Первая мировая война. Относительность

Прогресс физики после ряда открытий, о которых мы сейчас рассказали, был задержан первой мировой войной, резко оборвавшей первый, героический период современной физики. Война призвала некоторых, но отнюдь не большинство ученых на военную службу; однако даже и там, где этого не случилось, она существенно задержала, исключая нейтральные страны, чисто научные исследования не призванных в армию ученых-экспериментаторов. Но ученые-теоретики в большинстве своем продолжали свою работу, и именно к этому периоду относится одно из величайших достижений в истории человеческой мысли—завершение в 1915 году Эйнштейном общей теории относительности. Между тем относительность, по сути дела, принадлежит скорее науке XIX, чем XX века. Основной чертой науки XX века была прерывность и атомистика; с другой стороны, относительность по прежнему представляет собой континуум и теорию полей; однако поля относительности значительно шире, чем электромагнитные поля Максвелла. Это новые поля пространства—времени. Специальная теория относительности, выдвинутая Эйнштейном в 1905 году, показала, что поскольку наблюдению поддается только относительное движение, то пространство и время являются до известной степени взаимозаменимыми и зависят от движения наблюдателя. Десятью годами позднее Эйнштейн смог ввести до этого произвольную и таинственную силу тяготения в общую картину пространства—времени, но для того, чтобы это сделать, ему пришлось порвать не только с механикой Ньютона, но и с еще более прочно обоснованной геометрией Эвклида.

Эквивалентность массы и энергии

При всей своей популярности теория относительности по прежнему представляет собой теорию, разобраться в которой очень трудно. Однако значение ее в науке зависит от двух тесно между собой связанных отношений: эквивалентности массы и энергии и особого предельного характера скорости света. Первое из них, выраженное формулой E — mc², где Е означает энергию, т— массу и с—скорость света, дает теоретическое выражение огромного количества энергии, заключенного в атоме.Позднее было показано, что эта энергия является источником всей сконцентрированной во вселенной энергии—энергии Солнца и звезд, этих первых реакторов ядерной энергии. Солнце обогревает нас, фактически становясь при этом легче, сжигая свой водород, превращающийся при этом в гелий—вид огня, который наследники Прометея, не убоявшись постигшей его судьбы, спускают с неба в форме водородной бомбы. Столь же важным фактом является предельный характер скорости света. Показав, что все скорости являются относительными, Эйнштейн смог также объяснить, что, несмотря на непрерывное ускорение, ни одна частица не может перемещаться быстрее, чем критическая скорость света, ибо по мере того, как она приближается к этой скорости, одновременно возрастают ее энергия и масса, так что становится все труднее и труднее заставить ее двигаться быстрее.

Научное содержание теорий Эйнштейна

Теории Эйнштейна при всей их абстрактности и несмотря на тот факт, что они возникли в результате глубоких размышлений о значении предшествовавшей им научной теории, были, тем не менее, в конечном счете почерпнуты из экспериментов и обусловили практические результаты. Отправным пунктом для рассуждений Эйнштейна послужили трудности, присущие одной отрасли физики XIX века и заключающиеся в попытке обобщить электромагнитную теорию света, показав, что видимая скорость света зависит от той скорости, с какой наблюдатель перемещается через предположительно неподвижный эфир. Это был знаменитый эксперимент Майкельсона—Морлея, величайший негативный эксперимент истории науки. Ибо в ходе его не было найдено никакой разницы в скорости света, с какой бы быстротой и в каком бы направлении ни перемещался наблюдатель. Несколькими годами позже Дж. Дж. Томсон показал, что электроны в электрических полях высокого напряжения не перемещаются с той скоростью, какая от них ожидалась бы согласно классической физике Ныотона. По мере того как они двигались быстрее, они казались более инертными и с трудом поддавались ускорению. Оба эти эффекта были объяснены в специальной теории относительности Эйнштейна.

