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

Что он выполняет не только роль помощника органов чувств человека и его функция не сводится лишь к преобразованию сигналов природы из форм, не до­ ступных для органов чувств, в доступные формы. Со­ временные физические приборы воспроизводят явле­ ния в «чистом» виде и притом нередко такие, которые в естественных условиях не существуют (сверхнизкие температуры, глубокий вакуум и т. и.). Они также открывают человеку такие стороны изучаемых явле­ ний, которые при проектировании и создании этих приборов не предугадывались (обнаружение при изу­ чении жидкого гелия сверхтекучести его, открытие новых элементарных частиц при изучении известных распадов в камере Вильсона и др.).

Природа неизмеримо богаче сложившихся на лю­ бом этапе развития науки представлений о ней. Убедительное свидетельство тому — неожиданность мно­ гих значительных открытий современной астрономии (квазары, например) ', которые не только не были предсказаны на основе существующих теорий, но и длительное время не могут получить общепринятого объяснения. «Неожиданными оказываются не только многие факты, но и описывающие их теоретические закономерности. И если выяснится, что для описания по крайней мере некоторых... процессов во Вселенной необходимо обобщение известных сейчас фундамен­ тальных физических теорий, будет получен еще один лишний довод против взглядов Эддингтона об «апри­ орности», «субъективности» и «абсолютности» этих теорий»12. Таким образом, опыт также не может быть сведен к теории.

1 См. Ф. Хойл. Галактики, ядра и квазары. М., 1968,

стр. 38—58.

2 В. В. Казютинский. Теоретико-познавательные проблемы современной астрономии в свете идей В. И. Ленина. — «Неко­ торые философские проблемы физики», вып. IV. «Физика и тео­ рия познания». М., 1970, стр. 79.

32

Следовательно, эксперимент и теория в физиче­ ском знании находятся в отношении единства проти­ воположностей, в котором они, оставаясь существен­ но различными сторона1ми физического знания, в то же время предполагают, обусловливают друг друга, а сама физическая мысль, физическое знание и есть диалектическое единство несводимых друг к другу опыта и теории.

2. ВНУТРЕННИЕ ИМПУЛЬСЫ К РАЗВИТИЮ

Обратим теперь внимание на иную сторону дела. Как мы стремились показать, эксперимент и теория, вза­ имно обусловливая друг друга, являются существен­ но отличными сторонами физических знаний. Это означает, что, предполагая друг друга, они в то же время остаются по крайней мере относительно неза­ висимыми друг от друга.

Первым, так сказать, статическим проявлением этой самостоятельности и является несводимость опы­ та к теории и теории к опыту, их «паритетность». Но для понимания «самодвижения» знания этого явно недостаточно. Иная сторона дела заключается в том,

что опыт и теория могут относительно самостоятель­ но и видоизменяться. А такое видоизменение естест­ венно ведет к возникновению «разрывов» в их един­ стве, в их соответствии друг другу, т. е. к возникнове­ нию противоречия между опытом и теорией.

Что же из них в таком случае в первую очередь «несет ответственность» за такой «разрыв»? И что из них должно быть изменено в угоду другому, чтобы это противоречие ликвидировать?

Для ответа на этот вопрос прежде всего рассмот- ' рим некоторые характерные примеры «разрыва» тео­ рии и опыта в истории возникновения физических идей.

На основании ряда экспериментов, проведенных в XIX в., было установлено, что тела любой природы, нагретые до различных температур, вне зависимости от того, помещены они в вещественную среду или ва­ куум, выравнивают свои температуры. Это означало, что обмен энергией между телами происходит при посредстве электромагнитных волн, излучаемых ато­ мами этих тел. Исследуя условия теплового равнове­ сия и опираясь на идеи термодинамики, Г. Кирхгоф нашел, что отношение испускательной способности тела и его поглощательной способности должно вы­ ражаться универсальной функцией длины волны и температуры, одинаковой для всех тел. Для абсолют­ но черного тела, поглощающего все 100% падающих на него лучей (поглощающая способность равна еди­ нице), функция длины волны и температуры есть испускательная способность абсолютно черного тела. Значит, измерения испускательной способности абсо­ лютно черного тела для различных частот и темпера­ тур дадут значения, по которым можно попытаться установить и вид самой функции.

