Новости Библиотека Учёные Ссылки Карта сайта О проекте


Пользовательский поиск







предыдущая главасодержаниеследующая глава

Впереди богов

Человек открывает мир в большой мере глазами. Это совершенно закономерно, так как свыше девяти десятых всех внешних раздражений, воспринимаемых человеком, проникает в сознание по каналам зрения. Это происходит потому, что этот орган самый тонкий из органов чувств. Он различает около полумиллиона цветов и тонов и ловит световую вспышку продолжительностью 0,0003 секунды.

Удивительно ли, что на протяжении тысячелетий человеческая мысль развивалась преимущественно на основе зрения? Все естественные науки начинались с наблюдений за явлениями природы, а наблюдение почти всегда было синонимом видения. Даже то, что глаз непосредственно не видел - из-за малости или дальности объекта (вирус, далекая галактика) или из-за того, что явление имело в основном незримую природу (температура, скорость), - человек старался оценить явление или объект "на глаз", с помощью специального датчика-преобразователя.

Огромное большинство наблюдательных и измерительных приборов современных техники и науки превращают невидимое в видимое, сводят разнородные явления природы к одному - оптическому, разворачивают их перед глазом исследователя и тем как бы очеловечивают.

Сегодня люди наблюдают многое из того, что недавно им было недоступно. С одной стороны, это области, отдаленные географически: полярные районы и пустыни, верхние слои атмосферы и межпланетное пространство, недра Земли и недра океанов. С другой стороны, постепенно видимыми становятся области критических условий: низких и высоких температур, низких и высоких давлений, крайне высоких напряженностей электрического и магнитного полей, области с нулевым значением гравитационного поля (невесомости) и области гравитационных перегрузок, области очень больших и очень малых энергий, длинных и исчезающе ничтожных отрезков времени...

Так или иначе люди видят даже движущиеся протоны или электроны (например, по следам в так называемой камере Вильсона), даже температуру поверхности Луны или Венеры (по кривым радиосигналов в электронно-лучевом преобразователе).

Возможность сделать видимым любой объект природы, всякое ее явление в конце концов стала представляться людям чем-то вроде несокрушимого закона природы, эдаким всеобщим "принципом очевидности" или, если хотите, "законом наглядности". И этот принцип прочно воцарился в науке, стал казаться безупречным критерием истинности. Соответствием ему люди проверяли все положения теории, все утверждения пытливой мысли.

Гелиоцентрическая система Николая Коперника вызывала возражения тем, что явным образом выступала против принципа очевидности. Она восторжествовала, когда удалось доказать ее наглядность, поместив воображаемого наблюдателя за пределы солнечной системы.

Вспомним также подвиг Персиваля Ловелла, американского астронома, доказавшего в 1915 году существование девятой планеты солнечной системы - Плутона. Он это сделал, как говорили, "на кончике пера", не отрывая головы от вычислений. Он изучил отклонения движения седьмой планеты - Урана - от того, что вытекало из теории, учитывавшей притяжения лишь всех известных тогда планет, и рассчитал орбиту неизвестной планеты.

Образно действия Ловелла можно представить так. Он поместил самого себя неподалеку от солнечной системы, затем напряженно и долго всматривался в движение крайних ее планет. Незаметно ученый превратил свой разум в щуп, которым отыскал неведомую маленькую планету на окраине системы и сделал ее как бы зримой. Интересно, что этот щуп оказался чувствительнее щупа телескопического. Лишь потом, пятнадцатью годами позже, оптическая астрономия, следуя за указаниями Ловелла, обнаружила Плутон воочию.

Вера в обязательность проявления и в непогрешимость принципа наглядности еще недавно была так велика, что сам Джемс Максвелл, создатель электро-магнитной теории поля - одной из важнейших областей современной физики, - уже изложив ее основы, продолжал некоторое время изображать модель этого поля, как механически связанную систему рычагов и зубчатых колес.

Увы, ничего из такой модели у Максвелла, конечно, не получилось. Ему не удалось при построении ее, что называется, свести концы с концами. Ученого это страшно огорчало, а между тем он был ни при чем. Электромагнитное поле само по себе наглядным образом не выражается.

Придумывая способ измерения такого поля, экспериментатор, может быть, не задумывался над тем, что в этом случае есть одно существенное отличие от измерения, скажем, полета пули или температуры перегрева пара. Там наблюдают за поведением тел, состоящих, как и человеческое тело, из атомов и молекул; природа этих объектов близка человеку и понятна. Здесь же - нечто не состоящее из атомов, чуждое вековечной человеческой практике; природа этого объекта наглядно непостижима.

И тем не менее поле тоже стали измерять приборами. Ведь поле - тоже одна из форм материи. Оно обладает рядом объективных свойств (например, напряженностью), способных действовать на стрелку соответствующего прибора и отклонять ее на определенный угол. Исследователи сделали наглядными и результаты действия электрического поля. Стали видеть и неатомную материальную структуру!

