Никогда еще экспериментальное физическое исследование не переживало столь бурного подъема, как на глазах нашего поколения, и никогда еще сознание значения нашей науки для человеческой культуры не проникало в широкие круги в такой мере, как в настоящее время. Нет человека, который не интересовался бы более или менее волнами беспроволочного телеграфа, электронами, рентгеновскими лучами, явлениями радиоактивности. Но если мы спросим, в какой мере эти новые блестящие открытия влияли и способствовали нашему пониманию природы и ее законов, то на первый взгляд положение вещей покажется нам здесь далеко не столь блестящим.
Предшествующая теоретическая эпоха отличалась такой ясностью, такой спокойной уверенностью, что ее по справедливости называют классической. Совсем не то мы видим теперь. Если мы попробуем с некоторой высоты и отдаления оценить современное состояние физических теорий, то впечатление наше будет такое, что благодаря множеству новых, отчасти совершенно неожиданных опытных открытий современное исследование как бы запуталось и точно ощупью ищет пути. Мы видим везде, как старые, прочно укоренившиеся представления подвергаются нападкам, общепризнанные предложения опровергаются, и на их место утверждаются новые гипотезы, столь смелые, что понимание их иногда недоступно даже для людей науки. И уж менее всего, конечно, эти гипотезы могут нам внушить уверенность в непрерывный и сознательно идущий к цели прогресс науки. Таким образом, современная теоретическая физика напоминает нам древнее и чтимое здание, пришедшее уже в ветхость: постепенно отваливается один кусок за другим, и вот-вот начинает уже колебаться самый фундамент.
В действительности, однако, такое впечатление совершенно обманчиво. Правда, в строе физических теорий в настоящее время совершаются очень крупные и глубокие изменения. Но ближайшее рассмотрение показывает, что происходит отнюдь не разрушение, а наоборот, расширение и усовершенствование здания; здесь и там работники сдвигают отдельные плиты, чтобы заложить их в более надежном и подходящем месте, но самый фундамент никогда не обладал такой твердостью и прочностью, как в настоящее время. Я постараюсь подробнее объяснить и обосновать это утверждение.
Но прежде всего замечание общего характера. Первым толчком к пересмотру и преобразованию физической теории почти всегда служит открытие одного или нескольких фактов, которые не вмещаются в рамках теории в ее современном виде. Эти факты и являются всегда той Архимедовой точкой, опираясь на которую можно ниспровергнуть самые устойчивые и тяжеловесные теории. Вот почему для настоящего теоретика нет ничего интереснее, чем факт, оказывающийся в прямом противоречии с общепризнанной теорией. И в самом деле, здесь-то собственно и начинается его задача.
Как нужно поступить в подобном случае? Одно несомненно: в существующей теории нечто должно быть изменено так, чтобы она согласовалась с новым фактом. Но часто не так-то легко бывает решить, какая именно глава теории нуждается в усовершенствовании. В самом деле, один факт не дает еще теории. Обыкновенно теория состоит из целого ряда связанных между собой предложений. Она подобна сложному организму, отдельные части которого находятся в такой многообразной и тесной зависимости между собой, что всякое вторжение в одно какое-либо место чувствуется более или менее сильно в различных других, по-видимому, весьма отдаленных частях. Поэтому каждое умозаключение данной теории вытекает из совокупности нескольких ее предложений, так что за каждый промах теории обыкновенно должны отвечать несколько предложений, и спасительный выход почти всегда может быть найден несколькими различными путями. Обыкновенно вопрос в конце концов разрастается в конфликт между двумя или тремя предложениями, которые раньше мирно уживались в теории, а теперь ввиду нового факта по крайней мере одно из них непременно должно отпасть. Нередко борьба тянется годы и даже десятки лет. Исход ее знаменуется не только окончательным исчезновением побежденного предложения, но вместе с тем также, — на что мы здесь должны обратить особе внимание, — и естественным укреплением и возвышением в достоинстве других, победивших предложений
Тут мы должны отметить чрезвычайно важный и замечательный факт — во всех конфликтах подобного рода, разыгравшихся в новейшее время, победителями в борьбе остались великие общие принципы физики: начало сохранения энергии, начало сохранения количества движения, начало наименьшего действия, основные начала термодинамики, и все эти принципы сильно повысились в своем значении. Побежденными же в борьбе оказались такие предложения, которые до того, правда, служили, по-видимому, надежной исходной точкой во всех теоретических рассуждениях, но только потому, что их считали вполне самоочевидными, и вследствие этого не находили нужным или просто забывали даже упоминать о них особо. Можно сказать, словом, что победа великих физических принципов над некоторыми только привычными нам, хотя и глубоко укоренившимися допущениями и представлениями, определяет собой весь характер теоретической физики в ее современном развитии.