Так перед физиками встала задача нахождения функции распределения энергии по частотам спектра излучения абсолютно черного тела. Как видно, сама задача возникла с логической необходимостью. Ряд опытов нашел свое выражение в законе Кирхгофа. Последний вел с необходимостью к универсальной функции и к понятию абсолютно черного тела. Поня­ тие абсолютно черного тела открывало путь к поста­ новке экспериментов, в которых находила свое про­ явление универсальная функция, т. е. к возможности опытным путем установить вид самой функции.

Но вот в этой точке логическая необходимость как бы разрывается. Установить закон распределения энергии для различных частот и различных темпера­ тур непосредственно из экспериментов ввиду сложно­

34

сти наблюдаемой картины явления оказывается не­ возможным. Графическое изображение результатов эксперимента говорит о том, что такой закон суще­ ствует. Но каково его выражение, формула? Здесь делу могла помочь только теория, опирающаяся на представление об определенном механизме излучения, действие которого приводит к закономерности, явно выраженной в кривых излучения.

Поскольку тепловое излучение как физическое яв­ ление объяснялось с позиций электромагнетизма и термодинамики, в основу представления о механизме излучения были положены идеи, разработанные глав­ ным образом Дж. К. Максвеллом и Л. Больцманом. В частности, Больцман, применив законы термодина­ мики, теоретически вывел закон полной энергии излу­ чения черного тела: E = a-Ti.

Путь, по которому шел Больцман, казался совер­ шенно правильным, ибо Больцману удалось получить закон, подтверждающий результаты, ранее получен­ ные экспериментальным путем Й. Стефаном. Ясно, что в попытке объяснить функцию спектрального рас­ пределения энергии ученые прежде всего обратились к идеям Больцмана. Выполнил эту задачу В. Вин, найдя значение плотности электромагнитного излуче­ ния в зависимости от К и Т, а значит, и испускательной способности черного тела.

Но формула Вина, отвечающая теоретическим со­ ображениям, которые приводили к результатам, уже проверенным опытом, на этот раз с результатами опыта разошлась. Совпадая с полученными в опытах Луммера и Прингсгейма кривыми в области коротких волн, она не совпадала с ними в области длинновол­ нового излучения.

То же самое можно сказать и о формуле, получен­ ной Д. У. Рэлеем и независимо от него Д. X. Джин­ сом. Опираясь на соображения, также взятые из сло­

жившихся представлений (равномерное распределе­ ние энергии по степеням свободы), формула Рэлея — Джинса давала совпадение с результатами опытов Рубенса и Курльбаума, но только уже в области длинноволнового света. В области коротких волн и низких температур несоответствие с опытом станови­ лось совершенно невероятным, устремляясь букваль­ но к бесконечности. Какой же отсюда следовал вывод? Как теперь известно, только один: исходя из классических представлений, нельзя получить удовле­ творительного понимания механизма излучения и на основе его вывести формулу (закон) распределения энергии по частотам, совпадающую с данными опыта. Но такой вывод в условиях полного доверия к клас­ сическим представлениям сделать было невозможно. Несоответствие между теорией излучения и опытом омрачало надежды физиков-теоретиков на заверше­ ние общей физической теории, но выход из него фи­ зики видели только в совершенствовании самих клас­ сических представлений.

В каком, однако, направлении должно идти это совершенствование? Как найти правильную для всех частот функцию? Оставалась, очевидно, единствен­ ная возможность: сравнение результатов опыта с из­ вестными формулами и анализ расхождения. Разре­ шением этой задачи и занялся Макс Планк, и резуль­ таты, к которым он пришел, превзошли все ожидания. В работе, доложенной на заседании не­ мецкого физического общества 19 октября 1900 г., Планк, сравнивая результаты экспериментальных ра­ бот Луммера, Прингсгейма и Курльбаума — Рубенса с законом Вина, пришел к выводу о том, что «закон распределения энергии Вина не имеет всеобщего зна­ чения... а имеет характер предельного закона...» !.1

1 Цит. по: «Очерки развития основных физических идей»,

стр. 328.

36

37.

ставлениями, на основе которых была получена са­ ма возможность постановки таких экспериментов. Произошел явный «разрыв» между теорией и опытом.

2. Устранение противоречия между теорией и опы­ том привело к возникновению новых физических идей о прерывном, дискретном характере излучения, кото­ рые, как известно, существенным образом преобразо­ вали в дальнейшем все здание физической мысли.

3. Таким образом, «разрывы» возникают естест­ венным путем в ходе развития научной мысли и спо­ собствуют дальнейшему развитию физических знаний.

