"Реникса" - читать интересную книгу автора (Китайгородский Александр Исаакович)

Что день грядущий…

«Беспредельные возможности науки» – эти крылатые словечки беззаботно порхают по страницам романов и газетных статей.

Да, в некотором смысле наука беспредельна. Здание науки находится в состоянии непрерывного строительства. Входят в строй и подводятся под общую крышу отдельные секции. Но никто не возьмется назвать срок окончания всего строительства. Вот в таком смысле наука действительно беспредельна.

Но это совсем не означает, что наука способна переварить любую комбинацию фактов. И из сказанного ни в малейшей степени не следует, что научное здание находится в состоянии перестройки и что инженеры, строящие это здание, по первому возгласу любого дилетанта готовы сломать любой из возведенных корпусов и на его месте воздвигать новый. А именно так, к сожалению, думают многие. И таких людей нисколько не смущает утверждение любой рениксы.

– Подумаешь! – рассуждают они. – Пройдут десятилетия, и наука доберется до понимания сегодняшних тайн.

Или:

– Противоречия с современным уровнем знания?! Что за печаль! На то вы и ученые с широким кругозором. Ломайте ваше здание, чего его жалеть, стройте новое.

Разумеется, им не жалко, не они строили.

А вот ученым действительно жалко. И не только на перестройку, даже на замену одного треснувшего кирпича исследователи идут с превеликой осторожностью. И пойдут лишь тогда, когда будет достаточно неоспоримых фактов, свидетельствующих о необходимости такой замены.

Что же касается полной перестройки, то пока в ней нужды нет. И нет опасности, что за сколько-нибудь фундаментальную реконструкцию придется взяться когда бы то ни было впредь!

– Как так! – воскликнет иной читатель научно-популярной литературы. – Что это за консерватизм! Как это не придется перестраивать, когда наука только и делает, что перестраивается! Вы что? Забыли про теорию относительности, про квантовую механику?

Нет, не забыл. А, напротив, остановлюсь сейчас на этих вещах подробней. Моей целью будет показать, что наука развивается поступательно, что предыдущие ее завоевания не отменяются последующими, что новые приобретения науки относятся к новым условиям, с которыми не сталкивалась «старая» наука.

Лучше всего познакомимся с этой важной особенностью науки на примере механики.

Совсем-совсем давно великий Исаак Ньютон сформулировал свои законы механики. Записанные по-латыни крупным шрифтом, они украшали сумрачную физическую большую аудиторию старого Московского университета на Моховой улице, где я учился. Они напоминали о вечности и незыблемости науки, о великих ее свершениях, о ее могуществе – способности предвидеть события, предвычислять траектории комет. Они были флагом, знаменем, символом того отряда человечества, к которому мне хотелось принадлежать.

Сотни, тысячи задач решались с помощью этих законов. Достаточно задать систему тел, силы, которые действуют на эти тела, их направление и изменение во время движения, и вы будете знать про движение этих тел всё. Вот, скажем, данное тело: направится ли оно вправо или влево, ускорится или замедлится, в какой момент доберется вот до этого места и в каком направлении продолжит отсюда свое путешествие.

Правда, десятки страниц, исписанных формулами, должны лечь на стол одна за другой, но ответ будет найден – ответ на все вопросы, которые вам только захочется поставить. Не верите? Пожалуйста, проверяйте. Расхождения с опытом не будет. А будет предсказано движение во всех деталях.

Первое предсказание такого рода и его триумф хорошо известны. (Я сейчас представляю себе, как поморщится мой редактор. «Бог мой! – воскликнет он. – Опять пример с Леверье, описанный во всех книгах и даже в другой книге того же автора».)

Хорошо, деталей не будет. Но всё же, дорогой читатель, знайте и помните. С помощью законов механики Ньютона было рассчитано, в какое время и в каком месте должна находиться неизвестная до тех пор планета, и потом (чувствуете – потом!), планета была обнаружена именно там и именно тогда, где и когда это предписали законы Ньютона.

Бесчисленным является количество задач, решенных при помощи законов Ньютона.

Бесчисленным является число механизмов и машин, которые построены и успешно действуют на основе этих законов.