Искусство, с каким человек стремится сделать видимыми для себя различные явления и тела природы, не может не вызывать восхищения. Сила человеческого ума выступает особенно отчетливо, когда подумаешь, какую исчезающе маленькую часть Большого Мира он может чувствовать и видеть непосредственно.

Человек, как часть природы, как объективное физическое тело, обладающее своими масштабами длин, масс и длительности жизни, занимает в мировом пространстве промежуточное положение. Человеческое тело больше (и тяжелее) атома водорода как раз во столько раз, во сколько Солнце больше (и тяжелее) человеческого тела. Учтя, что наше Солнце - звезда как раз средней величины, можно написать:

человек = звезда
атом человек

Минимальное расстояние, которое человек может разглядеть невооруженным глазом, равно примерно одной десятой миллиметра (0,01, или 10-2см). На столько должны быть отдалены одна от другой две точки в книге, чтобы их разглядел читающий человек с нормальным зрением.

За максимальное расстояние, на которое человек отчетливо видит без бинокля, примем расстояние в 100 метров (104 см). На этом отдалении можно разглядеть форму и цвет листьев, а также кирпичи в стене.

Какую минимальную тяжесть человек может почувствовать? Допустим, что одну десятую грамма (0,1, или 10-1 г). А сколько максимально поднимет и немного пронесет средний мужчина? Должно быть, что-нибудь порядка 50 килограммов (5⋅104 г).

Последними характеристиками оценим временные возможности человека.

Как уже говорилось, наш глаз способен заметить световую вспышку продолжительностью 0,0003 секунды (3 ⋅ 10- 4 сек.). Это минимум, типичный для зрительного восприятия. За максимум примем среднюю продолжительность человеческой жизни - 70 лет (учитывая, что в одном году 31 536 тысяч секунд, в переводе на стандартные единицы человек в среднем живет примерно два миллиарда, то есть 2109 секунд; не будем очень строги и не будем вычитать время сна, когда он не видит окружающую действительность).

Если все это свести в таблицы сравнительных размеров, сравнительных масс и сравнительных продолжительностей жизни тел природы, получится интересная картина.

Сравнительные размеры тел (в сантиметрах)
Сравнительные размеры тел (в сантиметрах)

Сравнительные массы (в граммах)
Сравнительные массы (в граммах)

Продолжительность жизни (в секундах)
Продолжительность жизни (в секундах)

Хитроумно раздвигая границы познания природы все дальше за пределы своих органов чувств, человек внушал себе, что все так или иначе может быть преобразовано на наглядный образ. Однако на рубеже столетий впервые смутно замаячили возможности ненаглядных парадоксов в физике. Это сразу насторожило и встревожило ученых.

Одним из первых, публично выразивших такую тревогу, был крупный английский физик Уильям Том- сон (лорд Кельвин). Выступая в 1900 году с речью, посвященной началу нового столетия, он говорил о ясном физическом небосводе, который, однако, омрачают два небольших облачка: отрицательные результаты оптических опытов американских исследователей А. Майкельсона и Е. Морлея и так называемая "ультрафиолетовая катастрофа".

Не будем останавливаться на сути омрачающих событий; кто захотел бы познакомиться с ними подробнее, легко может сделать это, раскрыв любой учебник физики. Заметим лишь, что опыты Майкельсона и Морлея, начатые в 1881 году, имели целью обнаружить изменение скорости света относительно неподвижного "эфира" - тонкой материальной среды, будто бы заполняющей все пространство. Из результатов их в конечном счете выросла одна из двух основ современной физики - теория относительности.

Что касается "ультрафиолетовой катастрофы", то здесь речь шла об одном долго не разрешавшемся противоречии: теория считала, что энергия распространяется непрерывно, что она делима сколько угодно; а результаты опытов по тепловому излучению так называемого "абсолютно черного тела" могли быть объяснены лишь при условии, что энергия "зерниста", состоит из очень маленьких, дальше неделимых, частиц - "квантов". Из объяснения "ультрафиолетовой катастрофы" родилась вторая основа современной физики - квантовая механика.

Обе теории революционизировали и совершенно преобразили физику. От теории относительности и от квантовой механики началось в физике широкое наступление на принцип наглядности. Наступление было нелегким. Большинство людей отождествляло ненаглядность миров с их небытием, несуществованием.

"Все мы, или большинство из нас, - писал замечательный американский писатель Джон Стейнбек в романе "Зима тревоги нашей", за который он получил Нобелевскую премию 1962 года, - вскормлены наукой девятнадцатого века, которая объявляла несуществующим все, чего не могла объяснить или измерить. От этого необъяснимое не перестало существовать, но без нашей, так сказать, санкции. Мы упорно не желаем замечать то, чему не можем найти объяснение..."

Сам Эйнштейн так болезненно переживал им же выведенную в 1920 году формулу квантовой теории, что сказал Нильсу Бору, с которым только что познакомился:

- Если квантовая механика окажется справедливой, то это будет означать конец физики.

