Файл: Семенчев, В. М. Физические знания и законы диалектики научное издание.pdf

1. КОЛИЧЕСТВО И КАЧЕСТВО

Не секрет, что большинство замечательных открытий в истории развития физической мысли были получе­ ны в результате наблюдений и эксперимента. Незави симо от значимости для науки этих открытий они могут быть подразделены на две группы, которые М. Борном были названы «аналитическими» и «синте­ тическими» открытиями'. Для пояснения этих назва­ ний рассмотрим некоторые из таких открытий.

В результате многолетних регулярных измерений местоположения планет на небесном своде Тихо Бра­ ге еще в XVI в. накопил большой опытный материал, на основе которого И. Кеплер установил три закона движения планет в Солнечной системе. Ньютоновская механика позже теоретически обосновала законы Кеп­ лера, которые, как оказалось, могли быть логически получены на ее основе. Как известно, в XIX в. аст­ роном и математик Леверье при анализе малых воз­ мущений в движении планеты Уран сумел теоретиче­ ски доказать существование еще одной не обнаружен­ ной непосредственно в наблюдениях планеты и указать ее место на небесной сфере. Астроном И. Гал­ ле нашел эту планету на небе, она получила название

Нептун.

Чем замечательно это открытие? Оно блестяще подтвердило справедливость законов Кеплера и клас­ сической механики в делом. Но в XIX в. никто не сом­ невался в их справедливости. Известно, что сам Ле­ верье даже отказался взглянуть в телескоп на откры­ тую им «на кончике пера» планету.

Конечно, открытие новой планеты расширило зна­ ние о Солнечной системе, продемонстрировало боль­

75

шенство оптических приборов, но в принципе ничего в научных взглядах на Солнечную систему не измени­ ло. Это открытие как бы еще раз подтвердило пра­ вильность тех теоретических основ, на которые оно само опиралось. Такие открытия и являются аналити­ ческими в том смысле, что их возможность как бы содержится в теоретических представлениях. Примера­ ми таких открытий является и открытие Ллойдом ко­ нической рефракции, ранее предсказанной Гамильто­ ном, и открытие некоторых элементов, существование которых было предсказано Д. И. Менделеевым на ос­ нове его периодической системы элементов, и целый ряд научных открытий.

Поскольку такие открытия принципиально не из­ меняют взглядов на те или иные явления и свойства природы, а только дополняют и уточняют эти взгля­ ды, то, пользуясь философской терминологией, их можно назвать количественными преобразованиями в

опытной, фактической основе физического знания. Они не выводят за границы единства, не нарушают согла­ сования опыта и теории, они как бы расширяют, ко­ личественно изменяют сферу применения теории, ни в коей мере не затрагивая единства опыта и теории.

Но иногда экспериментальные открытия носят принципиально иной характер. В этом отношении за­ мечательным примером являются опыты Френеля по интерференции поляризованных лучей. Вот что по по­ воду этих опытов писал X. А. Агабабов: «Решающее значение имели его (Френеля. — В. С.) опыты по интерференции поляризованных лучей. Эти опыты по­ казали, что два поляризованных луча интерферируют только в том случае, когда их плоскости поляризации расположены параллельно друг другу, и не интерфе­ рируют, когда расположены перпендикулярно друг 'к другу. Эти результаты, проверенные многократными опытами, оказались несовместимыми с представлени­

76

ем о продольном характере колебаний световых волн (курсив мой. — В. С.)» ’. На основе этих опытов Фре­

'квантовом характере излучения1.2 Таких результатов опыта в истории науки было не­

мало. Их по существу столько, сколько было пере­ смотров ранее существовавших представлений 3. Взять хотя бы ту область физики, которая ведет свое нача­ ло с открытия А. Беккерелем явления радиоактивно­ сти (1896 г.) и которая теперь разрослась в самостоя­ тельную науку о ядерных процессах. Если представить в самой общей форме ее развитие, то оно неразрывно связано прежде всего с тремя важнейшими экспери­ ментальными данными. Первое — это открытие радио­ активности Беккерелем. Результат опыта был получен случайно, и именно случай «натолкнул его на то, чего он не искал» (Луи де Бройль), но что привело к от­ крытию ранее неизвестного свойства химических элементов превращаться из одних в другие, свойства, о котором мечтали мыслители многих веков, и особен­ но алхимики средневековья.

