Реферат: Развитие атомистических воззрений в XX веке

Что значит, что для нас новая теория не наглядна? Это значит, что опыт привел нас к каким-то новым явлениям, для которых вся сложившаяся в нашем мозгу в результате всего предыдущего опыта система представлений оказывается непригодной, это значит, что мы не можем излагать новые факты при помощи старых образов, уже привычных для нас и поэтому наглядных. Но ведь это возможно только в том случае, если эти факты имеют место вне нас, в реально существующей природе. В нас самих не было никаких решительно предпосылок для того, чтобы придумать фотоны, в движении электронов заподозрить волновой процесс, чтобы создать синтез корпускул и волн, — у нас для этих понятий не нашлось ни слов, ни представлений.

Такие моменты, когда наука перестает быть наглядной, когда она по существу не может быть наглядной, могут быть обусловлены только реальным существованием внешнего мира. Поэтому, мне кажется, бояться отсутствия наглядности у нас нет оснований.

Я хотел бы на двух примерах показать действительную необходимость создания новых представлений, полную невозможность какой бы то ни было комбинации привычных величин. Одно из этих явлений — дифракция электронов, которая дала первое непосредственное опытное обоснование волновой природы движения. Эта электронная дифракция сделалась одним из широко распространенных методов изучения структуры поверхностных слоев и кристаллов, исследования коррозии и поверхностного катализа. Электронная дифракция, наряду с рентгеновской дифракцией, становится методом не только физических исследований, но и технического контроля. Это уже область, богатая экспериментальными фактами.

Будем ли мы рассматривать дифракцию электронов при прохождении их через два близких отверстия или при отражении от ряда последовательных атомных слоев кристалла, нам придется допустить, что одни и те же электроны одновременно проходят через оба отверстия или отражаются последовательно от целого ряда слоев, несмотря на то что потом мы можем их обнаружить как отдельные электроны, сконцентрированные в очень малом объеме, и что можем даже наблюдать пути, пройденные отдельным электроном после дифракции.

Другое явление — прохождение электронов сквози энергетические барьеры, значительно превышающие запас их кинетической энергии. Это явление мы наблюдаем в фотоэффекте, в плохих контактах, в атомном ядре. Применяя понятие об определенной скорости электрона в определенной точке пространства внутри барьера, пришлось бы признать ею скорость мнимой, его кинетическую энергию отрицательной. Все эти трудности устраняются принципом неопределенности и возникают оттого, что мы пытаемся объяснить новые явления старыми, совершенно для них непригодными, бессмысленными в этой области представлениями. Также нелепо, например, определять плотность тела в участках размером в 10~⁹ см, хотя в это определение и можно вложить определенный смысл.

Таким образом, волновые представления в атомной физике настойчиво диктуются нашим опытом и неизбежно требуют создания новых, нам еще не привычных, не допускающих наглядного истолкования законов. Пока они описываются уравнениями Шредингера.

С другой стороны, направление Борна и Гейзенберга тоже на первых же шагах получило блестящее подтверждение. При помощи матричной механики удалось определить интенсивность линий, разобраться в явлениях Штарка и Зеемана, дать им количественную теорию и т. д.

Таким образом, новая квантовая механика, хотя с момента ее рождения прошло еще немного лет, обоснована опытом не менее прочно и не менее широко, чем старая квантовая механика, электромагнитная теория Максвелла или ньютонова механика. Несомненно, что дуализм частицы и волны неразрешим в рамках тех величин и представлений, которыми мы описывали и объясняли окружающие нас макроскопические явления.

Простое рассмотрение любого из фактов атомной физики, а они нисколько не стали хуже от того, что являются новыми, с неизбежностью приводит нас к заключению, что здесь нужны новые понятия, новый язык.

Эти новые представления ищет и Дирак в своих уравнениях, и Шредингер в волновой механике, и Гейзенберг в своем принципе неопределенности. Эти новые методы еще несовершенны, им еще не удается дать законченные, строго систематические формулировки, подобные системе классической механики Ньютона, тем не менее это черты той новой картины мира, которую мы видим пока в отдельные просветы в том или другом аспекте. Каждое из этих представлений есть большой и несомненно положительный шаг вперед, и каждое из них, мне кажется, если его правильно разобрать, есть одно из новых подтверждений диалектического материализма. Они лишний раз показывают, насколько реальный, вне нас существующий мир сложнее, многостороннее, чем те схемы, которые мы создали на основе прошлого опыта, как этот мир раскрывается нам в своих проявлениях путем отдельных противоречивых аспектов, диалектически объединяемых по мере накопления опыта в активном практическом применении. В трудностях и противоречиях современной теории заложены новые обобщения, новый синтез.