Нильс Бор, рассказывая об этом эпизоде московским физикам, затем добавил и о себе:

- Когда Эйнштейн ввел понятие "фотон", мы долго не могли понять, что же это означает.

Понять Бора можно, если вспомнить, что раньше истины науки выражались довольно просто, а фотон, он же квант или порция любого электромагнитного излучения (например, света), совершенно непостижим наглядно.

Он не имеет протяженности. Он никогда не пребывает в покое и вечно движется с одной и той же скоростью - без малого 300 тысяч километров в секунду в пустоте. Аналога, хотя бы отдаленного, в нашем чувственно-воспринимаемом мире фотону нет. Все тела, с которыми мы имеем дело дома, на улице, на работе (если только не занимаемся физическими исследованиями), обязательно простираются в пространстве, могут двигаться с переменными скоростями или застывать в покое.

Только скорость света для них недостижима. Даже некоторые собратья фотона по микромиру - протоны, нейтроны, электроны - и те не в состоянии за ним угнаться. На специальных ускорителях физики научились разгонять электроны до фантастических скоростей - порою лишь на стотысячную часть скорости света медленнее этой скорости. Но все же никогда, никакими ухищрениями нельзя заставить обычные корпускулярные частицы нагнать эфемерный фотон.

Фотон отличен от всего телесного, и в то же время у него есть нечто общее с электроном и со всеми вообще телами природы - большими и малыми: импульс, масса, энергия.

Но частичное сходство при несходстве в остальном лишь затрудняет, а не облегчает наглядное описание кванта света. Сочетание обычных и необычных свойств фотона иным кажется такой бессмыслицей, что когда, например, одному человеку попробовали об этом рассказать, тот горестно воскликнул:

- Все это укладывается в моем сознании не больше, как если бы вы доказывали,-что скрипку склеивают из досок и звука.

Удивительным казалось, что фотон обладает некоторыми свойствами "телесного" электрона. Но еще удивительнее было открытие в 1927 году волновых свойств у электрона. Позднее двойственность "волна - частица" всех без исключения элементарных частиц была многократно подтверждена на опыте, но первое время к ней с недоверием относились даже первооткрыватели.

Так, один из двух американских физиков, впервые наблюдавших электронные волны, - Клинтон Джозеф Дэвиссон, в своем докладе, опубликованном у нас в 1928 году, писал:

"Возможно ли, что мы все время ошибались, считая электроны частицами, тогда как в действительности они суть волны? Мне, конечно, незачем повторять... что электроны действительно явно являются частицами".

Последний решительный удар по всеобщности принципа наглядности был нанесен физиками-экспериментаторами, старавшимися чисто опытно расшифровать структуру малых частиц материи.

Раздвинув створки чувственно-наглядного мира и углубившись в недра микромира, ученые трижды спускались со ступеньки на ступеньку в специфические - отличные друг от друга - масштабные миры.

От атома с характерным для него размером в одну стотысячную долю сантиметра они шагнули к атомному ядру с характерным размером в одну триллионную сантиметра. Шаг второй - от атомного ядра к его составным частицам - нуклонам (протонам и нейтронам) с размером порядка десятитриллионной сантиметра.

По принятой терминологии протон и нейтрон относятся к элементарным частицам. Но не случайно еще покойный Энрико Ферми, известный физик-антифашист, переехавший из Италии на постоянное жительство в Америку, указывал, что термин "элементарный" характеризует не столько природу этих частиц, сколько уровень наших знаний о них. В 1955 году первая из примерно сорока ныне известных элементарная частица - протон - перестала считаться неделимой точкой.

Работающий в Стенфордском университете (США) молодой физик Роберт Гофштадтер, обстреливая протоны электронами, разогнанными на так называемом линейном ускорителе, доказал экспериментально, что внутри протона есть своего рода твердое ядро - "керн" размером примерно в десять раз меньше размера всей частицы. Этот керн имеет электрическую природу, поэтому его называют иногда также "электрическим облаком" в отличие от внешнего "нуклонного облака", соответствующего размеру одной десятитриллионной сантиметра.

Так был сделан еще один - третий - шаг в глубь материи, в область, ограниченную размером в одну стотриллионную долю сантиметра.

Последующие шесть лет принесли Гофштадтеру новые успехи; керн был обнаружен и в нейтронах. А в 1961 году все эти работы были отмечены Нобелевской премией...

При обозрении пройденных ступеней у некоторых людей, далеких, разумеется, от физики, могло возникнуть представление, что дальнейший прогресс физики микрочастиц предельно ясен. За третьей ступенькой начнется четвертая - внутри керна обнаружат какую-то еще меньшую сердцевину; потом шаг пятый - находка сердцевины сердцевины керна, и так далее без конца...

В действительности все обстоит сложнее.

Есть четкие свидетельства того, что дальнейшее дробление вещества на части становится невозможным и практически и теоретически.

Более глубокое упрощение материи если и возможно, то уже не в результате уменьшения размеров. Гениальная догадка Ленина о неисчерпаемости материи в наши дни у физиков вызывает, совсем не геометрические ассоциации.

