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

Таким образом, Максвелл пришел к тому, с чего

колебаний, распространяющихся в пространстве с ко­ нечной скоростью. Но если прежде для ученых орга­ нически необходимым оказывалось существование ме­ ханической среды — эфира, то для теории Максвелла такая необходимость фактически отпадала.

Как можно оценить две такие теории света? Оче­ видно, как различные теории, качественно отличные друг от друга. Теория, начиная от Гюйгенса и кончая Френелем, постепенно преобразовывалась на основе более точного согласования представлений, базиру­ ющихся на идее эфира, с опытом. Но разработка та­ кой теории постепенно приводила ко все более и бо­ лее серьезным трудностям в отношении сохранения в физических представлениях идеи эфира; понятие эфира было отброшено. Разработка волновой теории света — количественное преобразование теории. Элек­

прежних основных представлений. Качественно иная теория —это теория, в построении которой принима­ ют участие совершенно отличные от прежних теорий представления (электромагнитное поле!).

Но, может быть, все дело заключалось в том, что теория Максвелла опиралась на иные опыты? Мы специально подробно описали ее возникновение в свя­ зи с опытами, начатыми Петровым и завершенными Эрстедом и Фарадеем, чтобы показать, что эти опыты по их первоначальному пониманию не имели отноше­ ния к световым явлениям. Теория Максвелла стала теорией световых колебаний не прямо, а как бы кос­ венно, через объяснения явлений электричества и магнетизма. Поэтому качественно иные опыты здесь

91

не при чем. Результаты данных опытов никто и не пытался объяснять при помощи существующей тео­ рии света, чтобы считать их в нашем определении качественно новыми опытами в понимании природы световых явлений.

Каково же теперь отношение к опыту новой тео­ рии, можно ли качественно новой считать такую тео­ рию, которая не согласуется с прежним опытом и с необходимостью строиться только на качественно иной экспериментальной основе?

История науки, физики в частности, опровергает такой упрощенный подход к возникновению новых теорий, а поэтому и к пониманию качественных пре­ образований в теоретической стороне физических зна­ ний. Результаты опытов, не укладывающиеся в преж­ ние теории, потенциально требуют, очевидно, какогото иного объяснения. Но важно иметь в виду, что так бывает далеко не всегда. Очень часто две совершенно различные теории базируются на одном и том же фактическом материале. Вспомним Тихо ' Браге и Кеплера — они исходили из одного и того же факти­ ческого материала, но первый считал Землю непод­ вижной, а второй — вращающейся. Вспомним Лорен­ ца и Эйнштейна, которые с совершенно различных теоретических позиций интерпретировали опыт Майкельсона. А сама специальная теория относительности вовсе не строилась на какой-то иной основе, новых опытах. Опыт Физо по увлечению водяной струей эфира и опыт Майкельсона по определению скорос­ ти «эфирного ветра» на Земле были поставлены за­ долго до создания новой теории. Сам Эйнштейн в «Творческой автобиографии» отмечал, что дело зак­ лючалось вовсе не в отыскании новых фактов, а в нахождении «общего формального принципа», на основе которого можно было бы установить взаимо­ связь всех этих фактов. «Такой принцип,— писал Эйн-

92

Штейн,— я получил после десяти лет размышлений из парадокса, на который я натолкнулся уже в 16 лет (движение за лучом света со скоростью этого луча.— В. С.) ... в этом парадоксе уже содержится зародыш частной теории относительности»

Можно было бы привести и другие примеры, под­ тверждающие возможность возникновения новой тео­ рии на основе '«старых» научных опытов (например, факт равенства инерционной и гравитационной масс

иобщая теория относительности).

Очем говорят эти факты? Только о том, что две различные теории могут строиться на одном и том же опыте, отталкиваться от одних и тех же экспери­ ментальных данных. Вопрос о том, какая из двух или нескольких теорий окажется предпочтительнее, реша­ ет практика, эксперимент. Но вне зависимости от этого решения качественно иные теории оказывают­ ся качественно различающимися в силу того, что они базируются на различных исходных представлениях, исходят из различных принципов.

Следовательно, как преобразование опыта, так и преобразование теории могут происходить и в на­

Установление же нового единства, согласование тео­ рии и опыта—это выдвижение иных исходных пред­ ставлений, на базе которых отныне устанавливается это единство теории и опыта.

Как же эти два различных способа преобразова­ ния теории и опыта относятся друг к другу? Являют­ ся они независимыми один от другого или, наоборот, один с другим связаны? А если связаны, то каким образом?1

1 А. Эйнштейн. Физика и реальность, стр. 150—151.

