О великих переворотах в науке
Шрифт:
Совершенно иную позицию занял В. И. Ленин. Из начавшейся новейшей революции он сделал правильный вывод о том, что рушилась не вера в исчерпаемость одних только атомов, а вера в исчерпаемость любых, сколько угодно мелких микрочастиц материи. "Электрон так же неисчерпаем, как и атом, природа бесконечна..." Эти ленинские слова выдающийся английский физик С. Пауэлл метко назвал программой всей физики XX в. Они полностью подтвердились в ходе дальнейшей научной революции.
Вступление идеи дискретности в физику.Уже открытие электрона - носителя отрицательного электричества - нанесло первый серьезный удар по классической вере в непрерывность физических функций, в особенности, конечно, в области учения об электричестве. Второй удар по этой концепции нанесла квантовая теория, созданная в 1900 г. М. Планком, согласно которой существует универсальная константа - квант действия, входящий в различные физические величины, в том числе и в выражение энергии, и обусловливающий их прерывистый, дискретный характер. Поэтому такие процессы, как излучение и поглощение света, протекают не непрерывно, а отдельными порциями.
В 1905 г. А. Эйнштейн продолжил идеи Планка и показал, что свет обладает не только волновой природой, но и корпускулярной, что он состоит из фотонов. Так рушилась вера в то, что физические явления должны описываться непрерывными функциями.
Уничтожение перегородок между различными сторонами объектов природы.Такие перегородки, возникшие во времена "классики", разделяли между собой вещества и свет, пространство и время, массу и энергию. Своей теорией квантов М. Планк начал разрушать перегородку между понятиями вещества и света, поскольку и он, и особенно А. Эйнштейн показали, что свет обладает также и корпускулярной структурой, а не только волновой, и что этим он сближается с веществом. В неменьшей степени такое их сближение вытекало из открытия П. Н. Лебедева, в том же 1901 г. измерившего давление света. Тем самым доказывалось, что свет обладает своеобразной массой, и этим заполнялась ранее существовавшая пропасть между весомым веществом и невесомым светом, якобы не имеющим массы.
Огромную роль, революционизирующую всю науку, сыграла теория относительности Эйнштейна, созданная им в 1905 г. Она разрушила старую веру в независимость пространства и времени (как основных форм бытия) друг от друга и от движущейся материи. Далее она разрушила веру в независимость между собою массы и энергии как фундаментальных физических свойств материи. Последнее выражалось в новом фундаментальном законе современной физики, согласно которому между массой и энергией существует неразрывная взаимосвязь и количественная относительность.
Так завершается начало I этапа революции III типа. Хотя за это время были созданы новые теории и открыты новые законы в физике, но в целом начало XX в. можно охарактеризовать как фазу революционного крушения "классики", поскольку ответа на вопрос, как же построен атом из электронов, еще не было найдено. Такой ответ составил конструктивное окончание начавшегося I этапа новейшей революции.
Подступы к динамической модели атома.Открытие атомного ядра Э. Резерфордом в 1911 г. вело к признанию динамической планетарно-ядерной модели атома: ядро как миниатюрное "Солнце" в центре, а вокруг него, как маленькие "планеты", движутся электроны. Однако идеи непрерывности, еще не преодоленные, помешали сразу же обосновать такую модель: ведь, согласно классической электродинамике, двигающийся вокруг положительно заряженного ядра электрон должен был непрерывно терять свою энергию и в конце концов падать на ядро, чего не происходит в действительности.
Периодическая система элементов долгое время стояла обособленно от новейших физических открытий, тем более что сам Менделеев к старости относился к ним весьма настороженно, если не сказать отрицательно. Но вот в 1913 г. эти открытия были приведены в прямую зависимость от менделеевской системы. Система выступила как выражение строения атомов и их изменчивости (развития): тем самым обнаружилась взаимная связь между самими физическими открытиями и была раскрыта их глубокая сущность. Так, Г. Мозли показал, изучая характеристические рентгеновские спектры элементов, что элементы имеют порядковые номера, соответствующие занимаемым им местам в системе Менделеева (вскоре было показано, что этот номер равен положительному заряду ядра, а значит, и числу электронов в оболочке атома). Тогда же Ф. Содди и К. Фаянс открыли так называемый закон сдвига, согласно которому при радиоактивном бета-распаде элемент как бы передвигается на одно место направо по системе Менделеева (заряд его ядра возрастает на единицу), а при альфа-распаде - на два места налево, поскольку заряд его ядра уменьшается на два. В итоге вся периодическая система элементов выступила как система развивающихся (изменяющихся) элементов, а отдельные места в ней - как ступени, которые проходят в своем развитии элементы. Тем самым была доведена до конца революция II типа, которая оставалась незавершенной в XIX в.
