Глава 9

ДЛИНА

Перейдем теперь от понятия времени к другому основному понятию физики — длине, и рассмотрим его более подробно, чем мы делали до сих пор. Вспомните, что в главе 7 мы рассматривали длину как экстенсивную величину, измеряемую посредством трехчленной схемы. Правило 1 определяет эквивалентность: отрезок, отмеченный на одном ребре, имеет равную длину с другим отрезком на другом ребре, если конечные точки этих отрезков могут быть совмещены друг с другом. Правило 2 определяет аддитивность: если мы соединим два ребра по прямой, то их общая длина будет равна сумме их отдельных длин. Правило 3 характеризует единицу длины: мы выбираем стержень с прямым ребром, отмечаем две точки на этом ребре и берем отрезок между двумя этими точками в качестве нашей единицы длины.

Основываясь на этих трех правилах, мы можем теперь применить обычную процедуру измерения. Предположим, что мы хотим измерить длину длинного края с, скажем, края ограды. Мы имеем измерительный стержень, на котором наша единица длины отмечена конечными точками Л и В. Мы располагаем стержень вдоль с в положении a1 (см. рис. 9-1), так что А совпадет с одной из конечных точек С0 на с. На крае ограды с мы отметим точку С0 которая совпадет с концом В нашего стержня. Затем мы передвигаем стержень а в смежную

137

позицию а2 и отмечаем точку С2 на с и т. д., пока мы не достигнем другого конца с. Предположим, что десятая позиция a10 стержня такова, что его конечная точка В приблизительно совпадет с конечной точкой C10C. Пусть с1,c2, ..., c10 будут отмеченными отрезками с. По правилу 3 мы имеем

L(a) = L (a1) = L (a2) = ... = L (а10) = 1.

Таким образом, по правилу 1, эквивалентности:

L(c1) = l, L(c2) =1, ...L(c10)=l.

По правилу 2, аддитивности:

L (c1 о с2) = 2, L (c1 о с2 о с3) = 3 ...

Следовательно,

L(c) = L (c1 о с2 о… о с10) = 10.

Эта процедура, являющаяся основной процедурой для измерения длины, в качестве значений измеряемой длины дает только целые числа. Очевидное уточнение достигается посредством деления единицы длины на п равных частей. (Дюйм традиционно делится последовательно пополам: сначала на две части, затем на четыре, восемь и т. д. Метр делится на десять последовательных частей: сначала на десять, затем на сто и г. д.) Таким образом мы в состоянии построить, путем проб и ошибок, вспомогательный измерительный стержень, разделенный на отрезки длины d, таких, что d может быть отложено вдоль единичного ребра а в п смежных позициях di, dz, ..., dn (см. рис. 9-2). Мы можем теперь сказать, что

138

Следовательно:

С помощью этих частей отрезков, отложенных на а, мы можем теперь более точно измерить длину данного ребра. Когда мы снова измерим длину ограды с в предыдущем примере, то может оказаться, что эта длина равна не 10, а более точно 10,2. Таким способом вводятся в измерение дроби. Мы больше не ограничиваемся целыми числами. Измеряемое значение может быть любым положительным рациональным числом.

Важно понять, что, делая такие уточнения при измерении, мы можем вводить все меньшие и меньшие дроби, но мы никогда не придем к числам, которые не были бы рациональными. С другой стороны, класс возможных значений величин в физике обычно рассматривается как содержащий все действительные числа (или все действительные числа определенного интервала), куда входят как иррациональные, так и рациональные числа. Однако иррациональные числа вводятся на более поздней стадии, чем измерение. Непосредственное измерение может дать только значения, выражаемые с помощью рациональных чисел. Но когда мы формулируем законы и делаем вычисления с помощью этих законов, тогда на сцену выступают иррациональные числа. Они вводятся не в процессе измерения, а в теоретическом контексте.

Чтобы сделать это яснее, рассмотрим теорему Пифагора, которая утверждает, что квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов. Это теорема геометрии, но когда мы применяем ее к физическим отрезкам, она становится также физическим законом. Предположим, что мы вырезали из деревянной доски квадрат со стороной, равной единице длины. Теорема Пифагора говорит нам, что длина диагонали этого квадрата (рис. 9-3) равна квадратному корню из 2. Квадратный корень из 2 представляет иррациональное число. Поэтому диагональ квадрата не может быть измерена с помощью линейки совершенно точно, независимо от того какие мелкие доли единицы измерения мы выберем. Однако когда мы используем теорему Пифагора, чтобы вычислить длину

140

диагонали, то мы косвенно получим иррациональное число.

Подобным же образом, если мы измерим диаметр круглого дёревянного диска и найдем, что он будет равен 1, тогда с помощью вычисления мы обнаружим, что длина окружности диска будет равна иррациональному р(пи).