Прежде всего разрезать элементарную частицу дальше просто нечем. Нет такого ножа или другого инструмента, которым это можно было бы сделать.

Чтобы получить мельчайшие частицы вещества, микрообъекты не разрезают, а раскалывают, как орехи, разрушают на специальных ускорительных машинах вроде тех, что установлена у нас в Дубне или в Америке - в Брукхейвене и Беркли или в Швейцарии - в Женеве. Метод не ахти какой; похоже, что в окно выбрасывают рояль и по звукам рвущихся струн стараются определить, как он устроен. Но другого пока не существует.

Частицам-разрушителям (например, электронам или протонам) все время стараются придать возможно большую энергию. В Дубне, например, где действует один из самых крупных в мире ускорителей - синхрофазотрон энергия эта может быть доведена до чудовищно большой величины - 10 миллиардов электроновольт. Это в миллиарды раз больше той, что проявляется при химических реакциях, и в десять раз больше энергии атомных взрывов.

Сейчас в СССР под руководством академика Абрама Исаакиевича Алиханова строится еще более мощный ускоритель - на 50-70 миллиардов электроновольт. А в проекте, как сообщала "Правда" от 15 апреля 1962 года, постройка сверхгигантского ускорителя на тысячу миллиардов электроновольт.

Зачем нужны такие мощности? Оказывается, чем выше энергия ускоренных частиц, тем больший эффект они вызывают, разбивая вдребезги ядра мишени.

Но это еще не значит, что осколки элементарных частиц, подвергавшихся разрушению, будут тем мельче, чем выше энергия частиц-снарядов. В физике атомного ядра активно проявляет себя выведенный Эйнштейном закон Е = тс2 - энергия пропорциональна массе и квадрату скорости света. Закон этот, как надежный часовой, оберегает микромир от размельчения частиц сверх установленного предела.

Как только энергия становится достаточно большой, она преобразуется в массу вещества, за ее счет рождается новая элементарная частица. При этом зачастую возникают парадоксы, неизвестные в мире больших вещей: части разрушаемых частиц могут оказаться и больше целого!

Так выглядит практическая невозможность достичь ультрамикромира (то есть мира более простых материальных образований, чем элементарные частицы) путем дробления.

Допустим, однако, на миг, что нож для разрезания элементарных частиц все же как-то изобретут. Удастся ли им воспользоваться?

Нет. Его сразу можно будет выбросить. Он не поможет разрешению задачи. Почему?

Потому что современная теория элементарных частиц совсем иначе, чем в макромире, подходит к понятию "структура". Согласно этой теории нуклон, например, состоит из пары - нуклона и антинуклона, а также из так называемых пи-мезонов; электрон - из пары электрон и позитрон; мезон - из трех мезонов, и так далее.

- Мы привыкли к тому, - говорил Д. И. Блохинцев на VII Международной конференции по физике высоких энергий в сентябре 1961 года в Софии,- что, например, молекула воды состоит из атомов водорода и кислорода, атомы состоят из электронов и ядер, ядра - из нуклонов... Во всяком случае, мы привыкли считать, что часть меньше целого. Но разве пара позитрон - электрон, входящая в состав электрона, меньше его? Если следовать современной теории, то частицы состоят друг из друга, а большее может заключаться в меньшем.

Блохинцев далее сказал, что современные физики - специалисты в области микрочастиц слово "состоят" употребляют теперь совсем не в том статическом смысле, как это было в классической атомной физике. Сегодня, употребляя это слово, хотят лишь подчеркнуть, что при взаимодействии некоторой частицы, например нуклона, с другой частицей, скажем с фотоном, неизбежно в качестве промежуточных агентов будут участвовать и другие частицы: мезоны, нуклоны, антинуклоны и так далее, временно возникающие в процессе этого взаимодействия.

Таким образом, современное представление о структуре элементарных частиц связано со структурой возможных процессов и является динамическим.

Звучит невероятно, но лишь для уха, привыкшего к голосу старой логики. С точки зрения современной физической теории здесь нет ничего крамольного. Просто физик увидел в окружающей знакомой всем природе нечто незнакомое, такое, что изменило его прежние представления о природе и заставило пользоваться необычным языком.

Динамический подход к объяснению структуры нуклона позволил открыть в ней недавно новые - сверх тридцати ранее известных - элементарные частицы. Несколько месяцев назад новые частицы получили (в Калифорнийском университете, в городе Беркли, США) и свои названия: ро-мезоны и омега- мезоны. Ромезоны разбиваются на три группы - положительные (по электрическому заряду), отрицательные и нейтральные; омега-мезоны - только нейтральные.

Открытие этих частиц основывалось на тех самых экспериментах Р. Гофштадгера, за которые он получил Нобелевскую премию.

