Избранные научные труды

Бор Нильс Хенрик Давид

Если думать о том, как были установлены принципы механики, которые в дальнейшем должны были стать фундаментом физической науки, то в этой связи интересно уяснить себе, что открытие Архимедом принципа равновесия плавающих тел, согласно хорошо знакомой легенде подсказанное ему ощущением лёгкости его тела, погруженного в ванну, могло точно так же возникнуть и на основании обыденного опыта, относящегося к потере в весе камня, опущенного в воду. Точно также следует считать совершенно случайным, что Галилей пришёл к открытию фундаментальных законов динамики, наблюдая, как качается люстра в прекрасном Пизанском соборе, а не глядя на ребенка на качелях. Однако для растущего понимания существенного единства принципов, управляющих явлениями природы, такие чисто внешние аналогии имели лишь малое значение по сравнению с глубоко коренящимся сходством между живыми организмами и техническими механизмами; это сходство было вскрыто при изучении анатомии и физиологии, которое так интенсивно велось в эпоху Возрождения особенно здесь, в Италии.

Перспективы, открывшиеся благодаря успеху нового экспериментального подхода к философии естествознания, были встречены с энтузиазмом; этот энтузиазм в одинаковой мере поддерживался как расширением картины Вселенной,

которым мы обязаны проницательности Коперника, так и разъяснением механизма кровообращения в телах животных, начало которому положило великое достижение Гарвея. Пожалуй, ярче всего этот энтузиазм выразился в трудах Борелли, которому удалось разъяснить с такими тонкими подробностями функции скелета и мышц при движении животных. Классический характер этих трудов нисколько не умаляется попытками самого Борелли и его последователей объяснить также и нервную деятельность и секрецию желез при помощи примитивных механических моделей; их очевидная произвольность и грубость вскоре вызвали общую критику, о которой до сих пор напоминает полуироническое прозвище «ятро-физиков» ¹, присвоенное школе Борелли. Здоровое в корне стремление приложить к физиологическим процессам всё увеличивающиеся познания в области типично химических превращений, нашедшее такого восторженного представителя в лице Сильвиуса, вскоре привело к оппозиции, вызванной преувеличением поверхностного сходства между перевариванием и ферментацией, с одной стороны, и простейшими неорганическими реакциями, с другой, а также неосмотрительным приложением их к лечебным целям. Эта оппозиция выразилась в прозвании «ятро-химия», присвоенном таким преждевременным попыткам.

¹ «Ятрос» — по гречески медик; таким образом, «ятро-физик» означает «медико-физик». — Прим. ред.

Для нас причины неудач этих первых исследователей, старавшихся использовать физику и химию для исчерпывающего объяснения свойств живых организмов, вполне очевидны. Тогда ещё не наступило время Лавуазье, раскрывшего элементарные принципы химии, которые должны были дать ключ для понимания процесса дыхания, а позднее составить основу для развития так называемой органической химии. Но, кроме того, до открытий Гальвани оставалась скрытой ещё одна фундаментальная сторона законов физики. Очень поучительно думать, что зерно, которому в руках Вольты, Эрстеда, Фарадея и Максвелла суждено было развиться в стройную систему, соперничающую по значению с механикой Ньютона, зародилось из исследований, имевших биологическую цель. Действительно, трудно себе представить, чтобы процесс, который привёл от опытов с наэлектризованными телами, какими плодотворными бы они ни были в руках Франклина, к изучению гальванических токов, мог бы осуществиться, если бы чувствительные приборы, необходимые для обнаружения таких токов (которые теперь так легко создаются), не были бы предоставлены самой природой в виде нервных тканей высших животных.

Здесь невозможно набросать даже в общих чертах потрясающее развитие физики и химии со времени Гальвани или перечислить открытия во всех отраслях биологии за последнее столетие. Нам достаточно напомнить о научных направлениях, идущих от трудов первых исследователей, Мальпиги и Спалланцани ¹ работавших в этом почтенном университете, к современной эмбриологии и соответственно бактериологии, или же от самого Гальвани до недавних захватывающих исследований нервных импульсов. Несмотря на достигнутое таким образом глубокое понимание физической и химической стороны многих типичных биологических реакций, изумительная тонкость строения организмов и их богатство связанными между собой регулирующими механизмами всё ещё заходят так далеко за пределы всякого опыта, относящегося к неживой природе, что мы чувствуем себя столь же далёкими, как и раньше, от объяснения самой жизни на физико-химической основе. Действительно, когда мы присутствуем при жарких спорах о значении для этой проблемы недавних открытий отравляющих эффектов и генеративных свойств так называемых вирусов, перед нами встаёт столь же острая дилемма, как та, с которой столкнулись Демокрит и Аристотель.

