В истории науки после длительных периодов накопления опыта, удачно объединяемого физической теорией, всегда появлялись факты, ей противоречащие, свидетельствующие о новых неучтенных сторонах беспредельно многообразного реального мира. Обострение противоречий завершалось в таких случаях синтезом, охватывающим более широкий круг явлений и вносящим новые черты в наше миропонимание.
В далекой перспективе нам трудно оценить глубину переворотов, произведенных в прошлом, например, открытиями Коперника или Галилея — Ньютона.
Мы не видим ничего удивительного в том, что на противоположной стороне земного шара антиподы ходят так, что в нашей координатной системе их головы ниже ног. Нас не поражает идея о вращении земли, как причина видимого движения солнца по небесному своду. Мы давно привыкли считать, что Земля вращается вокруг Солнца, а не наоборот.
Но все же можно понять революционность этих идей для своего времени; мы знаем, какая ожесточенная борьба потребовалась для их победы над авторитетом церкви.
Новые черты внес в наши представления о явлениях природы более близкий к нам XIX век: 20-е годы ознаменовались открытиями, связавшими электрические и магнитные явления. Эти новые факты были позже обобщены Фарадеем и Максвеллом в законченную теорию, которая охватила и световые явления.
В середиие столетия установлены были закон сохранения энергии и второе начало термодинамики, оказавшие решающее влияние на все области естествознания и техники.
Электромагнитные волны Герца, радиотелеграф Попова и световое даиление Лебедева завершили круг идей и фактов, типичных для всей физики XIX века.
Это — идеи непрерывности материального мира, сил блиэкодействия, строгих законов природы, ие знающих пределов своей справедливости.
Наряду с этим основным течением научной мысли уже существовало иное направление, из которого выросла современная атомная физика. Это — кинетическая теория газов, впервые сформулированная Ломоносовым и Бернулли; это — идеи статистической физики Больцмана, периодическая система Менделеева, структурная теория Бутлерова.
Если в XIX веке атомные области знания мирно сосуществовали с непрерывным эфиром и теорией упругости, то дальнейшее развитие атомной физики вскрыло такие глубокие противоречия, которые нельзя было совместить ни с эфиром, ни со всей классической физикой.
Никогда еще, пожалуй, не происходило такой радикальной перестройки самых основ физики, как в наше время.
40 лет тому назад В. И. Ленин дал глубокий философский анализ назревшего кризиса физики и указал путь к выходу из него — путь диалектического материализма.
С поразительной полнотой и точностью оправдались слова Владимира Ильича. История физик и последних десятилетий — блестящая демонстрация правильности и жизненности материалистической диалектики.
Успехи в познании природы приводят к выводам, которые прекрасно иллюстрируют марксистскую теорию познания. Всякий отход от положений- диалектического материализма заводил в болото заблуждений. Примером может служить временный отказ некоторых ведущих физиков от закона сохранения энергии. Факты, и в том числе опыты братьев Алихановых, заставили отказаться от этой ошибки.
Такова сила фактов, которые часто протин воли исследователей толкают их на правильный путь.
Разумеется, отсутствие правильной методологии тормозило разнитие иауки, но оказалось не в силах сбить ее с единственно научного пути познания истины, основные черты которого сформулированы были Мар ксом и Энгельсом и творчески развиты Лениным и Сталиным.
В XX веке физика направила свое внимание на изучение скрытого от непосредственного наблюдения внутреннего механизма физических процессов. Убедительно доказано было существование атомов и установлены их строение и свойства.
Этот путь не был простым переходом к более мелким объектам исследования. В атомных явлениях физика встретила качественно отличные законы микромира, выходящие за пределы применимости твердо установленных в XIX веке положений механики и электромагнетизма, оптики и теплоты.
Новые теории должны были объединить противоположные по прежним воззрениям свойства света, движения электронон или атомов. Новая физика включает законы классической физики, как частные положения, область справедливости которых ограничена определенными рамками.
Возникший в результате такого обобщения круг идей таков, что для него не нашлось наглядных образов. На данном этапе конкретные задачи физики решаются путем сложных математических операций, доступных ограниченному кругу специалистов.
А между тем, вопросы, которые здесь рассматриваются, имеют самое существенное значение для всей системы наших знаний и для многих важнейших областей техники. Передовая наука и техника не могут игнорировать тех сдвигов, которые вызваны прогрессом физики.