93

2. ПРЕВРАЩЕНИЕ В ПРОТИВОПОЛОЖНОСТЬ

Основываясь на положениях материалистической ди­ алектики, из которых, как было сказано во «Введе­ нии», мы исходили в данном исследовании, можно объявить ответы на поставленные вопросы сами со­ бой разумеющимися, а именно количественные изме­ нения связаны с качественными, переходят в них. Но в этом случае мы не достигли бы поставленной на­ ми цели. Главный интерес нашего исследования состо­ ит в выявлении специфики развития физических зна­ ний, а вовсе не в увеличении количества примеров, подтверждающих правильность законов материалис­ тической диалектики.

образования. Но что представляют собой эти преоб­ разования в физическом знании как в единстве опы­ та и теории — вот в чем вопрос? Только понимание особенного, частного позволяет глубже и шире по­ нять общее, выявить сущность его, а значит, и вскрыть диалектику самой действительности.

В данном случае дело опять заключается не в том, чтобы на примерах подтвердить необходимость

анализа выявить своеобразие и существенные осо­ бенности такого перехода в процессе развития физи­ ческих знаний.

Выше уже отмечалось, что объяснение тонкой структуры спектров и гиромагнитных аномалий при­ вело ученых к качественно новым физическим пред­ ставлениям, на основе которых было достигнуто за­

94

развития физической мысли и проанализируем её под интересующим нас углом зрения.

- Созданная усилиями многих замечательных уче­ ных волновая механика, которая должна была объя­ снить основные черты поведения и свойства микро­ частиц, в своей первоначальной форме оказалась недостаточно совершенной. Ее несовершенство проя­ вилось, в частности, в том, что она не давала объя­ снения некоторым данным спектроскопических и маг­ нитных измерений.

Предсказывая значительное число спектральных линий в спектре излучения, она, однако, была далека от передачи всей сложности этих линий. В спектрах оптического и рентгеновского излучений существова­ ло еще множество линий, которые не могли быть объяснены ни старой квантовой теорией, ни вновь созданной волновой механикой. Выражаясь по-иному, можно было бы сказать, что имелись качественно но­ вые научные данные, качественно иной опыт.

Качественно иной опыт, ставя вопрос о необходи­ мости преобразования существующей теории, не всегда, однако, указывает на путь преодоления за­ труднений, на путь видоизменения теории. Появляет­ ся потребность теоретического поиска, гипотезы. А. Зоммерфельд, например, такой поиск вел на пути применения в квантовой теории идей теории относи­ тельности. Ему удалось добиться некоторых успехов в распутывании сложной картины спекторов излуче­ ния. Он правильно, например, предсказал существо­ вание дублетов серии Бальмера, но их положение указал все же неточно. Подобная попытка была пред­ принята и в отношении вновь созданной волновой механики. Но полученная на такой основе формула распределения спектральных линий также не соот­ ветствовала экспериментальным данным.

Особенно резко несоответствие теории и опыта

96

Проявилось с открытием так называемого «аномаль­ ного эффекта Зеемана». Дело заключалось в том, что магнитный момент, открытый у атома, получил объяснение на основе орбитального движения внутри­ атомных электронов. В таком случае полный момент количества движения атома, складывающийся из суммы моментов электронов, должен был иметь стро­ го фиксированное отношение к магнитному моменту. Из этого предположения вытекало и утверждение, что величина этого отношения будет зависеть только от отношения заряда электрона к его массе. Опи­ раясь на эти соображения, Лоренц предсказал осо­ бый эффект в изменении расположения спектральных линий. Этот эффект вследствие данного ему теорети­ ческого обоснования и стабильного характера был назван «нормальным». Обнаружение «аномального эффекта Зеемана» как в рамках идей классической теории электрона, так и в рамках идей существую­ щей в то время квантовой и волновой механики объяснения не получало. «Аномальный эффект Зее­ мана», таким образом, также был качественно новым опытным результатом. Правда, следует отметить, что в многочисленных опытах по определению «аномаль­ ного эффекта Зеемана» его эмпирические законы были уже вполне надежно установлены.

Наконец, были еще и гиромагнитные аномалии, которые также не укладывались в рамки существую­ щих теорий. Из вышеприведенных соображений Ло­ ренца о природе атомного магнетизма следовало, как было показано в первой главе, что намагниченный вдоль оси цилиндр при отсутствии трения должен на­ чать вращаться. И наоборот, цилиндр, приведенный во вращение вокруг своей оси, должен приобрести магнитный момент. Поскольку в опыте могут быть установлены и магнитный момент, и момент количе­ ства движения, то можно найти отношение между

96

ними. Сравнение вычисленного на основе теоретиче­ ских предположений отношения с отношением, опре­ деленным в опыте, показывает, что последнее, факти­ ческое, в два раза более предсказанного. Опыт и теория вновь не согласуются. Обратим внимание, од­ нако, на тот результат, который в первом его изложе­ нии остался вне поля зрения, но очень важен в смыс­ ле теоретических поисков выхода из затруднений. Если опыты с рентгеновскими и оптическими спект­

бенно гиромагнитные аномалии уже указывали воз­ можное направление видоизменения теории. Стано­ вилось ясным, что не весь магнетизм атома объясня­ ется вращательным движением электронов вокруг ядра и, следовательно, нужно искать причины атом­ ного магнетизма еще в чем-то ином.

