CC BY
40
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 7. ФИЛОСОФИЯ. 2007. № 1
ФИЛОСОФСКИЕ ПРОБЛЕМЫ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ
А.А. Печенкин
ОТ РАДИОТЕХНИКИ К ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ФИЗИКЕ
(предметно-практические основания знания)*
1. Предварительные замечания
В настоящей статье предпринимается попытка проследить влияние техники на прогресс науки. Автор сознает, что это влияние неоднократно декларировалось в марксистской (в частности в советской) философской литературе, причем нередко речь шла даже не о влиянии, а о предметно-практических предпосылках и даже основаниях научного знания, в которые включалась инженерно-техническая деятельность. Однако влияние техники на науку, как правило, не прослеживалось детально. Из одной книги в другую переходили два примера — паровая машина, стимулировавшая работы Сади Карно, в которых появилось второе начало термодинамики (этот пример уже был в «Диалектике природы» Ф. Энгельса), и рычаг, отложившийся в законах статики (этот пример, впрочем, был разработан в книге, далекой от марксизма, а именно в «Механике« Э. Маха)1.
Попытку выйти за пределы обсуждения простых примеров мы находим в некоторых статьях И.А. Акчурина. «Исходным пунктом формирования кибернетического направления, насчитывающего в настоящее время более 20 научных дисциплин, — пишет И.А. Акчурин, — послужило осознание Н. Винером и другими учеными поразительного изоморфизма структур управления искусственных, созданных трудом человека систем ПВО, автопилотов или радиолокационных установок и живых организмов, созданных природой. Введенные Винером, Шенноном, фон Нейманом, Эшби и другими исследователями современные кибернетические понятия информации, программы, автомата, игры, обратной связи и т.д. позволили "схватить", отобразить эти изоморфизмы структур управления в концептуальном и алгоритмическом аппарате строгой научной теории»2.
И.А. Акчурин подчеркивает, что кибернетика была изложена как теория непосредственно после Второй мировой войны, т.е.
*
Статья представляет результаты исследования, поддержанного грантом РГНФ № 04-03-00492а и грантом Дома наук о человеке (М8И) — Франция.
после того как инженеры и исследователи «набили руку» в техническом моделировании живых организмов.
В книгах и статьях B.C. Степина уже ощутимо стремление превратить предметную практику в категорию философии науки3, правда, производственную практику (технику) B.C. Степин рассматривает на уровне примеров (тот же рычаг). Однако он тщательно анализирует экспериментальную практику в контексте физики. С его точки зрения, физическое исследование, собственно, и состоит в построении схем экспериментальной практики. Физические понятия выражают «идеальные объекты», являющиеся «логическими реконструкциями действительности», причем теоретические схемы — это связки, или сети идеальных объектов. B.C. Степин оперирует историей электродинамики, и у него «идеальными объектами» являются «электрические заряды», «силовые линии», «поля».
Не менее важный вклад, по мнению автора настоящей статьи, был сделан уже не отечественным, а американским философом и историком науки Питером Галисоном, введшим понятие материальной культуры экспериментирования4. П. Гали-сон прослеживает те стимулы и ограничения (constraints), которые создает в развитии теоретической физики экспериментальная практика. Он выделяет две традиции, сложившиеся в начале XX в. в экспериментальной физике, и дает им условные названия — традиции образа и логики. Первая связана с внедрением в физику пузырьковых камер — таковой была камера Вильсона, появившаяся в самом конце XIX в., вторая со счетчиками типа счетчиков Гейгера, появившимися в лабораториях во втором десятилетии XX в. Если в традиции образа главным является индивидуальное событие, дающее наглядное представление о том, что происходит в микромире, то в традиции логики — статистика, отражающая микромир в усредненном виде.
Хотя традиции образа и логики пересекались и взаимодействовали друг с другом, каждая из них несла свою «онтологию» и «аксиологию». В одной «существовать» значило «быть видимым, наблюдаемым», в другой, в стиле У. Куайна, американского философа, занимавшегося вопросами логической семантики, значило быть значением квантифицированной переменной (т.е. значило быть моделью, структурой, на которой реализуется некоторое обобщение или закон). Если первая традиция нацелена на счастливый случай («golden event»), то вторая — на массив наблюдений, имеющих статистическую значимость.