Круг лиц, которые должны ясно понимать основные идеи и факты новой физики, гораздо шире небольшой группы специалистов, владеющих математической формой, в которую облечены эти идеи.
Потребность овладения основами современной физики существует в самых широких слоях советской интеллигенции Долг советских физиков удовлетворить эту потребность, создав доступную широкому читателю литературу, знакомящую с различными сторонами вопроса.
Одну из таких книг я и предлагаю читателю. Я думаю, что наиболее существенное в новой физике можно разъяснить, не прибегая к математическому формализму квантовой механики.
Факты, лежащие в ее основе, столь же доступны пониманию, как и опыты, которыми обосновывалась классическая физика. Явления фотоэффекта и днффракции электронов в кристалле нисколько не сложнее, чем спектр диффракционной решетки.
Если начать изложение с описания новых фактов, установленных атомной и ядерной физикой, читатель увидит логическую неизбежность сделанных квантовой механикой выводов и легко их поймет.
Труднее, пожалуй, правильно оценить связь диалектически противоположных сторон изучаемых явлений. Но именно советский читатель, воспитанный на идеях диалектического материализма, усвоит их легче, чем кто-либо.
Имеются уже десятки книг, особенно за рубежом, которые ставят задачу популяризации идей современной физики; часто они ведут попутно в той или иной степени пропаганду идеалистической философии.
Задача, которую я хотел бы разрешить в настоящей книге, сводится к изложению важнейших идей современной физики, как неизбежного вывода из опытных фактов, обнаруженных при изучении атомного мира. Я хочу показать, с какой полнотой оправдываются при этом положения философии диалектического материализма. Излагая с точки зрения этой философии исторический путь развития идей, переходя от отдельных фактов к их обобщению, выявляя скрытые противоречия, — я надеюсь облегчить усвоение окончательных выводов, к которым пришла теория.
Гораздо труднее был бы обратный путь — от формулировки готовой теории к ее иллюстрации опытом.
Исходя иэ поставленной цели, я ограничил содержание книги как в отношении выбора материала, так и его полноты.
Предлагаемая книга не учебник физики. Поэтому я ограничился описанием только сравнительно небольшого числа фактов, наиболее непосредственно ведущих к рассматриваемым представлениям, наиболее остро иллюстрирующих трудности и противоречия старых теорий. Надеюсь, что читатель, ие ограничиваясь прочитанным, обратится к более полным литературным источникам.
Иэ всего богатства физического знания я выбрал лишь несколько проблем, наиболее характерных для новой физики: теорию относительности, новую статистику, атомную и ядерную физику.
Я оставил в стороне интереснейшие проблемы молекулярной физики (которой я в прошлом посвятил уже две книги); слегка лишь затронуты электрические свойства тел, которые я собираюсь рассмотреть в особой монографии.
Надеюсь, что более подготовленные к этому товарищи возьмут на себя задачу популярного изложения вопросов оптики и акустики, учения о колебаниях и радиоволнах, а также проблем, возникающих на грани физики с химией и биологией.
Я надеюсь, что из моего изложения читатель вынесет ясную картину прогресса физики, все совершеннее отображающей свойства реального внешнего мира, но в то же время увидит, как относительно по сравнению с неисчерпаемым богатством природы наше представление о ней, в том числе и та система знаний, которая составляет гордость нашего времени.
Строгий критический анализ отмел много отживших представлений. Но эта задача далека еще от завершения. Пример — концепция элементарных частиц вещества как последних, простейших элементов мироздания. Такое представление удерживалось в физике до последнего времени, хотя еще 40 лет тому назад В. И. Ленин, исходя из положения диалектического материализма о неисчерпаемости реального мира, предупреждал против такого заблуждения по отношению к единственной тогда "элементарной частице" — электрону.
С тех пор последовательно прибавлялись все новые элементарные частицы — протон, нейтрон, позитрон, нейтрино, два мезона; потом чнсло мезонов стало расти, пока братья Алихановы не сталн их считать десятками. Тогда только физики убедились, что дело неладно. Видимо, этот набор частиц — не последние элементы реального мира; видимо, они не более элементарны, чем 92 элемента периодической системы Менделеева, хотя, может быть, их ,сложность" получит другое содержание.
Только строго последовательная марксистская мысль и руководимое ею научное исследование могут вывести физику из тех трудностей, с которыми она встретилась. В практическом разрешении этой задачи методология диалектического материализма, которой проникнуты советские ученые, дает им большие преимущества перед зарубежными физиками.
