В. Гейзенберг. Традиция в науке

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 13Следующая ⇒

Новая наука начиналась с астрономии, так что положение и скорость тел оказались естественным образом первыми понятиями для описания природных феноменов. Ньютон, использовавший в «Математических началах натуральной философии» сверх того еще и понятия массы и силы, ввел термин «количество движения», в принципе совпадающий с тем, что мы называем импульсом; а позднее понятийная база механики была дополнена такими понятиями, как кинетическая и потенциальная энергия. На них в течение более чем столетия опиралась вся точная наука, и их успех был настолько впечатляющим, что даже когда изучаемые феномены наводили на мысль о новых понятиях, ученые старались хранить верность традиции и сводить свои концепции к старым понятиям. Движение жидкостей мы представляем себе как движение бесконечно многих мельчайших частиц жидкости, динамика которых с успехом поддается описанию в терминах ньютоновских законов. Когда во второй половине XVIII века пробудился интерес к электричеству и магнетизму, ученые продолжали пользоваться в описании феноменов понятием силы, а под силой в смысле старой механики понимали непосредственное воздействие, зависящее только от положения и скорости рассматриваемых тел. Для осмысления различных состояний и химического поведения материи Гассенди снова возвратился к идее ее атомистического строения, а его преемники использовали Ньтонову механику для описания движения атомов и вытекающих отсюда свойств материи. Луч света понимали либо как малую, стремительно движущуюся частицу, либо как серию волн. Волны со своей стороны не могли двигаться иначе как в материи того или иного рода, и ученые позволяли себе надеяться, что мельчайшие частицы этой материи можно в конечном счете представлять подчиняющимися ньютоновским законам.

Как и в случае с научным методом, никто не сомневался, что подобное сведение к механическим понятиям в конечном счете осуществимо. Но история решила иначе. В XIX веке становилось все яснее, что электромагнитные явления имеют иную природу. Фарадей ввел понятие электромагнитного поля, и после усовершенствования его теории Максвеллом это понятие приобретало еще большую реальность; физики постепенно поняли, что силовое поле в пространстве и времени может быть точно такой же реальностью, как положение или скорость массы, и что нет никакого смысла считать силовое поле характеристикой некой неведомой субстанции, именуемой «эфиром». Традиция здесь скорее сбивала с толку, чем помогала. Только после открытия относительности окончательно распрощались с идеей эфира, а тем самым и с надеждой свести электромагнетизм к механике.

Аналогичный процесс можно констатировать и в теории теплоты; правда, здесь отход от понятий механики заметен лишь в очень тонких вопросах. Вначале все казалось очень просто. Любое материальное образование состоит из множества атомов и молекул; считалось, что статистического обобщения механических движений этого множества частиц достаточно для создания полной картины поведения материи под влиянием тепла или химических изменений. Понятия температуры и энтропии представлялись в точности отвечающими задаче описания этого статистически выявляемого поведения. По-моему, Гиббс первым понял, какая пропасть в физике была открыта этими понятиями. Его идея канонического распределения показывает, что словом «температура» обозначается мера нашего знания о механическом поведении атомов, а не их объективное механическое поведение. Слово это относится к определенному роду наблюдения, потому что им заранее предполагается известный теплообмен между системой и измерительным прибором (термометром), т.е. состояние термодинамического равновесия. Поэтому, зная температуру системы, мы не можем в точности знать ее энергию, причем эта неточность зависит от числа степеней свободы системы. Естественно, традиция со всей очевидностью преграждала дорогу подобному истолкованию, и физики в своем большинстве, насколько мне известно, не принимали его вплоть до окончательного оформления квантовой теории в нашем столетии. Мне все же хотелось бы упомянуть, что Нильс Бор по моем прибытии в 1924 г. в его копенгагенский институт первым делом рекомендовал мне прочитать книгу Гиббса о термодинамике. И он добавил, что Гиббс – единственный физик, по-настоящему понявший статистическую термодинамику.

А в других областях дело выглядело еще хуже. Мы были вынуждены признать, что в теории относительности и в квантовой теории некоторые из наиболее старых традиционных понятий неудовлетворительны и подлежат замене более точными. Пространство и время не так независимы друг от друга, как казалось Ньютону, они связаны между собой преобразованием Лоренца. В квантовой механике состояние системы может быть математически охарактеризовано вектором в многомерном пространстве, и этот вектор заключает в себе высказывания о статистическом поведении данной системы при определенных условиях наблюдения. Объективное описание системы в традиционном смысле тут невозможно. Входить в детали нет необходимости. Для физиков было трудно принять это изменение своих фундаментальных понятий.

Гейзенберг В. Шаги за горизонт. – М., 1987.-С. 235-238.

