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

ния модели. Но метод гидродинамики ограничен в своих возможностях как в силу того, что применим только к движениям со скоростями, малыми в срав­ нении со звуковой, так и в силу того, что плазма об­ ладает особенностью проводящей среды. Последнее обстоятельство настолько существенно, что если его не принимать во внимание, то нарушится первое тре­ бование к построению модели: аналогия между явле­ нием и моделью будет явно недостаточной. Мало того, эту особенность плазмы следует как раз под­ черкнуть в модели.

С этой целью пренебрегают электрическим сопро­ тивлением плазмы, или, иными словами, устремляют проводимость в бесконечность (идеальная проводи­ мость) . В этом предельном случае резко проявляют­ ся черты, отличающие проводящую жидкость от обычной. Но тогда вместо методов обычной гидро­ динамики следует воспользоваться методами магнит­ ной гидродинамики.

Метод магнитной гидродинамики заключается в совместном решении уравнений гидродинамики и электродинамики (особый математический аппарат). Конечным результатом решения этих уравнений яв­ ляется установление трех основных законов: 1) зако­ на вмороженного магнитного поля, 2) закона магнит­ ного давления и 3) закона диффузии магнитного по­ ля. В нашу задачу не входит раскрытие содержания этих законов, однако одну характерную особенность их отметить необходимо. Мы имеем в виду важность указания на то, что первые два закона устанавли­ вают поведение, функционирование проводящей жид­ кости, а по аналогии и плазмы, третий же закон рег­ ламентирует границы приложимости законов идеаль­ ной проводящей жидкости; в основном через него и Должна быть оценена эффективность приложимости модели к действительности, т. е. опять же математи­

ки

чески должны быть установлены границы примени­ мости теории. Теперь обратим внимание на логику развития мысли: установив аналогию плазмы с про­ водящей жидкостью по одним чертам (движущаяся среда, проводящая среда), мы делаем попытку уста: новить эту аналогию и по другим чертам, наиболее важным для проводящей жидкости (три закона маг­ нитной гидродинамики).

Границы идеализации в отношении проводящей жидкости, как это в конечном счете следует из зако­ на магнитной диффузии, зависят от характерных для явления масштабов длины и времени. Но космиче­ ские масштабы длины в действительности столь вели­ ки, что для не слишком медленных процессов они удовлетворяют требования закона диффузии магнит­ ного поля. Поэтому в космических масштабах всякая плазма может считаться идеальным проводником, и законы вмороженного поля и магнитного давления имеют здесь широкое применение. Таким образом, модель оказалась состоятельной, и теперь она может выступить в качестве физической теории. Действи­ тельно, при помощи модели плазмы как идеальной проводящей жидкости объясняются многие явления, связанные с функционированием плазмы: магнитная каверна вокруг Земли, на поверхности которой обра­ зуется внешний радиационный пояс, обнаруживаемый ракетами и спутниками, и др. Эта гипотеза объясняет и основные идеи удержания плазмы магнитным по­ лем, позволяя поставить задачу удержания плазмы как технически вполне разрешимую (не слепое экс­ периментирование, а теоретически обоснованный поиск!).

Таким образом, данная модель плазмы позволяет оценить условия магнитного удержания. Но на этом роль такой модели и построенной при ее помощи тео­ рии заканчивается: ее математический аппарат свои

102

задачи выполнил и исчерпал себя. Как только встает вопрос о самих условиях удержания плазмы, модель работать перестает, ибо для уточнения этих условий и рассмотрения конкретных методов удержания не­ обходимо перейти к иным моделям плазмы.

Такую модель, отличную от модели проводящей жидкости, представляет модель независимых частиц, в которой при рассмотрении движения отдельных за­ ряженных частиц плазмы полностью пренебрегают взаимодействием, между ними. Правда, как модель проводящей жидкости более подходит к объяснению свойств плотной плазмы, так и модель независимых частиц подходит более к объяснению свойств плазмы разреженной. Но все-таки, и в этом заключается суть дела, значение модели независимых частиц не исчер­ пывается только объяснением сильно разреженной плазмы. Она также помогает понять некоторые общие свойства любой плазмы. Это очень характер­ ный пример установления границ действия теории и выхода за границы ее приложимости.

