Избранные научные труды
Шрифт:
Позволю себе ещё кратко остановиться на соотношении между психическими закономерностями и проблемой причинности физических явлений. При рассмотрении контраста между ощущением свободной воли, господствующей в духовной жизни, и кажущейся непрерывающейся причинной зависимостью сопровождающих её физиологических процессов, мыслителям не пришло в голову, что здесь может идти речь о невыявленной дополнительности. Чаще защищалось мнение, что практически невозможное, но мыслимое детальное прослеживание процессов в мозгу может выявить причинную цепочку, дающую однозначное отображение ощущаемых психических событий. Подобный мысленный эксперимент выступает теперь в новом свете, поскольку после открытия кванта действия мы знаем, что детальное причинное прослеживание атомных процессов невозможно и что каждая попытка познать такой процесс сопровождается принципиально неконтролируемым вмешательством в его ход. Согласно высказанному взгляду относительно соотношения между явлением в мозгу и психическими событиями мы должны быть готовы признать, что попытка наблюдать процессы в мозгу должны внести существенные изменения сопровождающего их ощущения воли. Хотя здесь речь идёт только о более или менее подходящей аналогии, мы с трудом избавляемся от убеждения, что в привнесенном квантовой теорией недоступном нашим обычным воззрениям обстоятельстве мы получили средство для освещения самых общих вопросов человеческого мышления.
Специфичность обстоятельств может служить оправданием тому, что физик вторгся в чужую для него область. В мои намерения прежде всего
1930
35 ТЕОРИЯ АТОМА И ПРИНЦИПЫ ОПИСАНИЯ ПРИРОДЫ *
*Die Atomtheorie und die Prinzipien der Naturbeschreibung. Naturwiss., 1930, 18, 73-78.
Воспринимаемые нами явления природы часто представляются изменчивыми и неопределёнными. Для объяснения этого факта с давних пор принималось, что все явления являются результатом совместного действия очень большого числа элементарных частиц, так называемых атомов, которые сами постоянны и неизменны, но в силу малых размеров не поддаются непосредственному наблюдению. Совершенно независимо от принципиального вопроса, вправе ли мы требовать в этой области наглядных образов, теория атома первоначально должна была иметь гипотетический характер; при этом были склонны думать, что этот характер сохранится, поскольку по самой природе вещей невозможно ознакомиться с миром атома. Но здесь произошло то же, что и в других областях: развитие экспериментальной техники всё дальше отодвигает пределы возможности наблюдения. Вспомним хотя бы познание строения Вселенной, достигнутое с помощью телескопа и спектроскопа, или проникновение благодаря микроскопу в тонкую структуру живых организмов. Необычайное развитие искусства физического эксперимента позволило нам познакомиться с большим числом явлений, дающих прямые свидетельства о движениях атомов и их количестве. Мы знаем даже такие явления, о которых с уверенностью можно сказать, что они вызваны действиями одного-единственного атома или даже одной его части. И хотя можно отбросить всякое сомнение в реальности атомов и, даже больше, нам известны подробные данные об их внутреннем строении, мы постоянно сталкиваемся с естественным ограничением наших способов созерцания. Именно это положение я и попытаюсь раскрыть.
Время не позволяет мне здесь подробно описать тот огромный прогресс, который был достигнут в рассматриваемой области благодаря открытию катодных лучей, рентгеновых лучей и радиоактивных веществ. Я ограничусь напоминанием тех основных характеристик картины строения атома, которые были получены благодаря этим открытиям. Общей структурной единицей атомов всех веществ являются так называемые электроны, отрицательно заряженные лёгкие частицы, удерживаемые в атоме притяжением значительно более тяжёлого положительно заряженного ядра. Масса ядра определяет атомный вес вещества, но в остальном её влияние на свойства вещества достаточно ограничено. Эти свойства определяются в первую очередь электрическим зарядом ядра, который всегда равен целому кратному заряда электрона. Целое число, показывающее, сколько электронов имеется в нейтральном атоме, равно атомному номеру, т. е. порядковому номеру данного элемента в периодической системе, в которой ясно выражаются своеобразные родственные связи элементов в отношении физических и химических свойств. Такое понимание атомного номера означает важный шаг к решению задачи, которая долгое время оставалась смелой мечтой естествознания, а именно, к осознанию роли целых чисел в закономерностях природы.
