В.Вайскопф. Нильс Бор, квант и мир

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 13Следующая ⇒

Одним из достижений, выделяющихся в сложной истории идей XX в., явилось развитие наших представлений о строении вещества. Это развитие шло путем неуклонного, все более глубокого проникновения в суть внутренней структуры атома и сопровождалось чрезвычайным расширением нашего понимания природы материи. Современный научный прогресс часто описывают, оперируя представлениями о революциях и переворотах, когда новая теория разрушает предшествующие теории. Однако такое описание проходит мимо того факта, что развитие науки по своей внутренней сущности эволюционно. Любая из новых и так называемых революционных идей в современной науке возникла как усовершенствование старой системы мышления, ее обобщение или расширение. Теория относительности не устраняет механику Ньютона — орбиты спутников все еще рассчитываются по ньютоновской теории, — она расширяет область применения механики на случай высокой скорости и устанавливает общую значимость одних и тех же концепций для механики и теории электричества. Появление квантовой теории, видимо, больше других событий в науке напоминает революцию, но даже эти идеи, например принцип неопределенностей, следует рассматривать как уточнение классической механики при переходе к рассмотрению очень малых систем; они не меняют степени приложимости классической механики к движению более крупных тел.

Постоянный и непрекращающийся рост знаний о строении вещества может помогать ученым, живущим в этом столетии беспорядков и переворотов, сохранять стабильность образа мыслей. Влияние же его на общество оказывается иным. Любой рост знаний этого рода приносит все больше и больше способов и средств обращения с новыми веществами, новыми видами энергии и новыми орудиями насилия, которые можно по желанию пускать в ход или прекращать

их применение. Это, в свою очередь, неизбежно меняет образ жизни во все возрастающей степени, оставляя нас в неприятном положении, когда мы с нашей привычной системой оценок сталкиваемся с человеческими проблемами, порожденными новыми достижениями науки.

Ничто не может дать лучшей иллюстрации этих проблем, чем изучение жизни Нильса Бора. Это был великий физик, один из величайших. Его имя стоит рядом с именами Галилея, Ньютона, Максвелла и Эйнштейна. Его труды положили начало тому великому развитию науки, о котором мы говорим здесь, и продолжали влиять на него в течение полувека. В большей степени, чем какой-либо другой ученый, он был озабочен человеческими проблемами своей науки, столкновением политики и интересов общества. Он родился в 1885 г.; его жизнь как ученого началась примерно в 1905 г. и продолжалась пятьдесят семь лет. 1905 г. был годом, когда Эйнштейн лишь через несколько лет после открытия Планком кванта действия опубликовал свою первую статью по специальной теории относительности.

…В 1913 г. была опубликована работа о квантовых орбитах атома водорода. В этой замечательной статье предлагалось объяснять необъяснимые свойства атома с помощью введения совершенно новой физической концепции — представления о квантовом состоянии. Идеи Бора основаны на предшествующих работах Планка и Эйнштейна. Он применил идею кванта к атомной структуре. Вряд ли существует другая статья в физической литературе, которая вызвала бы появление такого множества теорий и открытий.

Этой знаменитой статьей отмечено начало серии новых прозрений. За десять лет, последовавших после ее публикации, многие явления, ранее не находившие объяснения, встали на свое место в общей схеме представлений: структура спектров элементов; процесс поглощения и излучения света; сущность периодической системы элементов, загадочной последовательности свойств 92 различных видов атомов. Это был период, когда качество (индивидуальность химических веществ) было сведено к количеству (числу электронов в атоме). Все это основывалось на боровском предположении о существовании в атоме квантовых орбит, которое в то время еще было предварительной гипотезой. Современники Бора, однако, воспринимали это предположение совершенно буквально, хотя Бор предупреждал их в своих статьях и письмах, что оно не может быть окончательным объяснением и что должно быть открыто нечто фундаментальное, чтобы по-настоящему понять все происходящее при атомном квантовании.