Автор статьи продолжает вышеизложенные попытки осмыслить роль предметной практики в развитии физики, однако защищает несколько иной тезис, чем в упомянутых работах, а именно тезис о моделировании в физической теории технических
операций. Это моделирование может быть весьма косвенным. Оно не означает построение теории на базе схем, обобщающих какие-либо экспериментальные или технические операции. Моделирование в настоящей статье означает, что в теории воспроизводятся те связки идей, которые возникают в экспериментальной практике.
Настоящую статью отличает от упомянутых работ и та историко-научная ситуация, которая в ней рассматривается. Это исследования советского физика Л.И. Мандельштама (1879—1944) и его соавторов в области радиотехники, оптики и общей теории колебаний. Л.И. Мандельштам — один из немногих физиков первой половины XX в., который как занимался экспериментированием, так и работал в качестве теоретика, и его исследования дают богатый материал для размышлений о предметно-практических основаниях физических теорий.
В следующем параграфе речь пойдет о некоторых фактах из биографии Л.И. Мандельштама. Затем мы проследим, каким образом работы Л.И. Мандельштама в области радиотехники влияли на его исследования в оптике. И наконец, речь пойдет о влиянии радиотехнических идей на ту интерпретацию квантовой механики, которая представлена в «Лекциях» Л.И. Мандельштама по квантовой механике (1939).
2. Радиотехника и физика в творческой биографии Л.И. Мандельштама
Л.И. Мандельштам, родившийся в Могилеве и окончивший гимназию в Одессе, в 1902 г. завершил курс учебы в Страсбург-ском университете и начал там работать в области радиотехники. Его научным руководителем, а затем и административным начальником был Ф. Браун, который начиная с 1898 г. стал активно заниматься радио. В 1909 г. Ф. Брауну вместе с Г. Маркони была присвоена Нобелевская премия по физике за развитие радио.
В 1898 г. Ф. Браун запатентовал свою двухконтурную схему радиопередатчика, в которой, в отличие от устройства, изобретенного Г. Маркони, антенна была отделена от колебательного контура, содержащего, как и все радиопередающие аппараты того времени, искровой промежуток (высокочастотные колебания, необходимые для радиопередачи, генерировались при помощи искры, пробивающей воздух между двумя контактами). В первое десятилетие XX в. фактически весь Страсбургский институт физики, возглавляемый Ф. Брауном, работал над совершенствованием его двухконтурной схемы и над другими вопросами радиотехники.
Л.И. Мандельштам включился в эту работу. В 1902 г. вместе с другим ассистентом Брауна он участвовал в так называемых
экспериментах со слабой связью. Речь идет об индуктивной связи между двумя контурами в передатчике Брауна. Как писал впоследствии один из его учеников, Л.И. Мандельштам изучал случай «слабой связи, но сильной связности»5. Посредством ослабления связи между первичным и вторичным контурами (между контуром, который генерирует колебания, и антенной, которая излучает колебания) можно добиться большей остроты резонанса и повысить качество радиопередачи.
Дипломная работа Л.И. Мандельштама (1902) была посвящена радиотехническим измерениям. Л.И. Мандельштам усовершенствовал метод измерения периода колебательного разряда конденсатора. Задача состояла в том, чтобы проводить измерения, не искажая измеряемую величину. При этом по рекомендации Ф. Брауна Л.И. Мандельштам развил косвенный метод: непосредственно измеряемой величиной у него было тепло, выделяемое проводником при прохождении тока.
Прямые методы состояли в механической имитации измеряемых колебаний. Например, струна приводилась в колебания при помощи электромагнита, питаемого измеряемым током. Ф. Браун же предложил разработать метод, который, как писал в своей дипломной работе Мандельштам, базировался бы на следующем принципе: «осциллирующий ток разветвляется на две ветви, одна из которых состоит из некоторой самоиндукции и одной термометрической проволоки дифференциального термометра, а другая — из безындукционного сопротивления и второй проволочки термометра.