¹ Мальпиги (1628—1694)—итальянский врач и анатом, Спалланцани (1729— 1799) —итальянский биолог. — Прим. ред.

При такой ситуации интерес снова сосредоточивается на атомной теории, хотя и на совершенно другом фоне. С тех пор как Дальтон с таким решительным успехом использовал атомистические представления для разъяснения количественных законов, управляющих составом химических соединений, атомная теория становится в химии надёжным руководящим принципом и необходимой основой во всех рассуждениях; а замечательное совершенство техники эксперимента в физике дало нам даже средство для изучения явлений, прямо зависящих от действия индивидуальных атомов. Таким образом, это развитие устранило последние следы традиционного предрассудка, утверждавшего, будто бы из-за грубости наших органов чувств всякое доказательство действительного существования атомов навеки останется за пределами досягаемости человеческого опыта. Но, кроме того, оно обнаружило в законах природы ещё более глубокие черты атомизма, чем те, которые выражены в старом учении об ограниченной делимости материи. Действительно, мы узнали, что для того, чтобы охватить собственно атомные явления, должна быть существенно расширена самая система понятий, которая была пригодна как для описания нашего опыта повседневной жизни, так и для формулировки всей системы законов, которым подчиняется поведение материи в её массе; на этих законах и построено то внушительное здание, которое именуется классической физикой. Для того чтобы оценить те возможности, которые эта новая точка зрения философии естествознания даёт для рационального подхода к фундаментальным проблемам биологии, нам придется кратко напомнить главные направления развития, приведшего к разъяснению положения в атомной теории.

Отправным пунктом современной атомной физики было, как известно, признание атомной природы самого электричества. На неё впервые указали знаменитые исследования Фарадея в области гальванического электролиза, и затем она была окончательно подтверждена фактом изолирования электрона в замечательных явлениях электрического разряда в разреженных газах, явлениях, привлекших к себе такое внимание

в конце прошлого столетия. Блестящие исследования Томсона вскоре выяснили существенную роль электронов в самых разнообразных физических и химических явлениях. Наше знакомство со структурными единицами материи было, однако, ещё неполным вплоть до открытия Резерфордом атомного ядра — открытия, увенчавшего его новаторские труды о спонтанных радиоактивных превращениях некоторых тяжёлых элементов. Действительно, это открытие впервые дало бесспорное объяснение неизменяемости элементов в обыкновенных химических реакциях, в которых крошечное тяжёлое ядро остаётся без изменений, а затрагивается только распределение лёгких электронов вокруг него. Кроме того, это открытие даёт объяснение природе естественной радиоактивности, при которой мы наблюдаем взрыв самого ядра; оно разъяснило также и обнаруженную Резерфордом позднее возможность вызвать превращения элементов бомбардировкой тяжёлыми частицами с большой скоростью, которые, сталкиваясь с ядрами, могут вызвать их распад.

Мы отошли бы слишком далеко от предмета нашего доклада, если бы стали углубляться дальше в чудесную новую область исследований, открывшуюся благодаря изучению ядерных превращений; эта область будет одним из главных предметов дискуссии среди физиков настоящего съезда. Для наших рассуждений наиболее существенным являются, однако, не эти новые открытия, а очевидная невозможность истолковать обычные физические и химические опытные факты на основании одних только свойств модели атома Резерфорда (которые сами по себе прочно установлены), если при этом не отступить самым радикальным образом от классических идей механики и электромагнетизма. В самом деле, хотя механика Ньютона и позволила проникнуть в гармонию движения планет, выраженную законами Кеплера, механические модели, подобные Солнечной системе, не вполне устойчивы в том смысле, что они не имеют тенденции возвращаться в первоначальное состояние, будучи выведены из него каким-либо возмущением. Свойства стабильности таких моделей явно не имеют сходства с абсолютной внутренней стабильностью электронных конфигураций атомов, благодаря которой каждый элемент обладает своими характерными свойствами. Ярче всего эта стабильность проявляется в спектральном анализе, обнаружившем, как известно, что у каждого элемента имеется свой характерный спектр, состоящий из резких линий и настолько не зависящий от внешних условий, что характер спектра даёт способ определения, из наблюдений, материального состава даже самых удалённых звёзд.