Для большей ясности я остановлюсь на некоторых из предложений указанного рода: раньше ими обыкновенно пользовались без всяких колебаний, как самоочевидной основой всякой теории, но при свете новых фактов они оказались несовместимыми с общими принципами физики или, по меньшей мере, весьма и весьма сомнительными. Я назову здесь три таких предложения: неизменяемость химических атомов, взаимная независимость между пространством и временем, и, наконец, непрерывность всех динамических процессов.
Само собой понятно, я здесь отнюдь не собираюсь излагать всех тех веских оснований, которые говорят против неизменяемости химических атомов. Я укажу лишь один единственный факт, который привел к безвыходному столкновению этого допущения, которое раньше считалось самоочевидным, с одним общим физическим принципом. Этот факт есть постоянное выделение тепла всяким радиевым соединением, а физический принцип — начало сохранения энергии, и конфликт закончился, наконец, полной победой этого начала, хотя вначале некоторые исследователи начали было в нем сомневаться.
Радиевая соль, заключенная в достаточно толстой свинцовой оболочке, беспрерывно выделяет теплоту, — каждый грамм радия около ста тридцати пяти калорий в час, — и потому она все время, подобно натопленной печи, остается более теплой, чем окружающая среда. Но согласно принципу сохранения энергии наблюдаемая теплота не может возникнуть из ничего, и где-нибудь должно происходить эквивалентное изменение, являющееся причиной наблюдаемого выделения тепла. В печи эту роль играет непрерывный процесс горения. В солях же радия, за отсутствием всякого другого химического процесса, необходимо допустить изменение самих атомов радия. Эта гипотеза, которая с точки зрения прежней химии кажется неслыханно смелой, подтвердилась, однако, во всех направлениях.
Если стоять на строго формальной почве, то в понятии переменного атома заключается известное противоречие, так как атомы по своему первоначальному определению являются неизменяемыми составными частями всех материальных тел. Поэтому, чтобы быть точным, следовало бы название «атом» оставить только за действительно неизменяемыми элементами, то есть, скажем, за электронами и водородом. Но такая перемена обозначений вызвала бы в научной литературе полнейший хаос, не говоря уже о том, что вряд ли даже когда-либо удастся вообще установить, существуют ли абсолютно неизменяемые элементы. Ведь атомы современной химии давно уже перестали быть атомами Демокрита; они имеют гораздо более строгое определение, на основе которого производятся относящиеся к ним вычисления и измерения. Только об этих атомах идет речь, когда говорят о превращении атомов, так что недоразумение в указанном направлении совершенно исключено.