Посмотрим теперь, каким образом возникают та­ кие «разрывы». Обратимся вновь к конкретным фак­ там из истории науки.

Характерная ситуация возникла в свое время при исследовании гиромагнитных явлений. Теоретиче­ ские представления об атомном магнетизме покоились на понимании движения электронов в атоме как ор­ битального. Эти соображения в качестве своего есте­ ственного следствия приводили к простому опыту, который мог подтвердить их: если свободно подве­ шенный железный цилиндр намагнитить вдоль оси, то цилиндр должен начать вращаться, а в этом случае он должен приобрести магнитный момент. Опыт по­ зволял путем несложных измерений и расчетов уста­ новить и отношение механического момента к момен­ ту магнитному. Казалось несомненным, что это отношение должно быть равно постоянной величине, зависящей исключительно от отношения заряда элек­ трона к его массе. Опыт подтвердил теоретические соображения: намагниченный цилиндр приходил во вращательное движение; приведенный во вращатель­ ное движение цилиндр намагничивался. В этой части устанавливалось соответствие теории и опыта, их единство.

Однако некоторые «детали» опыта выявили и

38

«разрыв» теории и эксперимента: отношение магнит­ ного момента к механическому моменту оказалось фактически в два раза больше величины, полученной теоретически. Отсюда непосредственно следовал вы­ вод о необходимости «дополнить» теорию новыми представлениями, которые позволили бы «заполнить разрыв».

В дальнейшем мы еще вернемся к данному при­ меру, а пока обратим внимание на возникшую в связи с опытом ситуацию.

Теоретические представления об определенном яв­ лении природы ведут к ряду экспериментально прове­ ряемых следствий. Некоторые из этих следствий под­ тверждаются, некоторые выявляют в эксперименте такие «детали», которые теорией не предсказывались и порой даже противоречили ей. Возникает необходи­ мость в дополнении, уточнении теории. Это как раз

«Наблюдение открывает какой-нибудь новый факт, делающий невозможным прежний способ объяснения фактов, относящихся к той же самой группе. С этого момента возникает потребность в новых способах объяснения, опирающаяся сперва только на ограни­ ченное количество фактов и наблюдений. Дальнейший опытный материал приводит к очищению этих гипо­ тез, устраняет одни из них, исправляет другие, пока, наконец, не будет установлен в чистом виде закон»1.

История развития физики достаточно богата при­ мерами возникновения таких ситуаций. К ним отно­ сится и открытие А. Беккерелем естественной радио­ активности, и открытие Э. Резерфордом атомного яд­ ра, и открытие В. Рентгеном проникающих лучей и

39

обстоит только так, т. е. всегда лй опыт обгоняет теорию и заставляет последнюю устранять разрыв? Нет! Бывают и иные ситуации, когда теория обгоня­ ет опыт и опыт должен сделать шаг вперед, чтобы догнать теорию и ликвидировать разрыв. В этом от­ ношении очень характерным примером является тео­ ретическое предсказание мезона Юкавой'. Более 10 лет физики искали мезон Юкавы, в истории этого поиска было немало поистине драматических момен­ тов. А теоретическое предсказание II, Дираком анти­ электрона разве не является замечательным приме­ ром теоретического «рывка» в науке? Да, собствен­ но говоря, как же может быть иначе, если теория должна не только объяснять, но и предсказывать?! Значит, противоречия, «разрывы» в единстве, в соот­ ветствии теории и опыта могут образоваться как в связи с изменением теории, так и в связи с измене­ нием опыта.

Но не возникает ли в таком случае противоречия J3 самом пашем рассуждении? Если физические зна­ ния — это единство, соответствие теории и опыта, то о каком же единстве можно говорить в случае «раз­ рыва» теории и опыта? Если единство оказывается преходящим, мимолетным, то может ли знание бази­ роваться на таком непрочном фундаменте? Если же такое противоречие возникает, то каким образом можно его преодолеть?

Выход, очевидно, один: следует признать относи­ тельность единства теории и опыта. Именно в силу того, что различие теории и опыта носит необходи­ мый характер, устранить его невозможно. Такое уст­ ранение было бы равносильным созданию абсолют­ ной теории, объясняющей абсолютно все детали1

1 Более подробно об этом см., например, Р. Кристи, А. Пи ты. Строение вещества: введение в современную физику. М., 1969, стр. 549—558.

40