Файл: Тригг Дж. Решающие эксперименты в современной физике.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.07.2024
Просмотров: 128
Скачиваний: 0
G E O R G E L T R I G G
Editor, Physical Review Letters
Brookhaven National Laboratory
C R U C I A L E X P E R I M E N T S
I N
M O D E R N P H Y S I C S
VAN NOSTRAND REINHOLD COMPANY
N E W Y O R K • C l N C I N N A T I ' T O R O N T O
L O N D O N ■ M E L B O U R N E
1971
Дж. Т Р И Г Г
Р Е Ш А Ю Щ И Е Э К С П Е Р И М Е Н Т Ы
В
С О В Р Е М Е Н Н О Й Ф И З И К Е
П еревод с английского
канд. фаз.-мат. наук А. В. ДАВЫДОВА, канд. фаз.-мат. наук Г. В. ДАНИЛ ДНА
П од редакцией
канд. философ, наук И. С. АЛЕКСЕЕВА
И З Д А Т Е Л Ь С Т В О «МИР»
М О С К ВА
1974
, |
ТО С ГиГ' 'Й іМЯ |
г |
Q f y |
|
НАУЧНО-7b.,^И Ч Ь С К А Я |
■ |
- ™ |
' — |
|
|
^ИблиотЕал с в о р |
■' |
^ |
.j. |
УД К 530.1 (023) |
/ |
|
Ъ'уО |
В книге в популярной форме, но достаточно строго описываются эксперименты, которые сыграли важнейшую роль в переходе от классических представлений к идеям современной физики и легли в основу квантовой меха ники и атомной теории.
Интересное изложение с большим количеством цитат из работ ученых, выполнявших описанные эксперименты, знакомит читателя с тем, какими сложными путями часто идет развитие научных представлений, и облегчает восприятие самих этих представлений.
Книга рассчитана на широкий круг читателей, инте ресующихся физикой и историей ее развития, в частно сти на студентов и школьников.
© Перевод на русский язык, «Мир», 1974
Редакция лит ерат уры по физике
0231-354 Т 041 (01)-74 6573
ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
Представление о «решающем эксперименте» не является новым для историков, философов и логиков науки. Начи ная с чисто философского бэконовского «эксперимента креста» (experimentum crucius), значимость которому придал в своей «Оптике» Ньютон, довольно распространенной и хо дячей стала вера в возможность выбора между двумя кон курирующими теориями какой-либо группы явлений с по мощью результатов единственного решающего эксперимента. Иногда эта вера выступает в еще более сильной форме— по рою считают, что новая физическая теория обязательно дол жна быть результатом обобщения опыта, т. е. ряда экспери ментов, среди которых один играет главную, решающую роль. Новейшая история физики как будто доставляет дополни тельный материал для упрочения такой веры. Стало почти общепризнанным, что эйнштейновская специальная теория относительности была результатом обобщения отрицатель ного (с точки зрения классической физики) исхода одного эксперимента — знаменитого опыта Майкельсона—Морли.
Может создаться впечатление, что это мнение разделяет ся и автором предлагаемой вниманию советского чита теля книги, известным американским ученым, редактором хорошо знакомого физикам всех стран журнала «Физикал Ревью Леттерс» проф. Джорджем Л. Триггом (см. стр. 7). В данном единичном случае, касающемся теории относитель ности, Тригг полностью оправдывает утвердительную часть прогноза видного современного историка науки Дж. Хол тона, считающего, что «в учебнике или дидактическом очер ке, в которых должен быть изложен большой материал, ве роятнее всего (по причинам объема или каким-либо другим) автор выберет один подходящий эксперимент, который мо жет быть убедительно представлен, а не ряд различных экспериментов, которые с исторической точки зрения явля ются такими же хорошими или даже лучшими аргументами» (Дж. Холтон, Эйнштейн и «решающий эксперимент», Ус пехи физических наук, 1971, т. 104, вып. 2, стр. 306).
Но все остальное содержание книги, относящееся к кван товой физике, однако, свидетельствует о том, что маловеро ятные события все же осуществляются. По отношению к квантовой теории, история экспериментальных оснований которой является сюжетом небольшого, но очень емкого
6 ПРЕДИСЛОВИЕ РЕДАКТОРА ПЕРЕВОДА
исследования проф. Тригга, автор убедительно показывает, что теоретические представления квантовой механики, про чно вошедшие в фундамент физики XX века, базируются не на одном, а на целом ряде (в книге речь идет о девяти) экспе риментов, принесших нетривиальные результаты.