Завершение первого этапа новейшей революции, создание атомной модели.В том же 1913 г., сводя воедино предшествующие открытия физики, Н. Бор разрешил то противоречие в планетарно-ядерной модели атома, с которым столкнулся Э. Резерфорд. Бор допустил, что излучение или поглощение энергии движущимся вокруг ядра электроном совершается не
Несмотря на грандиозный успех новейшей революции в естествознании, в физике не только оставались неразрешенными, но с каждым новым шагом вперед все усиливались глубокие противоречия. Все учение о свете (оптика) было фактически разорвано на две изолированные области явлений: с одной стороны, распространение света, которое подчинялось старой волновой теории и совершалось как непрерывный волнообразный процесс; с другой стороны, поглощение и излучение света, которые совершались согласно теории квантов, т. е. прерывисто. Не лучше обстояло дело и в учении о веществе: классическое представление об электроне, как шарике, и о его движении вокруг ядра по строго определенной орбите, подобно движению планет вокруг Солнца, не в состоянии было выразить тонкие детали оптического спектра, хотя параметры электронных орбит все время уточнялись и усложнялись. Становилось все более очевидным, что классической воровской модели атома органически присущ какой-то недостаток, не устранимый в рамках "классики". Очевидно, здесь действовал какой-то познавательно-психологический барьер, требовавший преодоления.
Дальше в глубь материи. (Следующие этапы научной революции III типа в физике)
Начало II этапа новейшей революции.Суть его состояла в дальнейшей ликвидации остатков "классики". Этот этап характеризовался тем, что рушилась вера в обыденность физических представлений о веществе и свете. Второй этап революции в физике состоял в том, что нужно было ликвидировать остатки "классики".
Это и было достигнуто путем раскрытия подлинного единства между ранее разорванными противоположностями - веществом и светом с их различными структурами.
Создание квантовой механики.Эта теория появилась в 1923-1928 гг. Мне довелось в 1965 г. участвовать в международном симпозиуме ЮНЕСКО (Париж), посвященном 10-летию со дня смерти А. Эйнштейна. Со своими воспоминаниями выступил зачинатель идей квантовой механики Луи де Бройль, который рассказал, как под влиянием Эйнштейна родились у него в 1923-1924 гг. принципиально новые идеи о природе физических микроявлений. Если в свое время Планк перенес признак дискретности (прерывистости) с вещества на свет путем создания квантовой теории, то у Луи де Бройля возникла идея распространить на микрочастицы вещества (электроны и др.) признак волны (волнообразности), присущий свету. В итоге все физические микропроцессы (микрообъекты) как вещества (электроны и др.), так и света (фотоны) выступили в равной степени как единство волны и корпускулы. При этом корпускуле в каждом случае соответствовала волна определенной длины, а волне - определенная корпускула. Так раскрылось диалектическое единство прерывности и непрерывности в микромире, которое не могло быть раскрыто в условиях остаточной "классики". Идеи де Бройля были углублены и развиты дальше австрийским ученым Э. Шредингером, который вывел основное волновое уравнение для микропроцессов (1926 г.), немецким физиком В. Гейзенбергом, сформулировавшим соотношение неопределенностей, английским физиком-теоретиком П. Дираком (1928 г.) и др. Теперь движение электрона вокруг атомного ядра перестало мыслиться в духе обыденных представлений. Сам электрон выступил уже не как миниатюрный шарик, но как корпускулярно-волновое образование, лишенное резких границ и движущееся вокруг ядра не по точно определенным орбитам, а по размытым, подобно движению электронного облака. Вместе с тем был ликвидирован и разрыв оптики на две не связанные между собой части. Таким образом, единство вещества и света было раскрыто с новой глубиной, и новейшая революция в естествознании сделала новый бросок вперед. Можно сказать, что стоявший на ее пути барьер обыденности был верой в механическую наглядность микроявлений. Ибо в основе боровской модели атома лежала идея, что атом можно представить себе наглядно как миниатюрную Солнечную систему. Крушение веры в механическую наглядность атомной модели повлекло за собой признание, что на место такой наглядности должна встать математическая абстрактность наших представлений о микропроцессах. Отсюда еще большее возрастание роли математики с ее абстрактно-математическими моделями в современной физике. И это имело громадное революционизирующее значение для науки.
Ломка электромагнитной картины мира.Начиная с 30-х гг. XX в. в атомной физике были сделаны открытия, которые доказывали ограниченность, а в ряде пунктов - несостоятельность сложившейся электромагнитной картины мира. Все известные ранее микрообъекты либо носили электрический заряд - отрицательный (электрон) или положительный (протон) - либо электромагнитный (фотон). Казалось бы, свойство массы не играет у них существенной роли. Атомное же ядро представлялось как образованное протонами и внутриядерными электронами.