Следует подыскать такое омическое сопротивление, при котором в обоих проволоках выделяется одинаковое тепло; тогда омическое сопротивление равно кажущемуся индуктивному, откуда при заданной самоиндукции определяется частота»6.
В 1902—1904 гг. Ф. Браун много работал над повышением мощности и, следовательно, дальности радиопередачи. В этой работе принимал участие Л.И. Мандельштам. Как известно, мощность радиопередачи определяется энергией 1/2 Си2, где С — емкость, и — напряжение, запасенной в конденсаторе, и при попытке ее увеличить возникали, казалось бы, непреодолимые трудности. Поскольку напряжение из-за соображений изоляции и непропорционального повышения потерь в искре могло быть увеличено лишь до некоторого предела, оставался один путь — увеличивать емкость. Но здесь входила в игру индуктивность, уменьшающаяся при возрастании емкости (при заданной длине волны). Уменьшение же индуктивности ведет к нарушению связи колебательного контура с антенной.
Как пишет студенческий товарищ Л.И. Мандельштама, ставший его другом и перманентным соавтором, Н.Д. Папалекси,
Ф. Браун и Л.И. Мандельштам практически одновременно пришли к остроумной схеме, «сущность которой заключается в использовании параллельной зарядки п конденсаторов, входящих в п колебательных контуров, и последовательной разрядки их через самоиндукции этих контуров, образующих вместе с конденсаторами один последовательный (основной) контур радиопере -датчика»7.
В 1904—1907 гг. Л.И. Мандельштам вместе с Н.Д. Папалекси работают над вопросами направленной радиопередачи. Они обсуждают различные типы антенн, способных передавать сигнал не во все стороны, а в виде луча, направленного к принимающей станции. Примерно в это время начинается их сотрудничество с компанией «Телефункен», где они уже непосредственно работают в промышленных лабораториях.
Уже с 1904 г. Л.И. Мандельштам пишет статьи в стиле физика-теоретика. Первая его теоретическая статья была посвящена принципу действия передатчика его учителя Ф. Брауна. Со временем эта составляющая его творчества становится определяющей. С 1907 г. он публикует статьи по оптике, где полемизирует с таким крупнейшим физиком-теоретиком, как М. Планк. Статья Л.И. Мандельштама «О шероховатости свободной поверхности жидкостей» (1913) вызвала положительную реакцию у А. Эйнштейна. Л.И. Мандельштам продолжает заниматься теоретической физикой и по возвращении в Россию в 1914 г. При этом важнейшие работы им были выполнены после того, как в 1925 г. он стал заведовать кабинетом теоретической физики на физическом факультете МГУ. Мандельштам, однако, сотрудничая с Н.Д. Папалекси, не прекращал заниматься и радиотехникой.
Хотя Л.И. Мандельштам не занимал каких-либо административных позиций, его вклад в организацию советской физики был значительным. Работая в качестве профессора МГУ, он собрал вокруг себя группу физиков, которая вошла в историю науки под именем школы Мандельштама. Лекции и семинары Мандельштама в МГУ посещали не только студенты и аспиранты, но и ведущие физики Москвы. В 1928 г. Мандельштам стал членом-корреспондентом АН СССР, а в 1929 г. — академиком. Ему присуждались Ленинская и Сталинская премии, он был награжден орденом Ленина.
3. Радиотехника и оптика
Итак, работая в радиотехнике, Л.И. Мандельштам накопил опыт обращения с такими явлениями, как связанные осцилляторы, резонанс и модуляция. «Не подлежит никакому сомнению, — писал Н.Д. Папалекси, — что атмосфера электромагнитных колебаний, в которую попал Л.И., вступая в научную жизнь, сыграла
очень большую роль в формировании основных направлений его научной деятельности и определила тот "колебательный" подход, который так характерен для творчества Л.И.»8.