Когда исследованием свойства радиоактивности за­ нялись такие талантливые ученые, как Пьер и Мария Кюри, «они обнаружили также существование очень важного явления, совершенно отличного от известных

тела радиоактивными, и эта радиоактивность доволь­

вызван серией таких опытов.

77

но устойчива» Установление индуцированной радио* активности было вторым решающим открытием в ядерной физике.

Наконец, третье, решающее открытие было сделано Фредериком и Ирен Жолио-Кюри и носит название искусственной радиоактивности. Остановимся на нем несколько подробнее, ибо здесь мы сможем обнару­ жить еще одну важную черту подобных опытов.

Фредерик и Ирен Жолио-Кюри экспериментирова­ ли с рядом химических элементов, подвергая их об­ лучению альфа-частицами и наблюдая происходившее в результате этого испускание нейтронов и позитро­ нов. Поскольку испускание нейтронов и позитронов наблюдалось в опыте одновременно, то, естественно, возникал вопрос о том, с одного ли и того же мини­ мального значения энергии альфа-излучения оно на­ чинается (т. е. один ли и тот же энергетический порог необходим для испускания нейтронов и испускания позитронов) или в каждом случае имеется свой порог испускания?

Многократно и тщательно поставленные опыты привели к обнаружению единого для нейтронов и по­ зитронов порога испускания (при определенном мини­ мальном альфа-облучении испускание нейтронов и по­ зитронов начиналось одновременно). Однако при ис­ пускании наблюдалась интересная особенность. Если после того, как испускание нейтронов и позитронов уже началось, снижалась энергия альфа-облучения и

еезначение доводилось до значения ниже порогового

идаже до нуля, испускание позитронов продолжалось, а испускание нейтронов прекращалось тотчас же по выходе за энергетический порог. При этом продолжи­ тельность испускания позитронов зависела только от химического элемента. В опытах с бором, например,1

1 Л. де Бройль. По тропам науки, стр. 137.

78

испускание шло [на протяжении часа, а в опыте с алюминием — всего пятнадцать минут.

Поскольку испускание позитронов по своему ха­ рактеру было аналогичным обычному альфа-испуска­ нию при естественной радиоактивности, а именно спектр испускания позитронов оставался непрерыв­ ным, а изменение активности шло по экспоненциаль­ ному закону, супруги Жолио-Кюри сразу пришли к выводу о том, что в результате облучения альфа-ча­ стицами химические элементы становились искусст­ венными радиоактивными элементами, которые затем самопроизвольно разрушались, испуская позитроны.

Чем примечательно последнее открытие? Прежде всего оно не является случайным, не обнаруживается само по себе, хотя его и не искали (как и в случае с открытием Беккереля). Наоборот, к нему с необхо­ димостью вел ряд опытов (обнаружение испускания при альфа-облучении; определение энергетического по­ рога облучения для испускания позитронов и нейтро­ нов; обнаружение испускания позитронов за преде­ лами минимального энергетического порога и обнару­ жение прекращения испускания нейтронов в этих же случаях). Несмотря на строгую логическую последо­ вательность постановки опытов, сам решающий ре­ зультат опыта — наличие искусственной радиоактив­ ности — ни из каких теоретических соображений не следовал, а поэтому теоретически не предвиделся.

Нужно было при продолжении испускания пози­ тронов и прекращении испускания нейтронов в усло­ виях допорогового альфа-облучения «узнать» до сего неизвестное явление. Сделать это позволяли знания ранее известных явлений — естественной радиоактив­ ности и индуцированной радиоактивности. Не будь этих знаний, опыты, в которых было открыто явление искусственной радиоактивности, никогда бы не были поставлены и само явление не было бы зарегистриро­

79

вано. Поэтому к решающим открытиям опыт ведет при условии, если ученый движется к нему по единст­ венно верному в научном отношении пути, на котором огромнейшую роль играют теоретические выводы и размышления по поводу различных возможных интер­ претаций результатов опыта. «Часто случается, — от­ мечает Л. Инфельд, — что ясность понимания возни­ кает внезапно, но так бывает только тогда, когда это­ му предшествуют месяцы и даже годы неустанного размышления»1.

