Основы естествознания

Странность его  обусловлена принадлежностью к  микромиру. Но в микромире имеются  и другие объекты. Например, электрон. До гипотезы Планка электрон считался частицей. Но Де-Бройль предположил, что, как у волны микромира обнаружились корпускулярные свойства, так и у частицы микромира могут быть волновые свойства, и указал, как связаны между собой длина волны и количество движения частицы. И Дэвиссон и Джермер пронаблюдали дифракцию потока электронов на кристаллической решетке никеля, причем характеризующая дифракцию длина волны в точности соответствовала скоростям электронов. Работы Шредингера и Гейзенберга превратили обычную механику в волновую, основным понятием которой стала так называемая волновая функция, с помощью которой можно было предсказать вероятность обнаружения микрочастицы в том или ином месте пространства. Все смешалось. Избежав ультрафиолетовой катастрофы, физика вступила в новый этап, где результаты перестали быть наглядными, но тем не менее остались предсказуемыми. (Привлекая авиационную аналогию, можно сказать, что при подлете к грозовому фронту от визуального полета перешли к полету по приборам, с закрытыми шторками. И пока летим.). Практическая реализация концепции квантов происходит в любом из современных электронных приборов. 

Обсудим важные мировоззренческие следствия квантовой  теории. Как выполняется любое  наблюдение? Условно говоря, свет падает на тот объект, за которым мы следим, отражается от него и попадает к  нам в глаза. Любой макроскопический объект настолько превосходит микрообъект (в данном случае фотон), что говорить о воздействии этого падающего света на сам объект не приходится. Но если мы и следим за каким-нибудь электроном? Ведь фотон, который на него падает, перед тем как отразиться и попасть в глаз, вполне сравним по характеристикам с электроном и, налетев на него, изменит его движение весьма значительно. Что же мы узнаем об электроне из такого опыта? Видимо, только то, что электрон был в той точке, где произошла встреча с фотоном. Но что с ним станет потом, куда он полетит, сказать невозможно. Если же попытаться воздействовать на электрон как можно слабее, чтобы не изменить его поведение и получить возможность предсказать его дальнейшее движение, то есть взять низкоэнергичный фотон с большой длиной волны, то тогда место их встречи будет известно нам с малой точностью (определяемой в данном случае длиной волны). Таким образом, точного знания и положения, и параметров движения электрона одновременно получить не удается. Чем точнее мы узнаем одно, тем менее точно другое. Это утверждение составляет принцип неопределенности Гейзенберга, кладущий ограничение на наши возможности в познании микромира. 

Любопытно, что  по сравнению с термодинамикой роль теории вероятности в квантовой  теории стала более фундаментальной - фактически у математических понятий появился физический смысл. Если раньше теория вероятности использовалась в основном для статистического осреднения параметров систем, содержащих большое количество частиц, то теперь даже одна частица перемещалась в пространстве так или иначе лишь с определенной вероятностью, понятие траектории перестало иметь смысл. 