В ходе этого развития основные представления теории атома претерпели, разумеется, известные изменения. Предположение о неизменности атома сменилось предположением о постоянстве его частей. Исключительное постоянство элементов основано на том, что в обычных физических и химических процессах не затрагивается атомное ядро; меняется только характер связи электронов в атоме. Тогда как все опыты подтверждают допущение о неизменных электронах, постоянство атомного ядра более ограничено. Характерное излучение радиоактивных веществ является свидетельством распада атомного ядра, при котором испускаются электроны или положительно заряженные ядерные частицы большой энергии. По всем данным, этот распад происходит без внешнего влияния. Если задано некоторое число атомов радия, то можно сказать, что существует определённая вероятность распада известной части атомов за одну секунду. К встречающемуся здесь характерному отказу от причинного способа описания, полностью соответствующему основным чертам современного описания. атомных явлений, мы ещё вернёмся. Пока я только напомню ещё о важном открытии Резерфорда, что расщепление ядра может быть вызвано при определённых обстоятельствах и внешним воздействием. Как известно, ему удалось показать, что атомные ядра устойчивых элементов можно расщепить при их бомбардировке частицами, испускаемыми радиоактивными ядрами. С этого первого примера изменения человеком основных химических элементов началась новая эпоха в истории естествознания. Здесь для физики открывается совершенно новое поле деятельности: исследование внутреннего строения атомных ядер. Я не буду останавливаться подробно на открывающихся в связи с этим перспективах, но ограничусь лишь изложением тех заключений, которые были сделаны при попытках достичь объяснения обычных физических и химических свойств элементов на основе рассмотренных представлений об атомах.
На первый взгляд может казаться, что решение поставленной задачи очень просто. Картина атома, о которой идёт речь, представляется миниатюрной механической системой, во многом напоминающей нашу планетную систему, при описании которой механика оказалась столь плодотворной, дав нам важный пример выполнения требований принципа причинности. Если известны положение и движение планет в заданный момент времени, то можно с неограниченной точностью вычислить их положение и движение в каждый последующий момент. Возможность выбрать при таком механическом описании произвольное начальное состояние ставит теорию атома перед большими трудностями. Если необходимо учитывать бесконечное множество постоянно меняющихся состояний движения, мы приходим в прямое противоречие с данными об определённых свойствах элементов. Можно было бы думать, что свойства элементов дают указания не о поведении единичного атома и что мы всегда имеем дело со статистическими закономерностями для усреднённого поведения многих атомов. Механическая теория тепла, которая не только позволяет отдавать себе отчёт об основных законах учения о теплоте, но и даёт понимание многих общих свойств элементов, является широко известным примером плодотворности статистического механического описания в атомной теории. Но элементы обладают и другими свойствами, которые дают возможность получить прямые выводы о состоянии движения внутриатомных частиц. Прежде всего нужно принять, что свойства света, испускаемого атомами элементов при определённых обстоятельствах
Это отсутствующее при обычном описании природы звено, которое, очевидно, обусловлено поведением атома, было получено после открытия Планком так называемого кванта действия. Исходным пунктом этого открытия послужили явления теплового излучения, общий, не зависящий от природы данного вещества характер которых дал возможность установить границы применения механической теории тепла и электромагнитной теории излучения. Именно неприменимость этих теорий для описания явлений теплового излучения и привела Планка к познанию одной из не замеченных ранее черт законов природы, которая не проявляется непосредственно в обычных физических явлениях, но привела к перевороту при описании тех процессов, которые связаны с отдельным атомом. В противоположность свойственным обычному описанию природы требованиям непрерывности неделимость кванта действия привела к введению существенного элемента прерывности при описании атомных процессов. Насколько трудно было привести в соответствие новые знания с кругом наших обычных физических представлений, видно особенно ясно во вновь начатой Эйнштейном в связи с объяснением фотоэффекта дискуссии по вопросу о природе света. Судя по прежним данным, этот вопрос получил полное решение в электромагнитной теории света. Современное положение характеризуется тем, что мы, видимо, вынуждены выбирать между двумя противоречащими друг другу картинами распространения света: одна основана на представлении о световых волнах, другая — на корпускулярных представлениях квантовой теории света; каждая из них выявляет существенные, но различные стороны восприятия. В дальнейшем мы увидим, что эта кажущаяся дилемма является выражением связанного с квантом действия ограничения наших форм созерцания; это ограничение выявляется при детальном анализе применимости основных физических понятий для описания атомных явлений.