Но здесь мы встречаемся еще с одним характер­ нейшим случаем в современной науке, когда одни черты явления, поведения, функционирования объек­ та объясняются при помощи одной физической моде­ ли, а другие — при помощи другой, отличной от нее. Такое положение объясняется, очевидно, тем, что мы постоянно стремимся к выражению неизвестного через известное, которое имеет границы своего прило­ жения.

Это обстоятельство в яркой и образной форме вы­ разил академик В. А. Фок. «Когда такая (новая. — В. С.) теория строится, содержащиеся в ней новые идеи приходится выражать на языке старых понятий. Это приходится делать просто потому, что новые по­ нятия, адекватные новой теории, еще не выработаны. Но исходные (старые) понятия не обязательно вхо­

ШЗ

дят в состав новой теории: может случиться и так, что с точки зрения новой теории старые понятия со­ храняют смысл лишь в предельных случаях, а в об­ щем случае должны быть отброшены. Тогда старые понятия играют роль лесов при возведении здания: в архитектуру здания они не входят, и готовое здание должно быть освобождено от этих, лесов (курсив мой. — В.С.)»1. Наиболее характерная ситуация сло­ жилась в этом отношении в современной физике атомного ядра, где используется одновременно не­ сколько моделей (капельная, оболочечная и др.).

Каждая из предложенных моделей имеет свои «плюсы» и «минусы». Как капельная гипотеза выдер­ жала экзамен открытия спонтанного деления ядер, так и гипотеза оболочек выдержала экзамен откры­ тия нейтрона и получила после этого лишь несколько обновленный вид. «Оболочечное строение позволяет понять позитронную радиоактивность и соответствен­ но тот факт, что в тяжелых ядрах нейтронов больше, чем протонов. С помощью этой модели становится ясной и бета-электронная радиоактивность» 21. Но обо­ лочки в ядре будут неустойчивыми, так как в самом ядре нуклоны очень плотно упакованы и их взаимо­ действие будет приводить к разрушению оболочек.

гией, тот же нейтрон. Обе физические модели «сталки­ ваются» как противоречащие друг другу. Затруднения, стоящие перед каждой из них, становятся непреодоли­ мыми в рамках употребления старых понятий оболоч­ ки или капли.

1 В. А. Фок. О роли принципов относительности и эквива­ лентности в теории тяготения Эйнштейна. — «Вопросы филосо­ фии», 1961, № 12, стр. 52.

2 К. И. Щёлкан. Физика микромира. Популярные очерки. М., 1963, стр. 134.

104

Выход из этого затруднения может быть только один: новые понятия должны делать эти затруднения вдшмыми, снять их, лишить смысла в новых пред­ ставлениях. Но путь к этим новым представлениям лежит только через опыт, через его осмысливание, а значит, и через ряд моделей, из которых многие могут оказаться даже противоречащими друг другу. Поэтому задачу противоречащих моделей в создании теории наряду с возможным на данном уровне объя­ снением отдельных сторон явлений составляет так же выяснение всех возможных затруднений, теоретиче­ ских «тупиков», вытекающих из необходимости поль­ зования старыми представлениями при подходе к но­ вым явлениям, с тем, чтобы в новой теории были пре­ одолены, сняты эти затруднения.

Попытаемся показать, каким образом снимаются такие затруднения в развитии теории и как из этих затруднений возникают новые представления и какую роль они играют.

Когда наука начала проникать в мир атома, в ее распоряжении был по существу только метод иссле­ дования, основанный на классических представле­ ниях. Поэтому и движение электрона в атоме начали описывать с помощью этих представлений, используя, в частности, понятие момента количества движения. Как показал опыт, момент количества движения электрона в атоме принимает не любые значения, а только вполне определенные, кратные величине, на­ зываемой постоянной Планка, т. е. квантуется.

Характерной особенностью движения электронов в атоме в рамках полуклассической модели является наличие строго определенных орбит. И применение понятия момента количества движения к атому должно учитывать эту характерную черту микромира. Отсюда возникло понятие о главном квантовом числе атома (обозначается буквой «п» с указанием орби­

105

ты: п= 1; /1 = 2 и т. д.), которым прежде всего и опре­ деляется движение электрона в атоме (оболочка но­ мер 1, 2, 3 и т. д.), так как главные квантовые числа указывают на значение энергии электрона в атоме, зависящее от расстояния электрона от ядра, т. е. от номера орбиты.