Общая теория относительности Эйнштейна пошла гораздо дальше. В ней он попытался включить в сферу системы мер пространства и времени также тяготение. Особое значение этой теории состоит в том, что она избегает всякого обращения к тому, что обычно называется таинственными силами, которые, подобно тяжести, или, выражаясь более научно, силе тяготения, действуют на расстоянии. Вместо этого Эйнштейн постулировал, что когда тело является свободным, то есть не находится в физическом контакте с другими телами, не подвержено действию каких-либо сил, то в таком случае форма его движения выражает просто качество пространства—времени в тех местах, через которые оно проходит. В соответствии с этой теорией наша Евклидова геометрия применима только к пустым пространствам, ибо вблизи тяжелых тел пространство является изогнутым. Такая точка зрения знаменует возвращение к первоначальной идее Пифагора о естественных круговых движениях в небесной системе, однако возвращение на более высоком уровне, поскольку это уже больше не полумистическая интуиция, но математическое объяснение, поддающееся самому точному количественному доказательству.

Если бы все, что сделал Эйнштейн, ограничилось отысканием альтернативного и более точного выражения для тяготения, чем то, которое нашел Ньютон, он был бы Коперником новой эры; но он сделал больше: он показал, что новый метод дает результаты, более соответствующие выводам эксперимента. Он смог объяснить видимое перемещение положения звезд вблизи Солнца отклонением их лучей изогнутым пространством, а также разъяснить неравномерность передвижения планеты Меркурий. Наконец ньютонова теория солнечной системы была определенно усовершенствована.

Звездная астрономия и гигантские телескопы

К тому времени, однако, все это давно уже потеряло то значение, которое впервые приняло в те дни, когда предполагалось, что орбиты семи планет представляют собой небесные ступени. К XX веку астрономия, несомненно, почти полностью утеряла как свое классическое, так и средневековое значение для выражения божественного плана мира и вычисления гороскопов, а также ту ценность, какую она имела в эпоху Возрождения как вспомогательное средство в мореплавании. Однако кое-что от ее престижа все же сохранилось, и это давало возможность заокеанским астрономам выжимать из черствых дельцов достаточно денег для конструирования совершенно бесполезных телескопов. Телескоп-гигант, несомненно, представлял собой самый благородный пример «явного расточительства» в анализе капитализма Вебленом. Он еще нагляднее свидетельствовал о бескорыстии, чем переброска европейских замков через Атлантический океан, и в то же самое время сохранял здоровый дух соревнования. Внутренний диаметр телескопов увеличивался, и дальность их действия возрастала из столь же явных побуждений соперничества, как это имело место с морскими орудиями. Каково бы, однако, ни было их происхождение, рост числа обсерваторий с новыми аппаратами для фотографирования и спектроскопами позволил астрономии шагнуть далеко за пределы солнечной системы, к звездам и туманностям, которые, включая и наш собственный Млечный путь, были теперь признаны островными мирами, как это впервые предположил в 1755 году Кант.

Астрофизика

Открытия спектроскопии в XIX веке положили начало изучению внутренней структуры небесных тел на основе исследования излучаемого ими света. К XX веку астрофизика начинает становиться общепризнанной отраслью науки, областью, в которой работа лаборатории и обсерватории полностью сливается воедино. С самого же начала астрофизика приняла отличный от земной физики характер в том смысле, что она раскрывает структуры не только в пространстве, но и во времени. Произведенная в 1913  Г. Н. Расселом классификация спектральных типов звезд безошибочно указывала па эволюционную преемственность. Космология, казалось, предполагала космогонию; то, какими вещи являются сейчас, не могло не вызывать вопроса о том, как они возникли. Таким путем астрономия опять начинала приобретать кое-что от своего прежнего значения. Если она и не раскрывала плана рациональной вселенной, раз и навсегда установленного благодетельным божеством, как верили древние и даже Ньютон, то вместо этого показывала развертывающуюся драму сотворения, которая, по видимому, содержала нечто поучительное для людей. Однако великое развитие познания истории вселенной должно было прийти как следствие дальнейшего развития ядерной физики. Эйнштейн сделал только первый шаг, хотя шаг этот и должен был иметь решающее значение. Он показал, что начала механики могут быть поставлены под сомнение. Теория квантов в ее старой, а тем более в ее новой форме еще сильнее поколебала основы ньютоновой физики. Эта революция должна была стать столь же важной и столь же чреватой дальнейшими возможностями, каким было ниспровержение Аристотеля в эпоху Возрождения.

