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

подчиненном прежде всего материальному производ­ ству, социальным условиям, а также объективным за­ кономерностям развития человеческого познания, исключает субъективистский подход к возникновению новых физических идей.

Нельзя отрицать роль прозорливости ума и эру­ диции ученого в творческом поиске. Но не этими или какими-либо иными субъективными качествами тита­ нов научной мысли определяются главнейшие черты развития физических знаний. Новые физические зна­ ния появляются как результат экспериментального исследования действительности и на основе сущест­ вующих физических теорий, а не как следствие само­ произвольного устремления интеллекта. Факты, и только факты направляют поиск и определяют в ко­ нечном счете его результаты. Но поскольку факты находят свое объяснение и истолкование на основе физических теорий, роль которых заключается и в предвидении новых фактов, то существующие физи­ ческие теории также играют роль в поиске новых знаний. Это и означает, что развитие физических зна­ ний существенным образом зависит от состояния нау­ ки в прошлом и настоящем, т. е. от существующих теоретических представлений и наличных эксперимен­ тальных данных.

Попытаемся окинуть единым взглядом какойнибудь значительный период в преобразовании физи­ ческих знаний. Мы сразу заметим, что сам процесс преобразования их находится под явным влиянием сложившихся ранее методов и теорий, существовав­ шей опытной основы. В этом отношении не составляют исключения даже такие революционные преобразова­ ния в физике, как возникновение квантово-механиче­ ских представлений. Посмотрим на историю возник­ новения этих представлений глазами одного из наи­ более активных ее участников, одного из крупнейших

117

теоретиков новой физики — В. Гейзенберга. Обсуждая положение и роль квантовой теории в представлени­ ях современной физики, Гейзенберг заметил: «...мож­

в квантовой теории; новые идеи атомной физики скон­ центрированы и, так сказать, выкристаллизованы в той окончательной форме, которую приняла, наконец, квантовая теория... Все же в отношении того, что ка­ сается экспериментальной техники, современная ядерная физика является только прямым следствием метода исследования, который всегда со времен Гюй­ генса, Вольта и Фарадея определял развитие естест­ вознания. Точно так же можно сказать, что обескура­ живающая математическая сложность некоторых разделов квантовой теории представляет собой лишь

крайнее развитие методов, которые были открыты Ньютоном, Гауссом и Максвеллом (курсив мой.—■

В. С .)»1.

Каким же образом шло «крайнее развитие ме­ тодов»?

Известно, что важнейший шаг в отходе от старых представлений был сделан под воздействием желез­ ной логики фактов и теоретических оснований М. Планком, хотя субъективно он даже сопротивлял­ ся такому отходу. Следующие важнейшие шаги свя­ заны с именем А. Эйнштейна, работавшего в это вре­ мя над специальной теорией относительности и сумев­ шего смело отойти от ньютоновского понимания про­ странства и времени. Именно Эйнштейн обратил вни­ мание на две проблемы, объяснить которые можно было исходя из гипотетичных в то время представ­ лений М. Планка.

Первой из этих проблем было явление фотоэлект-

1 В, Гейзенберг. Физика и философия, стр. 10—11,

118

рического эффекта. При облучении металла световым потоком из металла выбиваются электроны. В таких опытах открывалась возможность определения энер­ гии испускаемых электронов. При этом оказывалось, что энергия этих электронов зависит не от интенсив­ ности светового потока, а от его цвета, т. е. от часто­ ты световых колебаний, или длины световых волн. Существовавшие представления об излучении, каза­ лось бы, не должны были приводить к таким резуль­ татам. ' Здесь-то Эйнштейн и использовал гипотезу Планка о дискретном характере энергии излучения, высказав предположение о квантах света, фотонах. Он предложил рассматривать фотоэффект как явле­ ние соударения светового кванта с электроном, в ре­ зультате чего световой квант отдает свою энергию электрону, а сам перестает существовать.

Энергия отдельного светового кванта (фотона), согласно гипотезе Планка, должна быть равной ча­ стоте света, умноженной на новую физическую кон­ станту (постоянную Планка): Е = xh.

Эта энергия частично идет на преодоление сил сцепления электрона с веществом, частично превра­ щается в кинетическую энергию электрона:

И тогда закон сохранения энергии в фотоэлектри­ ческом эффекте будет выглядеть таким образом:

1 л I mv xh — А А------- .

2

Сам внешний вид этой формулы представляет собой «кентавра»: «новое» (xh) органически соедини­ лось со «старым», которое как бы поддержало «но­ вое» и дало возможность объяснить то, что без него объяснить было цельзя.

П9

Строго говоря, путь, который предложил Эйн­ штейн, не являлся единственно возможным для объ­ яснения фотоэлектрического эффекта. Вполне возмож­ ным оказывалось и предположение о постепенном накапливании фотоэлектроном энергии, передаваемой электромагнитной волной. В 1905 г., когда Эйнштейн объяснил фотоэлектрический эффект, такое возраже­ ние являлось еще' достаточно вероятным. Но шаг в сторону отказа от старых представлений был сде­ лан, и наука пошла по новому пути. А возражение было снято только в 1924 г. опытами советских ученых А. Ф. Иоффе и Н. И. Добронравова, которые с изу­ мительной наглядностью показали, что некоторые явления совершенно несовместимы с предположением о постепенном накапливании энергии и передаче ее одному электрону.

