Развитие идеи от первоначальных понятий до теории относительности и квантов icon

Развитие идеи от первоначальных понятий до теории относительности и квантов


Смотрите также:
Принцип относительности Эйнштейна...
Теория относительности -мистификация века...
Организация и методика проведения факультатива «Элементы зонной теории»...
Критика релятивистской динамики...
Фиговые листики теории относительности...
Тема: «Взаимодействие γ-квантов с веществом»...
Артеха С. Н.    Критика основ теории относительности / С. Н. Артеха...
Кратко об общей теории относительности Как только речь заходит о происхождении ок­ружающего нас...
Мистификация
Мистификация
Реферат на тему «Представление о пространстве в классической физике и специальной теории...
О. Ю. Юрьева Иркутский государственный...



Загрузка...
страницы:   1   2   3
скачать
ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИКИ

А. ЭЙНШТЕЙН, Л. ИНФЕЛЬД

http://www.philsci.univ.kiev.ua/biblio/Ejsht-Infeld.html

РАЗВИТИЕ ИДЕИ ОТ ПЕРВОНАЧАЛЬНЫХ ПОНЯТИЙ ДО ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И КВАНТОВ

I. Р А С Ц B E T М Е Х А Н И С Т И Ч Е С К О Г О В О З З Р Е Н И Я

Великая повесть о тайнах природы.— Первая руководящая идея.— Векторы.— Загадка движения.— Еще одна руководящая идея.—Является ли теплота субстанцией. — Увеселительная горка.— Мера превращения. — философские воззрения.— Кинетическая теория вещества.

ВЕЛИКАЯ ПОВЕСТЬ О ТАЙНАХ ПРИРОДЫ

В нашем воображении рисуется книга. Это искусно написанная повесть о событиях, обстоятельства которых скрыты от нас под покровом загадочных тайн. Повесть эта дает нам все существенные путеводные нити и заставляет нас создать свою собственную теорию происходящего. Если мы внимательно следуем замыслу повести, мы приходим к полному раскрытию всех обстоятельств еще раньше, чем автор раскрывает их в конце книги. Само это раскрытие, если речь идет не о плохой повести, не разочаровывает нас: оно появляется в тот самый момент, когда мы его ждем.

Можем ли мы уподобить читателя такой книги ученым, которые через все следующие друг за другом поколения продолжают добиваться раскрытия тайн в книге природы? Сравнение неверно и его нужно впоследствии отбросить, но оно имеет некоторое оправдание; его следует расширить и видоизменить, чтобы сделать более соответствующим попыткам науки разгадать тайну Вселенной.

Эта великая повесть о тайнах еще не окончена. Мы даже не можем быть уверены в том, что она имеет окончательное завершение. Но уже само чтение дало нам много. Оно научило нас основам языка природы. Оно позволило нам понять многие путеводные нити и было источником радости и духовного подъема в периоды усиленного продвижения науки. Но мы ясно представляем себе, что, несмотря на все прочитанные и разобранные тома, мы еще далеки от ее конца, если, конечно, такой конец вообще существует. В каждой стадии мы стремимся найти объяснение, находящееся в согласии с уже открытыми идеями.

7

Теории, принятые в качестве пробных, объяснили много фактов, но никакого общего решения, совместимого со всем тем, что нам известно, пока еще не достигнуто. Очень часто совершенная на вид теория оказывалась неверной. Появляются новые факты, которые противоречат теории или же не объясняются ею. Чем больше мы читаем, тем более полно и высоко оцениваем совершенную конструкцию книги, хотя полная разгадка ее тайн кажется все удаляющейся по мере того, как мы продвигаемся вперед.

Со времени великолепных рассказов Конан-Дойля почти в каждой детективной новелле наступает такой момент, когда исследователь собрал все факты, в которых он нуждается, по крайней мере, для некоторой фазы своей проблемы. Эти факты часто кажутся совершенно странными, непоследовательными и в целом не связанными. Однако великий детектив заключает, что в данный момент он не нуждается ни в каких дальнейших розысках и что только чистое мышление приведет его к установлению связи между собранными фактами. Он играет на скрипке, или, развалившись в кресле, наслаждается трубкой, как вдруг, о Юпитер, эта связь найдена! Он не только уже имеет в руках объяснение всех обстоятельств дела, но он знает, какие другие определенные события должны были случиться. Так как теперь он совершенно точно знает, где искать их, он может, если ему хочется, идти собирать дальнейшие подтверждения своей теории.

Ученый, читая книгу природы, если нам позволено будет повторить эту банальную фразу, должен сам найти разгадку, потому что он не может, как это часто делает нетерпеливый читатель других повестей, обратиться к концу книги. В нашем случае читатель — это тоже исследователь, который ищет, как объяснить, хотя бы отчасти, связь событий между собой. Чтобы получить даже частичное решение этой задачи, ученый должен собирать неупорядоченные факты и своим творческим мышлением делать их связанными и понятными.

Наша цель — в последующих страницах описать в общих чертах, какова работа физиков, соответствующая чистому мышлению исследователя. Мы будем, главным образом, касаться роли мыслей и идей в смелых исследованиях, имеющих целью познание физического мира.

8

^ ПЕРВАЯ РУКОВОДЯЩАЯ ИДЕЯ

Попытки прочитать великую повесть о тайнах природы так же стары, как н само человеческое мышление. Однако лишь немногим более трех столетий назад ученые начали понимать язык этой повести. С того времени, т. е. со времени Галилея и Ньютона, чтение продвигалось быстро. Развилась техника исследования, систематические методы отыскания и изучения руководящих идей. Были разрешены некоторые загадки природы, хотя многие решения в свете дальнейших исследований оказались временными и поверхностными.

Самая фундаментальная проблема, остававшаяся в течение тысячи лет неразрешенной из-за ее сложности,— это проблема движения. Все движения, которые мы встречает в природе,— движение камня, брошенного в воздух, движение плывущего в море корабля, движение повозки, тянущейся вдоль улицы,— в действительности очень сложны. Чтобы понять все эти явления, лучше всего начать с наиболее простых возможных случаев и постепенно продвигаться к более сложным. Рассмотрим тело, находящееся в покое. Чтобы изменить положение такого тела, необходимо оказать некоторое воздействие на него, толкнуть или поднять, или заставить действовать на него другие тела, например лошадь или паровую машину. Наша интуиция связывает движение с такими действиями, как толчок или тяга. Повторение опыта заставило бы нас отважиться на дальнейшее утверждение, что если мы хотим, чтобы тело двигалось быстрее, мы должны толкать его сильнее. Кажется естественным заключение, что чем сильнее действие, оказываемое на тело, тем больше будет его скорость. Карета, запряженная четверкой лошадей, движется быстрее, чем карета, запряженная парой. Таким образом, интуиция говорит нам, что скорость существенно связана с внешним воздействием.

Для читателей детективных выдумок привычно, что фальшивая нить запутывает повесть и отдаляет ее разрешение. Метод рассуждения, навязываемый интуицией, неверен и приводит к ложным идеям о движении, которые сохранялись в течение столетий. Может быть, главным

9

основанием продолжительной веры в эту интуитивную идею повсюду в Европе был великий авторитет Аристотеля. В “Механике”, в продолжение двух тысяч лет приписываемой ему, мы читаем:

“Движущееся тело останавливается, если сила, его толкающая, прекращает свое действие”.

Открытие, сделанное Галилеем, и применение им методов научного рассуждения были одним из самых важных достижений в истории человеческой мысли, и оно отмечает действительное начало физики. Это открытие учит нас тому, что интуитивным выводам, базирующимся на непосредственном наблюдении, не всегда можно доверять, так как они иногда ведут по ложному следу.

Но где интуиция ведет к ошибкам? Правильно ли сказать, что карета, запряженная четверкой лошадей, должна двигаться быстрее, чем запряженная только двумя?

Проверим ближе основные факты движения, начиная с простых повседневных опытов, хорошо известных человечеству с начала цивилизации и полученных в жестокой борьбе за существование.

Предположим, что некто, идущий по горизонтальной дороге с багажной тележкой, внезапно перестает ее толкать. Тележка будет двигаться еще некоторое время, пройдя небольшое расстояние, а затем остановится. Мы спрашиваем: как можно увеличить это расстояние? Для этого имеются различные способы, например смазывание колес или устройство более гладкой дороги. Чем легче вращаются колеса и чем ровнее дорога, тем дальше будет двигаться тележка. А что же дает смазывание колес или сглаживание неровностей пути? Только одно: становится меньше внешнее влияние. Уменьшается эффект, называемый трением, как в колесах, так и между колесами и дорогой. Это уже теоретическое толкование наблюдаемых данных, толкование, которое пока еще произвольно. Один важный шаг дальше, и мы попадем на правильный след. Представим себе совершенно гладкий путь и колеса, вовсе не имеющие трения. Тогда ничто не остановит тележки и она будет катиться вечно. Этот вывод достигнут только размышлением об идеализированном эксперименте, который никогда не может быть осуществлен, так как невозможно исклю-

10

чить все внешние влияния. Идеализированный эксперимент указывает путь, на котором фактически были установлены основы механики движения.

