книги из ГПНТБ / Семенчев, В. М. Физические знания и законы диалектики научное издание

и заключается неодолимость нового в знании: но­ вое начинает пронизывать ранее казавшиеся отдален­ ными области знания, открывая единое во многом, тождественное в различном, т. е. делая следующий шаг в понимании единства мира. В этом случае даже противоречивость отдельных результатов опытов ста­ новится несущественным препятствием.

Квантовая теория света (поток фотонов) приводи­ ла, с одной стороны, к отказу от представлений, родо­ начальником которых был еще X. Гюйгенс и кото­ рые таким строгим способом усовершенствовали Дж. К- Максвелл и Г. Герц. С другой стороны, известные опыты по дифракции и интерференции света получали свое объяснение только на основе этих вол­ новых представлений. Вновь всплывала противоречи­ вость корпускулярного и волнового характера света. Но данная противоречивость уже не смутила Эйн­ штейна. Гейзенберг в этой связи отмечает, что «Эйн­ штейн даже не пытался устранить внутренние проти­ воречия своей интерпретации. Он принял противоре­ чия как нечто, которое, вероятно, может быть понято много позднее благодаря совершенно новому методу мышления» К Это уже осознание неотвратимости но­ вых представлений в физических знаниях! Однако гипотезе Планка предстояло еще сыграть самую вид­ ную роль в будущих поисках новых представлений

ив устранении указанного противоречия.

В1911 г. Э. Резерфорд в опыте по прохождению альфа-лучей через вещество обнаружил неоднород­ ность их рассеивания. Поскольку альфа-частицы зна­ чительно тяжелее электронов, то встреча их с электро­ нами вещества к их значительному отклонению привести не может. Однако иногда наблюдается рез­ кое отклонение альфа-частиц, отбрасывание их чуть

ли не назад. Сравнивая количество испускаемых аль-

1 В. Гейзенберг. ФЙзика и философия, стр. 15.

121

фа-частиц с количеством отклонений, Резерфорд сумел подсчитать, что размеры той части атома, которая сильно отклоняет альфа-частицы, не превышает одной десятитысячной линейного размера атома. При этом возникало естественное предположение о том, что эта часть атома несет положительный заряд (альфачастицы имеют положительный заряд и поэтому силь­ но отклоняются положительно заряженным ядром атома), а вслед за ним и представление об атоме как аналоге планетной системы.

Но одно обстоятельство ставило физиков в тупик: крайняя устойчивость атома. Прежде всего электроны, вращающиеся вокруг положительного заряда, как это следовало из теории электрона Лоренца, должны излучать, ибо движущийся с ускорением электрон излучает энергию, а движение по окружности или по эллипсу — движение с ускорением. Но излучающий электрон очень скоро теряет свою энергию, и это должно отразиться на свойствах атома. Но такого яв­ ления на самом деле не происходит.

Следовательно, возникает противоречие между классическими представлениями и новыми опытными данными. Вот как это противоречие охарактеризовано в современной физике: «Классические механика и электродинамика при попытке применить их к объ­ яснению атомных явлений приводят к результатам, находящимся в резком противоречии с опытом. Наи­ более ясно это видно уже из противоречия, получаю­ щегося при применении обычной электродинамики к модели атома, в которой электроны движутся вокруг ядра по классическим орбитам. При таком движении, как и при всяком ускоренном движении зарядов, электроны должны были бы непрерывно излучать электромагнитные волны. Излучая, электроны теряли бы свою энергию, что должно было бы привести в конце концов к их падению на ядро. Таким образом,

122

согласно классической электродинамике, атом был бы неустойчивым, что ни в какой степени не соответст­ вует действительности.

Такое глубокое противоречие теории с эксперимен­ том свидетельствует о том, что построение теории, применимой к атомным явлениям — явлениям, проис­ ходящим с частицами очень малой массы в очень малых участках пространства, требует фундаменталь­ ного изменения в основных классических представле­ ниях и законах (курсив мой. — В. С.)» '.

Согласно классической теории, должна существо­ вать непрерывная область возможных размеров орбит электронов. И поскольку различные размеры орбит приводят, вообще говоря, к различным частотам об­ ращения электрона вокруг ядра, должна существо­ вать соответствующая непрерывная область частот излучаемого света. Однако экспериментально получе­ ны лишь определенные дискретные частоты.

Наконец, никакая система, подобная планетной,ще может после столкновения или непосредственного контакта с другой подобной системой вернуться в ис­ ходное состояние. Но атомы как бы не реагируют на такое столкновение и остаются после взаимодействия такими же, как до него. Как же это объяснить? Здесь опять начинает работать гипотеза Планка. Правда, теперь в форме, которая потребовала значительного усложнения. Этот шаг в развитии квантовых пред­ ставлений в первую очередь связан с именем знаме­

123

мых, казалось бы, с научными представлениями. Пер­ вое основание этой модели («первый постулат Бо­ ра») — существование стационарных состояний атома с определенными энергиями Е, при которых электро­ ны не излучают:

где п может принимать ряд целых значений: 1, 2, 3, 4 и т. д. (что противоречит аналогии с планетной системой).