Открытие Планка удаётся сделать плодотворным для объяснения свойств элементов на основании наших знаний о составляющих частях атома только путём известного отречения от обычных требований наглядности и причинности. Принимая за основу неделимость кванта действия, автор настоящей работы предложил представить каждое изменение состояния атома как индивидуальный процесс, который нельзя описать более детально и в ходе которого атом переходит из одного так называемого стационарного состояния в другое. Согласно этому воззрению спектры элементов не дают сведений непосредственно о движении частиц в атоме; каждая отдельная спектральная линия принадлежит одному переходу между двумя стационарными состояниями, а произведение кванта действия на частоту даёт изменение энергии атома при этом переходе. Этим путём удаётся достичь простой трактовки общих эмпирических спектральных закономерностей Бальмера, Ридберга и Ритца. Названное воззрение о происхождении спектров получило и непосредственное подтверждение в известных опытах Франка и Герца, изучавших соударения атомов со свободными электронами. Количества энергии, которые при таких соударениях могут передаваться, как раз оказались равными вычисленным по спектру разностям энергии тех стационарных состояний, в которых атом находился до и после удара. Вообще такая точка зрения способствует непротиворечивому пониманию экспериментального материала; но непротиворечивость достигается только ценой отказа от более подробного описания отдельного процесса перехода. Мы здесь так далеко отходим от причинного описания, что каждому атому в стационарном состоянии мы предоставляем свободный выбор между различными возможностями перехода в другие стационарные состояния. Осуществление единичных процессов по самой сути вещей может рассматриваться только с вероятностной точки зрения. Такое положение, как показал Эйнштейн, имеет глубокое сходство с условиями, которые встречаются при спонтанном радиоактивном распаде.
Характерной чертой обсуждаемого взгляда на проблему строения атома является широкое применение целых чисел, которые как раз и играют существенную роль в эмпирических спектральных закономерностях. Так, классификация стационарных состояний основывается кроме атомного номера на так называемых квантовых числах, в систематику которых большой вклад внёс Зоммерфельд. Эта точка зрения в дальнейшем позволила понять свойства элементов и их родство на основе представлений о строении атома. Может, очевидно, казаться поразительным, что такое описание стало возможным, несмотря на отмеченное здесь сильное отклонение от обычных физических представлений, поскольку все наши знания о составных частях атома покоятся именно на этих представлениях. Ведь любое использование понятий массы и электрического заряда равносильно ссылке на механические и электродинамические закономерности. Доводом полезности применения таких понятий вне пределов области применимости классической физики является требование непосредственного перехода квантово-теоретического описания в обычное в тех случаях, когда можно пренебрегать квантом действия. Попытки применять в квантовой теории каждое классическое понятие в таком толковании, чтобы удовлетворить этому требованию, не приходя вместе с тем в противоречие с постулатом неделимости кванта действия, нашли свое выражение в так называемом принципе соответствия. Но проведение описания, строго удовлетворяющего принципу соответствия, потребовало преодоления многих трудностей, и только в последние годы удалось развить замкнутую квантовую механику, которая может считаться естественным обобщением классической механики и в которой причинное описание последней заменено принципиально статистическим описанием.
Решающий шаг в достижении этой цели сделал молодой немецкий физик Вернер Гейзенберг. Он показал, как можно последовательно заменить обычные представления о движении формальным применением законов движения классической механики, причём квант действия входит только в определённые правила расчёта символов, заменяющих механические величины. Однако этот глубокий подход к проблемам квантовой теории предъявляет большие требования к нашей способности абстрактного мышления; поэтому открытие новых вспомогательных средств, которые, несмотря на свой формальный характер, идут навстречу нашей потребности в наглядности, имеет неоценимое значение для развития и понимания квантовой механики. Я имею в виду введённые Луи де Бройлем представления о волнах материи, которые Шредингер сумел сделать столь плодотворными в первую очередь в связи с понятием о стационарном состоянии, квантовое число которого определяется числом узлов стоячих волн, представляющих данное состояние. Отправным пунктом для де Бройля была очень важная уже для развития классической механики аналогия между законами распространения света и движения материальных тел. Фактически волновая механика естественно подобна названной выше эйнштейновской квантовой теории света. Как и там, здесь не идёт речь о замкнутой системе представлений, а, как подчеркнул Борн, о вспомогательном средстве для формулировки статистических законов, управляющих атомными процессами. Конечно, подтверждение представления о волнах материи прекрасными опытами по отражению электронов от металлической решетки имеет столь же решающее значение, как и доказательство волновой природы распространения света. Мы должны всё-таки помнить, что применение волн материи ограничивается явлениями, в описание которых существенно входит квант действия, а следовательно, они лежат вне области, где может идти речь об осуществлении причинного описания в соответствии с нашими обычными представлениями и где таким словам, как природа материи и света, приписывается обычный смысл.