Поскольку иррациональные числа всегда получаются в результате вычислений, а не непосредственных измерений, то нельзя ли и в физике совершенно отказаться от

иррациональных чисел и оперировать только рациональными числами? Это, конечно, возможно, но это было бы революционным изменением. Мы, например, были бы не в состоянии больше работать с дифференциальными уравнениями, потому что такие уравнения требует континуума действительных чисел. Физики, однако, не находят достаточных оснований для подобных изменений. Верно, однако, что в квантовой физике мы с самого начала обнаруживаем тенденцию к дискретности. Например, электрический заряд измеряется только в величинах, которые представляют кратное минимального электрического заряда.

Если мы возьмем этот минимальный заряд как единицу, тогда все значения электрических зарядов будут представляться целыми числами. Квантовая механика не является все же полностью дискретной, но она настолько дискретна, что некоторые физики с самого начала выдвигают предположение о возможной дискретности всех физических величин, включая пространство и время. Это только предположение, хотя и наиболее интересное.

Какого рода законы будут возможны в такой физике? Там будет, вероятно, минимальное значение для каждой величины, а все большие значения будут выражаться как кратные этого основного значения. Минимальное значение для длины предлагали назвать «хо-доном», а для времени — «хрононом». Дискретное время будет состоять из непостижимых мгновенных скачков, подобных движению стрелки электрических часов, когда она перескакивает от одной секунды к другой. Никакое

141

физическое событие не может произойти в пределах любого интервала между скачками.

Дискретное прострарство может состоять из точек такого рода, которые показаны на рис. 9-4. Линии, соединяющие их на рисунке, показывают, какие точки являются «соседними точками» (например, В и С — соседние точки, а В и F — нет). В обычной геометрии непрерывного мы должны говорить, что существует бесконеч-дое множество точек между В и С, но в дискретной геометрии, если физика придерживается этого взгляда на пространство, мы обязаны сказать, что между Б и С не существует никаких промежуточных точек. Никакое

Рис. 9-4.

физическое явление какого-либо рода не может находиться в позиции «между» и и С. Например, электрон будет находиться в одной из точек сетки, а не где-либо еще на диаграмме. Длина будет определяться как минимальное расстояние, связывающее две точки. Мы можем условиться считать расстояние между двумя соседними точками равным 1. Тогда длина пути ABCDG будет равна 4, a AEFG — 3. Мы будем говорить, что расстояние от А до G равно 3, потому чго оно представляет кратчайший путь от А до G. Каждая длина будет выражаться целым числом. Фактически никакой системы такого рода не было построено для физики, хотя многие предварительные наметки и были сделаны. Некоторые .физики размышляли даже о размерах этих минимальных величин.

Когда-то в будущем, когда мы гораздо больше будем знать о пространстве и времени и других величинах физики, возможно, что мы обнаружим, что все они являются дискретными. Тогда законы физики будут иметь Дело исключительно с целыми числами. Они будут,

142

конечно, целыми числами огромных размеров. В миллиметре длины, например, будут содержаться биллионы минимальных единиц. Значения, принимаемые величинами, будут так близки друг к другу, что практически мы можем поступать с ними так, как если бы мы имели континуум действительных чисел. Практически физики, вероятно, будут продолжать пользоваться дифференциальными и интегральными исчислениями и формулировать законы в виде дифференциальных уравнений так же, как и прежде. Самое большее, что мы можем сказать теперь, — это то, что некоторые особенности физики благодаря принятию дискретной шкалы станут проще, в то время как другие значительно усложнятся.

С помощью наших наблюдений мы никогда не можем решить, должно ли быть выражено значение величины рациональным или иррациональным числом, поэтому этот вопрос является целиком вопросом удобства: будет ли наиболее полезной для формулировки некоторых физических законов дискретная или непрерывная шкала чисел?

Описывая, как могут быть измерены длины, мы до сих пор не рассматривали один крайне важный вопрос: какого рода тело мы должны взять в качестве стандартной измеряющей линейки (стержня)? Для повседневных целей достаточно будет взять железную или даже деревянную линейку, потому что здесь нет необходимости измерять длины с большой точностью. Но, если мы стремимся к большой точности, то сразу же увидим, что здесь мы встречаемся с трудностью, подобной той, с которой мы сталкивались в отношении периодичности.

Как вы помните, раньше перед нами стояла проблема — построить нашу единицу времени с помощью периодических процессов с равными периодами. Здесь мы сталкиваемся с аналогичной проблемой основания нашей единицы длины с помощью «твердого тела». Мы склонны думать, что мы нуждаемся в теле, которое всегда сохраняло точно ту же самую длину, так же как прежде мы нуждались в периодическом процессе с временными интервалами, которые были бы всегда одинаковыми. Очевидно, мы не хотим основывать нашу единицу длины на резиновой линейке или линейке, сделанной из воска, которые легко изменяют свою форму. Мы предполагаем, что мы нуждаемся в твердой линейке, которая не изме-

143

няла бы свою форму и размеры. Возможно что мы определим «твердость» следующим образом: линейка является твердой, если расстояние между двумя отметками, сделанными на ней, остается постоянным с течением времени.