Сравнивая оба метода подхода к проблеме, мы можем сказать, что интуитивная идея такова: чем больше воздействие, тем больше скорость. Таким образом, наличие скорости показывает, действуют ли на тело внешние силы. Новый же путь, указанный Галилеем, таков: если ничто не толкает и не тянет тело или если на тело ничто не действует каким-либо другим образом, короче говоря, если на тело не действуют никакие силы, оно покоится или движется прямолинейно и равномерно, т. е. всегда с одинаковой скоростью по прямой. Следовательно, скорость сама по себе не показывает, действуют ли на тело внешние силы или нет. Правильный вывод Галилея был сформулирован спустя поколение Ньютоном в виде закона инерции. Этот закон — обычно первое из физики, что мы выучиваем в школе наизусть, и многие из нас могут его вспомнить.

^ Всякое тело сохраняет состояние покоя или равномерного прямолинейного движения, если только оно не вынуждено изменять его под влиянием действующих сил.

Мы видели, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента, его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением. Этот идеализированный эксперимент никогда нельзя выполнить в действительности, хотя он ведет к глубокому пониманию действительных экспериментов

Из многообразия сложных движений в окружающем нас мире мы выбираем в качестве первого примера прямолинейное и равномерное движение. Это движение — простейшее, ибо при этом на движущееся тело не действуют никакие внешние силы. Однако прямолинейное и равномерное движение никогда нельзя реализовать; камень, брошенный с башни, или тележка, толкаемая вдоль дороги, никогда не могут двигаться абсолютно прямолинейно и равномерно, потому что мы не можем полностью исключить влияния внешних сил.

В хорошей повести о загадочных тайнах самые очевидные нити часто ведут к ложным подозрениям. В наших попытках понять законы природы мы подобным же

11

образом находим, что самое очевидное интуитивное объяснение зачастую бывает ложным.

Человеческое мышление творит вечно изменяющуюся картину вселенной. Вклад Галилея в науку состоял в разрушении интуитивного воззрения и в замене его новым. В этом — значение открытия Галилея.

Но немедленно же возникают дальнейшие вопросы о движении. Если не скорость является показателем внешней силы, действующей на тело, то что же тогда? Ответ на этот фундаментальный вопрос был найден Галилеем, а вернее Ньютоном; он образует новую руководящую идею в наших исследованиях.

Чтобы найти правильный ответ, мы должны немного глубже вдуматься в опыт с тележкой на абсолютно гладкой дороге. Прямолинейность и равномерность движения в нашем идеализированном опыте были обязаны отсутствию всех внешних сил. Теперь представим себе, что прямолинейно и равномерно движущаяся тележка получает толчок в направлении движения. Что произойдет при этом? Очевидно, ее скорость увеличится. Так же очевидно, что толчок в направлении, противоположном направлению движения, должен уменьшить скорость. В первом случае движение тележки ускоряется толчком, во втором—замедляется. Вывод вытекает сразу же: действие внешней силы изменяет скорость. Таким образом, не сама скорость, а ее изменение есть следствие толчка или тяги. Сила либо увеличивает, либо уменьшает скорость, соответственно тому, действует ли она в направлении движения или в противоположном направлении. Галилей видел это ясно и написал в своем труде “Беседы о двух новых науках”;

“... скорость, однажды сообщенная движущемуся телу, будет строго сохраняться, поскольку устранены внешние причины ускорения или замедления,— условие, которое обнаруживается только на горизонтальной плоскости, ибо в случае движения по наклонной плоскости вниз уже существует причина ускорения, в то время как при движении по наклонной плоскости вверх налицо замедление; из этого следует, что движение по горизонтальной плоскости вечно, ибо, если скорость будет постоянной, движение не может быть уменьшено или ослаблено, а тем более уничтожено”.

Идя по этому верному пути, мы достигаем более глубокого понимания проблемы движения. Основой классической механики, как она сформулирована Ньютоном,

12

является связь между силой и изменением скорости, а не между силой и самой скоростью, как мы думали, согласно интуиции.

Мы использовали два понятия, играющих принципиальную роль в классической механике: силу и изменение скорости. В дальнейшем развитии науки оба эти понятия расширяются и обобщаются. Поэтому они должны быть исследованы подробнее.

Что такое сила? Интуитивно мы чувствуем, что именно обозначается этим термином. Это понятие возникает из усилия, которое мы производим при толчке, броске или тяге, из того мускульного ощущения, которое сопровождает все эти действия. Но обобщение этих понятий выходит далеко за пределы столь простых примеров. Мы можем думать о силе, даже не воображая себе лошадь, тянущую повозку. Мы говорим о силе притяжения между Солнцем и Землей, Землей и Луной, и о таких силах, которые вызывают приливы и отливы. Мы говорим о силе, с которой Земля воздействует на все предметы вокруг нас, удерживая их в сфере своего влияния, и о силе ветра, производящей морские волны и приводящей в движение листья деревьев. Когда и где мы наблюдаем изменение скорости, тогда и там причиною этому является внешняя сила в самом общем смысле. Ньютон писал в своих “Принципах”:

“Воздействующая сила есть действие, оказываемое на тело, чтобы изменить его состояние покоя или равномерного прямолинейного движения.

Эта сила проявляется только в действии, она не сохраняется в теле, когда действие прекращается, ибо тело сохраняет всякое новое состояние, которое оно приобретает, исключительно благодаря его инерции. Воздействующие силы имеют различное происхождение: таковы силы удара, давления и центростремительные”.

Если камень падает с вершины башни, его движение неравномерно: его скорость возрастает с падением. Мы заключаем, что в направлении движения действует внешняя сила или, другими словами, что Земля притягивает камень. Возьмем другой пример. Что происходит, когда камень брошен прямо вверх? Скорость уменьшается до тех пор, пока камень не достигнет своей наивысшей точки, после чего он начинает падать на Землю. Это уменьшение

13

скорости вызывается той же силой, что и ускорение падающего тела. В одном случае сила действует в направлении движения, в другом случае — в противоположном направлении. Сила одна и та же, но она вызывает или возрастание скорости или замедление, соответственно тому, падает ли камень или он брошен вверх.

14

 

^ ФИЛОСОФСКИЕ ВОЗЗРЕНИЯ

Результаты научного исследования очень часто вызывают изменения в философских взглядах на проблемы, которые распространяются далеко за пределы ограниченных областей самой науки. Какова цель науки? Что

47

требуется от теории, которая стремится описать природу? Эти вопросы, хотя и выходят за пределы физики, близко связаны с ней, так как наука дает тот материал, из которого они вырастают. Философские обобщения должны основываться на научных результатах. Однако, раз возникнув и получив широкое распространение, они очень часто влияют на дальнейшее развитие научной мысли, указывая одну из многих возможных линий развития. Успешное восстание против принятого взгляда имеет своим результатом неожиданное и совершенно новое развитие, становясь источником новых философских воззрений. Эти замечания неизбежно звучат неопределенно и неостроумно до тех пор, пока они не иллюстрированы примерами, взятыми из истории физики.

Мы постараемся здесь описать первые философские идеи о целях науки. Эти первые идеи сильно влияли на развитие физики до тех пор, пока, около ста лет назад, они не были отброшены благодаря новым данным, новым фактам и теориям, которые в свою очередь образовали новую основу для науки.

Во всей истории науки от греческой философии до современной физики имелись постоянные попытки свести внешнюю сложность естественных явлений к некоторым простым фундаментальным идеям и отношениям. Это основной принцип всей натуральной философии. Он выражен уже в работе атомистов. Двадцать три столетия назад Демокрит писал:

“Условно сладкое, условно горькое, условно горячее, условно холодное, условен цвет. А в действительности существуют атомы и пустота. То есть объекты чувств предполагаются реальными и в порядке вещей — рассматривать их как таковые, но на самом деле они не существуют. Реальны только атомы и пустота”,

Эта идея остается в древней философии ни чем иным, как остроумным вымыслом воображения. Законы природы, устанавливающие связь следующих друг за другом событий, были неизвестны грекам. Наука, связывающая теорию и эксперимент, фактически началась с работ Галилея. Мы проследили за первыми шагами ее развития, приводящими к законам движения. На протяжении двухсот лет научного исследования сила и материя были основными

48

понятиями во всех попытках понять природу. Невозможно представить себе одно без другого, ибо материя обнаруживает свое существование в качестве источника силы благодаря ее действию на другую материю.

Рассмотрим простейший пример: две частицы, между которыми действуют силы. Легче всего представить себе силы притяжения и отталкивания. В обоих случаях векторы сил лежат на линии, соединяющей материальные точки (рис. 21). Требование простоты приводит нас к картине частиц, притягивающих или отталкивающих друг друга; любое другое предположение о направлении действующих сил привело бы к гораздо более сложной картине. Можем ли мы сделать столь же простое предположение о длине векторов сил? Если мы пожелаем избежать слишком специальных предположений, мы можем высказать одно соображение: сила, действующая меж- ду двумя данными частицами, зависит только от расстояния между ними, подобно силам тяготения. Это предположение кажется довольно простым. Можно было бы представить гораздо более сложные силы, например зависящие не только от расстояния, но и от скоростей обеих частиц. С материей и силой в качестве основных понятий мы едва ли можем связать более простые предположения, чем те, что силы действуют вдоль линии, связывающей частицы, и зависят только от расстояния. Но возможно ли описать все физические явления с помощью сил только этого рода?