Второй период явился временем, когда квант был полностью понят. Это был героический период, не имеющий параллелей в истории физики, наиболее плодотворный и самый интересный этап современной физики. Не существует отдельной статьи Бора, которая характеризовала бы этот период в той же мере, как это было сделано в первом периоде работой 1913 г. Бор нашел новый метод работы. Он больше не действовал в одиночку, а трудился, объединившись с другими физиками. Он приобрел большую силу, собрав вокруг себя наиболее активных, наиболее одаренных и самых перспективных физиков мира. В это время у Бора в его знаменитом Институте теоретической физики в Копенгагене работали такие люди, как Клейн, Крамерс, Паули, Гейзенберг, Эренфест, Гамов, Блох, Казимир, Л. Д. Ландау и многие другие. Именно в это время и при участии этих людей были заложены основы квантовых представлении, постигнуто и рассмотрено соотношение неопределенностей, впервые понят корпускулярно-волновой парадокс.

В оживленных дискуссиях с участием двух или большего числа собеседников проливался свет на глубочайшие проблемы строения вещества. Можно представить себе, какая атмосфера, какая жизнь, какая интеллектуальная активность царили в то время в Копенгагене. Здесь ощущалось влияние Бора в самых лучших его проявлениях. Именно здесь он создал свой стиль, копенгагенскийдух, стиль весьма специфический, который он внедрил в физику. Мы видим его, величавого, действующего, говорящего, живущего как равный в группе молодых оптимистически настроенных, остроумных, полных энтузиазма людей, постигающих глубочайшие загадки природы, действующих в духе атаки, в духе свободы от привычных пут, в атмосфере шуток, которую с трудом можно описать. Помню, что будучи очень молодым человеком в те времена, когда мне посчастливилось оказаться в Копенгагене, я бывал слегка ошарашен некоторыми шутливыми выходками, происходившими в ходе дискуссии и, как мне казалось, свидетельствующими о нарушении приличий. Я поделился своими чувствами с Бором, и он ответил мне так: «Существуют вещи настолько серьезные, что о них можно только шутить».

В это великое для физики время Бор и его сотрудники прикоснулись к нерву Вселенной. Интеллектуальный взор человека устремился к внутренним механизмам природы, до этого покрытым тайной. Как только были установлены фундаментальные принципы атомной механики, стало возможным понять ирассчитать почти все явления в мире атомов, такие, как атомное излучение, химическая связь, строение кристаллов, металлическое состояние имногие другие. До этого для нас окружающая природа была полна различных сил: электромагнитных, капиллярных, сил сцепления, химических и упругих; теперь все они свелись к одной — к электромагнитной силе. В течение всего лишь нескольких лет была заложена основа науки об атомных явлениях, выросшей теперь в огромную отрасль знания.

Попытаюсь в нескольких словах обрисовать роль новых идей, возникновению которых способствовал Бор. Химия и физика развивались порознь. Химия была наукой о веществе и его специфических свойствах. Атом был понятием химическим: атом золота, кислорода, серебра — разные специфические объекты, существование которых было замечено, но не понято. Физика занималась общими свойствами движения, деформаций и напряжений, электрическими и магнитными полями. Две науки были очень далеки друг от друга. Еще нельзя было ответить на вопрос, откуда взялись характерные свойства вещества.

Специфичность атомов определенного сорта представлялась великим чудом. Что мешало природе породить атом золота, который слегка отличался бы от другого? Почему бы не существовать промежуточным атомам, которые были бы наполовину атомами золота, а наполовину — атомами серебра? Почему не происходит непрерывного изменения свойств от золота до серебра? Что заставляет все атомы одного вещества быть с такой точностью одинаковыми? Почему они не меняются, когда вещество нагревают или подвергают другим внешним воздействиям? Эти вопросы стали еще более острыми и обескураживающими после того как Резерфорд обнаружил, что атомы представляют собой маленькие солнечные системы с атомным ядром вместо центрального солнца и электронами, обращающимися вокруг него подобно планетам. Такие системы должны бытьисключительно чувствительны к соударениям и другим возмущающим воздействиям.

Бор увидел, что существует связь между этими свойствами атомов и квантовой теорией. Он попытался формализовать эту точку зрения, постулируя существование квантовых состояний атомных систем, характерных для каждого вида вещества. Электроны могут группироваться вокруг ядра только в небольшом числе вполне определенных вариантов - квантовых состояний - и никаким другим способом. Состояние с наименьшей энергией есть то, которое неизменно должны образовывать электроны при нормальных условиях. Это стабильная конфигурация, поскольку любое ее изменение возможно лишь при подводе энергии в количестве, достаточном для достижения следующего квантового состояния, которое расположено выше по энергетической шкале. Именно такое низшее состояние ответственно за типичные свойства атомов.