Весьма характерно, что во всех этих экспериментах (за исключением одного) исследователи, выполнявшие их, твер до знали, какой эффект они ищут, а иногда даже могли пред сказать результаты опытов количественно (см. стр. 36). Это обстоятельство недвусмысленно показывает, что экспе рименты совершаются «под руководством» той или иной, пусть иногда гипотетической, но всегда теоретической схе мы, в рамках которой только и можно понять опытные факты. Если результаты опыта совпадают с предсказаниями теории, то они, как ни странным это может на первый взгляд пока заться, мало интересуют ученых. Гораздо большую ценность для науки представляют эксперименты, результаты которых противоречат теоретическим ожиданиям, поскольку такое противоречие является сигналом о необходимости построе ния новых теоретических концепций. Именно такие экспе рименты играют в науке решающую роль.
По своей тематике книга Дж. Тригга примыкает к недав но вышедшей в издательстве «Мир» книге Г. Липсоиа «Ве ликие эксперименты в физике», последние главы которой частично перекрываются по содержанию с настоящей. Од нако Дж. Тригг подходит к изложению своего предмета более обстоятельно и глубоко. Особенно ценным качеством его работы является скрупулезное следование оригиналь ным работам, перечисляемым в конце каждой главы.
Поэтому, хотя сам автор ограничивает круг потенциаль ных читателей книги только студенческой аудиторией, ее, несомненно, с интересом и пользой прочтут не только студенты. Помимо облегчения усвоения непривычных для широкой публики представлений квантовой физики, неболь шая книга Дж. Тригга сыграет положительную роль и для читателей, интересующихся не только современной физи кой, но и историей происхождения ее основных понятий.
Перевод книги выполнили А. В. Давыдов (предисловие, гл. 1, 8—10 и приложения) и Г. В. Даниляи (гл. 2—7).
И. С. Алексеев
ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
Летом 1965 г. в университете Вашингтона в Сиэттле про исходила конференция поповым методам преподавания фи зики. Во время предварительного обсуждения программы было отмечено, что многие студенты с трудом воспринимают некоторые идеи современной физики, особенно относящиеся к квантовой теории, и что было бы полезно подробно рас сказать об экспериментах, лежащих в основе этих идей. Настоящая книга является попыткой удовлетворить потреб ность в учебном пособии подобного рода.
Выбор экспериментов, включенных в книгу, по неиз бежности является несколько произвольным. Было ясно, что основное внимание нужно обратить на идеи квантовой теории, поскольку они часто оказываются в противоречии со «здравым смыслом». С другой стороны, специальная тео рия относительности, несмотря на аналогичное расхожде ние со «здравым смыслом», не была включена в круг затра гиваемых вопросов, во-первых, потому, что она была раз вита почти целиком на основании единственного экспери мента, который слишком хорошо известен, чтобы здесь еще раз говорить о нем1’, а во-вторых, этот материал достаточно освещен Робертом Кацем в его книге «Введение в специаль ную теорию относительности»5’. То же самое относится к исследованиям свойств электрона, несомненно важным, но уже описанным в книге Дэвида Л. Андерсона «Открытие эле ктрона»3*’.
Предлагаемая книга может принести пользу читателям разной подготовки. Она построена так, чтобы быть понятной второкурснику колледжа или достаточно подготовленному первокурснику, имеющему хотя бы.качественное представ ление о классической физике; ему книга должна облегчить восприятие довольно парадоксальных идей, лежащих в ос-
’’ Имеется в виду опыт Маіікельсона— Морли; см. в |
этой связи |
|||||||
предисловие редактора |
|
перевода.— Прим. ред. |
|
|
||||
5> R . K atz, An Introduction to |
the |
Special |
Theory of |
Relativity, |
||||
Momentum Book № 9, |
Amsterdam, |
1964. (См. также С. И . Вавилов, |
||||||
'-Экспериментальные основания |
теории |
относительности, |
Собр. соч., |
|||||
т. 4, М., 1956.— Прим, |
ред.) |
|
|
|
|
|
||
3) D. L . |
A nderson, |
The Discovery |
of the |
Electron, |
Momentum |
|||
Book № 3. |
(Имеется |
перевод; |
Д . |
Андерсон, |
Открытие |
электрона, |
||
М„ 1968.) |
|
|
|
|
|
|
|
|
8 ИЗ ПРЕДИСЛОВИЯ АВТОРА
нове современной физики. Она может также оказаться по лезной студентам старших курсов, желающим привести свои знания в лучшее соответствие с исторической перспек тивой. Исходя из этого, я пытался представить каждый эк
сперимент — за одним исключением, |
которое оговорено,— |
с точки зрения среднего физика того |
времени. Я старался |
сделать обсуждение опытов достаточно полным, чтобы стали
ясны |
существенные |
особенности их методики, а также тру |
||||
дности выполнения и интерпретации экспериментов. |
|
|||||
Большинство Ссылок на оригинальные работы взято из |
||||||
двух |
источников. |
Одним |
из |
них |
является книга |
Дж. |
Д. Стрэнатана «„Частицы“ |
в современной физике»1’, |
слу |
||||
жившая справочником для |
целого |
поколения физиков. |
||||
Другим был сборник статей |
«Мир атома»*2’, в котором цели |
ком или частично воспроизведены или переведены многие оригинальные статьи. Ссылки на такие статьи в списках ли тературы к отдельным главам настоящей книги содержат просто название указанного сборника и его страницу.