Огромные достижения механики во всех ее ветвях, ее поразительный успех в развитии астрономии, приложение ее идей к проблемам, по-видимому, отличным от механических по своему характеру,— все это способствовало развитию уверенности в том, что с помощью простых сил, Действующих между неизменными объектами, можно описать все явления природы. На протяжении двух столетий, последовавших за временем Галилея, такая попытка, сознательная или бессознательная, проявляется почти во всех научных трудах.

49

Особенно ясно ее сформулировал Гельмгольц около середины девятнадцатого столетия:

“Следовательно, конечную задачу физической науки мы видим в том, чтобы свести физические явления к неизменным силам притяжения или отталкивания, величина которых целиком зависит от расстояния. Разрешимость этой задачи есть условие полного понимания природы”.

Таким образом, линия развития науки согласно Гельмгольцу определена и следует строго установленному курсу:

“Ее призвание будет выполнено по мере того, как будет выполнено сведение явлений природык простым силам и будет доказано,что это единственно возможное сведение, которое допускают явления”.

Физику двадцатого столетия это воззрение представляется недалеким и наивным. Ему страшно было бы подумать, что величайшие успехи исследования могли бы скоро закончиться, перестав возбуждать умы, если бы непогрешимая картина строения Вселенной была установлена на все времена.

Хотя эти догматы сводили бы описание всех событий к простым силам, они оставляли открытым вопрос о точной зависимости сил от расстояния. Возможно, что для различных явлений эта зависимость различна. Необходимость введения многих различных видов сил для различных событий, конечно, неудовлетворительна с философской точки зрения. Тем не менее, это так называемое механистическое воззрение, наиболее ясно сформулированное Гельмгольцем, сыграло в свое время важную роль. Развитие кинетической теории вещества есть одно из величайших достижений науки, непосредственно вызванное механистическим воззрением.

Прежде чем показать его упадок, временно станем на ту точку зрения, которой придерживались физики прошлого столетия, и посмотрим, какие заключения мы можем вывести из этой картины внешнего мира.

50

^ С. Г. СУВОРОВ

ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИКИ В ПРЕДСТАВЛЕНИИ ЭЙНШТЕЙНА

/. Эйнштейн о популяризации науки. Эволюция физики как “драма uдей.—Вклад Эйнштейна в современную физику.—Отход от идей квантовой теории.

II. Какая же философия вела Эйнштейна?—Методологические выводы из разработки теории относительности. Отклонение позитивизма и one рационализма.—Проблема реформы классической физики под углом зрения ее целостности. Теория тяготения Эйнштейна.— Оценка дифференциального закона как единственной формы причинности.—Рациональные пути построения физической теории.—Рационализм и кантианство в гносеологии Эйнштейна.

IІІ. Гносеология Эйнштейна и реальный процесс познания. Опыт и теория у Эйнштейна.—Метод Эйнштейна в действии. Общая теория относительности или обобщенная теория тяготения?—Квантовая теория и гносеология Эйнштейна.—Единая теория поля как генеральная линия развития физики.—Заключение.

^ ЭЙНШТЕЙН О ПОПУЛЯРИЗАЦИИ НАУКИ.

ЭВОЛЮЦИЯ ФИЗИКИ КАК “ДРАМА ИДЕЙ”

Великий физик нашего времени Альберт Эйнштейн высоко ценил дело популяризации науки. В своей “Творческой автобиографии”, написанной им к 70-летию (1949), Эйнштейн рассказывал, какое огромное влияние оказала на него научно-популярная литература еще в детские и юношеские годы *).

До 12 лет он был глубоко религиозным, но в эти же годы религия разочаровала его. Что же было тому причиной? “Чтение научно-популярных книжек,— писал он,— привело меня вскоре к убеждению, что в библейских рассказах многое не может быть верным. Следствием этого было

__________________________________

*) Перевод опубликован в журнале “Успехи физических наук”, т. LIX, в. 1, 1956.

Заглавие “Творческая автобиография” дано переводчиками — В. А. Фоком и А. В. Лермантовой; сам автор озаглавил эту работу скромнее: “Autobiographisches” — “Нечто автобиографическое”.

243

прямо-таки фантастическое свободомыслие, соединенное с выводами, что молодежь умышленно обманывается государством; это был потрясающий вывод. Такие переживания породили недоверие ко всякого рода авторитетам и скептическое отношение к верованиям и убеждениям, жившим в окружавшей меня тогда социальной среде”.

В последующие годы научно-популярная литература ввела молодого Эйнштейна в круг физических и математических проблем и помогла сложиться устойчивым интересам в науке, определившим его судьбу на всю жизнь. С большой теплотой и благодарностью вспоминал он те книги, которые захватили и покорили его юношескую душу.

Поучительно отметить, какие качества он ценил в них. “На мое счастье,— писал он о книгах, познакомивших его с основами дифференциального и интегрального исчислений,— мне попались книги, в которых обращалось не слишком много внимания на логическую строгость, зато хорошо была выделена везде главная мысль. Все это занятие было поистине увлекательно... Мне посчастливилось также получить понятие о главнейших результатах и методах естественных наук по очень хорошему популярному изданию, в котором изложение почти везде ограничивалось качественной стороной вопроса (Бернштейновские естественно-научные книги для народа — труд в 5—6 томов); книги эти я читал, не переводя дыхания”.

Замечательны взгляды Эйнштейна на методы популяризации науки. Инфельд рассказывает в статье “Мои воспоминания об Эйнштейне”: “Мы ненавидели популяризацию, спекулирующую на чувствах читателя. Чтобы держать в напряжении внимание несчастного читателя, некоторые писатели жонглируют остроумием, не имеющим ничего общего с предметом; в результате в памяти читателя остаются остроты, но он забывает о цели, ради которой преподнес их автор... В таких книгах подчеркиваются те результаты, которые противоречат здравому рассудку простого человека, для того, чтобы показать, как мудры и просвещенны ученые... Хорошая популяризация может и должна возбуждать чувства не экскурсами в область метафизики, а вызываемым ею усилием постижения, мучительным и в то же время радостным усилием все более полного и глубокого постижения.

244

Однако, чтобы решиться на такого рода популяризацию, следует отказаться от внешних эффектов. Это значит, надо писать ясно и просто, убеждая читателя, что наука опирается на зрелый и развитой здравый рассудок, что ее целью является воссоздание картины окружающей нас действительности”.

Существенно также отметить, что Эйнштейн связывал дело популяризации науки не с удовлетворением праздного любопытства, а видел в нем средство обогащения духовной жизни народа. В предисловии к книге Линкольна Барнетта “Эйнштейн и Вселенная” (1950) он писал: “Недостаточно того, что отдельные результаты признаются, разрабатываются и применяются немногими специалистами. То обстоятельство, что научные знания являются достоянием лишь маленькой группы людей, снижает философский уровень народа, приводит к его духовному оскудению”.

Эта мысль Эйнштейна становится особенно весомой на нынешнем этапе развития физических наук, когда их содержание стало крайне абстрактным и не наглядным, когда они находят свое выражение только в форме, доступной лишь узкому кругу лиц, работающих по данной проблеме, и когда их философское значение сильно возросло.

Таковы глубокие мысли о значении и методах популяризации естественных наук, высказанные величайшим корифеем науки. Многим нашим ученым и популяризаторам полезно было бы их учитывать.

И тем не менее сам Эйнштейн самостоятельно не написал ни одной общедоступной книги, хотя всегда сожалел о том, что разработанная им теория относительности непонятна для неспециалистов. Свою попытку в 1916 году написать такую книгу он не считал удачной: книга получилась трудной, и он сам острил, что вопреки подзаголовку она скорее “общеНЕдоступна”. Других попыток не было, если не считать небольших газетных статей о теории относительности для широкой публики. Это, видимо, следует объяснить огромной целеустремленностью ученого и тем, что при любых результатах он всегда ощущал незавершенность своих больших идей и потребность отдать им все силы.

245

Тут, однако, помог Леопольд Инфельд, польский физик, состоявший в 1936—1938 годах ассистентом Эйнштейна в Институте высших исследований в Принстоне, в США. В своих воспоминаниях об Эйнштейне Инфельд рассказывает, по какому поводу появилась книга двух авторов “Эволюция физики”. Институт предоставил Инфельду стипендию только на один год. Надо было обеспечить ему материальную возможность продолжать научную работу. Прямую денежную помощь от Эйнштейна он отказался бы принять. Возникла идея написать совместно книгу о физике для широкой публики и тем заодно решить и финансовую проблему Инфельда. “Мысль о том, чему посвятить книгу, родилась в голове Эйнштейна,— вспоминает Инфельд.— Он намеревался написать популярную книгу, содержащую основные идеи физики в ее логическом развитии. По Эйнштейну, в физике имеется лишь несколько принципиальных идей, и они могут быть выражены словами.— Ни один ученый не мыслит формулами,—говорил он часто”.

