Читать книгу - "Атомная физика и человеческое познание - Нильс Бор"

приспособленных к событиям повседневной жизни. Однако какими бы разумными ни казались идеализации, которыми пользуется ньютонова механика, они фактически зашли далеко за пределы опыта, к которому приспособлены наши элементарные понятия. Так, адекватное употребление понятий абсолютных пространства и времени теснейшим образом связано с практически мгновенным распространением света, позволяющим нам локализовать тела вокруг нас независимо от их скорости и располагать события в единую временную последовательность. Однако попытка составить логически стройное описание оптических и электромагнитных явлений обнаружила, что наблюдатели, движущиеся относительно друг друга с большими скоростями, будут координировать события неодинаково. Такие наблюдатели будут судить различно о форме и о положении твердых тел, и, кроме того, события в разных точках пространства, которые одному наблюдателю кажутся одновременными, другому могут показаться происходящими в разное время.

Исследование того, в какой мере описание физических явлений зависит от точки зрения наблюдателя, не только не внесло никакой путаницы или усложнения, но, наоборот, оказалось неоценимой путеводной нитью при разыскании основных физических законов, общих для всех наблюдателей. Сохраняя идею детерминизма, но основываясь исключительно на зависимости между однозначными измерениями, которые сводятся в конечном счете к совпадению между событиями, Эйнштейн сумел перестроить и обобщить все здание классической физики и тем самым придать нашей картине мира единство, превосходящее все, что можно было ожидать. В общей теории относительности описание основано, с одной стороны, на криволинейной четырехмерной метрике пространства-времени, которая автоматически учитывает гравитационные эффекты, и, с другой стороны, на исключительной роли скорости световых сигналов, которая представляет верхний предел в любом непротиворечивом приложении физического понятия скорости. Введение таких хотя и непривычных, но четко определенных математических абстракций ни в коем случае не вносит какой-либо неоднозначности; напротив, это есть поучительный пример того, как расширение системы понятий дает надлежащие средства для устранения субъективных элементов и для расширения объективного описания.

Новые, неожиданные стороны проблемы наблюдения были открыты в связи с исследованиями атомного строения материи. Как хорошо известно, идея о том, что делимость вещества не беспредельна, восходит к древности; ее ввели, чтобы согласовать постоянство характерных свойств веществ с разнообразием явлений природы. Однако почти до наших дней такие взгляды считались по существу гипотетическими, в том смысле, что прямая проверка их наблюдением представлялась невозможной из-за грубости наших органов чувств и наших приборов, которые сами состоят из бесчисленных атомов. Но в связи с большим прогрессом в физике и химии, достигнутым за последние столетия, плодотворность атомных идей становилась все более несомненной. В частности, непосредственное применение классической механики к взаимодействию между атомами и молекулами, происходящему во время их беспрерывного движения, привело к общему пониманию принципов термодинамики.

В текущем столетии изучение вновь открытых свойств материи, таких, как естественная радиоактивность, убедительно подтвердило основы атомной теории. В частности, благодаря развитию усилительных устройств стало возможным изучать явления, существенно зависящие от отдельных атомов, и даже удалось получить обширные сведения о структуре атомных систем. Первым шагом было признание того, что электрон является общей составной частью всех веществ; дальнейшим шагом, существенно дополнившим наши представления о строении атома, было открытие Резерфордом атомного ядра, где в чрезвычайно малом объеме сосредоточена почти вся масса атома. Неизменяемость свойств элементов при обычных физических и химических процессах непосредственно объясняется тем, что в таких процессах, хотя связи электронов и могут сильно меняться, ядро остается без изменений. Резерфордом была доказана также и взаимная превращаемость атомных ядер под действием более мощных сил. Тем самым Резерфорд открыл совершенно новую область исследований, которую часто называют современной алхимией. Как хорошо известно, эти исследования должны были в конечном счете привести к возможности освобождать огромные количества энергии, запасенные в атомных ядрах.

Хотя ряд фундаментальных свойств материи и объяснялся на основе простой картины атома, но с самого начала было ясно, что классические идеи механики и электромагнетизма недостаточны для объяснения существенной устойчивости атомных структур, которая проявляется в том, что элементы имеют характерные для них свойства. Ключ к выяснению этой проблемы дало открытие Планком в первый год нашего столетия универсального кванта действия. К этому открытию Планка привел его проницательный анализ законов теплового излучения. Открытие Планка выявило присущее атомным процессам свойство цельности, совершенно чуждое механистическому пониманию природы. Стало ясно, что классические физические теории — это идеализации, пригодные только для описания таких явлений, в анализе коих все величины размерности действия достаточно велики, чтобы можно было пренебречь квантом действия. Это условие выполняется с избытком в явлениях обычного масштаба, в атомных же явлениях мы встречаемся с закономерностями совсем нового вида, не поддающимися детерминистическому наглядному описанию.

Рациональное обобщение классической физики, которое учитывало бы существование кванта, но по-прежнему позволяло бы однозначное толкование опытных фактов, допускающих определение инертной массы и электрического заряда электрона и ядра, представляло очень трудную задачу. Соединенными усилиями целого поколения физиков-теоретиков было тем не менее постепенно создано стройное и — в широких пределах — исчерпывающее описание атомных явлений. Это описание использует математический аппарат, в который вместо переменных величин классических физических теорий входят символы, подчиненные некоммутативным правилам умножения, содержащим постоянную Планка. Благодаря самому характеру таких математических абстракций, этот формальный аппарат не допускает привычного наглядного толкования; он предназначен для того, чтобы установить зависимости между наблюдениями, полученными при четко определенных условиях. Зависимости эти имеют существенно статистический характер, в соответствии с тем, что в данной экспериментальной установке могут иметь место различные индивидуальные квантовые процессы.

При помощи аппарата квантовой механики достигнута подробная систематизация огромного количества экспериментальных данных о физических и химических свойствах материи. Сверх того, приспособив формальный аппарат к требованиям теории относительности, оказалось возможным упорядочить в широких пределах быстро накапливающиеся новые сведения о свойствах элементарных частиц и о строении атомных ядер. Несмотря на поразительную плодотворность квантовой механики, радикальный отход от привычных физических способов описания, и в особенности отказ от самой идеи детерминизма, вызвал сомнения в умах многих физиков и философов. Возник вопрос, имеем ли мы здесь дело с временным выходом из положения или же новый метод объективного описания представляет окончательный шаг, уже необратимый. Разъяснение этой проблемы действительно потребовало радикального пересмотра самых основ описания и толкования физического опыта.

В связи с этим мы должны прежде всего признать, что, даже если явления выходят за пределы применимости классической физики, все же характеристика экспериментальной установки и запись произведенных наблюдений должны даваться на обычном языке, надлежащим образом дополненном специальной физической терминологией. Это есть ясное и логическое требование, поскольку самое слово «эксперимент» относится к такой ситуации, когда мы можем сказать другим, что мы делали и что узнали. Фундаментальное отличие анализа явлений в классической и в квантовой физике состоит,