Работе надэтой книгой содействовало много людей.Я при
знателен |
Комиссии |
по физике для |
колледжей, |
универ |
|
ситету Вашингтона |
и Национальному |
научному |
фонду за |
||
поддержку |
во время Сиэттлской конференции. |
|
|||
|
|
|
|
Джордж Л. Тригг |
|
и |
J . D . S lran alhan , |
The «Particles» of Modern Physics, Philadelphia, |
|||
1942. |
(Имеется перевод: Д ж . Д . Сіпранапшн, «Частицы» в современной |
||||
физике. М.—Л ., 1949. |
|
|
New York, |
||
2> The World of the Atom, ed. H. A. Boorse, L. Motz, |
|||||
1966. |
|
|
|
|
|
1
ВВЕДЕНИЕ
І_Іынешнему студенту может показаться странным, что * ^термин «современные» употребляется по отношению к группе экспериментов, большинство которых выполнено до 1930 г. Тем не менее это выражение, в определенном смы сле неточное, стало общеупотребительным для обозначения одного из двух главных исторических этапов развития фи зики. В «классический» период, начавшийся с Галилея и Ньютона и закончившийся около 1900 г., динамика разви лась в почти замкнутую область физики, послужившую об разцом для других ее направлений. К концу этого периода электромагнетизм из набора фокусов, показываемых в го стиной, превратился в изящное теоретическое построение, включившее в себя также и большую часть оптики,— на это понадобилось чуть больше столетия. В то же время проис ходило аналогичное превращение эмпирического искусства обращения с теплотой в науку термодинамику. В результате к концу девятнадцатого века физики могли дать достаточно последовательное, самосогласованное и довольно полное объяснение известных в то время фактов физического мира. Конечно, в таком объяснении имелись некоторые изъяны и пробелы, но, казалось, нет достаточных причин сомне ваться в том, что их удастся устранить, если измерения будут выполнены с точностью до «следующего знака после запятой»1).
По иронии судьбы это выражение, автором которого, повидимому, был лорд Кельвин, получило широкую известность благода ря тому, что оно было использовано в ежегоднике Чикагского универси тета А. А. Майкельсоном — ученым, эксперименты которого легли в ос нову одной из двух великих теорий, в корне изменивших старые пред ставления и ознаменовавших в физике своим появлением первую поло вину двадцатого столетия.
10 |
Г ЛАВА I |
Эта уверенность оказалась необоснованной. Начиная примерно с 1895 г. экспериментальные исследования давали все больше п больше результатов, совершенно не согласо вывавшихся с классическими представлениями. В одних случаях для согласования было достаточно лишь немного модифицировать классические представления, в других же пришлось изменить эти представления весьма радикально, причем даже сейчас положение дел нельзя считать полно стью установившимся. Конечно, сведения, полученные эк спериментальным путем, состоят из отдельных результатов— как бы кирпичиков, а прочность построенного из них зда ния определяется взаимосвязью между кирпичиками. Тем не менее, если говорить об основных этапах развития физи ки, то почти всегда удается выделить отдельные работы, о которых можно сказать: «это был решающий результат». Именно такого рода эксперименты обсуждаются в следую щих главах. Чтобы полностью оценить их значение и ту роль, которую они сыграли в дальнейшем развитии науки, мы должны сначала отметить некоторые характерные осо бенности классической физики.
Прежде всего, ее концепции развивались исключительно
врамках повседневного опыта и по мере надобности экстра полировались за его пределы. Это неудивительно: человеку свойственно ожидать, что закономерности, выполняющиеся
ввесьма широком диапазоне обстоятельств, будут выпол няться во всех условиях. Так, было бы нелепо посылать на Марс ракету с оборудованием для фотографирования поверх
ности планеты, не имея достаточной уверенности в том, что и оборудование, и сама ракета вблизи Марса будут вести себя в соответствии с теми законами, которые были открыты нами на поверхности Земли. Аналогичным образом, мы ве рим, что автомобиль, сконструированный пять лет назад на основе известной в то время формы законов природы, будет работать и завтра.
Однако такие расширения границ действия законов, или экстраполяции, могут ввести в заблуждение. Например, знаменитый закон физики, открытый в 1662 г. Робертом Бойлем, утверждает, что произведение объема данного количества газа на давление, оказываемое им на стенки со суда, в котором он находится, остается постоянным, пока не изменяется температура, причем любое увеличение од