Часть I
ТЕОРИЯ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ И ОСНОВНЫЕ ЗАКОНЫ ФИЗИКИ
§ 1. Относительность движения
Равномерное поступательное движение системы не оказывает никакого влияния на протекающие в этой системе механические явления. Так, например, на борту больших океанских пороходов игры в теннис или биллиард, требующие особой точности, происходят при спокойной погоде совершенно так же, как и на суше. О движении парохода по реке мы можем судить только по его перемещению относительно берегов.
Еще во времена Ньютона было известно, что механические явления при равномерном движении позволяют заметить только относительное движение одного тела по отношению к другому, но не дают никаких указаний относительно абсолютного движения тела в пространстве. Не существует такой идеальной неподвижной системы координат, по отношению к которой можно было бы определить "истинное", или "абсолютное", движение.
Однако считали, что с помощью оптических и электрических явлений можно заметить не только движение одного тела по отношению к другому, но и абсолютное движение в пространстве.
Механика развилась еще в XVII веке раньше всех других областей знания в законченную систему, основанную на законах Галилея и Ньютона. Кроме того, явления механики обладают особенной наглядностью, они доступны непосредственному наблюдению.
Поэтому механика сделалась прообразом для объяснения всех других явлений природы. Успешным полем для применения законов механики оказались свойства
газов. Ломоносов и Бернулли показали в XVIII веке, что давление газа на стенки сосуда определяется количеством движения, передаваемого газовыми молекулами 1 см2 стенки, в XIX веке Клаузисом было доказано, что температура газа дается средней кинетической энергией молекул. Механическая модель газа была в это время и на протяжении всего XIX века прогрессивной идеей, успешно двигавшей изучение разнообразных явлений — внутреннего трения, теплопроводности, диффузии.
Ценность кинетической теории снова обнаружилась при изучении своеобразных явлений в крайне разреженных газах, получивших важное значение в вакуумной технике XX столетия. Как мы увидим, однако, в конце части III, механические аналогии оказались недостаточными для понимания более глубоких свойств газов, обнаружившихся как при весьма низких, так и весьма высоких температурах, и для правильной оценки сил взаимодействия между молекулами.
Чисто механический перенос на атомы и электроны законов механики, полученных как обобщение опыта на больших объектах лаборатории или из астрономических наблюдений, оказался несовместимым с новыми волновыми свойствами движения, которые выявились при непосредственном изучении атомных процессов. Законы классической механики пришлось обобщить и заменить законами квантовой или волновой механики.
При переходе ко все большим скоростям, в особенности при исследовании законов движения электронов, скорости которых приближаются к скорости света, вновь обнаружилась недостаточность классической механики.
Масса, которая раньше считалась неизменной, растет с ростом скорости тела; ее величина определяется запасом энергии в теле. Размеры предметов, промежутки времени зависят от движения тела по отношению к наблюдателю. Тяготение изменяет геометрические сной-ства окружающей среды. Все эти факты неизвестны были в классической механике, справедливость которой, как оказалось, ограничивается пределами того опыта, на котором она основывалась, — большими размерами
тел и малыми скоростями их движения. За этими пределами приходится пользоваться квантовой механикой и теорией относительности, которые охватывают весь опыт, накопленный физикой до возникновевия за последние годы еще более глубоких проблем атомного ядра.
Такую же эволюцию от орудия прогрессивной мысли, вскрывающего новые свойства окружающего нас реального мира, к реакционной роли метафизической концепции, стремящейся приписать природе привычные нам представления, проделали механические модели в оптике и в учении об электричестве и магнетизме.
Волновая теория света Гюйгенса, построенная на аналогии со звуком, успешно объясвила законы распространения, отражения н преломления света. Открытие поляризации света заставило перейти от модели продольных волн в газе или жидкости к волнам деформации сдвига, присущим твердым телам. Интерференция и диффракция, дисперсия коэффициента преломления находили свое объяснение в механической модели эфира.
Правда, этому гипотетическому эфнру приходилось приписывать все более странные свойства. Он должен был сочетать крайнюю жесткость упругого твердого тела с крайней подвижностью, позволяющей звездам и планетам двигаться сквозь вфир без всякого сопротивления. Приходилось заполнять световым эфнром все бесконечное мировое пространство. Однако эти странности нельзя было рассматривать как основания для отказа от гипотезы эфира- Интересно отметить, что как раз то свойство эфира, которое больше всего смущало физиков XIX века, — его сверхподвижность при большой твердости — не стало бы нас удивлять теперь, после открытия П. Л. Капицей сверхтекучести жидкого гелия II.