Столь же самоочевидной, как неизменяемость атомов, до недавнего времени казалась и взаимная независимость между количествами, относящимися к пространству, с одной стороны, и ко времени — с другой. Вопрос, одновременны ли или нет два события, происходящие в двух различных местах, имел прежде определенный физический смысл безотносительно к наблюдателю, производившему измерение времени. Теперь же это не так. Благодаря факту, который до сих пор постоянно подтверждается тончайшими оптическими и электродинамическими опытами и которые носит краткое, хотя и не вполне ясное название относительности всех движений, простое представление об одновременности пришло в конфликт с так называемым принципом постоянства скорости света, установленным электродинамикой Максвелла-Лоренца; этот принцип гласит, что скорость распространения света в пустом пространстве не зависит от движения источника света. Таким образом, если считать относительность экспериментально доказанной, то приходится пожертвовать либо принципом постоянства скорости света, либо же взаимной независимостью между пространством и временем.
Поясним сказанное простым примером. Представим себе, что из некоторой центральной станции, например, с Эйфелевой башни, беспроволочным телеграфом посылается сигнал времени, (как это, впрочем, ныне действительно делается международным бюро времени). Все станции, находящиеся на окружности на одинаковом расстоянии от центральной станции, получат сигнал в один и тот же момент и могут сообразно с ним выверить свои часы. Но этот способ контролирования времени становится принципиально недопустимым, коль скоро мы, основываясь на относительности всех движений, перенесемся мысленно с Земли на Солнце и будем, следовательно, рассматривать Землю как находящуюся в движении. В самом деле, согласно принципу постоянства скорости света ясно, что те станции, которые для наблюдателя с центральной станции находятся в направлении движения Земли, получат сигнал позже, чем станции, лежащие в противоположном направлении, так как первые станции движутся прочь от световых волн сигнала, которым приходится поэтому их догонять, тогда как противоположные станции, напротив, несутся навстречу волнам. Таким образом принцип постоянства скорости света делает невозможным абсолютное определение времени, то есть независимое от состояния движения наблюдателя: от одного из двух мы должны отказаться. До настоящего времени решительный перевес в борьбе остается за принципом постоянства скорости свети, и, несмотря на некоторые возникшие в последнее время сомнения, весьма вероятно, что и впредь в этом отношении ничто не изменится.
Третье из перечисленных выше предложений относится к непрерывности всех динамических действий; прежде оно являлось неоспоримой предпосылкой всех физических теорий, которая в связи с видоизмененными слегка представлениями Аристотеля выкристаллизовалась в известный догмат natura non facit saltus (природа не делает скачков). Но и в этой издревле почитаемой твердыне физической науки современное исследование пробило глубокую брешь. На почве новейших опытных фактов этот догмат пришел в конфликт с принципами термодинамики, и, судя по всем признакам, дни его сочтены. Как оказывается, природа в действительности делает скачки и притом весьма странного рода. Для большей ясности я позволю себе прибегнуть к наглядному сравнению.
Представим себе водную поверхность, на которой сильный ветер вздымает высокие волны. Когда ветер совершенно прекратится, волны будут тем не менее продолжаться еще долгое время, ударяя то об один берег, то о другой. Но при этом с ними происходит характерное изменение. Энергия движения более длинных и более грубых волн превращается все больше и больше в энергию движения более коротких и мелких волн, в особенности когда они ударяют о берег или о другой неподвижный предмет. Этот процесс продолжается до тех пор, пока, наконец, волны не сделаются столь малыми, движения столь ломкими, что станут совершенно невидимы для глаз. Это — всем известный переход видимого движения в теплоту, молярного движения в молекулярное, правильного движения в беспорядочное: в правильном движении множество соседних молекул имеет одну и ту же скорость, тогда как при беспорядочном движении каждая молекула имеет свою особую скорость, отличную как по величине, так и направлению.
Но нарисованный нами процесс расщепления не идет до бесконечности, а находит себе естественную границу в размерах атомов. В самом деле, движение каждого атома, взятого отдельно сам по себе, всегда правильное, так как отдельные части атома все движутся с одной и той же общей всем им скоростью. Чем крупнее атом, тем меньше расщепляется совокупность его энергии движения[1]. До сих пор все ясно, и классическая теория прекрасно согласуется с опытом.