Второй проблемой, решенной с помощью гипотезы Планка,, стало объяснение удельной теплоемкости твердых тел. Ситуация, которая возникала при объяс­ нении этого явления с прежних позиций, напоминала ситуацию с «черным излучением». Существовавшая теория теплоемкости приводила к величинам, которые хорошо согласовывались с опытом в области высоких температур, но значительно . расходились с опытом в области температур низких. Эйнштейн сумел пока­ зать, что при введении квантовых представлений рас­ хождение между теорией и результатами эксперимен­ тов и в этой области может быть ликвидировано, т. е. можно получить более строгое согласование теории с экспериментом.

Два таких результата были большим шагом вперед на пути выработки новых физических представлений. Гипотеза Планка, заключавшая это принципиально новое, была применена при объяснении явлений, да­ леко отстоящих друг от друга и от тех явлений, по отношению к которым она была высказана. В этом

120

и заключается неодолимость нового в знании: но­ вое начинает пронизывать ранее казавшиеся отдален­ ными области знания, открывая единое во многом, тождественное в различном, т. е. делая следующий шаг в понимании единства мира. В этом случае даже противоречивость отдельных результатов опытов ста­ новится несущественным препятствием.

Квантовая теория света (поток фотонов) приводи­ ла, с одной стороны, к отказу от представлений, родо­ начальником которых был еще X. Гюйгенс и кото­ рые таким строгим способом усовершенствовали Дж. К- Максвелл и Г. Герц. С другой стороны, известные опыты по дифракции и интерференции света получали свое объяснение только на основе этих вол­ новых представлений. Вновь всплывала противоречи­ вость корпускулярного и волнового характера света. Но данная противоречивость уже не смутила Эйн­ штейна. Гейзенберг в этой связи отмечает, что «Эйн­ штейн даже не пытался устранить внутренние проти­ воречия своей интерпретации. Он принял противоре­ чия как нечто, которое, вероятно, может быть понято много позднее благодаря совершенно новому методу мышления» К Это уже осознание неотвратимости но­ вых представлений в физических знаниях! Однако гипотезе Планка предстояло еще сыграть самую вид­ ную роль в будущих поисках новых представлений

ив устранении указанного противоречия.

В1911 г. Э. Резерфорд в опыте по прохождению альфа-лучей через вещество обнаружил неоднород­ ность их рассеивания. Поскольку альфа-частицы зна­ чительно тяжелее электронов, то встреча их с электро­ нами вещества к их значительному отклонению привести не может. Однако иногда наблюдается рез­ кое отклонение альфа-частиц, отбрасывание их чуть

ли не назад. Сравнивая количество испускаемых аль-

1 В. Гейзенберг. ФЙзика и философия, стр. 15.

121

фа-частиц с количеством отклонений, Резерфорд сумел подсчитать, что размеры той части атома, которая сильно отклоняет альфа-частицы, не превышает одной десятитысячной линейного размера атома. При этом возникало естественное предположение о том, что эта часть атома несет положительный заряд (альфачастицы имеют положительный заряд и поэтому силь­ но отклоняются положительно заряженным ядром атома), а вслед за ним и представление об атоме как аналоге планетной системы.

Но одно обстоятельство ставило физиков в тупик: крайняя устойчивость атома. Прежде всего электроны, вращающиеся вокруг положительного заряда, как это следовало из теории электрона Лоренца, должны излучать, ибо движущийся с ускорением электрон излучает энергию, а движение по окружности или по эллипсу — движение с ускорением. Но излучающий электрон очень скоро теряет свою энергию, и это должно отразиться на свойствах атома. Но такого яв­ ления на самом деле не происходит.

Следовательно, возникает противоречие между классическими представлениями и новыми опытными данными. Вот как это противоречие охарактеризовано в современной физике: «Классические механика и электродинамика при попытке применить их к объ­ яснению атомных явлений приводят к результатам, находящимся в резком противоречии с опытом. Наи­ более ясно это видно уже из противоречия, получаю­ щегося при применении обычной электродинамики к модели атома, в которой электроны движутся вокруг ядра по классическим орбитам. При таком движении, как и при всяком ускоренном движении зарядов, электроны должны были бы непрерывно излучать электромагнитные волны. Излучая, электроны теряли бы свою энергию, что должно было бы привести в конце концов к их падению на ядро. Таким образом,

122

согласно классической электродинамике, атом был бы неустойчивым, что ни в какой степени не соответст­ вует действительности.

Такое глубокое противоречие теории с эксперимен­ том свидетельствует о том, что построение теории, применимой к атомным явлениям — явлениям, проис­ ходящим с частицами очень малой массы в очень малых участках пространства, требует фундаменталь­ ного изменения в основных классических представле­ ниях и законах (курсив мой. — В. С.)» '.

Согласно классической теории, должна существо­ вать непрерывная область возможных размеров орбит электронов. И поскольку различные размеры орбит приводят, вообще говоря, к различным частотам об­ ращения электрона вокруг ядра, должна существо­ вать соответствующая непрерывная область частот излучаемого света. Однако экспериментально получе­ ны лишь определенные дискретные частоты.

Наконец, никакая система, подобная планетной,ще может после столкновения или непосредственного контакта с другой подобной системой вернуться в ис­ ходное состояние. Но атомы как бы не реагируют на такое столкновение и остаются после взаимодействия такими же, как до него. Как же это объяснить? Здесь опять начинает работать гипотеза Планка. Правда, теперь в форме, которая потребовала значительного усложнения. Этот шаг в развитии квантовых пред­ ставлений в первую очередь связан с именем знаме­

123