Далеко идущее сходстно между законами электромагнетизма и законами механики долгое время помогало строить учение об электричестве по аналогии с механикой. Эта аналогия обратила внимание на значение среды в передаче влектрических взаимодействий, выдвинула идею близко действия — постепенной передачи действия от одного участка к ближайшему и связи процессов в данный момент времени с процессами в непосредственно предшествовавший ему момент времени в соседнем участке пространства. На этих представлениях Максвелл построил свою систему дифференциальных уравнений, охвативших всю совокупность известных тогда электромагнитных явлений, объединивших теорию этих явлений с теорией света и позволивших предсказать радиоволны.
По мере того, как возрастал объем фактического материала, который должна была объяснить гипотеза эфира, усложнялись и приписываемые ему свойства, росла их неопределенность и возникали все новые противоречия. Чем отличается эфир в плотном теле от эфира в пустоте? Одна школа считала, что плотность эфира везде одинакова, но упругость его раэличва; другая — что вфир, не различаясь по упругости, отличается своей плотностью. Электромагнитная теория света объединила оба утверждения: для электрических сил световой волны справедливо одно, для магнитных — другое.
Эфир Максвелла — это уже не подобие сплошной твердой среды, а скорее набор пружин и вращающихся колес, воспроизводящих сложный механизм. Этипредставления получили наиболее последовательную и законченную форму в двухтомном труде Больцмана, изложившего теорию Максвелла, исходя из Лагранжевых уравнений механики.
Однако тщательный анализ основ теории Максвелла и законов механики показал, что наряду с элементами аналогии между ними существует и непримиримое противоречие, что электродинамику нельзя свести к механике.
Все более привлекательной становилась обратная задача — сведения механики к электродинамике. Выяснилось, что все тела состоят из электрических зарядов, что основные понятия механики и, в частности, понятые о массе, являются частными случаями понятий электромагнетизма. Вместо того, чтобы строить механические модели для объяснения электрических явлений, стали, наоборот, рассматривать законы движения тел с точки зрения составляющих эти тела зарядов.
Постоянство массы исчезло, зато еще более утвердился закон сохравения количества электричества.
Всегда неизменным оказался элементарный электрический заряд электрона, а зависящая от скорости движевия масса его оказалась одним иэ проявлений электромагнитных свойств движущегося заряда.
На этом этапе в центре внимания физиков оказалась проблема движущегося заряда. Как реагирует эфир на движение в нем заряда? Захватывается ли эфир движущимся телом или же он остается неподвижвым, а заряд свободно проходит сквозь него?
На втот вопрос, казалось, дали однозначный ответ опыты Фиэо, явление аберрации света и ряд других. Ф изо сравнил скорость распространения света в потоке воды, движущемся с большой скоростью навстречу прибору в одной трубе и по направлению от прибора в другой. Анализ результатов опыта показал, что эфир не принимает участия в движении воды; вода течет сквозь неподвижный эфир. Таковы же были результаты и других опытов; вфир ие захватывается движущимися сквозь него телами: световой эфир неподвижен.
На этой основе была построена электронная теория Лорентца. Согласно этой теории, эфир неподвижен в пространстве, и всякое движение заряда в эфире вызывает магнитное поле; движение заряда в среде, где имеется магнитное поле, вызывает силы, отклоняющие пути зарядов. В начале XX в. электронная теория считалась наиболее полным выражением наших знаний об электромагвитных явлениях. А в дальнейшем, по мере того, как механизм всех других известных процессов в природе — механических, тепловых, оптических, молекулярных — стал сводиться к электрическим взаимодействиям, влектронная теория становилась основной физической теорией.
Раз световой эфир неподвижен, то всякое движение, в том числе и равномерное поступательное движение, должно вызвать электрические или оптические явления, с помощью которых это движение может быть установлено. Среди многочисленных попыток обнаружить абсолютное движение тела в пространстве, которое рассматривалось как движение в эфире, особое значение получили опыты, произведенные Майкельсоном впервые еще в 1881 г. и повторенные позже с более совершенными экспериментальными средствами. Для убедительности опыта желательно было выбрать движение с ноэможно большой скоростью. Наибольшая скорость артиллерийских снарядов порядка 1 км/сек. Гораздо больше скорость земли на ее орбите при вращении вокруг солица — здесь скорость достигает 30 км/сек.
KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ
|