С 1907 г. Л.И. Мандельштам публикует теоретические статьи по оптике. Хотя оптические задачи, решаемые им, отличались от радиотехнических по тому аппарату, который в них использовался, другой соавтор Л.И. Мандельштама, открывший вместе с ним комбинационное рассеяние света (одно из самых важных открытий Мандельштама), Г.С. Ландсберг, отмечает их «радиотехнический генезис»9. Как известно, Л.И. Мандельштам показывал «недостаточность» теории рассеяния света, выдвинутой в 80-е гг. XIX в. английским физиком лордом Рэлеем и поддержанной рядом крупных физиков (в том числе М. Планком). Что такое рассеяние света? Рэлей показал, что свет приходит к земле, испытавшим влияние атмосферы: лучи света, распространяющиеся, вообще говоря, прямолинейно, в результате ее «мутности» рассеиваются, хаотически отклоняясь от своего прямолинейного пути.
Согласно Рэлею, рассеяние объясняет голубой цвет неба. Не будь рассеяния света, небо было бы совершенно черным.
Принимая это объяснение Рэлея, Л.И. Мандельштам тем не менее доказывал, что однородные фрагменты атмосферы не могут приводить к тому рассеянию света, которое установил Рэлей. Как и М. Планк, он переводил формулы Рэлея на язык вибраторов (или, что в данном случае одно и то же, осцилляторов), моделируя частицы воздуха в виде колеблющихся электрических зарядов. Однако в отличие от М. Планка Л.И. Мандельштам, вооруженный радиотехническим опытом, учитывал взаимодействие вибраторов. Он различал радиационное сопротивление отдельного вибратора и п вибраторов, образующих однородную среду (отстоящих друг от друга на расстояние порядка длинны волны). Как и в радиотехнической практике, здесь заметен следующий эффект: затухание, вызванное излучением, в случае п осцилляторов будет меньше, чем в случае одного осциллятора.
Проблема рассеяния света стала одной из центральных в творчестве Л.И. Манднельштама. Между тем в начале второго десятилетия XX в. трудами М. Смолуховского и А. Эйнштейна теория Рэлея была заменена более точной теорией, согласно которой рассеяние света возникает из-за статистических флуктуа-ций показателя преломления, обусловленных флуктуациями плотности атмосферы. Л.И. Мандельштам принял участие в развитии идей Эйнштейна и Смолуховского. Он исследовал зависимость интенсивности рассеяния от изменения величины флуктуаций (1918). При этом Мандельштам применил радиотехническую идею модуляции. Как пишет Г.С. Ландсберг, объясняя эти работы своего соавтора, «в простейшей форме явление модуляции
есть периодическое изменение интенсивности простого (синусоидального) колебания, которое в результате преобразуется в колебание более сложного вида, эквивалентное совокупности нескольких простых колебаний разного периода. Это явление хорошо известно в радиотехнике, где телефонный передатчик частоты V, модулируемой п раз в секунду, испускает излучение, состоящее из несущей волны частоты V и боковых частот V — п и V + п»9.
Ландсберг продолжает: «Перенеся в оптику идею модуляции, развитую на радиотехнических вопросах, Л.И. Мандельштам пришел к выводу, что рассеяние монохроматического света должно сопровождаться изменением его длины волны, изменением, которое отображает молекулярный процесс, обусловливающий рассасывание флуктуаций»10. Этот эффект называется в нашей литературе эффектом Мандельштама—Бриллюэна. Л.Бриллюэн описал его в 1922 г., но поскольку статья Мандельштама вышла лишь в 1926 г., пальма первенства оказалась у французского ученого.
4. Интерпретация квантовой механики
Уже через год после первых работ В. Гейзенберга и Э. Шрёдингера по новой квантовой механике Мандельштам вместе со своим бывшим аспирантом М.А. Леонтовичем опубликовал статью «К теории уравнения Шрёдингера» (1928), рассматривающую поведение частицы при наличии в пространстве «потенциального барьера» и «потенциальной ямы».
После этой статьи Мандельштам не публиковал работ по квантовой теории. Однако, как пишут его биографы, «он очень много размышлял над ее основами и часто касался ее в своих лекциях и семинарах... По-видимому... в первой половине тридцатых годов не была достигнута та окончательная ясность, "прозрачность" в физической интерпретации и понимании принципиальных основ квантовой механики, которая удовлетворяла бы необычайно высоким требованиям Л.И. Мандельштама»11.