Оказалось, что ро- и омега-мезоны входят в "состав" керна или электрического облака нуклона, кстати сказать, вместе с ранее известными пи-мезона- ми. Если бы все эти мезоны составляли части керна нуклона, то мы могли бы считать, что сделан еще один (четвертый) шаг в глубь микромира. Однако из всего того, что было сказано выше, явствует, что такой наглядный образ совершенно неуместен. И это новое открытие заставляет нас еще раз призадуматься над правильностью современного понятия элементарной частицы.

До последних лет с понятием "элементарная частица" связывался вполне определенный образ. Частицы эти четко обнаруживаются в экспериментах, в частности при помощи камеры Вильсона или пузырьковых камер. Многие из элементарных частиц живут ничтожные доли секунды, успевая, однако, оставить след на фотопластинке. Вновь же открытые ро- и омега-мезоны распадаются на другие частицы (на пи-мезоны) так быстро, что следы новых обитателей микромира обнаружить непосредственно не представляется никакой возможности.

Время жизни новых частиц продолжается примерно одну стотысячную часть миллиардной доли одной миллиардной секунды. Тот, кто захотел бы написать это число цифрами, должен был бы поставить в числителе единицу, а в знаменателе - единицу с двадцатью тремя нулями.

Нет ничего удивительного, что о существовании новых частиц вначале догадались лишь из теоретических соображений, а затем открыли их не непосредственно, а по косвенным результатам мгновенных появлений удивительных частиц.

Некоторые физики сейчас предлагают вместо выражения "элементарная частица" применять иное: либо "резонансное состояние", либо "возбужденное материальное состояние", либо просто - "возбужденное состояние". Вполне возможно, что скоро для обозначения простейшего элемента материи примут новое наименование.

Продолжающиеся открытия новых частиц невольно порождают вопрос: до каких пор может возрастать таблица элементарных частиц и есть ли вообще у этой таблицы какие-нибудь пределы, как у таблицы химических элементов Менделеева?

Четкого ответа на этот вопрос пока не существует. Но его ищут долго и упорно и у нас и за рубежом. Может быть, он будет скоро найден.

Любопытно одно из направлений поисков. Отдельные представители как советской, так и зарубежной науки считают, что число подлинно элементарных частиц значительно меньше найденных сейчас 40. Нейтрон и протон, например, почти бесспорно являются одной и той же частицей, только в разных состояниях. Нейтрон, устойчивый лишь в атомном ядре, в свободном состоянии испытывает так называемый бета- распад: он распадается на протон, электрон и нейтрино. Через 11,7 минуты нейтрон, как установили советские физики П. Е. Спивак и Ю. А. Прокофьев (в феврале 1962 года они получили за это открытие золотую медаль имени И. В. Курчатова), распадается ровно наполовину, как бы стремясь к своему более устойчивому прототипу в форме протона. Не случайно обе частицы - протон и нейтрон - называют сейчас общим именем - нуклоны.

Нельзя ли сделать вывод, что и другие частицы (или хотя бы некоторые из них) также представляют собою просто разновидность какой-то одной частицы?

Профессор МГУ Дмитрий Дмитриевич Иваненко как-то высказал предположение, что все частицы являются не чем иным, как различными формами одной простейшей. Он дал даже ей условное название: "элементов".

Чем-то возможность подобной ситуации напоминает ту, в которой находится актриса, выступающая в разных ролях. Актриса меняет свое платье и грим и обретает новый облик! Простейшая элементарная частица (элементон или другая) меняет свое состояние (количество содержащейся в ней энергии и кое-какие другие атрибуты) и выступает в роли то протона, то электрона, то одной из других частиц...

Идея происхождения всех частиц из одной или немногих вынашивается многими физиками. Особенно интересна в этом смысле попытка, известная как "теория единого поля Гейзенберга".

Пока задача не решена, но есть намеки, что будущая теория элементарных частиц подтвердит мысль, что в основе материи лежит какая-то неведомая пока и неизвестно на что похожая праматерия.

Парадоксально, но одним из самых больших препятствий, мешающих нам проникнуть глубже в недра материи, является консерватизм сознания, недостаток человеческого воображения.

Сегодня от научных истин уже никто не требует наглядности. Более того. Само отсутствие наглядности в определенных условиях даже требуется. Ненаглядность некоторых явлений возведена в принцип, в ранг закона.

- Очевидное? Значит, неправильное! - воскликнул профессор физики, когда его оппонент на обсуждении доклада прибег к столь сомнительному доводу ("это очевидное!"), защищая свое положение.

Современный исследователь, претендующий на открытие каких-либо новых закономерностей в более тонкой (или в более широкой), чем наш зримый мир, области, имеет мало шансов на признание уже в силу одного того, что его гипотеза не будет содержать нового отказа от обычных представлений.

В современной физике это положение многие рассматривают как так называемый "принцип отказа".

Дмитрий Иванович Блохинцев хорошо выразил это новое требование науки на Всесоюзном совещании по философским вопросам естествознания в 1958 году. Выступая с речью по поводу того, каким должен быть новый шаг в познании глубин материи, он сказал:

- Нужен серьезный фундаментальный шаг вперед,- и здесь нужно, быть может, только одно слово. Идея должна быть какой-то совершенно "сумасшедшей".