Второе основание модели («второй постулат Бо­ ра») представляет собой утверждение возможности перехода электрона с одного уровня на другой с со­ ответствующим поглощением или испусканием кванта энергии:

vh = Е2— Еъ

где vh -—энергия фотона. (Это также не укладывается в границы старых представлений об условии испуска­ ния или поглощения энергии.)

Третье основание модели Бора («третий постулат Бора») — условия квантования. Бор исходил из кван­

все основные представления об атоме Н. Бора орга­ нически связаны с новой мировой постоянной М. План­ ка (h), т. е. «насыщены» новым содержанием, каче­ ственно по-иному объясняющим атом.

Модель Бора была, однако, не только объясняю­ щей качественные особенности атома — она также давала некоторые количественные оценки линейных

124

спектров, образующихся при возбуждении атомов по­ средством различных влияний извне. Иными словами, теория Бора была связана с экспериментом, с факта­ ми количественно и качественно и никак не могла быть принята просто как рабочая гипотеза. А это придавало особую значимость открытию М. Планка и .убеждало физиков в объективности введенного им понятия.

Означает ли шаг, сделанный Н. Бором, оконча­ тельный разрыв с прежними представлениями? Ни в коем случае.

Во-первых, теория Бора о движении электронов в атоме покоилась на соединении классических пред­ ставлений с квантовыми, она являлась как бы нало­ жением квантовых условий на классические законо­ мерности, что особенно хорошо видно в «третьем по­ стулате Бора». Во-вторых, атомизм энергии в теории Бора лишь постулировался, но никак не объяснял­ ся. Это дает право заключить, что «теория Бора яви­ лась промежуточной ступенью на пути к более глу­ бокой и более общей теории» 1 и пока что соединяла «квантово-теоретические соображения с «планетар­ ной» моделью атома Резерфорда»12.

Такое обстоятельство прекрасно осознавалось са­ мим автором нового и многообещающего «кентавра», но такова уж железная логика развития знаний, что человеческая мысль может проникать в область неиз­ веданного (а такой и была область атома) только в меру отыскания новых фактов и их теоретического объяснения, а вовсе не в меру необузданности фанта­ зии мыслителя.

Теория Бора открыла путь множеству эксперимен­

2 В. Холличер. Природа в научной картине мира. М., 1960,

стр. 174.

125

личным и удивительным противоречиям. Физики сталМ отчетливее понимать, что такие противоречия возни­ кают в результате попыток описать атомные явле-. ния с помощью старых понятий. Необходимость са­ мого кардинального их пересмотра стала во главу угла этого критического периода в развитии физики. Не удивительно, что в это время, как и двумя десят­ ками лет ранее, оживились позитивисты, призывая к ограничению науки данными опыта, к отказу от про­ никновения в природу явлений, в скрытую их сущ­ ность, которая предстает перед ограниченной ощуще­ нием мыслью в самых противоречивых формах, не по­ зволяющих дать ее связную интерпретацию.

С призывами такого рода выступил Ф. Франк, которого В. И. Ленин в 1908 г. охарактеризовал как кантианца и защитника конвенционалистской точки зрения на истину '. В начале 20-х годов, к которым мы как раз подошли при изложении истории пере­ смотра классических понятий, образовался так назы­ ваемый Венский кружок, в который вошел и Франк.

Франк как один из представителей «философии науки» уделил много внимания рассмотрению связи между научным познанием мира и философией1.2 Зна­ ние, с его точки зрения, состоит из сугубо эмпириче­ ских высказываний (показания органов чувств) и тавтологий. Критерием эмпирической осмысленности знаний является их операционалистская проверяе­ мость, которая в случае подтверждения и выражается в терминах наблюдения. Ввиду этого понятие «реаль­ ность» ни в коем случае нельзя употреблять в том смысле, чтобы за ним скрывалось нечто противостоя­ щее нам и нашим действиям, обладающее собствен­ ными, совершенно независимыми от наших действий

1 См. В. И. Ленин. Поли. собр. соч., т. 18, стр. 170.

2 См., например, Ф. Франк. Философия науки. М., 1960.

126

(«операций») свойствами. Такое понимание реаль-1 ности Франк называл «метафизическим» и противопо­ ставил его «операционалистскому», единственно при­ емлемому, связанному с нашими действиями («опера­ циями») *.

Поэтому, считал Франк, физик никогда не имеет права забывать, что «вопрос о том, что является «реальным» и что — «физическим объектом», не имеет никакого смысла»2. А для того чтобы «избежать двусмысленности», а с ней и противоречий, которые возникают в физике в связи с изучением электронов и фотонов, следует «обозначать словом «материя» только стол или наш мозг, а не понятия электрона или фотона»3.

Подобные утверждения характерны и для П. Брид­ жмена, заявившего, что наукой является то, что де­ лает ученый, и «существует столько же научных методов, сколько существует отдельных ученых»4. В этом смысле наука, по Бриджмену, в своей основе должна быть солипсистской. Понятия дают возмож­ ность выйти за пределы непосредственного опыта, но вместе с ними в науку приходят несогласованность и двусмысленность. Для преодоления этого есть один путь: «...если мы будем рассуждать в терминах реаль­ ных операций, то будем избавлены и от угрозы необ­ ходимости пересмотра нашего отношения к при­ роде» 5.