Эти многолетние размышления Мандельштама отложились в его лекциях, прочитанных для студентов и аспирантов МГУ в 1939 г. Эти лекции стали важным этапом в освоении квантовой механики не только в МГУ, но и вообще в советской физике.
Влияние радиотехнической практики ощутимо уже в тех экскурсах в квантовую механику, которые Мандельштам проводил в начале 30-х гг. на своих лекциях и семинарах. Так, например, он иллюстрировал соотношения неопределенностей Гейзенберга, ссылаясь на «дополнительность» между концентри-рованностью и монохроматичностью волнового пакета. Уже цитировавшийся выше Г.С. Горелик называл эту иллюстрацию «радиотехническим принципом неопределенности» и видел ее исток
в фундаментальной радиотехнической альтернативе, которая ограничивает дальнее радиовещание. «Чем быстрее скорость передачи сигналов, тем шире занимаемая ими полоса частот; чем уже допустимая полоса частот, чем медленнее должны передаваться сигналы... Чем быстрее скорость радиопередачи, тем короче волновой пакет, соответствующий каждому сигналу. Но тогда, как показывает его разложение в интеграл Фурье, тем шире его спектр»12.
Лекции по квантовой механике, прочитанные в 1939 г., имеют подзаголовок «Теория косвенных измерений». И.Е. Тамм, ученик и соавтор Мандельштама, ставший потом лауреатом Нобелевской премии, писал в этой связи: «Леонид Исаакович, насколько я знаю, впервые провел в своих лекциях важную дизъюнкцию между прямыми и косвенными измерениями над квантовыми системами. Последнее звено всякого измерения квантовой системы неизбежно носит макроскопический характер. Прямыми измерениями Леонид Исаакович называл измерения, в которых первый же шаг макроскопичен... Весьма существенно, что прямые измерения возможны только над свободными и почти свободными частицами в слабых полях... Наряду с прямыми измерениями возможны и косвенные. Они состоят в том, что квантовую систему, над которой мы хотим произвести измерение, мы заставляем взаимодействовать с другой микросистемой, над которой возможны прямые измерения. Данные этих прямых измерений над второй системой мы используем для теоретического вычисления значений величин, относящихся к первой системе»13.
Л.И. Мандельштам столкнулся с прямыми и косвенными измерениями уже в своей дипломной работе. И в радиотехнике возможности прямых измерений были ограничены, и Мандельштам разрабатывает косвенный метод. Косвенное измерение предполагает теоретический расчет, который и проводит Мандельштам.
Дипломная работа Мандельштама была защищена в 1902 г. Вопросы прямых и косвенных измерений с тех пор неоднократно поднимались и обсуждались в радиотехнике, и можно утверждать, что радиотехники «набили руку», работая с косвенными измерениями14.
Итак, Мандельштам развил в своих лекциях по квантовой механике теорию косвенных измерений. Другая особенность этих лекций: Мандельштам предлагает в них статистическую (ансамблевую) интерпретацию, которая в ряде пунктов отличалась от копенгагенской интерпретации, выдвинутой и пропагандируемой рядом крупных физиков — Нильсом Бором, Вернером Гейзенбер-гом, Вольфгангом Паули. «Квантовая механика — это статистическая теория. Но говорить о статистике и о вероятности можно,
только имея определенную совокупность элементов, к которой эта статистика относится»15. Иными словами, элементарным объектом квантовой механики является не физическая система (скажем, электрон), а ансамбль систем.
Рискнем утверждать, что и за статистической (ансамблевой) интерпретацией также стоит радиотехническая практика. Для Мандельштама статистический характер эмпирии был увязан в один узел с «колебательным подходом», который он проводил в своих исследованиях и который сложился у него еще в Страсбурге. «Ясно, — говорил Мандельштам в "Лекциях по некоторым вопросам теории колебаний" (1944), — что периодические, повторяемые процессы легче изучать, чем те, которые случаются только однажды. Вообще, я думаю, что явления, принципиально неповторимые, происходящие принципиально только один раз, не могут быть объектом изучения. Метеорология потому и находится в плохом состоянии, что в изучаемых ею явлениях нет периодич-ности»16.