Но представим себе теперь другой, совершенно аналогичный процесс, не с водяными волнами, а со световым или тепловым излучением. Предположим, например, что лучи, испускаемые сильно охлажденным телом, посредством зеркал собираются в замкнутом полом пространстве, между стенками которого они испытывают постоянное отражение от одной стороны в другую. Здесь тоже совершается постепенное превращение лучистой энергии длинных волн, энергии «правильного» движения в энергию более коротких волн, энергию беспорядочного движения; более длинным, грубым волнам соответствуют ультра-красные лучи, а более коротким, тонким — ультра-фиолетовые лучи спектра. Согласно классической теории мы должны, следовательно, ожидать, что вся лучистая энергия сведется, наконец, к ультра-фиолетовой части спектра, или, другими словами, что постепенно ультра-красные, а также видимые лучи исчезнут и превратятся в невидимые ультра-фиолетовые лучи, имеющие, главным образом, химическое действие.
Оказалось, однако, что в природе нельзя найти ни малейшего намека на подобное явление. Превращение, напротив, раньше или позже достигает своего совершенно определенного завершения которое можно констатировать с точностью, и тогда состояние излучения остается во всех отношениях устойчивым. Были сделаны самые разнообразные попытки примирить этот факт с классической теорией, но до сих пор постоянно оказывалось, что противоречие коренится слишком глубоко; вследствие этого возникла необходимость подвергнуть пересмотру самые корни теории — ее основы. Снова приходится констатировать, что принципы термодинамики оказались совершенно непоколебимыми. Действительно, единственный найденный до сих пор путь, обещающий, по-видимому, полное решение загадки, исходит как раз от двух главных начал термодинамики, но он соединяет их с новой своеобразной гипотезой, содержание которой можно при помощи двух приведенных выше образов передать приблизительно так.
В водяных волнах расщепление энергии движения достигает своего конца благодаря тому, что атомы в известной мере препятствуют беспредельному расщеплению, так как каждый атом представляет собою определенное, конечное количество (квант) материи, которое может двигаться только как целое. Аналогичным образом также при световом и тепловом излучении, которые сами по себе, правда, имеют совершенно нематериальную природу, должны все-таки действовать известные процессы, которые сдерживают лучистую энергию в определенных конечных количествах-квантах, и сдерживают тем крепче, чем короче волны, то есть чем быстрее совершаются колебания[2].
Как нам определенно представить себе возникновение подобных квантов чисто динамического рода, об этом пока еще ничего нельзя сказать с достоверностью. Можно было бы представить себе возникновение квантов примерно таким образом, что всякий источник излучения может испускать энергию лишь при условии, когда ее количество будет не меньше некоторой минимальной величины, подобно тому, например, как резиновый пузырь, в который постепенно накачивают воздух, лопается и сразу отдает свое содержимое, лишь когда масса воздуха в нем достигнет определенного количества (кванта).
Так или иначе, гипотеза квантов привела к представлению, что в природе бывают изменения, которые совершаются не непрерывно, но наподобие взрывов. Как всем, вероятно, известно, это представление значительно выиграло в наглядности, благодаря открытию и подробному исследованию радиоактивных явлений. Вообще же все затруднения, встречаемые на пути к точному выяснению вопроса, пока стушевываются перед тем обстоятельством, что гипотеза квантов успела уже дать результаты, которые лучше всех прежних теорий согласуются с произведенными до сих пор измерениями излучения.