Блохинцев не шутил, да никто и не принял этих слов как шутку. "Сумасшедшинка", о которой говорил ученый, то есть еще один отказ от привычных представлений при спуске на новую ступеньку в глубь вещества, нужна по той простой причине, что мы, даже не вступив еще в тот новый мир, уже знаем то, что он не будет похож даже на более знакомый нам мир квантов.

Мы начали главу с рассказа о значении зрения для получения полезных сведений о природе. Следует ли из всего сказанного позднее, вплоть до требований "сумасшедшинки", что современная физика отказывается от принципа наглядности вообще?

Нет, не следует ни в коем случае.

Мы уже говорили, что нет такой, хотя бы самой отвлеченной, естественнонаучной истины, которая не выходила бы на поверхность практики, то есть не обращалась в совершенно наглядные явления.

Принцип наглядности остается, но в том самом мире, в котором он родился, - в мире "человеческих вещей", и тем, кем он родился, - макроскопическим принципом.

В микромире же он неприменим прежде всего потому, что там не выполняются два условия обыкновенного зрительного наблюдения.

Первое. Физический прибор (датчик) должен без искажений, как говорят философы, адекватно, показывать явление. Иначе говоря, должна быть соблюдена пассивность измерения.

Второе. Обыкновенное наблюдение должно показывать то, что есть, и не показывать того, чего нет, то есть отвечать одним ответом из двух возможных: "да - нет".

И то и другое условие нарушаются в микромире.

Поговорим о первом условии.

Ведь как бывает в практике макромира? Измерение не мешает наблюдаемым процессам идти своим чередом. Если мы измеряем температуру тела, мы знаем точно, что сам по себе термометр, который до начала опыта был теплее или холоднее тела, не изменил существенно его температуры. Если измеряем число оборотов вала, то полагаемся на то (как и бывает обычно), что механическая энергия, потребляемая тахометром, ничтожна, что прибор не тормозит заметно вала и показания на шкале тахометра соответствуют действительной скорости вращения вала.

Короче говоря, в мире повседневной практики приборы ведут себя достаточно пассивно. Их вмешательство в процесс практически близко к нулю, и на него можно не обращать внимания.

Совсем не так происходит в мире очень малых частиц материи.

Вы хотите определить точное положение частицы в пространстве и для этого бросаете на нее пучок света. Но частицы света-фотоны - обладают своей энергией, причем сравнимой с энергией движущейся частицы. Они сбивают частицу с пути, и вы не в состоянии точно решить задачи - определить координаты частицы.

Вы хотите определить скорость движения частицы или ее импульс (количество движения, то есть произведение массы частицы на ее скорость) и для этой цели притормаживаете ее в магнитном поле. Но при этом она теряет уже заметную долю своей скорости; вы опять-таки получаете неверный результат.

В микромире, как видно, прибор активно вмешивается в процесс и искажает явление.

Кстати, искажение измерений наблюдается на многих ступенях микромира. Биологи, например, жалуются, что им очень трудно увидеть под электронным микроскопом живые микроорганизмы: очень "жесткие", то есть энергичные, электронные лучи, падая на организм, убивают их.

Сейчас речь не о том, как с помощью неточных результатов получить точные ответы (в жизни мы очень часто это делаем путем правильных корректировок). В данном случае для нас важно, что современная физика столкнулась с новой формой наблюдения: наблюдения неадекватного, не отражающего ту действительность, какой она была до опыта.

Если этот факт сопоставить с фактом нарушения в микромире второго условия "классического" наблюдения - условия "да - нет", то мы получим уже нечто большее, чем просто занятный случай невозможности превратить в зримый образ явления природы.

Дело в открытии принципиально нового - ненаглядного - способа наблюдения.

- Или-или, третьего не дано! - так говорили только раньше. Звучало это очень убедительно.

Или истинно, или ложно, ничего сверх этого.

Два человека рассчитывали полет снаряда. Условия одни, но ответы получились разные. Один угадал, что называется, тютелька в тютельку. Какой ответ другого?

- Конечно, он ошибся, - заметит всякий. - Правильно не решил, значит решил неправильно. Все, что не правильно, то ложно.

Звучит резонно. Можно сказать правду, можно ошибиться, но нельзя сказать ничего такого, что не было бы правдой и не было неправдой. Третьего не дано!

На четком и ясном принципе "или - или" строились все науки. Он был в основе физики и ее приложений. Движения и изменения тел рассчитывались с его помощью: истинное показывало, чего держаться, ложное - чего избегать.

Принцип "двузначной логики" не выдуман в кабинетах. Он отражает представление людей о мире, сложившееся за миллион лет сурового существования. Природа слишком долго и настойчиво твердила им, что обо всем происходящем можно вынести только два суждения.

Подчеркивая важнейшую особенность старого логического принципа, мы могли бы дать ему еще одно название: принципа определенности. Суждений два, но каждое из них определенно, то есть истинно. И говоря, что правда - это правда, мы говорим правду; и говоря, что ложь - это ложь, мы тоже говорим правду.