Но первоначальный план — написать “просто популярную книгу” — в ходе работы над ней изменился. Авторы решили: “она должна представлять нечто большее! Это должна быть книга, из которой я (Инфельд.—С. С.) и другие физики смогут что-то извлечь — не конкретные факты, а новую точку зрения, идеи, расположенные в правильной перспективе; это должна быть научная книга, но в то же время написанная как можно проще”.

Эйнштейн был захвачен идеей изложить развитие физики как “драму идей”, в которой новое вечно приходит в столкновение со старым. “Наша книга,—говорил он,— должна быть интересной, захватывающей для каждого, кто любит науку”.

Так в 1938 году появилась эта книга, из которой, по замыслу ее авторов, не только широкие круги интеллигенции, но и специалисты-физики могут извлечь “новую точку зрения, идеи, расположенные в правильной перспективе”. Естественно, что “Эволюция физики” не представляет собой истории физики в обычном смысле, она не описывает все ее теоретические и технические достижения, не показывает связи физики с развитием производительных сил. В ней широкими штрихами нарисованы картина общего

246

развития физических идей, логическая линия развития физики, смена физических воззрений от механической картины мира до “полевой”, сделана попытка нарисовать перспективы дальнейшего развития физики. В рамках поставленной задачи книга описывает только принципиальные научные открытия, которые явились поворотными пунктами в развитии физических теорий. Она показывает те активные силы, которые вынуждают науку создавать идеи, отражающие реальность нашего мира, дают “некоторые представления о вечной борьбе изобретательного человеческого разума за более полное понимание законов, управляющих физическими явлениями” (стр. 6).

Книга оказалась действительно общедоступной, а для тех, кто будет внимательно следить за логикой развития идей, прямо-таки захватывающей. Но главное достоинство ее состоит в том, что она является отражением физического мышления одного из крупнейших ученых современности, мышления глубокого и поразительно целеустремленного. Вот почему этой книге был обеспечен огромный интерес со стороны не только представителей смежных специальностей, но и физиков. Она многократно переиздавалась на языке оригинала (английском) и переводилась на многие языки мира. После двух изданий на русском языке можно сказать, что большой интерес к ней проявил и советский читатель.

Развитие физики действительно показано в книге как “драма идей”. Эта драма достигла наивысшего напряжения в годы жизни Эйнштейна и при его непосредственном участии. Более того, он сам до конца вскрывал все возможные коллизии в столкновении физических идей. На всех этапах исследований он стремился создать единую логическую систему, отображающую закономерности мира; вместе с тем он способствовал развитию идей, которые если не преграждали, как полагал позднее сам Эйнштейн, то, несомненно, усложняли путь к этой единой картине мира. При этом он сам пережил драму ученого, оставшись в своих взглядах почти в одиночестве, и это после того, как он уже был признанным знаменосцем и вождем современной физики.

Об этой персонифицированной драме в книге ничего не сказано, а между тем знакомство с ней очень поучительно.

247

^ ВКЛАД ЭЙНШТЕЙНА В СОВРЕМЕННУЮ ФИЗИКУ

Эйнштейн вступил на арену научной деятельности в самом начале XX века, в знаменательный и переломный для физики период. В истории физики этот период характеризуется не только известными открытиями электрона, радиоактивности, развитием кинетической теории газов, спектральных методов и т. п., но и мощным подъемом теоретической мысли. Среди физических теорий наряду с термодинамикой получила огромное значение теория электромагнитного поля Максвелла.

Еще незадолго до того, далекую от наглядных представлений теорию Максвелла многие физики встречали с явным скепсисом. Однако к началу XX века эта теория, казавшаяся крайне абстрактной и непонятной, уже показала глубокую связь с реальным миром, с техникой. Ее реальная познавательная ценность выразилась в подтверждении существования предсказанных ею электромагнитных волн (Г. Герц, 1887), в быстром развитии на этой основе радиотехники (А. Попов, 1895), в объединении всех электромагнитных излучений в единую по своей природе шкалу, включая в нее и свет, в раскрытии связи электромагнитных и оптических свойств вещества. В студенческие годы Эйнштейна теория Максвелла уже стала проникать в учебные планы европейских университетов.

Но в этот же период были обнаружены и существенные затруднения теории. Они были связаны с необходимостью применить электродинамику к движущимся заряженным телам. Этой проблемой занимались выдающиеся физики того времени: Лоренц, Пуанкаре, Абрагам, Ланжевен и другие. Занимала эта проблема и молодого Эйнштейна.

Трудности возникали в связи с тем, что теория Максвелла описывала взаимодействие проводника и магнита так, что различались два случая взаимодействия: первый — когда проводник покоится, а магнит движется, а второй — при обратной ситуации. В случае, когда движется магнит, картина представлялась такой: силовые линии возникающего при движении магнита электрического поля пересекают проводник и возбуждают в нем ток. Когда же магнит покоится, а движется проводник, то, с точки зре-

248

ния теории Максвелла, электрическое поле не возникает, но в проводнике появляется электродвижущая сила, вызывающая точно такой же эффект. Таким образом, теория Максвелла рассматривала эти два случая как разные, хотя и не отличающиеся по их проявлениям.

Это обстоятельство, подмеченное Эйнштейном, было характеризовано им как несимметричность формы теории в отношении обоих случаев. Тем самым теория неявным образом допускала наличие в природе одной-единственной системы отсчета, по отношению к которой можно установить, что покоится, а что движется. Несимметричность формы теории была неадекватна самому явлению. В самом деле, известно, что для возбуждения тока в проводнике существенно перемещение магнита и проводника лишь относительно друг друга. Эта равноправность систем отсчета подтверждалась и тем фактом,— уже в то время широко использованным в технике,— что процессы в динамо, вырабатывающем ток, и в моторе, в котором ток преобразуется в энергию вращения ротора, обратимы.

Выявление существенной роли именно относительного движения означало, что и электродинамическую теорию следует формулировать так, чтобы ее уравнения были справедливыми для любых систем отсчета, для которых справедливы также и уравнения механики.

Наряду с этим надо было учесть и установленный экспериментально факт независимости скорости передачи электромагнитного сигнала (скорости света) от движения его источника.

Именно эти теоретические проблемы и рассматривает Эйнштейн в своей знаменитой работе “К электродинамике движущихся тел” (1905), в которой развиты основы теории относительности. Теория привела к формулировке условий инвариантности электродинамических законов в инерциальных системах. Эти условия состоят в том, что физические величины, которые ранее считались инвариантными (расстояния, время, масса, магнитная и электрическая напряженности и проч.), в действительности оказываются относительными: при переходе к новой инер-циальной системе они преобразуются по определенному закону, зависящему от относительной скорости движения системы.

249

Физическое и принципиальное значение теории относительности огромно. Пожалуй, до того ни одна теория еще не приносила столько новых обобщающих идей. Здесь мы только напомним о важнейших из них.

Оказалось несостоятельным метафизическое представление о наличии абсолютной системы отсчета, абсолютном пространстве и времени. Потерпела крах идея о мировой среде — эфире — специфическом носителе электромагнитных процессов, физические свойства которого физики тщетно пытались определить в XIX веке. Выявилась необоснованность трактовки ряда свойств тел как абсолютных, не зависящих от состояния движения их. Установлена связь массы и энергии.

Теория относительности положила начало представлению о пространственно-временном континууме, физические свойства (метрика) которого определяются находящимися в нем массами. Развивая эти идеи, Эйнштейн создал обобщенную теорию тяготения, показав, что поля тяготения естественно включаются в континуум через изменение его метрики. Теория тяготения Эйнштейна привела к предсказанию новых физических явлений, о чем будет подробнее сказано ниже.

Зародившись как абстрактная теория, которая должна была разрешить теоретические трудности, возникшие в электродинамике движущихся тел, теория относительности в наше время вошла в практику атомных исследований. Без учета ее выводов нельзя конструировать современные ускорители элементарных частиц, невозможно производить расчеты ядерных реакций. Даже человеку, далекому от современной ядерной техники, ясно, как велико должно быть практическое значение такой теории. Однако это еще не все.

Теория относительности наложила глубокий отпечаток на все другие, настоящие и будущие, физические теории: в предельной области высоких скоростей они должны отвечать ее формальным требованиям. Поэтому наряду с обычной квантовой механикой возникает релятивистская квантовая механика, наряду с классической космологией — релятивистская космология и т. д.

Теория относительности оказала огромное влияние на самое мышление физиков. Она показала важную роль

250

обобщения и обобщающих наук. Вместе с ней в физике появился дух новаторства, смело ломающий закостенелые взгляды на физические понятия, всегда требующий обобщенного подхода к физическим явлениям.

Но вклад Эйнштейна в физику не ограничивается созданием теории относительности и обобщенной теории тяготения, вместе со всеми обновляющими идеями, которые они несли. Его заслуги огромны и в других областях физики, в которых надо было прокладывать первые тропы. О важнейших из них необходимо здесь рассказать и не только потому, что они меньше известны широким кругам, но и ввиду особой отрицательной позиции, какая выявилась у Эйнштейна позднее по отношению к тем направлениям в физике, мощный импульс к развитию которых он сам же дал.

Здесь надо прежде всего указать на преобразование, которое Эйнштейн произвел во взглядах на природу света.