Но больше того. Весьма счастливым предзнаменованием для гипотезы кванта, как и вообще для всякой новой гипотезы, является то обстоятельство, что она подтверждается и в тех областях, которых она первоначально вовсе не имела в виду. Здесь я приведу только один весьма замечательный пример. С тех пор как удалось получить в жидком состоянии воздух, водород и гелий, для опытного исследования низких температур открылось новое обширное поле, и за короткое время здесь удалось уже получить ряд новых, весьма поразительных результатов. Чтобы нагреть кусок меди от −250° до −249°, то есть на один градус, нужно затратить не такое же количество теплоты, как для нагревания меди от нуля до одного градуса, но примерно в тридцать раз меньшее. Если же начальная температура меди была бы еще ниже, чем −250°, то и соответственное количество теплоты было бы еще во много раз меньше, и нельзя указать границы этому уменьшению. Этот факт резко противоречит не только всем обычным представлениям, но также и требованиям классической теории. В самом деле, хотя мы уже больше ста лет тому назад научились точно различать температуру от количества теплоты, однако, кинетическая теория материи привела к заключению, что эти две величины, если и не точно пропорциональны, то по крайней мере изменяются до известной степени параллельно.
Гипотеза квантов вполне выяснила этот трудный вопрос и, кроме того, она при этом случае привела еще и к другому весьма важному результату, а именно, что силы, которыми вызываются тепловые колебания в твердом теле, совершенно такого же рода, как и силы, производящие упругие колебания. Таким образом, теперь мы с помощью гипотезы квантов имеем возможность по упругим свойствам одноатомного тела определить количественно его тепловую энергию для различных температур, — то есть решена задача, которая классической теории была совершенно не по плечу. Отсюда возник далее целый ряд других, на первый взгляд весьма странных вопросов, например, о том, не совершаются ли и колебания звучащего камертона не абсолютно непрерывно, но квантами. Конечно, при акустических колебаниях, вследствие их сравнительно малой частоты, кванты энергии чрезвычайно малы; например, при тоне «ля» они составляют лишь около трех квадрилльонных частей единицы работы в абсолютных механических мерах. Практически гипотеза квантов оставляет поэтому без изменения обыкновенную теорию упругости; ведь мирится же эта последняя с вполне аналогичным обстоятельством, — а именно, с тем, что она рассматривает материю как вполне непрерывную, тогда как, точно говоря, она имеет атомистическое строение, то есть состоит из квантов. Но с принципиальной точки зрения эта новая гипотеза знаменует собой очевидный для всякого переворот. И хотя природа динамических квантов пока еще представляется довольно загадочной, но известные уже ныне факты почти не позволяют сомневаться в их существовании в той или иной форме. В самом деле, не может не существовать то, что может быть измерено.
Так физическая картина мира в свете новейшего исследования постепенно открывает нам все более тесную связь своих отдельных черт и вместе своеобразное их строение, тогда как прежде тонкие детали были недоступны и оставались скрытыми для наших глаз, недостаточно еще изощренных. Однако, можно все-таки спросить, дают ли эти успехи что-нибудь существенное для удовлетворения нашего стремления к знанию? Приближает ли нас утонченная картина мира хотя бы на один шаг к пониманию самой природы? Этот принципиальный вопрос относится к тем, которые были передуманы человечеством бесчисленное множество раз, и если мы здесь остановимся на нем, то не для того, чтобы сказать что-нибудь существенно новое, а просто потому, что еще и теперь взгляды по этому вопросу резко расходятся, а с другой стороны, определить свое отношение к нему необходимо для всякого, кто глубже интересуется целями науки.
Тридцать пять дет тому назад Герман фон Гельмгольц доказывал, что наши восприятия никогда не могут нам дать изображения внешнего мира, а самое большее — лишь указания для его воспроизведения в нашем сознании. Действительно, нет никакого основания допускать какое-нибудь сходство между своеобразным внешним действием и вызванным через него своеобразным ощущением: все вырабатываемые нами представления о внешнем мире, в сущности, являются лишь как бы отражением наших собственных ощущений. Спрашивается, имеет ли какой-нибудь смысл противопоставить нашему самосознанию отличную от него «вещь в себе»? Не представляют ли собой, напротив, все так называемые законы природы, в сущности, лишь более или менее целесообразные правила, посредством которых мы охватываем и выражаем поток наших ощущений во времени возможно точнее и удобнее? Если бы это было так, то оказалось бы, что не только обыкновенный здравый смысл, но и точное исследование природы вечно находились в коренном заблуждении. Нельзя, в самом деле, отрицать, что весь ход развития физического познания до настоящего времени стремился в действительности к возможно более глубокому и принципиальному разделению процессов во внешней природе от процессов в человеческом мире ощущений.