Правда и ложь оказываются двумя сторонами истины. Они неотделимы друг от друга, как Северный полюс от Южного, и они - единственные двери к сокровенной сущности вещей.

Пример активного "двойного поиска" дает нам физика. В ней две группы законов: одни указывают, что можно сделать с материальными телами, другие - чего нельзя с ними сделать.

Особенно интересны эти вторые, называемые обычно "принципами невозможности", или "запретами". Существующие как будто лишь для того, чтобы предостеречь физиков от ошибок, оттолкнуть их от отрицательного, они в то же время указывают путь к открытиям, манят возможностью положительных достижений.

Вот несколько таких запретов.

Нельзя ни создать из ничего, ни превратить в ничто массу или энергию.

Нельзя телам или сигналам двигаться со скоростью, превышающей скорость света.

Нельзя создать электрический или магнитный полюс без того, чтобы тотчас где-нибудь в пространстве не образовался заряд или полюс противоположного знака...

Сейчас физических запретов известно уже так много и роль их для расчетов так возросла, что некоторые иностранные ученые стали сравнивать физику с полицейским, больше запрещающим, чем разрешающим что-либо.

Важнейший вывод из принципа определенности - возможность предвидеть будущее.

В самом деле, почему бы нет! Идя дозволенным путем и не идя недозволенным, мы обязательно придем туда, куда направимся. Выяснив начальные условия движения тела (его месторасположение и импульс) и учтя все силы, действующие на него, мы получим все, что нужно, чтобы по формулам рассчитать его будущее состояние.

Правда, практически не всегда так получается. Нельзя с абсолютной точностью изучить начальное состояние тела и учесть все будущие силы, которые на него подействуют. Но это уж из другой области. И это ни в коей мере не порочит принципа определенности.

В реальной обстановке мы, как правило, получаем приблизительные ответы.

Самый превосходный специалист не скажет с абсолютной точностью, где десять секунд спустя после выстрела будет находиться снаряд. Это значит, что воображаемый мешок в пространстве, в который специалист мысленно засунет снаряд, конечно, будет больше физического объема снаряда. Ветер, ничтожный недовес или перевес порохового заряда, неточности прицела, да мало ли что еще - все это исказит в пространстве и во времени расчетную траекторию, все это внесет известную неопределенность.

Однако неопределенность такого рода не носит принципиального характера. К ней, если так можно выразиться, не относятся серьезно. Она связана со случаем, а власть случая уменьшается тем сильнее, чем больше возрастают наши знания и умение.

Полеты космонавтов, далекие путешествия межпланетных ракет с приборами, многое другое - прекрасные свидетельства того, что мы уже и сегодня решаем довольно точно механические (да и не только механические) задачи. А ведь наука и техника развиваются стремительно, прогресс продолжается.

Слов нет, трудно, даже невозможно, предвидеть все будущие силы, которые станут действовать на тело. Но в принципе можно создать такой долгодействующий источник могучих корректирующих сил, который будет предупреждать нежелательные отклонения от точности.

Восторженно уверовав в простоту и непогрешимость естественных законов, иные представители науки прошлых веков говорили:

- Бог похож на физика. Он знает все законы, отсюда его власть. Прекрасно разбираясь, что за чем, какая ясная причина влечет и столь же ясное последствие, он может заглянуть в будущее, может воскресить прошедшее, от которого вроде бы не осталось и следа. Во времени, как и в пространстве, для бога- из-за его умения все рассчитать - нет никаких секретов.

Великий астроном Лаплас был одним из разделявших эту точку зрения. Вполне логично он вместо слова "бог" применял выражение "божественный вычислитель".

(Не приходила ли ученому в голову мысль, что через три-четыре столетия таким вычислителем с некоторыми оговорками станет обыкновенный смертный человек?)

Лаплас настолько ясно высказал идею, что можно заранее учесть все будущие силы и благодаря этому точно рассчитать будущее поведение тела, что эту идею все стали называть "лапласовским детерминизмом" (от латинского корня determinare - ограничивать, определять).

Сознательно или бессознательно все здравомыслящие люди до самого текущего столетия единодушно признавали правоту лапласовского детерминизма - этого прямого следствия принципа определенности.

Единственная область, где лапласовский детерминизм был явно неприменим, - это область живой природы. Там, очевидно, могли появляться нерассчитываемые силы. Значит, летел насмарку расчет на то, что ясная причина вызывает лишь одно-единственное ясное последствие.

Но вот что интересно. Да, в живой природе есть самодвижение и индивидуальность, неуловимые движения души и то, что называют свободой воли. В живой природе проявляет себя некий "индетерминизм"- "недетерминизм", неопределенность. Но как только сюда вторгается человек, немедленно и живая природа начинает ограничиваться и определяться; разумный детерминизм все больше вытесняет неразумный индетерминизм, порядок и двузначная логика начинают действовать и здесь.