М.Борн. Физика в жизни моего поколения

То, что Шредингер отстаивает, можно сформулировать в нескольких предложениях: единственной реальностью в физическом мире являются волны. Нет никаких частиц и никакого кванта энергии hυ; они суть иллюзии, основанные на неправильной интерпретации явления резонанса интерферирующих волн. Эти волны связаны с целыми числами способом, хорошо известным из колебаний струнных и других музыкальных инструментов. Способ, каким эти целые числа проявляются, привел физиков к ложному выводу о том, что эти числа представляют собой число частиц. Кроме того, существует специальный резонансный закон, типичный для квантовой механики, согласно которому сумма собственных частот двух взаимодействующих систем остается постоянной. Это было интерпретировано физиками как закон сохранения энергии в применении к квантам и частицам. Но кванты или частицы тут ни при чем. Любая попытка описать физическое явление в терминах частиц, не противореча хорошо известному волновому характеру их распространения в пространстве, приводит к невероятным, неприемлемым концепциям, подобным допущению мгновенных квантовых скачков частиц из одного стационарного состояния в другое. И дальше: если вы пытаетесь описать газ как систему частиц, вы вынуждены лишить их индивидуальной различимости, если вы пишите символ (А, В) для выражения того, что А находится в одном месте, а В – в другом, то два состояния (А, В) и (В, А) не только физически неразличимы, но и представляют статистически только один случай, а не два, как требовал бы здравый смысл. Все эти и многие другие трудности исчезают, если вы отказываетесь от концепции частиц и используете только волновые представления.

Почему атомы необходимы

…Все же нельзя отказываться от концепции частиц. Как я уже говорил, для вычислений физика-теоретика весь этот спорный вопрос является почти несущественным. Но если он хочет сопоставить свои результаты с экспериментальными фактами, он должен описать их в терминах физического аппарата. Последний состоит из твердых тел, а не из волн. Таким образом, в любом случае, даже если бы описание физических фактов было возможно исключительно на основе волнового представления, все же в известном пункте должен совершаться переход к обычным твердым телам. Но законы, управляющие движением этих реальных тел, несомненно, являются законами механики Ньютона. Таким образом, волновая теория необходимо должна располагать средствами для перевода ее результатов на язык механики обычных тел. Если это делается систематически, то связующим звеном является матричная механика или одно из ее обобщений. Во всяком случае я не вижу, как можно избежать этого перехода от волновой механики к обычной механике твердых тел.

Рассмотрим теперь вопрос другим способом, исходя из обычных тел. Их можно разделить сначала на мелкие, а затем на еще более мелкие части. Идея греков заключалась в том, что эта процедура должна где-то кончиться, когда деление дойдет до атомов, неделимых частиц.

Современная теория изменила до некоторой степени эту точку зрения, но я не нахожу нужным углубляться в детали, которые вы все знаете. Части вещества, полученные последовательным делением, имеют одну и ту же физическую природу до тех пор, пока вы не приблизились к химическому атому. Атом неделим, но его части имеют иную природу, это более тонкие частицы, нуклоны и электроны. Затем мы обнаруживаем, что самые малые части, химические атомы и в еще большей степени нуклоны и электроны, не только качественно различны, но обладают бесспорно странными свойствами, которых мы в нашем опыте с обычными телами не встречаем. Они ведут себя не так, как частицы порошка, в который вы размельчили сначала ваш материал. Они лишены индивидуальности, их положение и скорость могут быть определены только с ограниченной точностью (согласно соотношению неопределенностей Гейзенберга), и т.д. Скажем ли мы теперь, что частиц больше нет и что мы должны с сожалением отказаться от использования этой полезной и привлекательной картины?

Мы можем это сделать, если примем крайне позитивистскую точку зрения, согласно которой единственной реальностью являются ощущения, а все остальное – это «конструкции» нашего разума. С помощью математического аппарата квантовой механики мы способны предсказать, что будет наблюдать экспериментатор при определенных условиях эксперимента – ток, отмечаемый в гальванометре, след на фотографической пластинке. Но не имеет смысла спрашивать о том, что стоит за явлением – волны, частицы или что-нибудь еще. Многие физики приняли эту точку зрения. Мне лично она совсем противна так же, как и Шредингеру. Поэтому он настаивает на том, что за явлениями, за ощущениями есть нечто определенное, а именно то, что можно описать как волновое движение в еще слабо исследованной среде. Недавно американский физик Бом принял противоположную точку зрения; Бом заявляет, что он может интерпретировать всю квантовую механику на основе обычных частиц, а именно с помощью «скрытых» параметров, которые служат для описания ненаблюдаемых процессов.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