Известно, что Планк, проанализировав условия, при которых так называемое излучение абсолютно черного тела должно находиться в равновесном состоянии, установил (1900) связь энергии (ε) и частоты (v) света: ε = hv, где h = 2π¯h— планковская постоянная, которая равна 6,63·10-27 эрг·сек. Наличие такой связи удивляло физиков, поскольку она была необычной в аспекте классической физики, согласно которой энергия волны связана с ее амплитудой, а не частотой.

Но в первые годы эту связь еще не трактовали глубоко. По свидетельству Макса Борна, ее считали своеобразной гипотезой, пригодной лишь для данного случая. Экспериментаторы не проявляли к ней интереса, считая ее “инструментом теоретиков”, полезным лишь для того, чтобы свести концы с концами в каком-то сугубо теоретическом вопросе о распределении энергии в спектре излучения абсолютно черного тела. Теоретиков эта странная связь энергии и частоты беспокоила: вместе с ней появилась идея о квантованности энергии, но никто не знал, как это понимать. Теоретики не шли далее того, чтобы представить себе механизм, посредством которого осциллятор может испускать и поглощать только определенные порции энергии. Особенные затруднения испытывались при отыскании механизма поглощения, поскольку

251

все еще исходили из представления, что энергия на осциллятор падает непрерывно: по-видимому, каким-то образом она должна накапливаться, прежде чем быть поглощенной. Никто из физиков, в том числе и сам Планк, не подозревал, что из открытия обобщенной формулы излучения абсолютно черного тела могут последовать революционные идеи, которые раскроют перед физикой совершенно новые горизонты.

Решающий шаг сделал Эйнштейн. Он первый осознал основополагающее значение квантовых идей *) и стал рассматривать ряд известных к тому времени затруднений классической физики в свете квантовых представлений.

Одно из таких затруднений представляло явление фотоэлектрического тока (фотоэффект). Фотоэффект был открыт еще Генрихом Герцем, Гальваксом и другими физиками в восьмидесятых годах прошлого века и тогда же был обстоятельно исследован А. Г. Столетовым. Как известно, этот эффект состоит в том, что лучи света, падая на металлическую пластинку, вырывают из нее поток электронов, создающий ток в замкнутом контуре. Столетов нашел закономерную связь фототока со светом, его вызывающим. Оказалось, что сила фототока зависит не от яркости возбуждающего света, как ожидалось в соответствии с законами классической физики, а от цветности падающих лучей, иначе говоря, от частоты падающего на пластинку излучения. Эту закономерность невозможно было объяснить по законам классической физики. Фотоэффект противоречил этим законам. В течение почти двух десятилетий он оставался загадочным явлением.

Эйнштейн рассмотрел теперь это явление в свете квантовых представлений и нашел, что оно получает простое и непротиворечивое объяснение, если предположить, что сам световой поток представляет собой поток квантов (фотонов), несущих энергию, пропорциональную частоте:

ε = hv, как это и соответствует планковскому кванту энергии. Тогда ясно, что энергия, переданная квантом света свободному электрону пластинки, будет зависеть не от яркости света, а именно от его частоты. Найденное

________________________________

*) У Эйнштейна были к этому своп основания, о которых будет сказано ниже.

252

ранее Планком соотношение получило в работах Эйнштейна ясный смысл: взаимодействие света с веществом, в процессе которого вещество поглощает или испускает квант энергии, определяется квантовой структурой самого света, тем, что сам световой поток состоит из потока световых квантов. При этом объяснении отпадает необходимость придумывать для атома специальный механизм, регулирующий испускание и поглощение световой энергии квантами: сама световая энергия прерывна.

В той же работе — “Об одной эвристической точке зрения, касающейся возникновения и превращения света” (1905) — Эйнштейн применил квантовые идеи для объяснения правила смещения Стокса в люминесценции, а также к фотоионизации газа; он показал, что во всех подобных явлениях происходит превращение кинетической энергии электрона в световой квант или наоборот. Во всех процессах взаимосвязи электронов и света передаваемая энергия излучения пропорциональна частоте и постоянной h. Это уже легко проверить экспериментально.

Насколько взгляды Эйнштейна были новы и революционны для того времени, свидетельствует факт, описываемый А. Ф. Иоффе в статье “Памяти Альберта Эйнштейна” (1956). В 1907 году Иоффе стал экспериментально проверять фотонную теорию света на натрии и калии, а в 1909 году попытался вывести из теории фотонов законы равновесной лучистой энергии. О своих результатах он послал статью в журнал “Анналы физики”, редактором которого был Планк. Иоффе пишет: “Последний [Планк], познакомившись с моей статьей, которую он затем все же опубликовал в своем журнале..., убеждал меня в необходимости оставаться на почве классических представлений Максвелла и не идти дальше, чем это крайне необходимо, ограничиться своеобразием механизма излучения, допускать, если это окажется неизбежным, своеобразие в поглощении света электроном и ряд других частных гипотез, но не порывать с теорией электромагнитного поля и не посягать на самый свет. “Классическая теория дала нам столько полезного, что к ней надо относиться с величайшей осторожностью и охранять ее”,—говорил Планк”.

Вслед за квантовым объяснением фотоэффекта, явлений люминесценции, ионизации газа Эйнштейн рассмотрел

253

и еще одну загадку, которая не находила решения в аспекте классической физики. Речь идет о теплоемкости твердых тел при низких температурах. Согласно классической физике, на каждую степень свободы сложной физической системы приходится одинаковая доля энергии из находящейся в системе. Зная число степеней свободы физической системы, можно было рассчитать удельную теплоемкость любого вещества; она не должна была зависеть от температуры вещества (закон Дюлонга и Пти). Закон равномерного распределения энергии по степеням свободы подтверждался экспериментами для доступных в то время не слишком низких температур; это доказывало, что расчеты классической физики имели определенное обоснование. Казалось, что этот закон раскрывает простой и наглядный механизм распределения энергии внутри физической системы и потому является незыблемым. Однако к этому времени уже выяснилось, что при температурах, приближающихся к абсолютному нулю, теплоемкость становится меньше теоретически вычисленной; это отступление становится резким для кристаллических тел, особенно таких как алмаз. Классическая физика не могла дать объяснения этому факту. И опять для объяснения этой закономерности Эйнштейн применил к внутриатомным и молекулярным связям идею об их квантовой природе. Работы эти были вслед за тем успешно продолжены и углублены Дебаем, Борном, Карманом и другими.

Мы видим, что Эйнштейн чрезвычайно расширил применение квантовых идей, показав их определяющую роль в атомной физике. Тем самым он дал мощный побуждающий толчок бесчисленным исследованиям физиков в этом направлении. Становилось ясным, что в свете новых идей должны быть проанализированы и все уже известные физике трудности, и все вновь открываемые явления. Новые идеи становились генеральной линией развития физики.

Необходимо подчеркнуть, что для исследований Эйнштейна этих лет характерна одна черта: глубокая связь новых теоретических идей с экспериментом. Сугубо абстрактные методы и гипотезы он применял к практическим проблемам, которые волновали физиков, и сразу вносил в них ясность; при этом он доводил свои теоретические

254

рассуждения до формы, в которой их легко можно было проверить экспериментально. Поэтому вслед за исследованиями Эйнштейна стали появляться в большом числе экспериментальные работы по самым различным проблемам атомной физики. Эти работы неизменно подтверждали его выводы. Они показали, что гипотеза квантов, которая до Эйнштейна рассматривалась только как удобный прием для расчетов в теории излучения абсолютно черного тела, на самом деле есть открытие новой стороны физических процессов и что на всю атомную физику надо смотреть теперь только с позиций квантовой гипотезы.

До применения квантовых идей непосредственно к атомной структуре физика дошла позднее, в начале второго десятилетия, после знаменитых экспериментальных исследований Резерфорда, вскрывших ядерную структуру атома, и на их основе. В этих исследованиях принимал близкое участие и Нильс Бор, работавший в то время (1912) в группе Резерфорда в Манчестере. Ему принадлежит честь создания первой модели квантованного атома.

Эйнштейн в этот период был полностью поглощен разработкой теории тяготения и участия в исследованиях структуры атома не принимал. Но кто может отрицать, что мощным импульсом, побуждавшим Нильса Бора, было также влияние идей Эйнштейна, убедительно показавшего решающую роль квантовых связей во всей атомной физике? Сам Бор в “Воспоминаниях о Резерфорде...” (1961) писал об истории своих работ: “Это открытие (кванта действия.—С. С.), в особенности в работах Эйнштейна, нашло весьма перспективные приложения в теории теп-лоемкостей и фотохимических реакций. Поэтому совершенно независимо от новых экспериментальных данных, касающихся строения атома, существовало широко распространенное убеждение в том, что квантовые представления могут иметь решающее значение для всей проблемы атомного строения вещества”. Это убеждение как раз и возникло под влиянием работ Эйнштейна. О широкой распространенности такого убеждения говорит и тот упоминаемый Бором факт, что попытки применить квантовые идеи к структуре атома предпринимались в то время многими физиками (А. Гааз, Дж. Никольсон, Н. Бьеррум и другие).