Но развитие физики не пошло по этому пути. Пророческие слова В. И. Ленина о верности-физики

1 Ph. Frank. Foundations of Physics. University Press. Chi­ cago, 1946, p. 53.

2Там же, стр. 54.

3Там же, стр. 58.

4Р. Bridgman. Reflections of a Physicist. Phylosophical Lib­ rary. New York, 1956, p. 83.

5P. Bridgman. The Logic of Modern Physics. New York,

1927, p. 6.

127

материалистическому духу Подтвердились, несмотря на то что субъективно многие из физиков, в том числе Бор и Гейзенберг, мучились сомнениями по поводу признания объективной реальности, существующей вне и независимо от ощущений.

«Материалистический основной дух физики, как и всего современного естествознания* — писал В. И. Ле­ нин, — победит все и всяческие кризисы, но только с непременной заменой материализма метафизиче­ ского материализмом диалектическим» Г «Современ­ ная физика лежит в родах. Она рожает диалекти­ ческий -материализм. Роды болезненные. Кроме жи­ вого и жизнеспособного существа, они дают неизбеж­ но некоторые мертвые продукты, кое-какие отбросы, подлежащие отправке в помещение для нечистот. К числу этих отбросов относится весь физический идеализм...»12

Таким образом, даже в самые трудные периоды развитие физических знаний определяется не субъ­ ективными мнениями физиков, а происходит незави­ симо от них, а порой в противоречии с ними.

Но как же был сделан следующий шаг? Мы уже сказали, что к 20-м годам было проведено много экспериментов, основанных на теории Бора. Эта тео­ рия оказалась многообещающей в описании атома, в частности атома водорода. На смену успеху теории Бора, связанному прежде всего с основной идеей теории — идеей о существовании атома только в оп­ ределенных стационарных состояниях,— вновь приш­ ли сомнения и затруднения. Найденные Бором прави­ ла квантования оказались применимыми лишь к неко­ торым простейшим механическим системам3. Многие

1 В. И. Ленин. Поли. собр. соч., т. 18, стр. 324. 2 Там же, стр. 332.

3 См. У. И. Франкфурт, А. М. Френк. Физика наших дней, стр. 7.

128

экспериментальные данные оставались теоретически не объясненными. Таким образом, сомнения перед теорией ставил опять же эксперимент, физический опыт.

Таким был, в частности, опыт А. Комптона по рас­ сеиванию рентгеновских лучей. Этот эксперимент ис­ ключительно ярко выявил ограниченность существую­ щих представлений об атоме. В прежних опытах по интерференции рассеянного света процесс рассеивания объяснялся вполне очевидным способом. Падающая световая волна выбивает из пучка электроны, которые начинают колебаться с частотой этой волны; электро­ ны в свою очередь испускают волны с частотой их колебания, т. е. с частотой волны, выбившей из пучка электроны Этим и вызывается явление рассеянного света. И вот в 1923 г. Комптон ставит свой замеча­ тельный эксперимент, в результате которого перед физиками встает задача более решительного отка­

Комптон довольно длительное время изучал рас­ сеивание рентгеновских лучей электронами различных металлов. Ему удалось установить, что во многих случаях рассеивание происходит таким образом, буд­ то рентгеновские лучи являются вовсе и не волнами, а потоком корпускул, обладающих энергией E = vh

и импульсом р —— (С скорость света ® вакууме).

Это означало, что процесс рассеивания рентгеновских лучей на электронах металла можно описать как процесс соударения рентгеновской «частицы» и элек­ трона. Иными словами, в данных опытах справед­ ливыми оказываются законы сохранения энергии и импульса для столкновения двух частиц. В экспери-

Менте это выразилось в изменений частоты рассеян­ ных рентгеновских лучей:

h = vh = ч п -\— ——уравнение сохранения энергии,

В — угол между направлением движения падающего луча и направлением движения электрона после со­ ударения) .

Эксперимент Комптона позволял измерить v, А, В и v, а поэтому :не оставлял никаких сомнений в справедливости данных уравнений. Но как же в этом случае быть со световыми волнами, в пользу которых со всей очевидностью говорили неоднократно постав­ ленные эксперименты по интерференции? Вновь про­ тиворечие! Мы уже говорили о том, что такие проти­ воречия постепенно перестали удивлять физиков. Фи­ зики-теоретики все более и более убеждались в том, что данные противоречия неизбежны, и настоятельно требовали более решительного пересмотра тех поня­ тий, которыми описывалась природа микромира. По­ этому, несмотря на то что к этому времени многие физики были заражены скептицизмом в отношении познания микроявлений, физика в целом продвига­ лась вперед по пути нахождения адекватного описа­ ния их внутренней природы.

Физика делает следующий шаг на этом пути. Луи де Бройль констатирует «дуализм» волны и частицы для микрообъектов, для электронов в частности. Если в одних опытах мы вынуждены для описания явления прибегать к «языку волны», а в других опытах — к «языку частицы», не проще ли предположить, что

130