Эйнштейн и мистификация науки

Однако в равной степени справедливо и то, что эффект работы Эйнштейна, за узкими рамками тех специальных областей, в которых она может быть применена, носил характер общей мистификации. После первой мировой войны за нее с жадностью ухватились разочарованные интеллигенты, как за средство, которое помогало им в их отказе взглянуть в глаза действительности. Им нужно было только употребить слово «относительность» и сказать «все является относительным», или «это зависит от того, что вы под этим подразумеваете». Относительность легла в основу работ множества популяризаторов тайн науки, включая и «бестселлеры» физиков Эддингтона и Джинса. Эддингтон (1882— 1944) действительно был до такой степени упоен своей подлинной заслугой в объяснении трудных моментов теории относительности, что у него зародилась идея возможности любого научного открытия посредством одного только чистого мышления и логики. Остается только пожалеть, что люди были, повидимому, настолько глупы, что для того, чтобы понять известные вещи, им необходимо было предварительно увидеть их. Джине (1877—1946) вновь открыл старую идею платоников и пифагорейцев, утверждавших, что все является математикой и что бог, создавший эту математическую вселенную, должен был сам быть великим математиком.

Физические теории XX века были не более теорий предшествовавших веков свободны от влияний, исходящих от идеалистических течений вне пределов науки. При всех своих символических и математических формулировках они все еще воплощают многое из того бегства от действительности, источником которого является в конечном счете религия, все более и более занятая обеспечением дымовой завесы для махинаций капитализма. Преобладающее влияние на формулировку современных физических теорий имел позитивизм Эрнста Маха. Большинство физиков так прониклись этим позитивизмом в годы своей учебы, что считают его не остроумным методом объяснения объективного мира с позиций субъективизма, а неотъемлемой частью науки. Это положение было почти в самом начале рассматриваемого периода блестяще разоблачено В. И. Лениным в его труде «Материализм и эмпириокритицизм»; однако мистификации теоретической физики по прежнему продолжались, и потребуется еще много лет аргументации и накопления опыта, включая и опыт политический, прежде чем логический базис физики будет очищен от идей, не имеющих ничего общего с материальным миром.

Эксперимент—базис теории

Фактическая история развития современной физики достаточно ясно говорит о том, что своими успехами она практически в каждом случае, за важным исключением предсказания Юкавой мезона, была обязана открытиям, делавшимся в процессе экспериментов, и что эти эксперименты приводили к тому, что не было порождено теорией, в то время как теория была позднее призвана объяснить эксперименты. Между тем природа теоретического объяснения представляет собой нечто большее, чем изложение средствами языка; физическая теория полностью выражается уравнениями, связывающими комплекс символов. Ценность формул заключается, однако, не в красоте или простоте формулы, но в том количестве экспериментальных фактов, которые могут быть с ее помощью объяснены. Вот почему великие обобщения XX века имеют такое большое значение.

Теория относительности и квантовая теория охватывают значительно более широкую область экспериментов, чем это делали классические теоретические синтезы XIX века. Они указывали путь к новым экспериментам, которые часто бывали плодотворными. Однако эти теории систематически терпели неудачу в попытках надлежащим образом объяснить все, что не было включено в них, в первую очередь путем эксперимента.