Мы создаем не только дома и всяческие машины. Мы создаем и общественные закономерности.

Мы любим определенность, потому что жить с ней легче и надежнее. И мы активно поддерживаем силы общественного порядка, борющиеся за эту определенность.

Нарушения принципа определенности непринципиальны и здесь. Чем больше совершенствуются общество и его законы, тем реже показывает себя случай, тем все могучее силы, предотвращающие их нарушения.

Даже и тогда, когда бывают отклонения от правил и об этом нам известно, мы все равно ведем себя обычно так, как если б жили в мире идеального порядка. Мы продолжаем ездить на поездах, хотя случаются крушения. Кузнец спешит повернуть деталь, хотя удар может и не последовать (сгорит мотор, и молот остановится).

Мы поступаем мудро, приравнивая нулю ничтожные вероятности. Допустив хотя бы мысленно неопределенность результатов, мы утратим благотворную определенность своих действий. Ну много ли наработает кузнец, каждоминутно ожидающий аварии, бывающей раз в десять лет!

Неожиданной находкой современной физики была находка принципиальной неопределенности.

Оказалось, что в природе - в неживой природе! - есть такие задачи, которые нельзя решить абсолютно точно, даже если полностью исключить случайность.

Это значит, что мир наш значительно сложнее, чем представлялось нашим предкам. В нем существуют положения, которые верно отражают действительность и в то же время не являются ни истинными, ни ложными.

Всего сильнее принципиальная неопределенность проявляет себя в микромире - мире атомов и их осколков - элементарных частиц.

Впервые внес ясность в понятие неопределенности в мире очень малых частиц (электронов и других) немецкий физик Гейзенберг.

Один из величайших физиков нашего времени, Вернер Гейзенберг, родился в 1901 году в Вюрцбурге и еще в ученические годы проявил необыкновенные математические способности. Он был единственным учеником за всю историю Мюнхенской гимназии Макса, освобожденным благодаря своим способностям от обязательного присутствия на уроках математики. В 21 год он стал магистром, в 26 лет - профессором, а в 1932 году, в возрасте 31 года, за свои труды по физике получил высшую научную награду западного мира - Нобелевскую премию.

Когда Гейзенберг начинал свои исследования, было уже известно, что физические состояния мельчайших частиц материи изменяются не постепенно, а скачкообразно, резко. Способы вычисления, примятые в макромире, не годились для маленьких частиц: все эти способы покоились на предположении, что процессы в атоме имеют постоянный характер и что, если знать положение частицы в данный момент, можно вычислить их неизбежный ход в дальнейшем. А в микромире этого как раз и нет.

Гейзенберг создал новый метод вычисления будущего состояния материальных тел специально для микромира. Он называется методом статистической вероятности и основывается на учете вероятности перехода из одного состояния в другое.

В 1927 году Гейзенберг сформулировал такую мысль:

- Невозможно с абсолютной (идеальной) точностью определить местонахождение элементарной частицы и одновременно - ее скорость. Чем больше будет точность одной из этих величин (местонахождения или скорости), тем более неопределенной станет другая величина.

Эта мысль была настолько обоснованно доказана, что один немецкий физик шутя воскликнул:

- Гейзенберг логично доказал, почему не может быть логичного движения частиц!

Впоследствии идея Гейзенберга была блестяще подтверждена на практике. Выраженная в виде формулы, она вошла во все учебники под тем названием "соотношения неопределенностей Гейзенберга", о котором мы немного выше упоминали.

Итак, в природе наряду с решениями "истинным" и "ложным" есть еще третий вид решений - "неопределенное". Оно закономерно, как остальные два, и служит как бы третьей дверью к истине. Оно присутствует всегда, когда речь идет о вероятности тех или иных событий.

Не две, а три правды характеризуют истину: правда, ложь и неопределенность.

Наблюдая некое физическое явление, надо быть готовым получить ответ не по схеме- "или-или", а по схеме "или-или-или".

Не двузначная логика отражает подлинную сущность нашего мира, а трехзначная логика.

Трехзначная логика позволила физикам углубиться в недра атомного ядра и понять многое из того, что там происходит. Но впереди новые задачи, одна из которых - спуск в ультрамикромир, в мир праматерии.

Естествен вопрос: не потребуется ли физикам завтрашнего дня в качестве ключа к решению новых задач еще одно логическое "или", еще одна - четвертая - правда?

Ход эволюции идей такой возможности не исключает.

Человек обладает чудесным даром постигать и ставить себе на службу результаты деятельности самых что ни на есть ненаглядных объектов. И, безусловно, нет таких областей природы, хотя бы самых удаленных (в каком угодно смысле), которые могли бы не подчиниться человеку, не стать ареной его разумной и целеустремленной деятельности.

предыдущая главасодержаниеследующая глава





Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Злыгостев Алексей Сергеевич, 2001-2017
При копировании материалов активная ссылка обязательна:
http://nplit.ru 'NPLit.ru: Библиотека юного исследователя'