Да, ускорение тела строго пропорционально действующей на него сумме сил. Да, силы в природе встречаются только равными и противоположно направленными парами. Да, тело, предоставленное самому себе, будет двигаться прямолинейно и равномерно, и только вмешательство сил может вывести его из этого состояния.

Нет числа примерам из других областей наук, которые строго логическим рассуждением выводятся из этих законов.

Механика Ньютона – величайшее завоевание человеческой мысли – вечна и непоколебима.

Почему не может быть такого положения дела, чтобы механика Ньютона оказалась неверной? Я ответил на это несколькими страницами раньше. Потому что она есть не что иное, как обобщение человеческого опыта. – А как же?..

Да, да! Всё знаю, одну минутку.

Общий закон природы, которым пользуются естествоиспытатели, сервируется всегда под некоторым соусом. Сущность закона останется неизменной, но его обрамление, толкование, подача читателю меняются с каждым десятилетием. И ньютоновская механика, которую преподают сегодня в вузе, мало похожа на механику, созданную самим Ньютоном.

В чем же неизменная сущность закона?

Она состоит в тех правилах, которые являются руководством для решения задач. Она состоит в описании и предсказании явлений, которые должны произойти в таких-то и таких-то условиях. Она состоит в указании процедур измерений некоторых величин и в описании тех графиков, которые получатся, если некий игрек откладывать в функции икса.

А обрамление?

Оно содержит ряд определений, с помощью которых сокращается разговор и предмет делается более наглядным. Скажем, траектория – это кривая, по которой движется тело. Кроме определений, имеются некоторые утверждения о свойствах пространства и времени, далеко не всегда имеющих прямое отношение к делу, и из которых не всегда понятно, что хотел сказать автор теории или ее комментатор.

Так что в обрамление входят всяческие слова и фразы, не имеющие отражения в опытных процедурах.

Отделение сущности от фестончиков далеко не всегда является простой задачей.

После смерти Ньютона прошло много времени. Родилась электродинамика. Было доказано, что световые волны являются электромагнитным излучением. Измерение скорости света стало интересной задачей, служащей для проверки электромагнитной теории света. Майкельсон ставит свои знаменитые опыты по измерению скорости света и обнаруживает неприятную деталь, нарушающую безупречность теории: скорость света в направлении движения Земли и в направлении, перпендикулярном движению Земли, оказывается одинаковой.

Это не укладывалось в существующие представления. Большинство ученых думало, что пространство абсолютно (ведь так сказано у Ньютона), а земной шар движется по отношению к эфиру. Если так, то Земля как бы догоняет луч света, посланный по движению, и убегает от луча, посланного «назад». Ясно, что такой эффект должен сказаться на скорости светового луча. А он не сказывается. Неприятность? Темное пятнышко? Или, как было сказано одним крупнейшим физиком того времени, облачко, омрачающее синее небо науки конца XIX века?

Да! Это нетерпимо, как зубная боль. И много лучших умов искало выхода из противоречия. Решение пришло в 1905 году. Так родилась теория относительности Альберта Эйнштейна – гения, равного Ньютону.

Вот здесь-то и понадобилось очистить орех от скорлупы. Признание абсолютности пространства и времени – это обрамление закона Ньютона. А сущность закона совсем не здесь, а в соотношениях между силой и ускорением, в утверждении независимости массы тела от скорости движения. Эти положения не могут быть опровергнуты; они есть обобщение человеческого опыта.

Но опыт касался тел, движущихся со скоростями, несравненно меньшими, чем скорость света. Значит, теперь мы вправе вносить в законы Ньютона любые поправки, но с одним непременным условием: при малых значениях отношения v/c – скорости тела к скорости света – новая теория должна оставить законы Ньютона в целости и сохранности. Иными словами, новая теория должна быть неким обобщением, из которого прежняя теория (незыблемое завоевание науки!) должна вытекать как частный случай.

Откинув утверждение Ньютона об абсолютности времени, объявив независимость скорости света от системы координат, в которой ведется наблюдение, законом природы, Эйнштейн формулирует теорию относительности, которая решает сразу много задач.