255

Конечно, нельзя сказать, что среди физиков было сразу достигнуто полное единодушие. Были и скептики. Известен, например, такой факт, относящийся к 1913 году. Ряд крупных немецких физиков — Нернст, Рубенс, Варбург, во главе с Планком — обратились к прусскому министерству просвещения с ходатайством о приглашении в Берлинскую академию наук Эйнштейна для работы на особо льготных условиях. Мотивируя это ходатайство, его авторы указывали, что Эйнштейн — крупный ученый-новатор, который по всем большим проблемам современной физики занимает примечательную позицию. И далее в ходатайстве было сказано: “То, что он в своих рассужде-ниях иногда выходит за пределы цели, как, например, в своей гипотезе световых квантов, не следует слишком сильно ставить ему в упрек. Ибо не решившись пойти на риск, нельзя осуществить действительно нового даже в самом точном естествознании”. Смысл этих фраз: виновен, но заслуживает снисхождения.

Но физика неумолимо развивалась, и шествие квантовых идей уже нельзя было остановить, особенно после успешного их применения к объяснению структуры атомов. А после открытия эффекта Комптона (1923), доказавшего наличие у фотонов импульса, окончательно утвердилась и фотонная гипотеза света.

Но Эйнштейн положил начало не только широкому “квантовому мышлению”, он показал также огромные возможности статистических методов физики.

Несколько позднее Гиббса, но, по-видимому, независимо от него, Эйнштейн разработал общие методы статистической механики и, что особенно существенно, в форме, которая позволила сразу же приложить их к анализу броуновского движения — хаотического движения мельчайших, видимых в микроскоп частиц, взвешенных в жидкости. На рубеже XX века было высказано немало различных гипотез о причинах движения броуновских частиц. Одна из гипотез состояла в утверждении, что такой причиной является тепловое движение ненаблюдаемых молекул жидкости, которые со всех сторон толкают взвешенную частицу; равнодействующая всех получаемых частицей импульсов не равна нулю, а постоянно и хаотически изменяется вследствие непрерывного хаотического

256

изменения отдельных импульсов. Задача состояла в том, чтобы отыскать связи наблюдаемых величин с ненаблюдаемыми и тем самым обосновать причину процесса. Эйнштейн показал статистический характер этой связи; таким путем он рассчитал размер молекул жидкости, число их в грамм-молекуле и другие параметры. Расчеты Эйнштейна нашли свое подтверждение. Тем самым он поднял кинетическую теорию вещества с уровня возможной гипотезы до уровня физической, доступной проверке, теории.

Выводы из этих статистических работ Эйнштейна имели также существенное методологическое значение. “Я думаю,—справедливо пишет Макс Борн в статье “Статистические теории Эйнштейна” (1949),—что эти исследования Эйнштейна больше, чем все другие работы, убеждают физиков в реальности атомов и молекул, в справедливости теории теплоты и фундаментальной роли вероятности в законах природы”. Нелишне напомнить, что это было время (1902—1906), когда некоторые физики отрицали реальность атомов просто потому, что они непосредственно не наблюдаемы, не даны в ощущениях. Вспоминая об этих своих работах в автобиографии (1949), Эйнштейн сам утверждает: “При этом главной моей целью было найти такие факты, которые возможно надежнее устанавливали бы существование атомов определенной конечной величины”. И действительно, он вправе был заключить: “Согласие этих выводов (касающихся определения параметров атомов.—С. С.) с опытом, а также сделанное Планком определение истинной величины молекул из закона излучения (для высоких температур) убедили многочисленных тогда скептиков (Оствальд, Мах) в реальности атомов”. Нужно подчеркнуть и другую сторону проблемы:

этими исследованиями Эйнштейна была показана эвристическая роль статистических закономерностей в физике. Впервые обнаружилось, что статистические закономерности отражают новый тип реальных связей в природе.

Было естественно, по мере развития квантовых идей в атомной физике, учесть в статистических связях также и квантовые. Путь к этому подходу открывало фундаментальное соотношение Больцмана, связывающее термодинамическую величину — энтропию S замкнутой системы —

257

с вероятностью W ее состояния: S = k lnW, откуда W = eS/k . Больцман вывел эго соотношение для систем, подчиняющихся законам классической механики. Но статистические закономерности имеют то преимущество, что они обладают огромной общностью, не зависят от природы исследуемых объектов. Эйнштейн применил их к анализу структуры излучения абсолютно черного тела. Соотношение Больцмана он использовал для определения вероятности случайной концентрации полной энергии Е в определенной части объема αV, вычислив энтропию S из найденного Вином закона излучения. Эта вероятность равна: W = α E/hν.

Именно этот результат чисто статистических методов привел Эйнштейна к идее, что излучение ведет себя так, как будто оно состоит из совокупности N == E/hν независимых квантов энергии величины hv. Этот вывод был для Эйнштейна настолько убедителен, что он немедленно стал искать прямое его подтверждение в известных физических процессах. Так он пришел к рассмотрению с новой точки зрения уже описанного выше фотоэффекта, загадка которого была, наконец, разгадана.

Эйнштейн расширял применение статистических методов и в дальнейшем. В статье “К квантовой теории излучения” (1917) он дал вывод закономерности излучения черного тела (формулы Планка), опираясь на картину излучения как чисто статистического процесса. Оказалось, что формула Планка может быть получена этим методом при условии допущения нового вида излучения, происходящего под воздействием окружающего излучатель электромагнитного поля (“индуцированное излучение”). В течение ряда десятилетий индуцированное излучение существовало только как “теоретический факт”. Лишь в начале пятидесятых годов был предложен способ усиления света и радиоволн, основанный на использовании индуцированного излучения, а в наши дни оно легло в основу конструирования квантовых генераторов и квантовых усилителей.

Статистический вывод Эйнштейном формулы Планка и теоретическое открытие им индуцированного излучения не только соответствовали духу квантовой физики, но и

259

еще более подтвердили эвристическую ценность статистических методов, их объективный смысл.

Наконец, в начале двадцатых годов Эйнштейн развил и обобщил идеи индийского физика Бозе, который применил статистические методы к фотонам как частицам, рассматривая распределение состояний в совокупности тождественных частиц. Этим методом планковский закон излучения получается непосредственно. Таким образом, квантовая статистика вела к углубленному пониманию объекта этой статистики: физический смысл имеет не счет индивидуальных предметов, а статистика их состояний. Эта специфическая квантовая статистика, названная статистикой Бозе—Эйнштейна (в отличие от квантовой статистики другого типа— Ферми — Дирака), оказалась применимой к особому классу квантовых частиц (фотоны, альфа-частицы, атомные ядра с четным числом нуклонов).

Таким образом, Эйнштейн способствовал обоснованию и широкому внедрению в физику статистических методов.

Естественно, что в это время Эйнштейна занимала проблема сближения двух образовавшихся после открытия фотонов вполне устойчивых картин: одна из них выражалась через непрерывное электромагнитное поле с его динамической закономерностью, другая — через поток фотонов с их статистическими закономерностями. В этом плане он высказал весьма важное соображение о том, что плотность фотонов в световом пучке должна совпадать с плотностью энергии электромагнитных волн в нем. Отмечая этот факт в своей нобелевской речи, Макс Борн, который обосновал статистическую трактовку волновой функции, говорил, что он, Борн, в 1927 году лишь разработал эту идею Эйнштейна в применении к волновой функции Шредингера.

Итак, на крутом повороте развития физики, когда она перешла к более глубокому обобщению электромагнитного и гравитационного полей, а также к изучению атомных процессов, Эйнштейн проявил большую проницательность исследователя, беспримерную смелость мышления, умение преодолевать устоявшиеся догмы. Эти свойства рисуют его как подлинно передового ученого. Недаром ведущие физики признали в Эйнштейне своего “знаменосца и вождя” (Борн).

259

^ ОТХОД ОТ ИДЕЙ КВАНТОВОЙ ТЕОРИИ

С появлением работ Резерфорда и Бора центр тяжести научных интересов в физике переместился в область исследований квантовых свойств атомных систем. Эйнштейн же, дав мощный импульс основополагающим идеям атомной физики (квантовая структура света, квантование атомных процессов, статистические методы в атомной физике), вновь сосредоточил свою творческую энергию на проблемах, связанных с дальнейшим обобщением идей относительности и теории тяготения.

Между тем уже в конце первой четверти XX века в атомной физике встали свои задачи обобщения. Раскрытые в этот период закономерности атомных явлений и излучения обнаружили квантовые свойства света и энергетических состояний атома. Однако многочисленный экспериментальный материал не был обобщен в единой теории. В свете классических представлений он казался крайне противоречивым. Квантовые свойства полей и микрообъектов выступали лишь как одна из сторон реальности. Эксперимент показывал, что другой стороной ее являлись волновые свойства. Работы де Бройля, подтвердившиеся позднее опытами Дэвисона и Джермера, а также Томсона, показали, что волновые свойства характерны не только для электромагнитного поля, но также и для вещества (для потока вещественных частиц). Хотя оба типа свойств (корпускулярные и волновые) в классическом смысле взаимно противоречат и исключают друг друга, ни одним из них нельзя было пренебрегать при характеристике квантовых явлений. Эта необычная ситуация крайне осложняла их понимание и трактовку. Далее, физики много занимались разработкой методов квантования атомных орбит (Бор, Зоммерфельд и другие); но эти методы покоились на некоторых классических соображениях и имели характер поисков решений применительно к случаю, что было явно неудовлетворительным.