Но ключ к разрешению этой дилеммы уже был найден Планком, открывшим элементарный квант действия. Открытие это было результатом физических исследований совершенно иного направления. Как известно, Планк пришёл к своему фундаментальному открытию путём остроумного анализа таких свойств теплового равновесия между материей и излучением, которые в силу общих принципов термодинамики должны быть совершенно не зависимыми от тех или иных свойств материи, а значит, и от тех или иных идей об атомной структуре. Существование элементарного кванта действия выражает новое свойство индивидуальности физических процессов, совершенно чуждое классическим законам механики и электромагнетизма; оно ограничивает их справедливость теми явлениями, в которых величины размерности действия велики по сравнению со значением единичного кванта, даваемым новой атомистической постоянной Планка. Это условие ни в какой мере не выполняется для электронов в атомах, хотя ему с избытком удовлетворяют явления в обычных физических опытах. И действительно, только существование кванта действия препятствует слиянию электронов с ядром в нейтральную тяжёлую частицу практически бесконечно малого размера.

Признание такого положения тотчас же навело на мысль описывать удержание каждого электрона полем вокруг ядра как непрерывный ряд индивидуальных процессов, которые переводят атом из одного из так называемых его стационарных состояний в другое такое же состояние с испусканием освобождаемой энергии в виде единичного кванта электромагнитного излучения. Эта идея внутренне сродни успешному эйнштейновскому толкованию фотоэлектрического эффекта, столь убедительно подтверждённому прекрасными работами Франка и Герца над возбуждением спектральных линий соударениями электронов с атомами. Она дала не только прямое объяснение загадочных законов линейчатых спектров, распутанных Бальмером, Ридбергом и Ритцем, но и постепенно привела к систематической классификации, на основе спектроскопических данных, типов стационарной связи каждого электрона в атоме; это дало полное объяснение замечательных зависимостей между физическими и химическими свойствами элементов, зависимостей, выраженных в знаменитой таблице Менделеева. Такое толкование свойств материи казалось осуществлением античного идеала — свести формулирование законов природы к рассмотрению только чисел, — превосходящим даже мечты пифагорейцев. Основное предположение об индивидуальности атомных процессов означало в то же время неизбежный отказ от установления детальной причинной связи между физическими событиями, существование которой было в течение столетий бесспорной основой философии естествознания.

О возвращении к способу описания, совместимому с принципом причинности, не могло быть и речи; это однозначно исключалось разнообразными опытными фактами. С другой стороны, вскоре удалось расширить первоначальные примитивные попытки учесть в атомной теории существование кванта действия и развить их настоящую, существенно статистическую атомную механику. Атомная механика вполне сравнима по своей последовательности и полноте со структурой классической механики, рациональным обобщением которой она и является. Установлением этой новой так называемой квантовой механики мы, как известно, обязаны прежде всего изобретательности и остроумию младшего поколения физиков. Независимо от поразительной плодотворности квантовой механики во всех областях физики и химии, она существенно разъяснила и философскую основу анализа и синтеза атомных явлений. В самом деле, начатый одним из главных основателей квантовой механики, Гейзенбергом, пересмотр в этой области самой проблемы наблюдения привёл к раскрытию ранее игнорируемых предпосылок для однозначного применения даже самых элементарных понятий, на которых основано описание явлений природы. Здесь решающим является признание того, что всякая попытка анализировать обычным, принятым в классической физике порядком «индивидуальность» атомных процессов, обусловленную квантом действия, непременно срывается из-за неизбежного взаимодействия между исследуемыми объектами и измерительными приборами, необходимыми для этого исследования.