Во-первых, она разрубает гордиев узел противоречий, связанных с опытом Майкельсона. Во-вторых, она дает естественное объяснение возрастанию массы электрона со скоростью его движения.

Но отказ от привычного обрамления механики сопряжен с большой ломкой, и поэтому, чтобы теория завоевала признание, нужно сделать предсказания таких явлений, которые еще не наблюдались. Теория относительности выдержала такое испытание.

Из постулатов новой теории строго вытекает знаменитое уравнение взаимосвязи массы и энергии. Сущность его следующая. Если в результате какого-либо процесса система выделяет энергию, то масса системы должна уменьшиться на легко рассчитываемую величину. К сожалению, этот эффект слишком мал для химической реакции, но очень значителен при реакции атомных ядер. А такие реакции удалось осуществить в наши дни.

Окончательный триумф теории можно формально отнести к этому моменту. Но на самом деле физики «признали» ее задолго до непосредственной проверки с помощью уравнения, связывающего массу с энергией. Были проверены, в частности, некоторые астрономические следствия теории. Эти проверки плюс исключительная стройность и изящность теории и, наконец, прозрение того, что лишь ограниченность мышления и метафизические предрассудки заставляют ученых цепляться за фальшивую скорлупу, облекавшую известные до 1905 года общие законы природы, обеспечили теории относительности стопроцентное признание здравомыслящих физиков.

Таким образом, произошла настоящая революция в мировоззрении исследователей. Но смены одного закона природы другим не произошло, как это часто принято думать.

Еще раз и еще раз стоит повторить: новый закон природы не может отменить старого. Новый закон является (если он, конечно, истинно новый) обобщением, он не зачеркивает, а лишь обводит четкой линией область применимости старого закона. Открытие нового закона означает, что наука овладела такой областью, которая была ей ранее недоступна.

Новый закон – это расширение старого, но не разрушение его. Ошибочные представления связаны, вероятно, с бурными дискуссиями, не имевшими прямого отношения к науке. В этих спорах происходило назойливое противопоставление механики И. Ньютона и механики А. Эйнштейна. Это было искажением, дезориентировавшим лиц, далеких от естествознания. Спорил не А. Эйнштейн с И. Ньютоном. Спорили между собой метафизики, обсуждавшие с темпераментом, заслуживавшим лучшего применения, к каким совпадениям или противоречиям с высказываниями тех или иных философов можно прийти, если считать, что время абсолютно или время относительно.

Тонны бумаги были истрачены на то, чтобы исследовать право энергии быть связанной с массой. При этом на щитах борющихся были начертаны имена И. Ньютона и А. Эйнштейна! А корень недоразумения крылся в смешении воедино совсем разных вещей: соотношения общих законов природы, установленных Ньютоном и Эйнштейном, и сопоставления некоторых определений и модельных представлений, существовавших до 1905 года и получивших становление после этого срока.

Может быть, еще более поучительно такое же смешение в одну кучу разных вещей, происшедшее при открытии квантовой механики. Здесь события развивались следующим образом.

Когда в 1913 году Н. Бор сформулировал законы движения электрона около атомного ядра, стало очевидным, что если желаешь разобраться в атомных спектрах, то придется отказаться от мысли, что движение электрона в атоме подчиняется механике И. Ньютона. Убежденность в том, что микрочастицы ведут себя как-то по-особенному, продолжала крепнуть. События закончились созданием в середине двадцатых годов новой механики для микрочастиц, получившей название квантовой, или волновой.

Да, такая механика была действительно необходимой. Без нее можно было бы стать в тупик, так как множество обнаруженных к тому времени новых явлений не объяснялось классической механикой. Чего только стоит дифракция электронов! Электроны (их представляли частицами, тельцами), падая на кристалл, ведут себя так же, как рентгеновы лучи (а это волны). И законы И. Ньютона в этом явлении бессильны что-либо предсказывать. Что делать? Появилась мысль – отказаться от привычных представлений об электроне как частице.