Критерием ценности новых теорий является их соответствие всей совокупности нашего опыта. А этот экзамен теории Дирака, Шредингера и Гейзенберга выдержали. Конечно, эти новые представления затронули очень многое из логических привычек и макроскопического опыта и больно ударили по нашей психологической лени. Если бы мы были махистами, это было бы, мне кажется, убедительным возражением. Может быть, неэкономно перестраивать все наше мировоззрение для того, чтобы правильно описать определенную группу явлений. Не проще ли поступить так: все прежнее прекрасно можно описывать по-старому, а для нового можно добавить какие-нибудь мнемонические правила. Это будет гораздо экономнее. Если мы не уверены, что здесь проявляются свойства реального, вне нас существующего мира, то вряд ли стоит производить такую коренную ломку и создавать себе такие психологические неприятности.

Принцип неопределенности является одной из новых и, мне кажется, очень положительных форм описания существа тех новых свойств, которые мы усмотрели в природе, когда подошли к атомным явлениям. Он неизбежно вносит новое содержание в понимание причинности, существующей в природе.

Мы думали, что лишь макроскопические, явления представляют собой результат статистической игры каких-то элементарных процессов, а элементарные механические или электродинамические явления подчиняются однозначно законам механики. Почему мы так думали? Да просто потому, что мы ничего о них не знали. Диалектично лиг было так думать? Я бы сказал — нет. Считать, что разнообразие природы ограничивается атомами и па этом кончается, — вряд ли диалектично. На самом деле, когда мы подошли к этим атомам, то оказалось, что атомы не только сложные тела — это нас не удивило, но что законы их вовсе не простые элементарные законы обычной механики, целиком перенесенные в атомные размеры, что и здесь та же статистика, то же колоссальное разнообразие. В основе грубой статистики лежит не однозначная механика, а опять-таки та же многозначная атомная статистика. Принцип неопределенности — это второй принципиально новый шаг в метрологии, в науке об измерениях, позволяющей количественно изучать природу. Первый существенный шаг был сделан теорией относительности.

До теории относительности мы не задавали себе вопрос о том, как следует производить измерения при быстром движении. Обыкновенно достаточно приставить масштаб и отсчитать его показания у двух отметок: здесь 12, там 34, значит, расстояние равно 22. Но оказалось, что, когда тело быстро движется, этот прием не годится: пока посмотрели на один конец, другой отъехал и отсчет теряет смысл. Нужно было разобраться в том, что значит измерять движущийся объект; частная теория относительности и дает ответ, как в таком случае поступать. Она дает единственный логически возможный, вытекающий из наших знаний о природе метод. Наилучшее орудие измерения — свет, но он движется с конечной скоростью, и это приводит к тем особенностям измерения пространства и времени, которые дает теория относительности. Это первый этап метрологии.

Но, измеряя какую-то величину, мы должны помнить, что при всяком измерении возможна ошибка. Мы и здесь поступали некритически; мы рассуждали так: этот прибор дает такую-то ошибку, а другой — иную. Приборы наши вообще несовершенны. Но если бы они были совершенны, мы могли бы измерять с какой угодно точностью. Почему это так? Только потому, что мы были далеки от истинного предела точности. Если вы знаете, что ничего лучше светового луча для измерения нет, а световой луч — это совокупность квантов, значит, в природе нет ничего, что могло бы быть измерено с точностью кванта. Но не в этом только дело. Дуализм частицы материи выявил более глубокие стороны этого явления. Оказывается, что существует принципиальная граница точности, вытекающая из основных свойств материи. Еще в самом начале нашего столетия первая квантовая теория лучистой энергии

Плапка принуждена была разбить фазовое пространство на отдельные участки, площадь которых равна постоянной Планка. Ничего другого не утверждает принцип неопределенности. Он только более последователен. По Планку, в самом пространстве как бы имелись уже твердые перегородки, хотя они определяли не отдельные координаты, а их произведения, площади. Только переход из одной площадки в другую есть реальное явление. Теперь нет перегородок, но размер площадки — это предел неопределенности. Следовательно, мы не можем точно задать начальное состояние. Раньше мы без всяких оснований считали, что можем, потому только, что мы не ставили перед собой этого вопроса. А если, как оказывается, его задать нельзя, то никакая механика не может дать однозначного предсказания того, что произойдет. Невозможность однозначной причинности просто вытекает из того, что априорные предпосылки, которые когда-то делались без всяких оснований, оказались неверными. Начальные состояния в том виде, как это нужно для расчета, задавать нельзя.

