Избранные научные труды
Шрифт:
Однако с выяснением основ, на которые опираются законы термодинамики, открылся и путь к установлению свойства цельности атомных процессов, — свойства, далеко выходящего за пределы старого учения об ограниченной делимости материи. Хорошо известно, что детальный анализ теплового излучения оказался проверкой применимости классических физических идей. Открытие электромагнитных волн уже дало основу для понимания распространения света и объяснило многие из оптических свойств веществ; но при попытках применить эти идеи к лучистому равновесию возникли непреодолимые трудности. Существенно то, что рассуждения здесь были основаны на общих принципах и не зависели от специальных предположений относительно состава веществ. Это обстоятельство и привело Планка к открытию в первом году этого столетия универсального кванта действия. Открытие Планка ясно показало, что классическое физическое описание является идеализацией и имеет ограниченную применимость. В
Задача, поставленная перед физиками открытием Планка, была огромна. Требовалось при помощи тщательного анализа предпосылок, на которых основано применение наших самых элементарных понятий, расчистить место для кванта действия в рациональном обобщении классического физического описания. В течение всего времени развития квантовой физики, принесшей так много неожиданного, нам не раз пришлось вспомнить о трудности ориентироваться в области опытных фактов, не похожих на те, для описания которых приспособлены наши способы выражения. Широкое и интенсивное сотрудничество физиков многих стран способствовало быстрым успехам; разнообразие их подхода к данной проблеме оказалось очень плодотворным и помогло сфокусировать её более резко. Здесь, конечно, невозможно было бы остановиться более подробно на том, что внёс каждый из физиков, но в качестве фона для дальнейших рассуждений я напомню вам вкратце некоторые из главных особенностей этого развития.
В то время как Планк осторожно ограничился статистическими аргументами и подчёркивал затруднительность отказа от классических принципов детального описания природы, Эйнштейн смело указал на необходимость принимать во внимание квант действия в индивидуальных атомных явлениях. В тот же год, когда он так гармонично достроил здание классической физики, установив теорию относительности, он сделал ещё одно открытие. Эйнштейн показал, что для описания наблюдений над фотоэлектрическим эффектом необходимо предположить, что передача энергии к каждому вырванному из вещества электрону соответствует поглощению так называемого кванта излучения. Так как идея о волнах необходима для объяснения распространения света, то не могло быть и речи о том, чтобы просто заменить её корпускулярными представлениями. Поэтому учёные здесь встретились со своеобразной дилеммой, для разрешения которой требовался тщательный анализ области применимости наглядных представлений.
Как известно, этот вопрос ещё больше обострился благодаря открытию Резерфордом атомного ядра. В ядре, несмотря на его малость, заключена почти вся масса атома, а его электрический заряд соответствует числу электронов в нейтральном атоме. Это дало простую картину атома, которая сразу же навела на мысль о применении идей механики и электромагнитной теории. Всё же было ясно, что согласно принципам классической физики, никакая конфигурация электрически заряженных частиц не может обладать устойчивостью, необходимой для объяснения физических и химических свойств атома. В частности, по классической электромагнитной теории всякое движение электронов вокруг атомного ядра должно сопровождаться непрерывным излучением энергии; в результате система станет быстро сжиматься до тех пор, пока электроны не соединяться с ядром, образуя нейтральную частицу исчезающе малых размеров по сравнению с теми, которые следует приписывать атомам. Однако указание на решающее значение кванта действия для устойчивости атомов и их реакции излучения было найдено в эмпирических законах линейчатых спектров элементов, — законах, до тех пор совершенно непонятных.