Уже первые работы на этом пути Луи де Бройля, Э. Шредингера и В. Гейзенберга вызывали чувство уверенности у грамотного читателя, что найдено нужное направление для объяснения каверзных явлений. Было сразу же установлено, что новые теории выдерживают первое испытание: они не опровергают механику И. Ньютона, а впитывают ее как частный случай.

Микрочастицы в фантастическое число раз легче самой крошечной пылинки. От новой теории надо потребовать, чтобы она переходила в законы И. Ньютона при некотором определенно большом размере частиц. Такое условие в совершенно явной форме было сформулировано В. Гейзенбергом. И оказалось, новая механика нужна лишь в том случае, если требуется рассчитывать движение электронов, атомов, иногда небольших молекул.

Мы еще поговорим о формуле В. Гейзенберга в своем месте, а именно тогда, когда пойдет речь о строгом смысле, который физики вкладывают в определение понятия траектории. Сейчас же весь этот разговор нам понадобился лишь опять для той же цели – подчеркнуть, что новая механика ни в малейшей степени не отменила старой. Открытие законов движения микрочастиц только еще более четко выделило ту область применения (поистине грандиозную), где законы механики И. Ньютона играют и будут вечно играть свою роль господина и пророка.

Соусы, под которыми может быть подана на стол читателю квантовая механика, могут отличаться весьма сильно. И споры между интерпретаторами квантовой механики, сторонниками классической точки зрения, лицами, разделяющими сомнения Эйнштейна, и т. д. и т. п. продолжаются по сей день.

Но, как говорится, «а Васька слушает да ест». Физики либо пропускают мимо ушей эти споры, либо с интересом к ним прислушиваются; однако сами продолжают применять квантовую механику для расчетов и интерпретации явлений. И при этом с огромным успехом. Ведь квантовая механика однозначно связывает условия постановки опыта с его результатами. А больше ничего и не требуется от общего закона природы для его использования.

Таким образом, революции в мировоззрении естествоиспытателей не затрагивают спокойной глубокой воды – общего закона природы, который должен быть сформулирован таким обоазом, чтобы не зависеть от метафизических наслоений. Эта сущность общего закона природы не подлежит изменениям и является завоеванием науки на вечные времена.

Почему? Потому что общий закон природы есть не что иное, как обобщение человеческой практики.

Итак, общие законы природы не отменяются последующим развитием науки. А нельзя ли, отталкиваясь от этого утверждения, поразмышлять над тем, что может и что не может быть открыто грядущими веками? Дело это, конечно, сложное. Но рискнуть тем не менее стоит.

Столбовая дорога науки – это изучение природы в новых условиях: либо таких, которые редко возникают, и потому исследователи не смогли еще изучить то или иное явление в этих необычных условиях; либо таких, которые искусственно создаются с помощью современной мощной техники. Как будет вести себя вещество при давлениях в миллионы тонн? Как будут протекать химические реакции при температурах, близких к абсолютному нулю? Как будут сталкиваться элементарные частицы, разогнанные в фантастически мощных ускорителях? Каково поведение человеческого организма в условиях длительного одиночества и невесомости? Как происходит деление клетки при мощном воздействии радиации?..

Нельзя сказать, столкнемся ли мы, шествуя по этим дорогам, с необходимостью отказа от наших старых законов. Но это, во всяком случае, не исключено.

Поскольку законы, которые нам известны, установлены для более скромных условий, то может оказаться, что они пригодны лишь в границах сегодняшнего опыта. А за пределами этих границ, возможно, существует немало не открытых еще законов. Однако мы знаем, что такие неоткрытые законы не должны перечеркивать всё то, что известно нам сейчас. Напротив, неоткрытые законы природы должны содержать в себе как частные случаи те общие законы, которые находятся сегодня на вооружении науки.

Вполне возможно, что вступление в новые области вызовет отказ от принятых сегодня наглядных моделей, потребует изменения формулировок и определений, модернизации научного языка. Впереди сколько угодно споров о природе вещей, жарких взаимных обвинений в непонимании принципов устройства мира. Это всё будет. Но то, что наукой завоевано в виде обобщения человеческого опыта, войдет в науку будущего. Во всяком случае, того будущего, в которое еще есть смысл заглядывать.