Колебательный подход сложился у Мандельштама в период его работы в радиотехнике. Мандельштам пришел к оптическим задачам, вооруженный опытом радиотехнических изысканий. Уже работая в Советском Союзе, он стал одним из инициаторов и идеологов общей теории колебаний, над которой активно работали его ученики. По замыслу Мандельштама, общая теория колебаний — междисциплинарная физико-математическая теория, дающая универсальный язык многим разделам физики, а в принципе — всей физике. Неудивительно, что, излагая квантовую механику, он стремился осмыслить ее под углом зрения общей теории колебаний, что значило для него — и под углом зрения статистики, ансамблей.
Имеется, однако, и более глубокая причина тому, что Мандельштам, излагая квантовую механику, прибегнул к статистической интерпретации. В отличие от физики элементарных частиц электродинамика (и радиофизика, радиотехника) базировалась на классической культуре экспериментирования. Это показывает П. Галисон в первой из цитированных выше книг. Электродинамика, радиофизика и радиотехника формировались в традиции «логики», а не «образа», в традиции статистики, а не наблюдения. В своих лекциях 1939 г. Мандельштам включил в эту традицию и квантовую механику.
5. Заключение
Итак, предметная практика формирует свои идейные структуры, которые оказывают влияние на теоретические изыскания. Это может быть прямое влияние, как, например, влияние дизъюнкции «прямое—косвенное измерение» на интерпретацию кванто-
вой механики. Это может быть и более опосредованное воздействие: радиотехническая практика стимулировала работу над общей теорией колебаний, а эта работа в свою очередь отразилась на изложении квантовой теории — появилось «колебательное» изложение этой теории.
ПРИМЕЧАНИЯ
1 См.: Мах Э. Механика: Историко-критический очерк ее развития. Ижевск, 2000. С. 16—29.
2 Акчурин И.А. Место кибернетических структур в современной науке // Структуры и формы материи. М., 1967. С. 118.
3 См.: Степин B.C., Томильчик А.М. Практическая природа и методологические проблемы современной физики. Минск, 1970; Степин B.C. Научное познание как опережающее отражение практики // Практика и познание. М., 1973; Он же. Становление научной теории. Минск, 1976.
4 Galison P. How experiments end. Chicago; L., 1987; Idem. Image and logic. Chicago, 1997.
5 Горелик Г. С. Мандельштам и учение о резонансе // Академик Л.И. Мандельштам: К 100-летию со дня рождения. М., 1979. С. 142.
6 Мандельштам Л.И. Полн. собр. тр.:В 5 т. Т. 1. М., 1947. С. 69.
7 Папалекси Н.Д. Собр. тр. М., 1948. С. 376—377.
8 Папалекси Н.Д. Леонид Исаакович Мандельштам: Краткий очерк жизни и научной деятельности // Мандельштам Л.И. Полн. собр. тр.: В 5 т. Т. 1. С. 14.
9 Ландсберг Г. С. Исследования Мандельштама в области оптики и молекулярной физики // Академик Л.И. Мандельштам: К 100-летию со дня рождения. С. 91.
10 Ландсберг Г.С., Горелик Г. С., Рытое С.М., Тамм И.Е., Леонтович М.А. Леонид Исаакович Мандельштам: Краткий очерк жизни и научной деятельности // Мандельштам Л.И. Полн. собр. тр. Т. 1. С. 34.
11 Там же. С. 52.
12 Горелик Г.С. Указ. соч. С. 150.
13 Тамм И.Е. О работах Л.И. Мандельштама в области теоретической физики // Академик Л.И. Мандельштам: К 100-летию со дня рождения. С. 135—136.
14 См., например: Гунд А. Измерения при высокой частоте. М.; Л.,
1931.
15 Мандельштам Л.И. Лекции по оптике, теории относительности и квантовой механике. М., 1972. С. 332.
16 Там же. С. 409.
