Человеческое познание его сферы и границы - Рассел Бертран Артур Уильям - Страница 9

В современной теории уже не делается попыток создания наглядной картины атома. Атом только тогда свидетельствует о своем существовании, когда испускает энергию, и поэтому экспериментальное свидетельство может касаться только изменений энергии. Современная теория берет из теории Бора положение, согласно которому энергия в атоме должна иметь одно из дискретных значений ряда, включающее h, каждое из этих значений называется «уровнем энергии». Относительно же того, что дает атому его энергию, эта теория хранит мудрое молчание.

Одним из самых странных моментов теории является то, что она отбросила различие между волнами и частицами. Ньютон думал, что свет состоит из частиц, испускаемых источником света; Гюйгенс же думал, что он состоит из волн. Взгляд Гюйгенса возобладал и до последнего времени считался твердо установленным. Но новые экспериментальные факты для своего объяснения потребовали признания частиц, которые были названы «фотонами». В противоположность этому де Бройль выдвинул гипотезу, что вещество состоит из волн. В конце концов оказалось, что все в физике может быть объяснено как с помощью корпускулярной гипотезы, так и с помощью волновой гипотезы.

Таким образом, между этими гипотезами нет физического различия, и каждая из них может быть принята в любой проблеме как наиболее для нас удобная. Но какую бы из них мы ни выбрали, мы должны держаться избранной; мы не должны смешивать обе гипотезы в одном и том же вычислении.

В квантовой теории индивидуальные атомные события не, определяются уравнениями; исходя из уравнений, можно в достаточной степени показать, что их возможности образуют дискретный ряд и что существуют правила, определяющие, как часто каждая возможность будет осуществлена в большом числе случаев. Имеются основания думать, что это отсутствие полного детерминизма объясняется не несовершенством теории, а собственными свойствами событий малого масштаба.

Порядок, обнаруживаемый в макроскопических явлениях, является статистическим порядком. Явления, включающие большие количества атомов, остаются детерминированными, но каково может быть поведение индивидуального атома при данных обстоятельствах, установить нельзя не только потому, что наше познание ограниченно, но и потому, что нет физических законов, дающих определенный результат.

Существует и другой результат квантовой теории, по поводу которого, по-моему, было поднято слишком много шуму, а именно то, что называется «принципом неопределенности» Гейзенберга. Согласно этому принципу, имеется теоретический предел точности, с которой определенные связанные величины могут быть одновременно измерены. При определении состояния физической системы имеются определенные пары связанных величин; одна такая пара есть положение и импульс (или скорость при условии, что масса постоянна), другая — есть энергия и время. Общеизвестно, конечно, что ни одна физическая величина не может быть измерена с полной точностью, но всегда при этом предполагалось, что не существует теоретического предела для возрастания точности, достижимой при совершенной технике. Согласно же принципу Гейзенберга, это не так. Если мы попытаемся измерить одновременно две связанные величины упомянутого вида, то всякое возрастание точности в измерении одного из них (после определенного предела) связано с уменьшением точности в измерении другого. При этом будут ошибки в обоих измерениях и произведение этих двух ошибок никогда не будет меньше, чем h/2П. Это значит, что* если одно измерение будет абсолютно точным, ошибка другого будет бесконечно велика. Предположим, например, что вы хотите определить положение и скорость частицы в определенное время: если вы определяете ее положение с большой точностью, то будет большая ошибка в определении скорости, а если вы определяете скорость с большой точностью, то будет большая ошибка в определении положения. То же получается и при определении энергии и времени: если вы измеряете энергию очень точно, то время, когда система имеет эту энергию, будет неопределенным, а если вы очень точно фиксируете время, то энергия будет неопределенной в широких пределах. Это обстоятельство зависит не от несовершенства нашего измерительного прибора, а является существенным принципом физики.

Имеются физические соображения, которые делают этот принцип не столь уж удивительным. Ясно, что h есть очень маленькая величина, поскольку она измеряется числом порядка 1027. Поэтому везде, где участвует h, мы имеем дело с объектами чрезвычайно малой величины. Когда астроном наблюдает Солнце, оно сохраняет гордое безразличие к его действиям. Но когда физик пытается обнаружить, что происходит с атомом, то прибор, посредством которого он производит свои наблюдения, оказывает, по-видимому, какое-то действие на атом. Детальные исследования показывают, что прибор, наиболее приспособленный для определения положения атома, должен, по-видимому, влиять на его скорость, а прибор, наиболее приспособленный для определения его скорости, должен, по-видимому, изменять его положение. Подобные же соображения применимы и к другим парам связанных между собой величин. Поэтому я не думаю, что принцип неопределенности имеет какое-либо философское значение, которое ему иногда приписывают.

Квантовые уравнения отличаются от уравнений классической физики в весьма важном отношении, а именно в том, что они «нелинейны». Это значит, что если вы открыли действие только одной причины, а затем действие только другой причины, то вы не можете найти действие их обеих посредством складывания двух определенных порознь действий. Получается очень странный результат. Допустим, например, что вы имеете экран с маленькой щелью и что вы бомбардируете его частицами; некоторые из них пройдут через щель. Допустим теперь, что вы закроете первую щель и сделаете другую; тогда некоторые частицы пройдут через вторую щель. Теперь откройте обе щели сразу. Вы будете ожидать, что количество проходящих через обе щели частиц будет равно сумме двух прежних количеств, но оказывается, что это не так. На поведение частиц у одной щели, по-видимому, оказывает влияние существование другой щели. И хотя уравнения таковы, что предсказывают этот результат, но он остается все же удивительным. В квантовой механике меньше независимости причин, чем в классической физике, и это создает дополнительные трудности при вычислениях.

И теория относительности, и квантовая теория привели к замене старого понятия «массы» понятием «энергии». «Массу» обычно определяли как «количество материи»; «материя» была, с одной стороны, «субстанцией» в метафизическом смысле, а с другой стороны, технической формой обычного понятия «вещи». «Энергия» считалась на ранних стадиях состоянием «материи». Энергию подразделяли на два вида: кинетическую и потенциальную. Кинетическая энергия частицы принималась равной половине произведения ее массы на квадрат скорости. Потенциальная энергия измерялась работой, необходимой для перемещения частицы в ее настоящее положение с какого-либо фиксированного положения. (Это делает постоянную неопределенной, но это не существенно). Если вы переносите камень с земли на вершину башни, то он в процессе этого переноса приобретает потенциальную энергию; если вы бросаете его с вершины, то в процессе падения камня его потенциальная энергия постепенно переходит в кинетическую. В каждой замкнутой системе общий запас энергии постоянен. Существуют разные формы энергии, одной из которых является теплота. У энергии вселенной есть тенденция принимать все больше и больше форму теплоты. После того как Джоуль определил механический эквивалент теплоты, закон сохранения энергии впервые стал хорошо обоснованным научным обобщением.

Теория относительности и эксперименты показали, что масса не постоянна, как считалось раньше, а при быстром движении увеличивается; если бы частица могла двигаться со скоростью света, ее масса стала бы бесконечно большой. Поскольку всякое движение относительно, различные определения массы, даваемые различными наблюдателями в соответствии с их движением по отношению к данной частице, все одинаково законны. Однако и с точки зрения этой теории имеется все же одно определение массы, которое может рассматриваться как основное, а именно определение, даваемое наблюдателем, который находится в покое по отношению к телу, масса которого подлежит определению. Поскольку увеличение массы со скоростью заметно только при скоростях, сравнимых со скоростью света, такое определение практически годится для всех случаев, за исключением частиц альфа и бета, испускаемых радиоактивными телами.