Но что точно мы понимаем под фразой «остается постоянным»? Для объяснения-этого мы должны ввести понятие длины. Если бы мы не имели понятия длины и средств для ее измерения, то что бы означало утверждение, что расстояние между двумя точками на стержне фактически остается постоянным? И если мы не можем,определить это, то как мы можем определить твердость? Мы, таким образом, попадаем здесь в ту же самую ловушку порочного круга, в которой мы очутились, когда искали способ распознавания сильно периодических процессов до того, как разработали систему измерения времени. Как еще раз мы можем избежать порочного круга?

Выход из него подобен тому способу, с помощью которого мы избежали порочного круга при измерении времени: использование относительных понятий вместо абсолютных. Мы можем без всякого логического круга определить понятие «относительной твердости» одного тела по отношению к другому. Возьмем одно тело М и другое М'. Ради простоты мы будем предполагать, что каждое из них имеет прямое ребро. Мы можем совместить эти ребра и сравнить точки, отмеченные на них (рис. 9-5).

Рассмотрим пару точек А, В на М, которые определяют отрезок а. Аналогичным образом на М' возьмем пару точек А' и В', которые определяют отрезок а'. Мы скажем, что отрезок а равен (конгруентен) отрезку а', если всякий раз, когда два ребра совмещаются друг с другом и точка А совпадает с точкой А', то точка В

144

совпадает с точкой В'. Такова наша операциональная процедура для определения того, что отрезки а и а' равны. Всякий раз, когда мы делаем такую проверку и находим, что соответствующие пары точек совпадают, мы заключаем, что при повторении эксперимента в любое время в будущем его результат, вероятно, будет тот же самый. Дополнительно к этому предположим, что каждый отрезок, отмеченный таким способом на М, будет равен соответствующему отрезку на М' в 4любое время, когда осуществляется проверка. Мы тогда скажем, что М и М' являются твердыми относительно друг друга.

Важно осознать, что никакого логического круга здесь не возникает. Мы не можем и не говорим об абсолютной твердости М. Мы не можем сказать, что М всегда сохраняет свою длину. Однако имеет смысл говорить, что два тела являются твердыми в отношении друг к другу. Если мы выберем М в качестве измеряющего стержня, то мы обнаружим, что отрезки, отмеченные на М', остаются постоянными по длине. Если в качестве измеряющего стрежня мы выберем М', то постоянными по длине остаются отрезки на М. То, что мы здесь имеем,— это понятие относительной твердости, твердости одного тела по отношению к другому.

Когда мы испытываем различные тела в мире, то мы находим, что многие из них не являются твердыми друг относительно друга. Рассмотрим, например, две моих руки. Я свожу их вместе так, что некоторые пары точек на кончиках моих пальцев совпадают. Затем я их свожу снова. Положение моих пальцев изменится. Те же самые пары точек больше уже не будут совпадать, поэтому я не могу сказать, что мои руки будут твердыми относительно друг друга. То же самое будет верно, если мы сравним два тела, сделанные из воска, или же одно тело из железа, а другое из мягкой резины. Они не являются твердыми друг относительно друга. Но так же, как мы находим, что в мире имеется обширный класс процессов, которые эквивалентны по своей периодичности, так и здесь мы сталкиваемся с другим счастливым случайным обстоятельством природы. Эмпирически мы находим, что имеется обширный класс тел, которые являются приблизительно твердыми друг относительно друга. Два любых тела из металла — железа, меди и

145

т. п. — являются твердыми друг относительно друга. Такими же являются тела из камня и даже дерева, если они достаточно сухие и не покрыты зеленью. Мы находим, что огромное количество твердых веществ относится к тому роду, что тела, сделанные из этих веществ, являются твердыми друг относительно друга. Конечно, они не будут твердыми, если согнем их или заставим расширяться путем нагревания и т. п. Но если никакие ненормальные условия не накладываются, то эти тела в отношении их длин ведут себя весьма регулярным образом. Когда мы производим грубое сравнение одного тела с другим, мы находим их относительно твердыми.