Надо было создать теорию, которая органически включала бы в себя характеристику возможных квантовых переходов систем из одного состояния в другое, объединить в одной обобщенной теории волновые и корпуску-

260

лярные представления. Таких сложных задач перед физикой никогда еще не возникало.

Эйнштейн в этой работе участия уже не принимал. Он целиком посвятил себя задаче построения единой теории поля, в которой мыслил объединить электромагнитные и гравитационные поля. Этот отход Эйнштейна от актуальных проблем атомной физики вызвал огромное огорчение и сожаление физиков.

Квантовая теория была создана в середине двадцатых годов трудами Бора, Гейзенберга, Берна, Иордана, Дирака, Шредингера, Ферми, Паули и других физиков.

Как в свое время теория относительности, обобщая экспериментальные факты в области электродинамики, привела к новой широкой картине мира, раскрыв до того неизвестные свойства пространственно-временного континуума, так это сделала и квантовая механика, развившая ряд новых идей.

Квантовая механика раскрыла специфические свойства квантового объекта, существенно отличающие его от классического. Оказалось, что в нем неразрывно связаны волновые и корпускулярные свойства; он не есть нечто неизменное: в зависимости от физических условий он преобразуется, приближаясь то больше к образу волны, то к образу частицы; его особенности находят свое выражение в “соотношении неопределенностей” некоторых попарно сопряженных характеризующих квантовый объект величин (например, импульса и координат). Квантовая механика выдвинула статистическое понимание “состояния микрочастицы”; она показала, что статистические закономерности в микромире уже не могут рассматриваться как прием расчета, как мера незнания динамического хода индивидуальных процессов; они представляют собой новую форму взаимосвязей в объекте; классический детерминизм, согласно которому события развиваются однозначно и который исключает случайность, представляет собой лишь предельный и абстрактный случай *).

Как же отнесся к этим новым идеям Эйнштейн, ученый, необычайно чуткий к логической цельности и логическому совершенству физической теории?

_____________________________________

*) В этой статье нет возможности и необходимости обсуждать трактовку этих проблем отдельными физиками и школами.

261

Эйнштейн отказался от пути, по которому пошло большинство физиков, разработавших квантовую теорию.

Он отказался от того пути, развитию которого, как мы видели выше, он сам в значительной мере способствовал, обосновывая квантовые воззрения во всех областях атомной физики, показывая, что квантовые задачи следует решать статистическими методами.

В книге “Эволюция физики” эти взгляды нашли лишь косвенное отражение. Отмечается, что если в классической физике мы встречаем статистические законы, “полученные на основе индивидуальных законов”, то “в квантовой физике положение дел совершенно другое. Здесь статистические законы даны непосредственно. Индивидуальные законы исключены” (стр. 233). Ввиду этого оказывается невозможным ответить на ряд вопросов, например на рассматриваемый в книге вопрос о том, сквозь какую из щелей дифракционной решетки проходит “данный индивидуальный электрон”.

В книге в тактичной форме читателю дается понять, что квантовая механика многие существенные и притом закономерные вопросы оставляет без ответа. “Мы должны были отказаться от описания индивидуальных случаев, как объективных явлений в пространстве и времени; мы должны были ввести законы статистического характера. Они являются основной характеристикой современной квантовой физики” (стр. 233) *).

Авторы не говорят о том, что квантовая теория с ее статистической закономерностью — это неизбежный этап развития физики, необходимая форма разрешения проблем, стоящих перед ней. Напротив, они подчеркивают стоящие перед ней трудности (необходимость прибегать к “волнам вероятностей с бесконечным числом измерений”, трудности создания релятивистской квантовой механики), указывают на задачи, которые она еще не решила. Они пишут: “В квантовой физике нет места таким утверждениям, как: “этот объект таков-то, он имеет такое-то свойство”. Вместо этого мы имеем утверждения такого рода: “Имеется такая-то вероятность того, что индивидуальный

__________________________________

*) Здесь и повсюду в последующем, если нет оговорок, курсив принадлежит мне.

262

объект таков-то и что он имеет такое-то свойство”. В квантовой физике нет места для законов, управляющих изменениями индивидуального объекта во времени. Вместо этого мы имеем законы, управляющие изменениями вероятности во времени” (стр. 237).

Так пишут авторы, и в общем контексте это звучит как упрек в адрес квантовой физики.

Наконец, они усиливают это впечатление, высказывая сожаление, что “квантовая физика все еще должна будет базироваться на двух понятиях — на понятиях вещества и поля. В этом смысле она — дуалистическая теория, которая не приближает ни на один шаг реализацию нашей старой проблемы — свести все к понятию поля” (стр. 238).

В книге “Эволюция физики” все страсти приглушены, только возбуждаются некоторые сомнения, обосновывается мысль, что квантовая физика лишь преходящая ступень развития (как будто это не справедливо в отношении любой теории!), что она неполноценна.

Но физики хорошо знают, как бушевали эти страсти в публичных дискуссиях, в личных беседах, в переписке с друзьями, продолжавшими разрабатывать методы квантовой физики, наконец, в упорном многолетнем стремлении Эйнштейна построить физику на других основах. Из всех этих материалов известно, что Эйнштейн рассматривал статистическое толкование квантовой механики как временную замену знания индивидуальных, однозначно определенных процессов, которое он считал единственно подлинным знанием. Он считал чуждым духу физики также и двойственный, корпускулярно-волновой характер свойств полей и объектов атомной физики; соединение таких свойств в одном объекте он считал, по-видимому, невозможным. Но суть квантовой механики как раз и состоит в том, что она отражает двойственный характер микрообъектов и полей и их статистические закономерности. Отклонить их значило отклонить всю квантовую механику.

В чем же была причина того, что Эйнштейн, этот бесстрашный новатор в науке, резко критиковал тот путь, на который вступила квантовая физика?

Конечно, наш ответ на этот вопрос может быть более или менее обоснованным только на основе анализа его

263

творческих устремлений. В связи с выяснением этих причин поучительно рассмотреть упрек, брошенный самим Эйнштейном Маху по поводу отказа последнего признать существование атомов и молекул.

Известно, что Мах рассматривал науку как систему упорядочения наших чувственных восприятии, как экономную мнемоническую запись “фактов ощущений”, а не как отражение внешнего мира. Именно такая трактовка предмета познания привела его к отрицанию существования атомов и молекул, которые ведь непосредственно в ощущениях не встречаются. Между тем все развитие науки приводило к выводу о повышении роли познания через абстракцию, которая образуется человеком на основе переработки ощущений. Вспомним, что к установлению ряда характеристик непосредственно ненаблюдаемых атомов и молекул самого Эйнштейна привели именно абстрактные статистические методы. Естественно, что он отлично понял причины отрицательной позиции Маха и не мог их принять. В своей “Творческой автобиографии” он писал: “Предубеждение этих ученых (Оствальда и Маха.—-С. С.) против атомной теории можно несомненно отнести за счет их позитивистской философской установки. Это — интересный пример того, как философские предубеждения мешают правильной интерпретации фактов даже ученым со смелым мышлением и с тонкой интуицией”.

Объяснение Эйнштейна справедливо. Но, увы, оно применимо и к негативной позиции самого Эйнштейна по отношению к квантовой механике. Это подметил уже Макс Борн, один из основателей квантовой теории, близкий друг Эйнштейна. В статье “Воспоминания об Эйнштейне”, приведя процитированное выше объяснение Эйнштейна, Борн заметил: “Мне кажется, что в квантовой механике это оправдывается в отношении его самого”.

И действительно, позицию Эйнштейна в физике можно понять только в свете его общефилософской концепции, в свете того, как этот великий ученый понимал единство законов природы и пути его познания, как он понимал связи, существующие в природе, а также предмет исследования физики.

Однако вопрос о философских взглядах Эйнштейна не так прост.

264

^ II

КАКАЯ ЖЕ ФИЛОСОФИЯ ВЕЛА ЭЙНШТЕЙНА?


Как ответить на вопрос о том, какая же философия вела Эйнштейна, кто он по своим философским взглядам — материалист, идеалист или позитивист? Если подойти к решению этого вопроса методом цитат, то в его трудах можно найти достаточно высказываний в пользу любого направления.

Известно, например, что Эйнштейн высоко оценивал критическую работу Маха в отношении априорных идей Канта или введения Ньютоном в обиход классической физики понятий абсолютного пространства, времени, движения, вообще “метафизических” понятий, которым в опыте, как его понимает Мах, ничего не сопоставляется. Эйнштейн неоднократно заявлял, что концепция Маха помогла ему критически осмыслить исходные положения классической физики.