Возможные значения момента количества движе­ ния электрона на данной орбите определяются так называемым орбитальным квантовым числом, кото­ рое связано с главным квантовым числом таким об­ разом, что может принимать максимальное значение для каждой из орбит или оболочек на единицу мень­ ше, чем значение главного квантового числа: напри­

значение орбитального числа всегда равно нулю.

Вот здесь-то и возникает затруднение с примене­ нием прежних понятий. На самой близкой к ядру ор­ бите или оболочке атома, для которой главное кванто­ вое число п = 1, орбитальное квантовое число равно нулю. Следовательно, момент количества движения электрона в атоме также равен нулю. Но, если элект­ рон вращается по орбите, он должен иметь момент количества движения — в этом суть понятия, взятого из классической механики.

Получается своеобразное противоречие: примене­ ние старого понятия (момента количества движения) к новому объекту, обладающему дискретными орби­ тами, приводит к отрицанию вращения по орбите для

шет К. И. Щёлкин: «Следовательно, наше представ­ ление (об атоме.—В. C.J было недостаточно глубо­ ким... Нельзя говорить о вращении электрона вокруг ядра, когда он находится в s-состоянии (п= 1.—

Ю6

В. С.). Правильнее утверждать, что существует оди­ наковая вероятность пребывания электрона в любой точке на поверхности сферы, окружающей ядро и имеющей радиус, соответствующий главному кванто­ вому числу»

Таким образом, мы получаем новое понятие, ха­ рактеризующее микромир, — вероятность пребывания электрона в любой точке поверхности сферы, вероят­ ность, которая определяется в квантовой механике из уравнения Шредингера. Понятие вероятности пре­ бывания электрона отрицает старое понятие орбиты электрона в атоме, а тем самым снимает возникаю­ щее на основе старых понятий противоречие. Это по­ нятие делает необходимым использование методов теории вероятностей.

Вернемся, однако, к вопросу о том, каким образом шло становление нового физического знания после выдвижения Уленбеком и Гаудсмитом идеи о магнит­ ном и механическом моментах электрона.

Идея состояла в том, как было сказано, что каж­ дый электрон представляет собой по сравнению с ато­ мом маленький шарик, который вращается вокруг одного из своих диаметров. Шарик этот заполнен электричеством, вследствие чего вращение приводит к возникновению магнитного момента, который нахо­ дится в определенном отношении с моментом коли­ чества движения. Это отношение, как указывали экс­ перименты по гиромагнетизму, приблизительно в два раза больше, чем следовало из теории электрона Ло­

ренца.

Для обозначения собственного вращения электро­ на и соответствующего ему момента количества движения Уленбек и Гаудсмит ввели новое понятие —1

1 К. И. Щёлкин. Физика микромира. Популярные очерки,

стр. 10.

107

«спин». Здесь можно говорить о новом знании — вра­ щении электрона вокруг оси, которое создает новые эффекты. Теперь следовало попытаться объяснить с помощью вновь открытых свойств электрона «ано­ мальный эффект Зеемана» и необъяснимые до этого особенности спектров. В целом введение в теорию но­ вых предположений дало положительные результаты. Эти результаты нужно оценить как нахождение весь­ ма удовлетворительных способов для видоизменения имеющейся теории (старой квантовой теории). Но ка­ ким образом было выполнено это изменение? Совер­ шенно очевидно, что путем добавления нового пред­ ставления (спина) в уже существующие теоретические положения. Насколько «радушный прием» оказали ему имеющиеся понятия, говорят положительные ре­ зультаты в объяснении «аномального эффекта Зеема­ на», гиромагнитных аномалий и тонкой структуры спектров.

Но это не означало, что все затруднения были сня­ ты. Понятие спина в физику было введено как раз в то время, когда на смену старой квантовой теории приходила волновая механика (1925 г.). Старая квантовая теория была как бы половинчатой теорией и наряду с сугубо классическими представлениями пользовалась также противоречащими им, несовме­ стимыми с ними представлениями — неклассическими, квантовыми. Волновая механика исторически первой подошла к формулировке идей последовательного ,и полного отказа от классических представлений. Но по­ нятие спина, столь удачно введенное для объяснения результатов многих опытов, было выдвинуто на базе старой квантовой теории. Волновая механика Шредингера (1926 г.), не содержавшая в себе гипотезу Уленбека и Гаудсмита, не могла объяснить «аномальный эффект Зеемана» и другие результаты опыта. Поэто­ му встал вопрос о введении в волновую механику по­

108