Следующей важной концепцией, приобретшей конкретные черты в связи с появлением квантовой теории, была концепция  атома. В начале века эту неделимую частицу представляли себе в виде капли положительно заряженной жидкости, в которой плавали отрицательно заряженные электроны. В целом атом был электрически нейтрален и весьма устойчив. Такая модель в общем неплохо описывала наблюдаемые свойства, за исключением спектров излучения или поглощения. Если газ атомов подвергнуть воздействию, например, пропустить электрический разряд через этот газ, то атомы испускают электромагнитное излучение. Такое излучение (световое) можно видеть в газоразрядных трубках. Оказалось, что испускаемый свет имеет не сплошной спектр, как, скажем, Солнце или лампа накаливания, а линейчатый, то есть в нем присутствуют лишь линии определенных длин волн (частот, цветов). Если взять водород, в атоме которого имеется только один электрон, то с помощью капельной модели можно предсказать появление линии излучения, но только одной. Электрон мог бы колебаться в окружающей положительной жидкости и в соответствии с теорией Максвелла испускать электромагнитную волну. Но лишь одной частоты. Бальмер же в эксперименте обнаружил целую серию линий различных частот. Мало того, и в инфракрасной, и в ультрафиолетовой областях также обнаружились серии линий излучения. Известный опыт Резерфорда, в котором положительно заряженные альфа-частицы пролетали сквозь вещество фольги, практически не отклоняясь (только малая часть их отражалась в обратную сторону), решительно противоречил капельной модели атома. Резерфорд предположил, что атом представляет собой динамическую систему наподобие солнечной: вместо Солнца в центре находится массивное положительно заряженное ядро (это от него отскакивают налетающие положительные частицы), а вокруг него по орбитам движутся отрицательно заряженные электроны. Таким образом, большая часть атома оказывается пустой - через нее-то и летят пролетающие частицы. Но классическая электродинамика не допускает устойчивого существования подобной системы. Движущийся ускоренно заряд, а вращающийся по орбите электрон именно таким и является, испускает энергию и должен очень быстро упасть на ядро, что соответствует "исчезновению" атома, похожего на солнечную систему. Но атом устойчив. Нильс Бор сформулировал новый постулат. Он провозгласил, что законы микромира и здесь отличаются от законов макромира, и электрон в атоме может двигаться по орбите и не излучать. Но не по всякой орбите, а только по такой, длина которой соответствует целому числу длин волн Де-Бройля, соответствующих движущемуся электрону. Ясно, что разным скоростям движения будут соответствовать разные радиусы орбит. Если же электрон каким-то образом (скажем, под воздействием внешнего поля) перескакивает с орбиты на орбиту, то его энергия (точнее, энергия атома в целом) меняется, а разность этих энергий излучается (или поглощается) в виде кванта с частотой, определяемой согласно Планку. Расчет привел к блестящему согласию с экспериментальными результатами Бальмера. Таким образом, был установлен еще один закон микромира, противоречащий здравому смыслу, но позволяющий точно предсказать поведение микросистем. 

Открытое в  конце прошлого века Беккерелем, а  затем исследованное Пьером и  Мари Кюри, Резерфордом, Чедвиком, Ферми  явление радиоактивности, указало  на сложный состав "атома", и  микромир обогатился новыми обитателями - протонами, нейтронами, нейтрино и  другими элементарными частицами. Все они подчинялись неочевидным законам квантовой механики. 
 

Наиболее важной отличительной чертой новой физики явилась именно ее концептуальная основа, основа на концепции, принципиально  неустранимый разрыв между входными условиями и наблюдаемыми результатами, требующий построения аксиоматической теории. Именно об этом шла речь во Введении, когда обсуждался "эксперимент на расстоянии". Одновременно возник важный вопрос, который ранее не обсуждался во всей полноте: что такое измерение? Что именно и как мы измеряем, когда измеряем что-то? 
 

Одновременно  с исследованием микромира велся  поиск эфира, в котором могли  бы распространяться электромагнитные волны. В конце прошлого века техника  эксперимента достигла такого уровня, что стало возможным обнаружить разницу в 30 км/сек на фоне 300000 км/сек. Это означало, что если Земля летит сквозь неподвижный эфир, в котором распространяются световые сигналы, то, излучая их вдоль направления движения Земли и поперек этого направления (с учетом сложения скоростей света и Земли по Галилею), мы можем обнаружить разницу во временах прохождения одинаковых путей. (Точно так же время движения катера туда и обратно вдоль течения реки больше времени движения того же катера туда и обратно на такое же расстояние поперек течения реки). Наличие разницы свидетельствовало бы о том, что эфир есть (Земля - берег, эфир - текущая река, свет - катер). В 1887 году Майкельсон и Морли поставили соответствующий опыт, но разницы времен обнаружено не было. Впоследствие подобные попытки с использованием все более совершенной аппаратуры повторялись, но с тем же результатом. Эфира нет? По крайней мере, он, по-видимому, не является носителем электромагнитных возмущений. В противном же случае остается лишь предположить, и это сделали Лоренц и Фицджеральд, что все тела, движущиеся сквозь эфир, сокращают свои размеры вдоль направления движения. В этом случае эфир становится принципиально ненаблюдаемым, и никакой абсолютной системы отсчета не оказывается . 