Новая квантовая теория

Лучше всего это иллюстрирует следующий этап в истории физики XX века. Первоначально созданная Бором квантовая теория атома в принципе должна была бы объяснять структуру всех атомов и молекул. На практике, однако, было обнаружено, что здесь мы сталкиваемся с весьма досадной трудностью. Квантовые числа, приписываемые уровням энергии в единичных атомах, оставались, как этого требовала теория, целыми числами, однако в следующей простейшей модели, модели двухатомной молекулы, квантовые уровни энергии с самого начала, вместо того, чтобы иметь порядок 0, 1 2, 3, вдруг самым досадным образом приняли значения ¹/₂, 1¹/₂, 2^l/_a. Эта и другие аномалии к 1924 году показали, что с формой квантовой теории что-то было не совсем в порядке. Она выливалась в своего рода формальную алгебру—чуть ли не каббалистику, как это называлось в те дни,—где можно было найти комплект чисел для объяснения большинства вещей, но не какое-либо обоснование— иначе как с точки зрения удобства—для выбора этих чисел. Ни электрон, ни теория его движения не могли быть столь простыми, как первоначально думал Бор. Первым средством, использованным для объяснения этой трудности, было постулировать, как это сделали в 1924 году Гаудсмит и Уленбек, что электрон представляет собой маленький магнит—равно как и заряд, что он имеет «спин». Однако главные трудности по прежнему оставались неразрешенными.

Физическая эквивалентность волн и частиц. Волновая механика

Попытки преодолеть их привели в 1925 г. к общей, очень глубокой ревизии квантовой теории. Что потребность в ней уже давно назрела, показывает тот факт, что она была произведена почти одновременно четырьмя физиками, весьма значительно друг от друга отличающимися: де Бройлем во Франции, Шредннгером и Гейзенбсргом в Германии и Дираком в Англии. По форме их решения были совершенно различными, хотя математически они были эквивалентны. Луи де Бройль в 1923 году шел по следам истории физики назад, к полемике XVII века между Ньютоном и Гюйгенсом. Эта полемика уже выявила поразительную аналогию, а именно, что, какова бы ни была среда, материальные частицы, равно как и волны, следовали по минимальным траекториям. Волна двигалась так, чтобы сделать минимальным время прохождения лучей (принцип Ферма), частица—так, чтобы сделать минимальной функцию действия (принцип Мопертюи). Но если частицы и волны были, по существу, идентичны, так нельзя ли свести оба эти принципа к одному?—думал де Бройль. Электроны могли в конце концов быть волнами, точно так же, как световые волны могли бы быть частицами. Несомненно, что между частицами и волнами должно было существовать какое-то общее соответствие; можно было полагать, что каждой частице сопутствует волна, а каждая волна состоит из частиц, вытянувшихся вдоль волновых фронтов.

Шредингер использовал эту идею в 1925 году, чтобы объяснить стационарные боровские состояния электронов в атоме, рассматривая их как различные характеристические колебания электронов в атоме, представляющие собой стоячие, а не бегущие волны. По форме это явление подобно различным характеристическим колебаниям музыкального инструмента с соответствующими связями между ними. Волновая механика де Бройлл—Шредингера имела то преимущество, что была в состоянии объяснить аномалии в старой квантовой теории так, что делала ясной физическую сторону вопроса и одновременно давала правильную математическую трактовку его. Однако в этом не было особой необходимости; Гейзенберг и Дирак, каждый по-своему, отвергали даже такую степень физического представления. Гейзенберг с помощью матриц, или шахматных досок, покрытых цифрами, а Дирак посредством алгебраических формул, в которых axb отличается от Ьу.а на —1, дали проблемам квантовой физики такие же хорошие формальные решения.

