Леонид Пономарев - По ту сторону кванта

• Название: По ту сторону кванта
• Автор: Леонид Пономарев
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Физика
• Год: 1971

Бытует упорное мнение, что в науке есть факты, которые начинающим с нею знакомиться знать рано, а сообщать искушенным в ней — стыдно. Чаще всего об этом вспоминают, когда пытаются объяснить строение атома. Быть может, поэтому до сих пор не написана книга о квантовой механике достаточно строгая, чтобы не обидеть знатока, достаточно простая, чтобы не отпугнуть новичка, и вместе с тем интересная им обоим.

Эта книга не для знатоков, хотя и они найдут здесь несколько неожиданных фактов. Она для тех, кто заканчивает школу, и для тех, кто пытается посмотреть на мир немного шире, чем позволяет им их специальность — необходимо узкая, чтобы быть продуктивной.

В предлагаемой книге история атома рассказана вполне строго. Но строгость в ней не самоцель: как правило, нам интересны не только сами факты, но и их толкование и обстоятельства, при которых они открыты. Поэтому главное в книге — эволюция идей и понятий атомной физики, образующих единую систему — простую и гармоничную. Именно эта внутренняя красота была побудительной причиной появления книги. Я буду считать свою работу не напрасной, если прочитавший ее почувствует силу логических построений квантовой механики и красоту их неожиданно простых следствий.

---

Вспомните историю D-линии натрия. Ее наблюдал уже Фраунгофер. Но разве мог он подозревать, что держит в руках ключ ко всей квантовой механике? Он видел, что линия эта расщепляется на две компоненты. Но разве знал он, что это влияние спина электрона? Понятия «электрон», «квантовая механика», «спин» во времена Фраунгофера еще не были изобретены. А без них D-линия натрия просто любопытный факт, не ведущий ни к каким глубоким следствиям. Лишь после опытов Крукса, Резерфорда, Томсона и после создания системы понятий и формул, которую назвали квантовой механикой, стало ясно, что D-линия натрия — это один из тех фактов, которые меняют самые основы нашего мышления.

Гармонию явлений атомного мира мы можем оценить лишь благодаря теории: всякое описание только экспериментальной установки будет безнадежно скучным и неинтересным. Лишь теория сделала картину атома не только логически удовлетворительной, но и эстетически приемлемой. И не зря (хотя, быть может, этимологически и не очень правильно) такие моменты проникновения в сущность вещей называют иногда Θεορια — видение бога.

То, что понятия возникают на основе новых фактов, очевидно всем. Однако не все отдают себе отчет в том, насколько смысл новых фактов зависит от понятий, которые используются для их толкования. С развитием и углублением научных знаний это взаимное влияние фактов и понятий постепенно усиливается, и цепочка познания деформируется еще раз:

Обновленная цепочка познания

В наше время это взаимодействие стало настолько сильным, что подчас бывает трудно отделить факты от их толкования. Результат такого взаимодействия часто называют информационным взрывом — настолько быстро бесконтрольное взаимовлияние новых фактов и понятий ведет к реальным практическим последствиям. Сложное переплетение фактов, понятий, формул и образов науки очень трудно, да, пожалуй, и невозможно распутать. При всех попытках подобного рода мы неизбежно придем к сакраментальному вопросу: «Что возникло раньше: яйцо или курица?»

Иммануил Кант пытался разомкнуть этот логический круг: понятия зависят от результатов опыта, истолкование опытов — от системы понятий. Он полагал, что несколько таких понятий даны человеку «от бога», он с ними рождается, а все дальнейшие истины он сможет найти, комбинируя первичные понятия, если, конечно, при этом не будет делать логических ошибок. Приняв это допущение, он построил стройную и законченную философию познания. Развитие физики очень скоро показало, однако, что многие «априорные истины» Канта — такие, как пространство, время и другие, — в действительности имеют эмпирическое и самое что ни на есть земное происхождение — конечно, переосмысленное и лишенное конкретных особенностей тех образов на основе которых они возникли.

Никто никогда не узнает тот первый научный факт и то первое научное понятие, с которых началась эволюция нынешней науки. Поэтому все чаще вместо «объяснения природы» естествоиспытатели говорят об «описании природы».

«Мы теперь лучше, чем прежнее естествознание, сознаем, что не существует такого надежного исходного пункта, от которого бы шли пути во все области нашего познания, но что все познание в известной мере вынуждено парить над бездонной пропастью. Нам приходится всегда начинать где-то с середины и, обсуждая действительность, употреблять понятия, которые лишь постепенно приобретают определенный смысл благодаря их применению…» Эти слова Гейзенберга близки и понятны каждому физику. И в жизни каждого из них бывают минуты, когда они удивляются, что в таких условиях познание природы все-таки возможно. «Единственная загадка мира — его познаваемость», — часто повторял Эйнштейн.