Именно эти указания помогли Дж. Уленбеку и С. Гаудсмиту в 1925 г. выдвинуть очень важную идею о существовании собственного вращения электрона и собственного магнитного момента. В данном примере обращают на себя внимание два очень любопытных в гносеологическом плане обстоятельства.

Во-первых, не все опыты, которые не укладыва­ ются в рамки существующей теории, имеют одинако­ вое. значение в отношении поиска возможных новых путей исправления, видоизменения теории. Когда ре­ зультат опыта выявляет только новые черты той об­ ласти действительности, к объяснению которой была применена определенная теория, тогда указаний к пу­ тям видоизменения теории опыт еще не дает (новые серии в спектрах). Предпринимаемый на основе таких опытов поиск видоизменения теории, как прави­ ло, оказывается очень трудным и плохо обоснованным (введение Зоммерфельдом третьего квантового числа носило сугубо эмпирический характер, и всякие по­

пытки его теоретического обоснования были отбро­ шены) .

В этом случае, если опыт позволяет установить новые законы (эмпирические законы «аномального эффекта Зеемана»), он для теоретического поиска дает значительно больше, но корректное видоизмене­ ние теории остается все же недостаточно обоснован­ ным (введение в формулы старой квантовой механики ^-фактора Ланде).

Наконец, если результаты опыта дают возмож­ ность количественно оценить (измерить) степень рас­ хождения между теорией и опытом, они приобретают особую значимость (магнитный момент атома, опреде­ ленный из опыта, почти в два раза больше предска­ занного теорией), так как указывают направление ви­ доизменения теории (дополнение магнитного момента атома магнитными моментами самих электронов).

Во-вторых, не является ли сам факт количествен­ ной оценки расхождения результата эксперимента с предсказанием теории свидетельством сугубо количе­ ственного изменения опыта, т. е. изменения, не за­ трагивающего существа теории?

Думается, что определение, данное количествен­ ному опыту как опыту аналитическому, т.е. выводи­ мому из теории и поэтому согласуемому с ней, в принципе такое сомнение устраняет. Но дополнения или уточнения это определение все же требует. Ана­ литическим опытным результатом следует назвать такой, который выводится из теории и согласуется с ней в пределах, предусмотренных самой теорией, и в пределах разрешающей способности измерений. Опы­ ты по гиромагнитным аномалиям таковыми не явля­ лись, они были типично качественно иными опытами по отношению к теории электрона Лоренца, по отно­ шению к квантовой механике в ее первоначальной форме.

98

как позволяет глубже понять природу ионосферы, в которой распространяются радиоволны, магнитосфе­ ры, в которой при помощи искусственных спутников Земли были обнаружены радиационные пояса, и мно­ гие другие значимые для современной науки и прак­ тики явления. Словом, теория плазмы очень важна и практически и теоретически.

Но создать теорию плазмы — это значит построить определенную модель широко распространенного яв­ ления природы. Для создания такой модели прежде всего необходимо ответить на вопрос, что такое плаз­ ма с точки зрения ее структуры и как эта структура функционирует. Структурно плазма представляет со­ бой такое состояние вещества, в котором электроны оторвались от атомов и приобрели полную свободу движения. Свободно движущиеся в веществе элект­ роны делают плазму средой, проводящей электриче­ ский ток. Это одна особенность плазмы. Другая ее особенность заключается в том, что это текучая сре­ да. В силу этих особенностей для выявления харак­ терных черт поведения плазмы можно воспользовать­ ся моделью проводящей жидкостиК

Гносеологически такой подход совершенно пра­ вомерен, ибо в нем неизвестное выражается через известное, что существенно важно для построения модели. Такой подход не только правомерен, но и на­ учно эффективен, ибо плазма в таком случае рассмат­ ривается как сплошная среда, что позволяет абстра­ гироваться от движения отдельных частиц и восполь­ зоваться хорошо разработанными методами гидро­ динамики (именно таким образом рассматривается любая среда в гидродинамике). Применяя модель жидкости, можно сразу получить и метод исследова­

1 См. Д. А. Франк-Каменецкий. Плазма — четвертое состоя­ ние вещества. М , 1963, стр. 55—57.

100