Исходной точкой стал здесь так называемый квантовый постулат, по которому каждое изменение энергии атома есть результат полного перехода между двумя его стационарными состояниями. Предполагая далее, что всякий атомный акт излучения связан с испусканием или поглощением единичного светового кванта, можно было определить из спектров значения энергии стационарных состояний. Было очевидно, что в рамках детерминистического описания нельзя дать никакого объяснения неделимости процессов перехода и самому их возникновению при данных условиях. Оказалось, однако, возможным, опираясь на так называемый принцип соответствия, получить систематизацию связей электронов в атомах, отражающую многие из свойств веществ. Основываясь на сравнении с ходом процессов, ожидаемым по классической теории, искали указаний для такого статистического обобщения описания, которое было бы совместно с квантовым постулатом. Становилось, однако, всё более и более ясным, что для того, чтобы получить непротиворечивый отчёт об атомных явлениях, необходимо в ещё большей мере отказаться от наглядных представлений, и что нужна радикальная переформулировка всего описания, чтобы освободить
Решение, достигнутое в результате изобретательных и остроумных догадок многих из самых выдающихся физиков-теоретиков нашего времени, было удивительно просто. Как и при формулировании теории относительности, так и здесь соответствующий аппарат был найден в форме чрезвычайно развитых математических абстракций. Величины, которые в классической физике служат для описания состояния системы, заменяются в квантовомеханическом формальном аппарате символическими операторами, коммутативность которых ограничена правилами, содержащими квант действия. Это значит, что таким величинам, как пространственные координаты и соответствующие составляющие количества движения частиц, нельзя одновременно приписывать определённые значения. Таким образом, статистический характер формального аппарата выступает как естественное обобщение описания классической физики. Кроме того, это обобщение сделало возможным логически последовательное формулирование закономерностей, ограничивающих индивидуальность тождественных частиц; закономерности эти, как и самый квант, не могут быть выражены на языке обычных физических наглядных представлений.
При помощи методов квантовой механики удалось объяснить большое количество опытных фактов, относящихся к физическим и химическим свойствам веществ. Не только были объяснены во всех деталях связи электронов в атомах и молекулах, но и удалось также глубоко проникнуть в строение и реакции атомных ядер. В связи с этим мы можем упомянуть о том, что вероятностные законы для спонтанных радиоактивных превращений были гармонично включены в статистическое квантовомеханическое описание. При изучении превращений атомных ядер при высоких энергиях наблюдены за последние годы новые элементарные частицы; понимание свойств этих частиц продвинулось далеко вперёд в результате приспособления формального аппарата к требованиям инвариантности, вытекающим из теории относительности. Всё же здесь перед нами встают новые проблемы; решение их, очевидно, требует дальнейших абстракций, которые позволили бы сочетать квант действия с элементарным электрическим зарядом.
Несмотря на всю плодотворность квантовой механики, охватившей такую обширную область опытных фактов, отказ от привычных требований, предъявлявшихся к физическому описанию, заставил многих физиков и философов сомневаться в том, что мы имеем здесь дело с исчерпывающим описанием атомных явлений. В частности, высказывалось мнение, что статистический способ описания должен рассматриваться как временный выход из положения, но что в принципе он может быть заменён детерминистическим описанием. Тщательное обсуждение этого вопроса привело, однако, лишь к разъяснению нашего положения в атомной физике как наблюдателей; это и дало нам тот гносеологический урок, о котором упоминалось в начале доклада.
*
Поскольку задачей науки является увеличение и упорядочение нашего опыта, всякий анализ возможностей и предпосылок человеческого познания должен опираться на рассмотрение характера и полноты наших способов общения. Основой, конечно, является язык, выработанный для ориентировки в окружающем и для организации человеческого общества. Однако в результате расширения нашего опыта не раз возникали вопросы о том, достаточно ли тех понятий и идей, которые воплотились в нашем обыденном языке. Благодаря сравнительной простоте физических проблем они особенно подходят для исследования того, как употребляются наши способы общения. В самом деле, развитие атомной физики научило нас тому, как, не отступая от обычного языка, можно создать систему понятий, достаточно общую для исчерпывающего описания новых опытных фактов.
В связи с этим настоятельно необходимо уяснить себе, что во всяком отчёте о физическом опыте нужно описывать как условия опыта, так и результаты наблюдения теми же словами и средствами, какие употребляются в классической физике. При анализе отдельных атомных частиц это становится возможным благодаря необходимым усилительным эффектам — таким, как пятно на фотографической пластинке, остающееся после удара о неё электрона, или как электрический разряд, созданный им в счётчике. Тогда наблюдения касаются только того, когда и где была зарегистрирована частица на пластинке или её энергия при попадании её в счётчик. Конечно, эта информация предполагает, что положение фотопластинки относительно других частей экспериментальной установки известно; такими частями могут быть направляющие диафрагмы и затворы, которые служат для локализации в пространстве и времени, или же заряженные и намагниченные тела, которые определяют действующие на частицу внешние силовые поля и позволяют делать измерения энергии. Экспериментальные условия можно менять многими способами, но главное здесь в том, что в каждом случае мы должны быть в состоянии передать другим, что мы сделали и что мы узнали; поэтому-то действие измерительных приборов непременно должно описываться в рамках классических физических понятий.