С того момента, как эти теории были выдвинуты, они вызвали глубокие споры об их физическом смысле. В течение долгого времени их изящество и успех в объяснении фактов рассматривались как законченное доказательство их истинности. Но со временем оказалось, что новым квантовым теориям, как их называли, угрожали столь же серьезные, хоть и совершенно иные трудности, что и старой теории квантов. Они могли объяснить те явления, которые их породили, однако по мере того, как изучение ядер и частиц с высокой скоростью продвигалось вперед, возникали новые явления, объяснить которые становилось все труднее. Было использовано, довольно безуспешно, множество способов и ad hoc вариантов квантовой теории. К тому же новые квантовые теории не были достаточно непротиворечивыми, чтобы оказаться приемлемыми даже с математической точки зрения. Они по прежнему представляли собой неуклюжий гибрид ньютоновой физики частиц, соответственно приспособляемой или опровергаемой квантовыми постулатами, и совершенно нового вида математики, который в значительной степени определялся соображениями статистического характера. Но еще серьезнее были те философские трудности, которые они вызвали.

Принцип неопределенности

Точно так же, как это было с теорией относительности, новая квантовая механика в свою очередь оказалась весьма удобной основой для мистификации

Принцип неопределенности (indeterminacy) Гейзенберга был особенно ценен для людей реакционно или теологически настроенных. Этот принцип утверждает, что невозможно одновременно сколь угодно точно определить скорость и положение любой материальной частицы. Между тем такое утверждение, если рассматривать его с физической точки зрения, представляет собой интерпретацию уравнения, весьма полезного при определении некоторых поддающихся наблюдению величин. Принцип неопределенности основан на успехе и неудаче определенных мысленных экспериментов. Наиболее широко известным из них является микроскоп для гамма-лучей, в котором самый акт наблюдения частицы приводит к ее перемещению из того положения, которое она занимала бы, если бы оставалась незамеченной. Будучи полезными в качестве иллюстрации, подобные опыты, которых фактически так никогда и не удалось провести, допустили привнесение в квантовую теорию концепций, в действительности в эту теорию не входящих, примером чему может служить теория о существенном значении роли наблюдателя. Как указывали Эйнштейн и де Бройль, попытка придать таким образом явлениям субъективный характер ведет к столь же чудовищным парадоксам, как те, для избежания которых и был построен принцип неопределенности.

К тому же популярные научные писатели и в еще большей степени философы придали этому принципу совершенно иное значение. Основываясь на этой предполагаемой неопределенности, они утверждали, что электрон обладает в известном смысле свободной волен. Он якобы может, или не может, в любое время делать то или это. А если электрон обладает свободной волей, то почему бы не обладать ею человеку? Почему бы не обрушиться всему зданию научного детерминизма, чтобы уступить место хаосу индетерминизма? Как это пи странно, многие из сторонников нового индетерминизма фактически совсем не были индетерминистами. Все, чего они хотели, это изыскать возможность для божественного вмешательства во все мельчайшие дела вселенной, совершенно произвольно распоряжаясь электронами, чтобы то присоединять их, то изымать из тех мест, которые они могли занимать. Лучший комментарий к этому принадлежит Эйнштейну, который сказал: «Я не мог бы уважать бога, который тратил бы все свое время на азартные игры».

Фактически умопостроения, основывающиеся на квантовой теории, целиком являются произвольными и неуместными, поскольку зависят от особого анализа смысла физических величин. Если бы даже они и были правильными с точки зрения атомистики, это все же не могло бы служить обоснованием для их распространения на значительно более сложные области биологической и общественной систем. Как мы увидим ниже, уже к концу столетия сама физическая теория стала по своему характеру столь же сложной и неудовлетворительной, какими были предшествовавшие ей физические теории до преобразования их новыми воззрениями. Важно помнить кардинальное различие между теориями, используемыми для объяснения и координации комплексов опытов после того, как они были проведены, и теми идеями, которые, сознательно или бессознательно, были в умах экспериментаторов, совершивших новые открытия и развернувших перед научной мыслью новые области знания.

Похожие статьи:

1. Физика и структура материи
2. Ядерная физика
3. Физика и ориентирование птиц в полете
4. ФИЗИКА РАДИОЛОКАЦИИ
5. Ньютон и Марат о притяже­нии лучей света