Пока это лишь подходящая формулировка объяснения того странного факта, что атомы обладают специфическими свойствами. У Бора она значила несколько больше, поскольку он дал некоторые правила корректного расчета энергий этих квантовых состояний в ряде простых случаев. Однако реальное значение эта новая концепция приобрела, когда стала ясной ее тесная связь с двойственной природой электронов, движение которых иногда наблюдается как движение частиц, а иногда как волновое движение.

Вайскопф В. Физика в двадцатом столетии. – М., 1977.- С. 53-55.

Аристотель. Бытие и материя

...Большинство первых философов считало началом всего одни лишь материальные начала, а именно то, из чего состоят все вещи, из чего как первого они возникают и во что как в последнее они, погибая, превращаются, причем сущность хотя и остается, но изменяется в своих проявлениях, - это они считают элементом и началом вещей. И потому они полагают, что ничто не возникает и не исчезает, ибо такое естество (рhysis) всегда сохраняется; подобно тому как и про Сократа мы не говорим, что он вообще становится, когда становится прекрасным или образованным, или что он погибает, когда утрачивает эти свойства, так как остается субстрат - сам Сократ, точно так же, говорят они, не возникает и не исчезает все остальное, ибо должно быть некоторое естество — или одно, или больше одного, откуда возникает все остальное, в то время как само это естество сохраняется.

Относительно количества и вида такого начала не все учили одинаково. Фалес - основатель такого рода философии - утверждал, что начало - вода (потому он и заявлял, что земля находится на воде); к этому предположению он, быть может, пришел, видя, что пища всех существ влажная и что само тепло возникает из влаги и ею живет (а то, из чего все возникает, - это и есть начало всего). Таким образом, он именно поэтому пришел к своему предположению, равно как потому, что семена всего по природе влажны, а начало природы влажного — вода.

Некоторые же полагают, что и древнейшие, жившие задолго до нынешнего поколения и первые писавшие о богах, держались именно таких взглядов на природу: Океан и Тефию они считали творцами возникновения, а боги, по их мнению, клялись водой, названной самими поэтами Стиксом, ибо наиболее почитаемое — древнейшее, а то, чем клянутся, — наиболее почитаемое. Но действительно ли это мнение о природе исконное и древнее, это, может быть, и недостоверно, во всяком случае о Фалесе говорят, что он именно так высказался о первой причине (что касается Гиппона, то его, пожалуй, не всякий согласится поставить рядом с этими философами ввиду скудости его мыслей).

Анаксимен же и Диоген считают, что воздух первее (рroteron) воды, и из простых тел преимущественно его принимают за начало; а Гиппас из Метапонта и Гераклит из Эфеса — огонь, Эмпедокл же — четыре элемента, прибавляя к названным землю как четвертое. Эти элементы, по его мнению, всегда сохраняются и не возникают, а в большом или малом количестве соединяются в одно или разъединяются из одного.

А Анаксагор из Клазомен, будучи старше Эмпедокла, но написавший свои сочинения позже его, утверждает, что начал бесконечно много: по его словам, почти все гомеомерии, так же как вода или огонь, возникают и уничтожаются именно таким путем — только через соединение и разъединение, а иначе не возникают и не уничтожаются, а пребывают вечно.

Исходя из этого за единственную причину можно было бы признать так называемую материальную причину. Но по мере продвижения их в этом направлении сама суть дела указала им путь и заставила их искать дальше. Действительно, пусть всякое возникновение и уничтожение непременно исходит из чего-то одного или из большого числа начал, но почему это происходит и что причина этого? Ведь как бы то ни было, не сам же субстрат вызывает собственную перемену; я разумею, что, например, не дерево и не медь — причина изменения самих себя, и не дерево делает ложе, и не медь — изваяние, а нечто другое есть причина изменения. А искать эту причину — значит искать некое иное начало, [а именно], как мы бы сказали, то, откуда начало движения. Так вот, те, кто с самого начала взялся за подобное исследование и заявил, что субстрат один, не испытывали никакого недовольства собой, но во всяком случае некоторые из тех, кто признавал один субстрат, как бы под давлением этого исследования объявляли единое неподвижным, как и всю природу, не только в отношении возникновения и уничтожения (это древнее учение, и все с ним соглашались), но и в отношении всякого другого рода изменения; и этим их мнение отличается от других. Таким образом, из тех, кто провозглашал мировое целое единым, никому не удалось усмотреть указанную причину (причину «движения»), разве что Пармениду, да и ему постольку, поскольку он полагает не только одну, но в некотором смысле две причины («теплое» и «холодное»). Те же, кто признает множество причин, скорее могут об этом говорить, например те, кто признает началами теплое и холодное или огонь и землю: они рассматривают огонь как обладающий двигательной природой, а воду, землю и тому подобное — как противоположное ему.