При неправильных предварительных посылках можно не увидеть объективного содержания опыта. Характерным примером в этом отношении является предложенный Тихо Браге опыт по проверке непод­ вижности Земли. Известно, что он считал Землю не вращающейся вокруг оси, а неподвижной. Он пред­ ложил проверить это путем сбрасывания тяжелого предмета с высокой башни. Если при своем падении тело от вертикали отклонится на запад, значит, Зем­ ля вращается вокруг своей оси с запада на восток, ес­ ли отклонения не будет, — Земля неподвижна. Опыт «подтвердил» точку зрения Браге, который после это­ го абсолютно уверовал в правильность своей мысли. Однако Тихо Браге ошибся.

Ошибка его заключалась в неправильном истолко­ вании полученных в опыте данных. Он считал, что при падении с башни в случае неподвижности Земли тело будет падать строго по вертикали, а в случае враще­ ния Земли с запада на восток оно за время своего па­ дения «отстанет» от Земли и упадет с отклонением от вертикали на запад.

На самом же деле, как показал Ньютон, тела при падении должны отклоняться не на запад, а на восток. На вершине башни по сравнению с ее подошвой тело

1 Л. Инфельд. От Коперника до Эйнштейна. — «Вопросы философии», 1955, № 4, стр. 124.

80

обладает большей инерцией в случае вращения Земли, а поэтому за время своего падения оно не «отстанет» от Земли, а, наоборот, обгонит ее. Поэтому никаких отклонений на запад от вертикали и не может наблю­ даться в опыте.

Рассуждение Ньютона было в 1831 г. проверено опытом в Трехбратской шахте, аналогичным опыту Браге, и полностью подтверждено. Этот опыт по от­ ношению к теоретическим рассуждениям Ньютона не имел решающего значения, он явился лишь аналитиче­ ским, т. е. количественно значимым открытием в клас­ сической механике. Однако по отношению к представ­ лениям Браге он мог бы стать решающим открытием.

Открытия такого рода являются синтетическими в том смысле, что их возможность не содержится в су­ ществующих теоретических представлениях. Они вно­ сят качественные преобразования в опытную основу науки, которые выводят опыт за пределы согласова­ ния с теорией, т. е. за пределы соответствия теории и опыта.

Из определений количественного и качественного изменений научного опыта следует, в частности, что сам по себе факт, обнаруженный в опыте, установлен­ ный в наблюдении, не может быть оценен как количе­ ственно или качественно значимый. Значимость ре­ зультата опыта определяется только в его сопостав­ лении с имеющейся теорией, что лишний раз под­ тверждает неразрывность теории и опыта в физиче­ ских знаниях.

Теория, ведя к ряду опытов, может в них как на­ ходить свое подтверждение, так и обнаруживать свою ограниченность. Ведь именно такую ограниченность прежних теоретических представлений и вскрывали эксперименты с «черным излучением». Эти экспери­ менты были рассмотрены в первой главе, но в данном случае мы рассмотрим их в несколько ином аспекте.

В декабре 1900 г. М. Планк сообщил на заседании физического общества о выдвинутой им совершенно новой теории лучеиспускания. Новая теория исходила из принципиально иного понимания процесса излуче­ ния, передачи энергии. Если ранее такой процесс счи­ тался непрерывным, то, по теории Планка, существен­ ную роль в понимании процесса в целом должна была сыграть дискретность (прерывность), порциальность передачи энергии, ее квантовый характер.

Открытие квантового характера передачи энергии, с одной стороны, как отмечалось, было непосредствен­

(vT). Но, с другой стороны, открытие элементарного кванта действия было прямым результатом теории теплового излучения. Эта теория, как и любая дру­ гая, опиралась на ряд абстракций. В теории теплово­ го излучения фигурировало, в частности, такое поня­ тие, как спектральная плотность излучения. Для оп­ ределенной частоты, точнее, для бесконечно малого интервала частот от v до v+ Av спектральная плот­ ность излучения принимала постоянное значение. Из­ менение данного интервала в направлении сдвига к большим или меньшим частотам приводило к измене­ нию спектральной плотности излучения. Поэтому спек­ тральная плотность излучения принималась за функ­ цию частоты. Задача же экспериментов сводилась к попытке найти фактическую зависимость спектраль­ ной плотности от частоты излучения, т. е. вид функ­

ции р (v, Т ).

Как показал Кирхгоф, спектральная плотность из­ лучения при постоянной Т от природы тела не зави­ сит и выражается через отношение испускательной и поглощательной способности тела. Для тела, пол­ ностью поглощающего падающую на него энергию

82