Следует ли из этого, что теперь есть свобода воли вместо причинности? Я недавно был на Днепрострое и не видел, чтобы он капризничал. Он действует по самым настоящим законам, как и следует по принципу неопределенности Гейзенберга, и свободы воли не проявляет. Это не шутка. На самом деле макроскопические явления, на изучении которых построен наш опыт, протекают, конечно, закономерно. Но в основе этой закономерности лежит статистика — и далее, как оказалось, еще более глубокая статистика статистик.

В какой степени это нарушает наше основное логическое понятие причинности? Мне кажется, что ни в какой степени. Здесь есть только его уточнение, его углубление, но не его отрицание. Надо помнить, что неопределенность относится только к той новой области внутриатомных явлений, которые имеют размер, сравнимый с длиной волны атомных движений, только в таких миллиардных долях миллиметра эти свойства и проявляются.

Почему мы это положение вещей воспринимаем как новое затруднение? Причина здесь вот в чем. Если бы мы удовлетворились волновой картиной описания, то не было бы никаких трудностей. Она определяется однозначно. Трудность возникает оттого и только оттого, что мы фактически умеем наблюдать не только эту волновую статистику, но и элементарные электроны, отдельные атомы, отдельные молекулы. Мы не может довольствоваться статистической трактовкой волновой картины, так как она не указывает, где и в каком месте мы поймаем этот электрон, а определяет вероятность нахождения его в том или другом месте.

Мне кажется, что более подробный разбор того, что вытекает из принципа неопределенности, заставляет считать его очень крупным достижением, льющим воду на мельницу диалектического материализма, а не каким-то подводным камнем.

Но, кроме принципа неопределенности, который совсем не страшен, а, наоборот, представляет собою развитие и конкретизацию диалектических воззрений на природу, новая физика выдвигает целый ряд других более сложных проблем. Из того же закона статистической закономерности вытекает весьма мало наглядное следствие — лишение частицы ее индивидуальности. Имея совокупность частиц, мы можем сказать, что здесь находится 2 360 ООО этих частиц, и в то же время одна частица не только неотличима от другой, но не имеет своей индивидуальности. Ничего физически не значит, что какая-то одна частица стала на место другой, а другая — на место первой. От такого представления нужно отказаться. Этого требует практическое применение новой статистики фотонов для лучистой энергии, статистики электронов в металлах, статистики газовых молекул р вычисление химических постоянных. Наконец, именно на отсутствии индивидуальности, на необходимости рассматривать две отдельные взаимодействующие частицы как одну неделимую систему основана вся химия. Все основные взаимодействия, с которыми мы имеем дело, химические и молекулярные, сводятся, наряду с электростатикой, к силам обмена, которые именно в том и заключаются, что два электрона двух частиц представляют собой как бы двойной электрон; он может быть в одной и другой частице, может обменяться местами, и результат этого проявляется как новая система сил, которая играет в природе решающую роль. Это можно объяснить и более наглядно. Вы можете представить себе эти атомы окутанными облаками электронов. Это электронное облако, связывающее атомы, соответствует во всех деталях тем валентностям, которыми издавна пользовались в химической науке. Вопрос о потере индивидуальности частицами принципиально более важен, чем новая форма причинных связей, с которой он, впрочем, тесно связан.