Вы помните, что при обсуждении периодичности мы видели, что не существует никакого логического основания, заставляющего нас строить измерение времени на каком-либо одном периодическом процессе, принадлежащем к обширному классу эквивалентных процессов. -Мы выбираем такой процесс только потому, что он приводит к большей простоте наших законов природы. Аналогичный выбор имеется и здесь. Нет никакой логической необходимости основывать измерение длины на одном определенном классе, взятом из обширного класса относительно твердых тел. Мы'выбираем такие тела потому, что с ними более удобно иметь дело. Если бы мы выбрали в качестве единицы измерения стержень, сделанный из резины или воска, то мы бы могли найти в мире очень немного (если ни одного) тел, которые были бы относительно твердыми по нашему стандарту. Наше описание природы стало бы, таким образом, чрезвычайно сложным. Мы должны были бы тогда, например, говорить, что железные тела .постоянно изменяют свою длину, потому что каждый раз, когда мы измеряем их нашей гибкой резиновой линейкой, мы получаем различные значения. Ни один ученый, конечно, не захочет обременять себя изобретением сложных физических законов, чтобы описать такие явления. С другой стороны, если мы выберем в качестве единицы длины металлическую полоску, то мы обнаружим в мире очень большое число твердых тел, когда они измеряются этой единицей. Благодаря этому в наше описание мира вводятся большая регулярность и простота.

146

Эта регулярность возникает, конечно, из природы действительного мира. Мы могли бы жить в мире, в котором железные тела были бы твердыми друг относительно друга, а медные тела, в свою очередь, были бы твердыми относительно друг друга, но железные тела были бы нетвердыми по отношению к медным. Здесь не существует никакого логического противоречия. Это один из возможных миров. Если бы мы жили в таком мире и обнаружили, что он содержит много железа и меди, то какой из этих металлов мы бы выбрали в качестве подходящей основы для измерения? Каждый выбор имел бы определенные недостатки. Если же другие металлы подобным же образом, так сказать, не соответствовали друг другу, то такой выбор было бы сделать гораздо трудней. К. счастью, мы живем в мире, где это не имеет места. Все металлы являются твердыми друг относительно друга. Таким образом, мы можем взять любой из них в качестве нашего стандарта. Когда мы это сделаем, мы обнаружим, что другие металлические тела являются твердыми.

Вот почему, очевидно, желательно пользоваться при измерении длины скорее металлическим, чем резиновым стержнем, а при измерении времени —скорее маятником, чем биениями пульса. Мы склонны забывать, что имеется конвенциональный элемент в нашем выборе стандарта для измерения. Наличие этого элемента я подчеркивал в моей докторской диссертации о пространстве 1, а Рейхенбах позже отмечал в своей книге о пространстве и времени 2. Выбор является условным (конвенциональным) в том смысле, что не существует никакого логического основания запретить нам выбрать в качестве стандарта резиновый стержень и биения пульса, но за это нам придется расплачиваться разработкой фантастически сложной физики, чтобы иметь дело с миром, в котором господствует иррегулярность. Это, конечно, вовсе не означает, что выбор является произвольным, что один выбор является таким же хорошим, как и другой. Существуют сильные практические основа-

1. «Der Raum, Ein Baitrag zur Wissenschaftslehre» (Jena, University of Jena, 1922); (Berlin, Verlag von Reuther & Reichard, 1922).

2. Речь идет о книге Г. Рейхенбаха: «The Philosophy of Space and Time», New York, Dover, 1958. — Прим, nepeв.

147

ния, связанные с природой мира, для того, чтобы предпочесть стальной стержень и маятник.

Как только мы выберем стандарт для измерения, такой, как металлический стержень, мы сталкиваемся с другим выбором. Мы можем сказать, что длина данного конкретного стержня служит единицей измерения независимо от изменения его температуры, магнетизма и т. п., или же мы можем ввести поправочные коэффициенты, зависящие от таких изменений. Первый выбор, очевидно, дает более простые правила, но если мы сделаем его, то снова столкнемся со странными следствиями. Если стержень нагревается и затем используется для измерения, то мы обнаружим, что все другие тела в мире сократятся. Когда стержень охладится, остальной мир снова расширится. Мы будем вынуждены сформулировать всякого рода причудливые и сложные законы, но здесь не будет никакого логического противоречия. По этим основаниям мы можем говорить о возможном выборе.

Вторая процедура связана с введением поправочных коэффициентов. Вместо условия, что отрезок мел-еду двумя отметками будет рассматриваться как имеющий выбранную длину l0 (скажем, 1 или 100), мы теперь будем заявлять, что он имеет нормальную длину l0, только когда стержень имеет температуру Т0, которую мы выбираем в качестве «нормальной» температуры, в го время как при любой другой температуре Т длина отрезка дается уравнением

l = l0 [1 + в (T-T0)],

где в есть константа (называемая «коэффициентом теплового расширения»), которая характеризует вещество стержня. Подобные же поправки таким же путем вводятся для других условий, таких, как наличие магнитных полей, которые также могут повлиять на длину стержня. Физики предпочитают больше эту более сложную процедуру — введение поправочных коэффициентов — по тем же самым основаниям, по которым они выбирают металлический стержень вместо резинового — такой выбор приводит к значительному упрощению физических законов.

148