Чтобы найти выход из этого затруднительного положения, нужно сделать еще только один шаг дальше в том же направлении. Предположим, что найдена физическая картина мира, которая удовлетворяет всем предъявляемым требованиям и которая может, следовательно, представить вполне точно все эмпирически найденные законы природы. Конечно, никоим образом невозможно доказать, что такая картина имеет хотя бы некоторое сходство с «действительной» природой. Но с другой стороны, и это обыкновенно упускают из виду, столь же невозможно опровергнуть несравненно более смелое утверждение, — что найденная картина мира во всех без исключения пунктах абсолютно верно передает действительную природу. В самом деле, для того чтобы только приступить к такому опровержению, необходимо ведь хотя бы что-нибудь достоверно знать о природе, а такое допущение заранее исключается, как совершенно невозможное.
Здесь перед нами открывается зияющая пропасть, в которую наука не может проникнуть: перешагнуть через эту бездну — дело не чистого, а практического разума, задача здравого мировоззрения.
Мировоззрение, правда, не может быть доказано наукой, но, поскольку оно не содержат в себе внутренних противоречий и согласуется с фактами опыта, оно с непоколебимой стойкостью выдерживает все нападения. Но ошибочно было бы думать, что хотя бы в самой точной из всех естественных наук можно подвигаться вперед без всякого мировоззрения, то есть без помощи недоказуемых гипотез. Без веры нельзя спасаться и в физике: необходимо верить по меньшей мере в существование некоторой реальности вне нас. Эта твердая вера указывает путь творческим силам, неудержимо стремящимся вперед, только она одна дает необходимую точку опоры ощупью пробирающейся фантазии, и только она постоянно вливает бодрость в утомленный неудачами дух, дает ему силы для новой борьбы. Тот исследователь, который в своей работе не руководится никакой гипотезой, хотя бы лишь временно и с большой осторожностью, этим самым заранее отказывается от углубленного понимания своих собственных результатов. Кто отвергает веру в реальность атомов и электронов, или в электромагнитную теорию световых волн, или в тождественность теплоты тел с движением, тот, конечно, гарантирован от многих логических и эмпирических противоречий. Но было бы очень любопытно видеть, как с такой точки зрения можно было бы хоть на один шаг подвинуть физическое познание!
Одной веры, конечно, недостаточно, и, как показывает история всякой науки, она легко может вводить в заблуждения, может выродиться в ограниченность и фанатизм. Чтобы быть надежным руководителем, она постоянно должна быть контролируема законами логики и опытом, что достигается, в конце концов, лишь посредством добросовестной детальной работы, часто тяжелой и самоотверженной. Тот никогда не будет королем от науки, кто не в состоянии или не хочет, когда необходимо, выполнять роль чернорабочего, будь то в лаборатории или в архиве, под открытым небом или за письменным столом. Только в этой упорной борьбе с препятствиями зреет и очищается миросозерцание. Только тот, кто сам непосредственно был в этой переделке, в состоянии вполне оценить ее смысл и значение.
Примечания
[править]- ↑ Так как атом представляет собой целое, части которого могут совершать лишь согласованные движения, то, чем крупнее атом, тем большая часть кинетической энергии принадлежит согласованным движениям, тем меньше «распыление» энергии на несогласованные, беспорядочные движения отдельных частиц. Прим. ред.
- ↑ Иными словами, возникает представление о наименьшем неделимом количестве энергии, «кванте» энергии, аналогичное наименьшему количеству, «кванту» вещества. Прим. ред.