Сложившаяся ситуация позволяет (требует?) ужесточить принцип относительности Галилея и заявить, что никаким физическим экспериментом невозможно установить, которая из инерциальных систем отсчета движется, хотя пока что мы убедились в этом только для оптических экспериментов. Но, как и в случае с моделью атома Резерфорда, это приводит к логическому противоречию: из опыта Майкельсона-Морли следует, что выделенной системы отсчета нет, и, оставаясь в рамках классической физики и пользуясь обычной формулой Галилея для сложения скоростей, мы должны были бы честно сложить скорости света и Земли. Но тогда опыт Майкельсона-Морли должен был бы дать другой результат. Значит, как и в случае микромира, необходим новый постулат. 

Его сформулировал  А.Эйнштейн: скорость света, т.е. скорость перемещения возмущения электромагнитного поля, измеренная из любой инерциальной системы отсчета, имеет одно и то же значение независимо от относительного движения систем. Принять (и воспринять) его сложнее, чем постулат Бора, поскольку восприятие движения волн (хоть и не световых) входит в повседневный опыт человека, в отличие от восприятия поведения микрочастиц. Отчасти справиться с недоумением по поводу этого странного утверждения о независимости скорости света от системы ее отсчета можно, подумав о следующей аналогии: скорость звука не меняется в зависимости от того, измерим ли мы ее с разбега или стоя неподвижно. Частота звука - да, меняется, и все слышали, как меняется тон гудка локомотива, когда он проезжает мимо. Но скорость звука, испускаемого гудящим локомотивом, измерим ли мы ее, находясь в едущем вагоне или стоя на платформе, остается той же. Этот пример не эквивалентен ситуации со светом (уже потому, что звук распространяется в среде, которой для света не нашлось), но схож с ней. 

Теперь для  того, чтобы последовательно описывать наблюдаемые явления, приходится посягнуть на такие фундаментальные характеристики, как пространственные размеры и течение времени: следствием двух новых постулатов (уточненного принципа относительности и независимости скорости света от инерциального движения системы отсчета) является то, что размеры объектов и времена процессов зависят от того, по отношению к какой системе отсчета - движущейся или неподвижной относительно наблюдаемого объекта или явления - мы их измеряем. Это было осознано А.Эйнштейном в 1905 году и легло в основу так называемой специальной теории относительности. 

Обсудим понятие  одновременности и соотношение "раньше-позже" в рамках постулата о независимости  скорости света от движения системы  ее отсчета. Рассмотрим поезд, двигающийся с постоянной скоростью мимо платформы. Посредине поезда стоит проводник, в голове и хвосте поезда на одинаковом расстоянии от середины находятся два фонаря. На платформе стоит проверяющий. Пусть в тот момент, когда едущий проводник находится точно против неподвижного проверяющего, оба они видят, что фонари одновременно вспыхнули. Скорость света хоть и велика, но конечна. Вопрос: что скажут проводник и проверяющий, заранее предупрежденные о независимости скорости света, о последовательности вспышек фонарей? Проводник, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что свету предстояло пройти одинаковые расстояния от неподвижных в его системе отсчета фонарей до него, скажет, что фонари поезда вспыхнули одновременно. Проверяющий, наблюдая вспышки одновременно и учитывая, что фонари движутся относительно него, а скорость света конечна, скажет, что, раз свет дошел до него одновременно, а испущен-то он был несколько раньше, когда задний фонарь был от проверяющего дальше, свету от заднего фонаря предстояло пройти большее расстояние. И, чтобы сигналы добрались до проверяющего одновременно, задний фонарь поезда вспыхнул раньше. Пусть теперь над поездом вдоль рельсов, опережая поезд, летит самолет, и летчик оказывается над проверяющим в тот момент, когда мимо того проезжает проводник. Летчик тоже видит одновременные вспышки, но, рассуждая таким же образом, как проверяющий, он скажет, что передний фонарь поезда вспыхнул раньше. Трое наблюдателей, находясь в одной точке в один и тот же момент времени увидели одно и то же, но дали различное заключение о происшедшем. В наблюдение, а, значит, и в измерение неизбежно входит трактовка, интерпретация, выполняемая с учетом каких-то дополнительных обстоятельств (в данном случае конечности скорости света и постулата о независимости его скорости). Опять-таки стоит вспомнить Введение, а также аргументацию Фейерабенда о языке наблюдений, упомянутую в главе 1. 