Наконец, неисчерпаемый кладезь трудностей (в том смысле, что все новое трудно) имеется в новых фактах, вскрытых изучением атомного ядра примерно с 1932 г. Прежде всего оказалось, что когда мы от 100-мпллионных долей сантиметра перешли к триллионным долям сантиметра, к ядру, то здесь и квантовая механика оказалась бессильной, по крайней мере по отношению к легким частицам, к электронам. Электрон в ядре потерял свои свойства, ему там нет места. Как известно, эти трудности электрона в ядре как раз и показали предел применимости квантовой механики, показали, что здесь мы вступаем в новую область явлений, для которой непригодна вся та система представлений, которая только что создана новой волновой механикой. Здесь и возник вопрос о справедливости закона сохранения энергии. На эту постановку вопроса у нас накинулись как на некое преступление против диалектического материализма (конечно, это относится далеко не ко всем философам, но к очень многим из них). Я уверен, что такое обвинение есть совершенное непонимание основ диалектического материализма. Наоборот, вполне возможно, что, переходя в новую, неисследованную область при таком резком количественном изменении масштаба, мы натолкнемся на новые качественные свойства. В этом не было бы ничего удивительного, и отрицать это заранее ни в каком случае нельзя. Всякий закон природы, в частности и закон сохранения энергии, не априорный закон, не какая-то категория нашего сознания, а результат обобщения опыта, обширной практики. Никакой опытный закон не может претендовать на то, чтобы быть обязательно справедливым для такой области явлений, которая впервые становится доступной опыту. Святых законов в физике не может быть, закон сохранения энергии тоже не есть святой закон, и канонизировать его нет никаких оснований. Однако, по моему мнению, нет оснований считать, что те факты, которые заставили усомниться в законе сохранения энергии, его действительно опровергают.

Из того, что в новой области при резком количественном изменении могут быть установлены новые качественные закономерности и что даже закон сохранения энергии может измениться, не следует, что непременно каждый раз, когда мы подходим к новому явлению, нужно прежде всею считать все прежние обобщения неверными.

На самом деле дальнейший ход опытов подтвердил, что достаточных оснований для отказа от закона сохранения энергии в ядре не было. За отказ говорил только тот факт, что радиоактивные вещества испускают электроны (бета-лучи) всевозможных скоростей, хотя можно было думать, что при радиоактивных процессах ядра переходят из одного определенного состояния в другое состояние столь же определенной энергии. Это не соответствует схеме сохранения энергии. Но потому ли, что самый закон сохранения энергии неверен, или потому, что мы знаем только часть явления? Аналогичных противоречий можно найти сколько угодно. Например, стакан чаю охлаждается на столе. Что же, значит, закон сохранения энергии неверен? Мы знаем, как на самом деле обстоит дело, и если рассмотреть, что происходит в воздухе, то можно найти пропавшую энергию. Поэтому не было достаточных оснований утверждать, что в ядре мы натолкнулись на противоречие в самом законе, а не на некоторую неполноту наших знаний.

Паули предположил, что, может быть, вместе с электронами из ядра вылетает и еще что-нибудь, отнимающее часть энергии. То, что вылетает, не может обладать зарядом, так как не меняет заряда ядра. Эти нейтральные частички должны обладать и очень малой массой, раз мы не замечаем их ударов о другие ядра. Это— нейтрино.

Если верно то, что энергия при переходе распределяется между видимым, измеримым электроном и уходящим, незаметным для нас нейтрино в разных пропорциях, то крайним пределом будет тот, когда вся энергия была бы поглощена электроном, а нейтрино получили бы ее мало или почти ничего. Но тогда наибольшая энергия, которую получает электрон, и будет всей энергией. Это те случаи, когда на долю нейтрино почти ничего не остается. Поэтому наивысшая скорость испускаемых электронов должна отвечать всей энергии, которая освобождается в ядре.

И вот недавно Эллис очень тщательными и чрезвычайно точными наблюдениями с несомненностью показал, что именно для этого предела, т. е. для энергии, теряемой ядром, ни малейшего отступления от закона сохранения энергии нет.

Таким образом, закон сохранения энергии к настоящему моменту пока сохранен. Нельзя утверждать, что для этого нет другого пути, кроме нейтрино. Это только один из возможных способов, подтверждающийся, впрочем, и другими явлениями. На основе этого представления Ферми создал теорию испускания бета-лучей, которая находится в хорошем согласии с опытом. Таким образом, нейтрино имеет пока две точки опоры. Может быть, этого недостаточно для полной устойчивости и достоверности, но некоторую возможность существования эти две точки соприкосновения с опытом ему дают.

Вместе с этим нейтрино и с твердо установленным нейтроном в наши представления о внешнем мире входит нечто новое и очень существенное. В результате эволюции, которая выявилась к моменту написания книги Ленина, у нас было сравнительно простое представление об энергии, материи, веществе и т. д. Мы представляли себе дело так, что материя есть совокупность электрических зарядов.