Физическая реальность — очень глубокое понятие и, как все глубокие понятия нашего языка, не имеет однозначного смысла. Это понятие первично, и его нельзя достаточно строго определить логически через более простые. Его необходимо принять, предварительно вложив в него тот смысл, который диктует нам вся наша прежняя жизнь и приобретенные в ней знания. Очевидно, смысл этот меняется с развитием науки точно так же, как и смысл понятия «атом».

Новый смысл

Наши предки верили, что пять чувств дают им правильную картину реальности, поскольку с их помощью им удавалось избегать реальных опасностей и выжить. На этом этапе развития сознание лишь группировало и анализировало данные чувств.

Пришли другие времена — и сознание само стало творить реальность: оно рисовало подробные картины ада и рая и стремилось отчетливо представить себе триединую сущность бога.

Потом наступило время очистительного сомнения: нельзя безоговорочно доверять данным чувств (мы не ощущаем движения Земли, но ведь она вертится!), но и выводы сознания также необходимо проверять опытом (звезды, в которых прежде видели и души усопших, и светильники ангелов, оказались просто далекими солнцами).

С приходом науки понятие реальности изменилось неузнаваемо, и реальность человека XX века так же далека от реальности греков, как современный атом от атома Демокрита.

Решающие штрихи в новой картине физической реальности дорисовала квантовая механика. Пожалуй, это главная причина, которая будит желание людей понять: «Что такое квантовая механика?» Но не единственная. Она даже глубже, чем естественный профессиональный интерес. При изучении квантовой механики человек приобретает не только специальные навыки, позволяющие ему рассчитать лазер или атомный котел Знакомство с квантовой механикой — это некоторый эмоциональный процесс, который заставляет заново пережить всю ее историю. Как всякий нелогический процесс, он строго индивидуален и оставляет неистребимые следы в сознании человека. Это абстрактное знание, приобретенное однажды, необратимо влияет на всю последующую жизнь человека — на его отношение к физике, к другим наукам и даже на его моральные критерии. Вероятно, так же изменяет человека изучение музыки.

Конечно, нельзя стать музыкантом, посещая концерты даже ежедневно. Для этого вначале необходимо долго и упорно играть гаммы. При знакомстве с любой наукой всегда наступает момент, когда человек должен выбирать: останется ли он любителем в ней или же станет профессионалом? В первом случае ему достаточно усвоить понятия и образы науки и — если сможет — почувствовать их красоту. Во втором случае он обязан учиться ремеслу: изучать взаимную связь понятий и способы их выражения на языке математики. Если он не сделает этого — ему будет недоступна радость мастера и музыканта.

Учение

Прочитав эту книгу, вы узнали только первые ноты квантовой механики и, быть может, научились брать несколько звучных аккордов. Конечно, только музыкант вполне оценит глубину музыкального замысла, и только физик способен испытывать эстетическое удовлетворение от красоты формул. Те из вас, кто посвятит себя науке, быть может, поймут это со временем. Однако, если, не вникая в «законы гармонии» квантовой механики, вы все же почувствовали красоту ее «мелодии», задача нашего рассказа выполнена.

ВОКРУГ КВАНТА

КВАНТОВЫЙ ОЛИМП

Шведский ученый и промышленник Альфред Нобель, разбогатевший на изобретении пироксилина, завещал Шведской академии наук большую сумму денег, с тем чтобы каждый год прибыли с этого капитала шли на премии ученым за выдающиеся достижения в науке и искусстве.

Первая Нобелевская премия была присуждена в 1901 году Рентгену, и с тех пор звание лауреата Нобелевской премии стало высшим признанием научных заслуг. Замечательно, что почти каждый год в течение тридцати лет Нобелевская премия присуждалась за открытия в атомной физике. Такое признание довольно узкой области физики не случайно — она действительно изменила наше мировоззрение.

Среди лауреатов Нобелевской премии — имена всех великих физиков, которые построили современное здание квантовой механики, и, перечитывая их список, мы еще раз мысленно повторяем ее богатую историю.

1901 год.

Вильгельм Конрад Рентген (1845–1923) — «В знак признания выдающегося вклада, который он внес открытием замечательных лучей, названных впоследствии! его именем».

1902 год.

Хенрик Антон Лоренц (1853–1928), Питер Зееман (1865–1943) — «…за исследования влияния магнетизма на явления излучения».

1903 год.

Антуан Анри Беккерель (1852–1908) — «…за открытие спонтанной радиоактивности».

1904 год.

Сэр Уильям Рамсей (1852–1916) — «…за открытие инертных газообразных элементов в воздухе и определение их места в периодической системе».

1905 год.

Филипп Эдуард Антон фон Ленард (1862–1947) — «…за исследование катодных лучей».