Есть, однако, еще  один важный момент. Все эти новые  труднопредставимые обстоятельства необходимо согласовать с принципом причинности. Следствие никак не может быть раньше причины. Поэтому, если вспышки самих фонарей связаны причинно-следственной связью (как выстрел и попадание пули в мишень), то приведенные рассуждения о "раньше-позже" необходимо соответствующим образом уточнить, чтобы не прийти к абсурду. Оказывается, что принцип причинности не будет нарушен, если скорость целенаправленной передачи информации от причины к следствию (скорость "полета пули") не превосходит скорости света. Тогда в любых системах отсчета причина будет предшествовать следствию. Таким образом, оказывается, что в окружающем нас постижимом мире существует предельная скорость - скорость света, и никакой материальный носитель информации не может перемещаться быстрее. 

Проводя дотошные рассуждения подобного рода, можно убедиться в том, что понятие одновременности будет играть важную роль и при измерении длин отрезков в различных системах отсчета. Как измерить длину отрезка в движущейся системе? Ведь линейку надо приложить к обоим его концам одновременно! В нашем примере получится, что длина вагона, которую измерит едущий в нем проводник, будет отличаться от длины этого же вагона, которую измерит с платформы проверяющий, и от длины этого вагона, которую измерит летчик самолета, причем два последних результата будут зависеть от скоростей систем отсчета относительно вагона. То есть никакой абсолютной длины предмет не имеет. Именно потому, что необходимо договориться о том, как мы будем экспериментально проверять высказанные по этому поводу мнения. Между прочим, получится, что при измерении длины предмета (вагона), движущегося мимо нас, мы получим меньшую величину, чем при измерении того же предмета, когда мы неподвижны относительно него (находимся в вагоне). Это напоминает Лоренцево сокращение, но не является им, поскольку у Лоренца речь шла о физическом изменении длин движущихся предметов, здесь же мы говорим лишь о нашей способности договориться при экспериментальной проверке. 

Нечто подобное происходит и при измерении промежутков  времени в той или иной системе. Таким образом, такие фундаментальные в классической физике понятия, как пространство и время, выступают как предметы договоренности, как только мы собираемся экспериментально определять их количественные меры. 

Дальнейшее развитие этих идей привело А.Эйнштейна к созданию общей теории относительности, также называемой теорией гравитации или геометродинамикой, согласно которой гравитационное "притяжение" тел является лишь наблюдаемым эффектом, в основе которого лежит геометрия нашего пространства, точнее единого пространства-времени. Находящиеся в нем массы искривляют его подобно тому, как прогибается двумерная упругая мембрана, если положить на нее тяжелый шарик: вталкивая в получившийся "раструб воронки" еще один шарик, мы увидим, как он скатится к первому или будет кружить вокруг него ("под действием сил гравитационного притяжения", - полагал Ньютон). Нечто подобное, согласно общей теории относительности, происходит и в случае трехмерного пространства. Предсказания этой странной теории подтвердились при измерении скорости поворота большой полуоси эллиптической орбиты Меркурия при его движении вокруг Солнца. Кроме того, из этой теории следует, что лучи света должны были бы отклоняться при прохождении мимо массивного тела вроде звезды. При соответствующих измерениях во время Солнечного затмения это было зарегистрировано. В настоящее время релятивистские эффекты непосредственно учитываются при конструировании спутниковых систем GPS (Global Positioning System), обеспечивающих навигацию на поверхности Земного шара с высокой точностью. Существование (гипотетических) загадочных черных дыр, обсуждавшихся в главе 2, также следует из этой теории.