г. содержали по несколько сотен соавторов).

Бросается в глаза также важная или даже ключевая роль астрономии в некоторых из этих революций. Коперниканская революция – это вообще революция в астрономии. В галилей-кеплеровской стадии революции XVII в. мы видим сильное взаимодействие астрономии и физики. В революциях XIX и ХХ вв. астрономия заметной роли не играла. А вот если начало XXI в. все-таки квалифицировать как начальную стадии революции, то здесь астрономия, точнее космология, снова выходит на передний план. Не следует недооценивать и взаимодействие физики и математики в исследуемых революциях. Фактически математика была важным фактором во всех рассмотренных нами революциях, хотя в первых двух она имела все-таки подчиненное значение. На второй стадии революции XVII в., прежде всего у Ньютона и Лейбница, взаимосвязь классической механики и математического анализа была определяющим фактором. То же можно сказать и о «французской революции» в физике, которую можно интерпретировать как «математико-аналитическое рождение классической физики». Казалось бы, в квантово-релятивистской революции ХХ в. роль математики снижается. Но это не так. Хорошо известна роль математиков Пуанкаре и Минковского в создании СТО, М. Гроссмана и Гильберта – в создании ОТО, того же Гильберта, Вейля, Дж. фон Неймана – в развитии квантовой механики. Кроме того, при создании квантовой механики математика во многом опережала физику, это касается как матричного варианта квантовой механики Гейзенберга и волнового варианта Шрёдингера, так и операторной формулировки ее Дираком и др. Что касается нынешней ситуации, то и здесь остаются весьма серьезными надежды на возможность прорывов математического характера, будь то теория струн или квантовая гравитация. Характерно в этой связи высказывание Р. Пенроуза:

«Теоретики, занимающиеся квантовой гравитацией, не имея никакой надежды получить экспериментальное подтверждение или опровержение своих теорий, вынуждены полагаться на математическую (курсив Пенроуза. – В. В.) составляющую, и именно ощущение математической силы и красоты служит основным критерием для суждения о предмете и правдоподобии той или иной гипотезы»⁴³.

Это во многом касается и струнного подхода.

Рассмотренные нами революции были либо однофазными (умещавшимися в один не слишком длительный интервал времени, не более тридцати лет), либо двухфазными (состоявшими из двух стадий, разделенных между собой примерно полувековыми интервалами). Квантово-релятивистская революция – характерный пример однофазного хода событий. Революция XVII и XIХ вв. – это двухфазные революции с фазами, разнесенными по времени примерно на 40–50 лет. Революцию XVII в. можно даже расширить до трехфазной, если ее начальной фазой считать считать коперниканскую революцию, которая служила трамплином и для Галилея, и для Кеплера.

Еще одно замечание. До сих пор мы говорили о революциях в физике или по крайней мере в науках физико-математического цикла. Но некоторые историки пытаются показать, что революции XVII и первой трети ХХ в. затрагивали все естественные науки и потому их можно считать общенаучными⁴⁴. Но есть и другой подход к общенаучным революциям, который делает упор на институциональных трансформациях науки. С этой точки зрения революция XVII в., связанная с учреждением академий наук, была «академической», а революция XIX в. – «университетской». «Французская» стадия этой последней во многом была обусловлена созданием новых образовательных учреждений, прежде всего Парижской политехнической школы, возникших на волне Великой французской революции. Что же касается квантово-релятивистской революции, то ее развитие уже через примерно 20 лет породило третью общенаучную революцию, связанную с переходом к, так сказать, «большой науке», когда она приобрела государственное значение и появились масштабные национальные наукоемкие проекты в промышленной и особенно военно-промышленной сферах. Финансовые затраты на науку при этом возросли в сто раз, а в послевоенные годы – даже в тысячи раз⁴⁵. Важнейшим примером такого рода были национальные «атомныепроекты», т. е. программы по созданию ядерного и термоядерного оружия, относящиеся к 1940–1950 гг.

Эту статью автору хотелось бы посвятить памяти И. Ю. Кобзарева и В. С. Кирсанова, общение с которыми и труды которых были особенно важны для меня в этих «птичьих» набросках о научных революциях в физике. Вот два замечательных суждения о научных революциях, принадлежащих им (своего рода постэпиграфы). Кобзарев: «История физики, рассматриваемая с высоты птичьего полета, есть история смены парадигм»⁴⁶. Кирсанов: «Кажется уместным дать такое определение научной революции, которое будучи адекватным, было бы и метафорически емким. Таким определением может служить понятие научной революции как диалога с Природой»⁴⁷. В первом суждении просвечивает мысль о том, что понятие научной революции – сильная историко-научная идеализация, в которой фиксируются только начальное и конечное состояние физики, а сам процесс преобразования парадигмы остается за кадром. Во втором – Природа предстает как своего рода актор, участвующий в конструировании наших представлений о ней. Природа вступает в диалог с нами, когда мы научаемся задавать ей правильные вопросы на сложном экспериментально-математическим языке. Когда характер и способы формулировки «правильных» вопросов радикально меняются, происходит научная революция и тогда Природа вступает с нами в диалог, отвечая нам.