После этих философов с их началами, так как эти начала были недостаточны, чтобы вывести из них природу существующего, сама истина, как мы сказали, побудила искать дальнейшее начало. Что одни вещи бывают, а другие становятся хорошими и прекрасными, причиной этого не может, естественно, быть ни огонь, ни земля, ни что-либо другое в этом роде, да так они и не думали; но столь же неверно было бы предоставлять такое дело случаю и простому стечению обстоятельств. Поэтому тот, кто сказал, что ум находится, так же как в живых существах, и в природе и что он причина миропорядка и всего мироустройства, казался рассудительным по сравнению с необдуманными рассуждениями его предшественников. Мы знаем, что Анаксагор высказал такие мысли, но имеется основание считать, что до него об этом сказал Гермотим из Клазомен. Те, кто придерживался такого взгляда, в то же время признали причину совершенства [в вещах] первоначалом существующего, и притом таким, от которого существующее получает движение...

Можно предположить, что Гесиод первый стал искать нечто в этом роде или еще кто считал любовь или вожделение началом, например Парменид: ведь и он, описывая возникновение Вселенной, замечает:

Всех богов первее Эрот был ею замышлен.

А по словам Гесиода:

Прежде всего во Вселенной Хаос зародился,

а следом широкогрудая Гея.

Также - Эрот, что меж всех бессмертных богов

отличается,

ибо должна быть среди существующего некая причина, которая приводит в движение вещи и соединяет их. О том, кто из них первый высказал это, пусть позволено будет судить позже; а так как в природе явно было и противоположное хорошему, и не только устроенность и красота, но также неустроенность и уродство, причем плохого было больше, чем хорошего, и безобразного больше, чем прекрасного, то другой ввел дружбу и вражду, каждую как причину одного из них. В самом деле, если следовать Эмпедоклу и постичь его слова по смыслу, а не по тому, что он туманно говорит, то обнаружат, что дружба есть причина благого, а вражда - причина злого. И потому если сказать, что в некотором смысле Эмпедокл - и притом первый - говорит о зле и благе как о началах, то это, пожалуй, будет сказано верно, если только причина всех благ - само благо, а причина зол - зло…

Эмпедокл, таким образом, в отличие от своих предшественников первый разделил эту [движущую] причину, признал не одно начало движения, а два разных, и притом противоположных. Кроме того, он первый назвал четыре материальных элемента, однако он толкует их не как четыре, а словно их только два: с одной стороны, отдельно огонь, а с другой - противоположные ему земля, воздух и вода как естество одного рода. Такой вывод можно сделать, изучая его стихи.

Итак, Эмпедокл, как мы говорим, провозгласил такие начала и в таком количестве. А Левкипп и его последователь Демокрит признают элементами полноту и пустоту, называя одно сущим, другое не-сущим, а именно: полное и плотное - сущим, а пустое и < разреженное> - не-сущим (поэтому они и говорят, что сущее существует нисколько не больше, чем не-сущее, потому что и тело существует нисколько не больше, чем пустота), а материальной причиной существующего они называют и то и другое. И так же как те, кто признает основную сущность единой, а все остальное выводит из ее свойств, принимая разреженное и плотное за основания (аrchai) свойств [вещей], так и Левкипп и Демокрит утверждают, что отличия [атомов] суть причины всего остального. А этих отличий они указывают три: очертания, порядок и положение. Ибо сущее, говорят они, различается лишь «строем», «соприкосновением» и «поворотом»; из них «строй» - это очертания, «соприкосновение» - порядок, «поворот» - положение; а именно: А отличается от N очертаниями, AN от NА - порядком, Z от N - положением. А вопрос о движении, откуда или каким образом оно у существующего, и они подобно остальным легкомысленно обошли.

Итак, вот, по-видимому, до каких пределов, как мы сказали, наши предшественники довели исследование относительно двух причин...

Аристотель. Метафизика // Сочинения: В 4 т.. М., 1975.- Т. 1.-

С. 71-75, 155- 157, 229-231.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