Неоднократно также Эйнштейн определял теорию как систему упорядочения наших чувственных восприятии, а не как отражение объективных закономерностей внешнего мира. Эти формулировки не случайны для Эйнштейна, они встречаются в его работах на протяжении всей его жизни. Так, в лекциях об основах теории относительности, читанных в Принстонском университете в 1921 году, он утверждал, что “понятие и системы понятий ценны для нас лишь постольку, поскольку они облегчают нам обозрение комплексов наших переживаний”. В 1936 году в статье “Физика и реальность” Эйнштейн писал: “В противоположность психологии, физика истолковывает непосредственно только чувственные восприятия и “постижение” их связи”. И далее: “Я считаю, что первый шаг в установлении “реального внешнего мира” состоит в образовании понятия телесных объектов различных видов. Из всего многообразия чувственных восприятии мы мысленно и произвольным образом выделяем постоянно повторяющиеся комплексы чувственных восприятии (частично в совпадении с чувственными восприятиями, которые могут истолковываться как знаки чувственного опыта других людей) и мы сопоставляем им понятие телесного

265

объекта”. В книге “Эволюция физики” сказано: “С помощью физических теорий мы пытаемся найти себе путь сквозь лабиринт наблюденных фактов, упорядочить и постичь мир наших чувственных восприятии” (стр. 241).

Наконец, в его автобиографии мы встречаем: “...всякое паше мышление того же рода: оно представляет свободную игру с понятиями. Обоснование этой игры заключается в достижимой при помощи нее возможности обозреть чувственные восприятия. Понятие “истины” к такому образованию еще совсем неприменимо; это понятие может, по моему мнению, быть введено только тогда, когда имеется налицо условное соглашение относительно элементов и правил игры”. И далее: “Система понятий есть творение человека, как и правила синтаксиса, определяющие ее структуру... Все понятия, даже и ближайшие к ощущениям и переживаниям, являются с логической точки зрения произвольными положениями, точно так же как и понятие причинности, о котором в первую очередь и шла речь”.

Таковы суждения Эйнштейна, в которых, несомненно, обнаруживается влияние позитивистской философии.

Однако известно и другое. Мы помним, что позитивистские взгляды Оствальда и Маха Эйнштейн назвал философскими предубеждениями, помешавшими им найти правильное истолкование фактам, приводящим к признанию атомов и молекул. Далее, свое несогласие с идеями квантовой механики, в частности с введением ею статистической закономерности наряду с динамической, Эйнштейн мотивировал тем, что переход от описания самих вещей к описанию вероятностей появления вещей есть переход к позитивизму. Критикуя аргументацию в пользу квантовой механики, он в “Ответе на критику” (1949) писал: “Что мне не нравится в подобного рода аргументации,— это, по моему мнению, общал позитивистская позиция, которая, с моей точки зрения, является несостоятельной и которая, по моему мнению, ведет к тому же самому, что и принцип Беркли —esse est percipi (существовать — значит быть воспринимаемым)”. Эйнштейн считал, что защита статистической трактовки квантовой механики есть защита позитивистских взглядов. Даже в дружеской переписке Эйнштейн выступает против позитивизма. В

266

конце сороковых годов, говоря о желательной встрече с Борном, он писал ему: “Хотя ты никогда не согласишься с моей точкой зрения, она тебя могла бы позабавить. Я бы тоже получил удовольствие, разбив твои позитивистские философские взгляды”.

Впрочем, Макс Борн не был согласен с таким обвинением. Комментируя это письмо, Макс Борн говорил Зелигу, издателю и биографу Эйнштейна: “Эти строки касаются моих взглядов на основные вопросы физики. Я, как и Нильс Бор и Вернер Гейзенберг, защищаю статистическую квантовую механику, в то время как Эйнштейн стоит на позициях классического детерминизма. Вообще же я вовсе не последователь позитивизма”. Как видим, к позитивистам не хочет быть причисленным и выдающийся физик нашего времени Макс Борн, и он действительно много сделал для того, чтобы развенчать позитивизм в глазах зарубежных ученых *).

Но вернемся к Эйнштейну. Это, конечно, серьезный довод, чтобы не признавать Эйнштейна позитивистом, если он отклонял целое направление в физике, огромное практическое значение которого он всегда и безоговорочно признавал, отклонял из-за того, что считал его основу позитивистской. Другое дело, прав ли Эйнштейн, толкуя квантовую физику как по существу своему позитивистскую; в данном случае существенно подчеркнуть, что, отклоняя ее, он руководствовался антипозитивистскими мотивами.

Крайне интересное понимание процесса познания высказано Эйнштейном в статье “Влияние Максвелла на эволюцию идей о физической реальности”, написанной к столетию со дня рождения Максвелла в 1931 году. Эту статью он начинает со следующего утверждения: “Вера в существование внешнего мира, независимого от воспринимающего субъекта, есть основа всего естествознания. Но так как чувственное восприятие дает информацию об этом внешнем мире, или о “физической реальности”, только

______________________________________

*) См. С. Суворов, Макс Борн и его философские взгляды, в книге: Макс Борн, Физика в жизни моего поколения, ИЛ, 1963, а также: С. Суворов, Проблема “физической реальности” в копенгагенской школе, Успехи физических наук, т. LXII, в, 2, июнь 1957.

267

опосредованно, мы можем охватить последнюю только умозрительными средствами. Из этого следует, что наши представления о физической реальности никогда не могут быть окончательными. Мы всегда должны быть готовы изменить эти представления, то есть изменить аксиоматическую базу физики,— чтобы оправдать факты восприятия логически наиболее совершенным образом. И действительно, беглый взгляд на развитие физики показывает, что она испытывает глубокие изменения с течением времени”.

Это высказывание вполне в духе материализма, и трудно понять, как Эйнштейн совмещает столь противоположные точки зрения.

Однако он не только их совмещает, но и отлично при этом сознает, какое недоумение может вызвать это совмещение. Но он относит это недоумение за счет философов, ко-торые-де слишком жестки в своих концепциях, представляющих собой, правда, цельную, но все же абстрактную схему. Естествоиспытателя же невозможно уложить в какую-либо схему. Его положение, по Эйнштейну, сложнее потому, что он должен считаться с результатами своих исследований и принимать точки зрения, несовместимые в одной системе. В своем “Ответе на критику” он пишет, что философ, однажды додумавшийся до какой-то системы, “...будет склонен интерпретировать богатство идей точных наук в смысле своей системы и не признавать того, что под его систему не подходит. Ученый же не может себе позволить, чтобы устремления к теоретико-познавательной систематике заходили так далеко. Он с благодарностью принимает теоретико-познавательный анализ понятий, но внешние условия, которые поставлены ему фактами переживаний, не позволяют ему при, построении своего мира понятий слишком сильно ограничивать себя установками одной теоретико-познавательной системы. В таком случае он должен систематизирующему философу-гносеологу показаться своего рода беспринципным оппортунистом. Он кажется реалистом (т. е. материалистом.—С. С.), поскольку старается представить не зависящий от актов ощущений мир; идеалистом — поскольку смотрит на понятия и на теории как на свободные изобретения человеческого духа (не выводимые логи

268

чески из эмпирически данного); позитивистомпоскольку рассматривает свои понятия и теории лишь настолько обоснованными, насколько они доставляют логическое представление связей между чувственными переживаниями. Он может показаться даже платоником или пифагорейцем, поскольку рассматривает точку зрения логической простоты необходимым и действенным инструментом своего исследования” *).

Эйнштейн по разным поводам подчеркивает невозможность для естествоиспытателя придерживаться какой-либо одной философской системы. Отвечая Маргенау по поводу его утверждения о том, что “позиция Эйнштейна... содержит черты рационализма, а также крайнего эмпиризма”, Эйнштейн в “Ответе на критику” пишет: “Это замечание совершенно правильно. Откуда происходит эта флуктуация? Логическая система понятий является физикой постольку, поскольку ее понятия и утверждения необходимо приведены в связь с миром переживаний (experiences). Тот, кто желает установить такую систему, встретится с опасным препятствием в виде произвола выбора. Вот почему стараются по возможности прямо и необходимым образом связать свои понятия с миром переживаний. В этом случае взгляды исследователя эмпиричны. Этот путь часто плодотворен, но он всегда открыт для сомнений в силу того, что отдельное понятие и единичное утверждение может выражать нечто сопоставляемое с эмпирически данным в конечном счете только в связи с целостной системой. Тогда признают, что никакого пути от данного в опыте к миру понятий нет. Тогда взгляды исследователя становятся скорее рационалистическими, потому что он признает логическую независимость системы. В такой позиции возникает опасность того, что при поисках этой системы можно потерять всякий контакт с миром переживаний. Колебания между этими крайностями кажутся мне неустранимыми”.

Конечно, нельзя согласиться с неизбежностью для естествоиспытателя выглядеть в глазах философа “беспринципным оппортунистом” и находиться в вечном, неустранимом колебании между философскими “крайностями”.

________________________________________

*) Курсивная разрядка — выделение Эйнштейна.

269

Если философия существует как наука, а не как предвзятая схема, то в ней непротиворечивым образом должны быть обобщены такие категории, как объективный внешний мир, ощущения как информации о внешнэм мире, понятия и теории как обобщение этих информации, представляющие собой образ объективной реальности. Мы твердо убеждены, что такая философия существует.




оставить комментарий
страница1/3
Дата16.10.2011
Размер0.77 Mb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

страницы:   1   2   3
Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх