Текст книги "По ту сторону кванта"
Автор книги: Леонид Пономарев
Жанр:
Физика
сообщить о нарушении
Текущая страница: 17 (всего у книги 22 страниц)
Результаты науки не зависят от психологии или желаний отдельных людей, и в этой объективности – её сила и ценность. И всё же наука – дело человеческое, и оттого её история – это не только развитие физических понятий и математических методов, но также история человеческих судеб. Рядом с открытиями любая подробность жизни учёных выглядит значительной: мы всегда стремимся понять, как та или иная мелочь, из которых складывается повседневная жизнь великих людей, повлияла на дела, которые их обессмертили.
История создания квантовой механики сохранила для нас несколько живых воспоминаний, которые помогают представить ту обстановку напряжения и подъёма, в которой люди разных национальностей, возрастов и темпераментов всего за три года построили современное здание квантовой механики.
Быть может, всё началось с того, что в конце мая 1925 года Вернер Гейзенберг заболел сенной лихорадкой и по совету своего тогдашнего руководителя Макса Борна уехал отдыхать на остров Гельголанд в Балтийском море. Там у него было время проделать подробные вычисления, без которых не удавалось разрешить давно мучившую его идею. Уже 5 июня, по возвращении из отпуска, он написал о своих вычислениях Кронигу, а 24 июня – подробное письмо Паули, в котором содержалось начало будущей матричной механики. Правда, математическая культура Гейзенберга уступала глубине его физических идей: он не знал даже, что величины, которые он тогда ввёл, в математике уже давно известны под названием матриц. Поэтому сформулировать теорию Гейзенберга математически строго удалось лишь с помощью Макса Борна и совсем молодого тогда Паскуаля Иордана. Уже в июле они завершили в Гёттингене построение матричной механики.
Независимо от них в Кембридже ту же задачу решил Поль Дирак, который летом 1925 года на семинаре у Петра Леонидовича Капицы слушал доклад Гейзенберга, посетившего Англию вскоре после выздоровления.
С помощью этой новой математики осенью того же года Вольфганг Паули нашёл уровни энергии атома водорода и доказал, что они совпадают с уровнями атома Бора.
В то же лето Гаудсмит и Уленбек предложили гипотезу о спине электрона, Луи де Бройль окончательно разработал идею о волнах материи, а Эльзассер и Эйнштейн посоветовали объяснить с помощью этих теорий эксперименты Дэвиссона и Кенсмена по отражению электронных пучков от поверхности металлов.
Волновая механика родилась год спустя, весной 1926 года. Её встретили недоверчиво, поскольку в ней явно отсутствовали квантовые скачки – то, к чему лишь недавно и с большим трудом привыкли и что считалось главной особенностью атомных явлений.
В июне 1926 года Гейзенберг приехал в Мюнхен навестить родителей и «…пришёл в совершенное отчаяние», услышав на одном из семинаров доклад Эрвина Шрёдингера и его интерпретацию квантовой механики.
Споры о волновой механике продолжались часами и днями и достигли предельной остроты в сентябре 1926 года, когда Шрёдингер приехал по приглашению Бора в Копенгаген.
Шрёдингер настолько устал от дискуссий, что даже заболел и несколько дней провёл в доме Бора, который в течение всей болезни гостя почти не отходил от его постели.
Время от времени, характерным жестом подняв палец, Нильс Бор повторял:
– Но, Шрёдингер, вы всё-таки должны согласиться…
Однажды почти в отчаянии Шрёдингер воскликнул:
– Если мы собираемся сохранить эти проклятые квантовые скачки, то я вообще сожалею, что имел дело с атомной теорией!
– Зато остальные весьма признательны вам за это, – ответил ему Бор.
С течением времени точки зрения сторонников матричной и волновой механик сближались. Сам Шрёдингер доказал их математическую эквивалентность, а Макс Борн летом 1926 года догадался, какой физический смысл следует приписать ψ-функции Шрёдингера.
Опыты по дифракции электронов, ставшие известными осенью 1926 года, сильно укрепили веру в теории де Бройля и Шрёдингера. Постепенно физики поняли, что дуализм «волна-частица» – это экспериментальный факт, который следует принять без обсуждений и положить его в основу всех теоретических построений.
Теперь учёные старались понять, к каким следствиям приводит этот факт и какие ограничения он накладывает на представления об атомных процессах. При этом они сталкивались с десятками парадоксов, понять смысл которых зачастую не удавалось.
В ту осень 1926 года Гейзенберг жил в мансарде физического института в Копенгагене. По вечерам к нему наверх поднимался Бор, и начинались дискуссии, которые часто затягивались за полночь.
«Иногда они заканчивались полным отчаянием из-за непонятности квантовой теории уже в квартире Бора за стаканом портвейна, – вспоминал Гейзенберг. – Однажды после одной такой дискуссии я, глубоко обеспокоенный, спустился в расположенный за институтом Фэллед-парк, чтобы прогуляться на свежем воздухе и немного успокоиться перед сном. Во время этой прогулки под усеянным звёздами ночным небом у меня мелькнула мысль, не следует ли постулировать, что природа допускает существование только таких экспериментальных ситуаций, в которых… нельзя одновременно определить место и скорость частицы».
В этой мысли – зародыш будущего соотношения неопределённостей.
Быть может, чтобы снять напряжение этих дней, в конце февраля 1927 года Нильс Бор уехал в Норвегию отдохнуть и походить на лыжах. Оставшись один, Гейзенберг продолжал напряжённо думать. В частности, его очень занимал давний вопрос товарища по учёбе, сына известного физика Друде: «Почему нельзя наблюдать орбиту электрона в атоме при помощи лучей с очень короткой длиной волны, например гамма-лучей?»
Обсуждение этого эксперимента довольно быстро привело его к соотношению неопределённостей, и уже 23 февраля он написал об этом Паули письмо на 14 страницах.
Через несколько дней возвратился из отпуска Бор с готовой идеей дополнительности, которую он окончательно продумал в Норвегии.
Ещё через несколько недель напряжённых дискуссий с участием Оскара Клейна все пришли к выводу, что соотношение неопределённостей – это частный случай принципа дополнительности, для которого возможна количественная запись на языке формул.
В последующие месяцы интерпретация математического формализма квантовой механики дополнялась и уточнялась и окончательно утвердилась в Брюсселе на Сольвеевском конгрессе осенью 1927 года. На этот конгресс собрались Планк, Эйнштейн, Лоренц, Бор, де Бройль, Борн, Шрёдингер, а из молодых – Гейзенберг, Паули, Дирак, Крамерс. Это была самая суровая проверка всех положений квантовой механики. Она её с честью выдержала и с тех пор почти не претерпела никаких изменений.
В те годы в Копенгагене, в институте Бора, была создана не только наука об атоме – там выросла интернациональная семья молодых физиков. Среди них были Гейзенберг, Паули, Крамерс, Гамов, Ландау, Гаудсмит и многие другие. Беспримерное в истории науки содружество учёных отличали бескомпромиссное стремление к истине, искреннее восхищение перед величием задач, которые им предстояло решить, и неистребимое чувство юмора, которое так гармонировало с общим духом интеллектуального благородства: «Есть вещи настолько серьёзные, что о них можно говорить лишь шутя», – любил повторять Нильс Бор. который стал их учителем и духовным отцом.
Через много лет политические бури разбросают их по всему миру: Гейзенберг станет главой немецкого «уранового проекта»; Нильс Бор, спасаясь от нацистов, окажется в американском центре атомных исследований в Лос-Аламосе, а Гаудсмита назначат руководителем миссии «Алсос», которая будет призвана выяснить, что успел сделать Гейзенберг для постройки немецкой атомной бомбы.
Сейчас этих людей осталось совсем немного, и вместе с ними из жизни уходит целая эпоха в физике, которую можно сравнить лишь с эпохами Галилея и Ньютона.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
Что такое квантовая механика? – Что такое атом? – Физическая реальность
Нильс Бор, объясняя на примерах свой принцип дополнительности, любил вспоминать известную шутку Бернарда Шоу:
«Хороший специалист – это тот, кто знает много о немногом. Хороший журналист – тот, кто знает понемногу о многом. В пределе: самый хороший специалист знает всё ни о чём; наилучший журналист знает ничего обо всём».
Глава одиннадцатая
Козьма Прутков принципа дополнительности не знал и объяснялся проще: «Специалист подобен флюсу – полнота его односторонняя». И наоборот: «Нельзя объять необъятное».
Эти шутки приобрели особый смысл в наше время, когда на человека ежедневно обрушивается поток информации: книги, радио, телевизор, журналы… (В книгохранилищах мира 60 миллионов книг, и каждую минуту выходит в свет ещё одна.) Люди неподготовленные, внезапно попадая в этот поток знаний, отчаиваются вообще что-либо в нём понять и предпочитают плыть по течению, не зная ничего ни о чём. Люди недалёкие пытаются обмануть себя и других, черпая из этого потока лишь верхушки знаний, которые стали теперь так доступны и к тому же красиво упакованы.
Но большая часть людей стремится всё же выделить из потока информации лишь те знания, которые абсолютно необходимы им или же доставляют необъяснимую радость, – конечно, каждый по-своему и в меру сил, отпущенных ему природой. Процесс этот строго индивидуален, во многом стихиен и не поддаётся безукоризненному логическому анализу. Нельзя в колыбель новорождённого положить рецепт с точным указанием: когда, в каком порядке и какие книги необходимо прочесть ему в течение жизни.
Информация
Однако некоторые правила всё-таки существуют, точно так же как известны способы продления жизни, хотя рецепта бессмертия не было и нет. Невозможно знать всё. Хорошо знать много. Но хотя бы что-то одно необходимо знать досконально. Только такое знание сообщает человеку уверенность, способность самостоятельно мыслить и создавать новые ценности.
Ещё не найдено «соотношение неопределённостей» для процесса познания, которое укажет равновесие между «количеством» и «качеством» необходимых человеку знаний и строго определит границы возможного при выборе предмета и способа его изучения. Но одно бесспорно: верхоглядство не приносит ни пользы, ни удовольствия. Все мы так или иначе поражены логической красотой и могуществом науки, однако салонные разговоры о ней носят печать какой-то особой пустоты, если за ними не стоит знание точных фактов и чётких понятий.
В продолжение всего рассказа о квантовой механике мы стремились использовать только такие факты и только такие понятия. Конечно, даже усвоив их, вы не сможете сконструировать лазер или рассчитать атомный котёл. Но ведь и в музыкальный лекторий вы ходите не затем, чтобы научиться играть на скрипке.
Мы подошли к концу нашего рассказа. Можем ли мы теперь осмысленно ответить на два основных вопроса, которые задали в самом начале?
ЧТО ТАКОЕ КВАНТОВАЯ МЕХАНИКА? ЧТО ТАКОЕ АТОМ?Оказывается, ответ на эти вопросы существует, хотя и выглядит несколько своеобразно.
Наш рассказ о квантовой механике мы начали с определения: «Квантовая механика – это наука о строении и свойствах атомных объектов и явлений». Мы его тут же оставили, поскольку бесполезность его очевидна до тех пор, пока не определено само понятие «атомный объект». Мы обратились к анализу опытов, в которых проявляются свойства атома, и к анализу формул, которые позволяют предсказать результаты этих опытов.
Постепенно выяснилась поразительная вещь: все формулы, которые описывают свойства атомных объектов, непременно содержат постоянную Планка h. И теперь, если физик видит уравнение, в которое входит квант действия h, он безошибочно заключает, что перед ним уравнение квантовой механики.
На этом основании квантовую механику можно было бы определить как систему уравнений, в которых обязательно присутствует постоянная Планка h. Однако такое определение может лишь успокоить наше стремление к однозначности и формальной строгости, но ничего не может дать по существу – определение науки должно указывать на предмет её изучения, а не только на метод, которым эта цель достигается.
После наших многочисленных попыток ответить на вопросы о сущности атома мы могли бы сказать просто: «Атом – это всё то, что мы теперь о нём знаем». Но, конечно, это опять не определение, а благовидный предлог его избежать.
Какими словами коротко и без разночтений можно определить понятие «атом»?
Мы неоднократно убеждались, что всё многообразие и сложность этого понятия не в состоянии вместить какое-нибудь одно слово нашей речи. Тогда мы обратились к уравнениям квантовой механики и с помощью формул, минуя слова и строгие определения, построили для себя образ атома. При этом мы сознательно следовали методу современной физики.
В чём суть этого метода? Прежде всего он запрещает говорить о явлениях самих по себе, независимо от способа их наблюдения. Понятия «явление» и «наблюдение» существуют независимо только в нашем сознании, да и то с ограниченной точностью. Для физика оба эти понятия – две стороны одной и той же физической реальности, которую он изучает и в объективное существование которой, безусловно, верит.
Понятия «явление» и «наблюдение» – дополнительные в смысле Бора. Они несовместимы: наблюдение разрушает первозданное явление. Но они равно необходимы: без наблюдения мы вообще ничего не узнаем о явлении. Их сложное единство и взаимодействие не позволяют нам постигнуть суть явления самого по себе, но они помогают нам раскрыть связи между явлениями.
Что такое квантовая механика
Эти связи мы можем записать с помощью формул и рассказать о них словами. Однако слова эти повисают в воздухе, если рядом с ними не написаны формулы. А формулы мертвы до тех пор, пока мы не нашли способа объяснить, что они на самом деле означают. Для полного объяснения «явления – наблюдения» необходимо гармоничное сочетание понятий и формул. Лишь после этого можно создать для себя удовлетворительный образ физического явления.
На этом этапе цепочка познания новой физики
ещё раз видоизменяется, усложняется и приобретает вид: >
Цепочка познания
В продолжение всех попыток определить понятие «атом» мы бессознательно стремились к этой схеме. Нынешние физики начинают своё обучение с формул. Наверное, это разумно: при изучении любого иностранного языка лучше сразу учиться говорить, а не выяснять каждый раз, почему-то или иное слово пишется так, а не иначе.
Вслед за формулами физики усваивают слова, которые необходимо произносить и без которых вообще невозможно общение между людьми. Однако формулы не имеют точных словесных эквивалентов. Поэтому обучение современной физике состоит в том, чтобы излагать непривычные вещи привычными словами, но каждый раз немного с новой точки зрения. Тем самым добиваются погружения новых понятий из сферы логической и сознательной в сферу интуитивную и подсознательную – условие, необходимое для всякого творчества.
Такой способ обучения физиков неуловимо деформирует систему их образов, понятий и даже систему ассоциаций. Как всякого человека, хорошо владеющего языком, физиков коробят безукоризненно правильные словесные конструкции большинства научно-популярных книг: в них они безошибочно различают еле уловимый чужеродный акцент. Невозможно передать смысл иностранной фразы, не разрушив при этом её первоначальную структуру. Язык, на котором общаются между собой физики, зачастую только по названию и отдельным словам русский, английский или ещё какой-то. В действительности это особый язык, словарь и грамматические конструкции которого приводят в отчаяние литературных редакторов. Но при всякой попытке «причесать» корявую физическую фразу по нормам литературного языка она что-то теряет – как иностранные стихи даже в хорошем переводе.
Непричёсанная физическая правда состоит в том, что:
атомный объект – это физическая реальность, свойства которой можно описать с помощью уравнений квантовой механики;
квантовая механика – это система формул, понятий и образов, которая позволяет представить, объяснить и предсказать наблюдаемые свойства атомных объектов.
Два приведённых определения, поставленные рядом, выглядят как насмешка над здравым смыслом. Однако они совершенно естественны в рамках принципа дополнительности. Дело в том, что понятия «атомный объект» и «квантовая механика» – дополнительные в смысле Бора. Точно так же, как понятия: «координата» и «импульс», «волна» и «частица», «явление» и «наблюдение», «вероятность» и «достоверность», «причинность» и «случайность». Они не могут заменить одно другое, и любое из них нельзя определить полностью без учёта другого, дополнительного ему. К этому необходимо привыкнуть, с этим необходимо сжиться – такова судьба всех действительно глубоких понятий.
Нильс Бор до конца жизни не уставал это повторять. Он предложил даже способ отличить глубокое утверждение от тривиального: нужно построить противоположное утверждение, и если окажется, что оно абсурдно, то первоначальное – тривиально. И приводил примеры. Утверждение «бог существует» – глубоко, поскольку противоположное ему «бога нет» – столь же глубоко. А утверждение «все люди смертны» – тривиально, так как противоположное ему «все люди бессмертны» – абсурдно.
Умение мыслить в соответствии с принципом дополнительности Бора необходимо в себе развивать, как и любую другую способность, данную нам от природы лишь в зародыше. Для этого недостаточно усвоить формальные правила построения понятий. Нужно ещё представлять себе, откуда они возникли. Поэтому-то мы так долго и тщательно знакомились с опытами, из которых впоследствии выкристаллизовалось понятие «атомный объект». Само по себе, в отрыве от этих опытов, оно ничего не значит; оно лишь закрепляет на языке формальной логики тот интуитивный образ, который постепенно формировался в нашем сознании во многом помимо нашей воли.
Наше теперешнее определение квантовой механики почти дословно совпадает с тем, которое мы привели в самом начале книги. И если теперь оно звучит для вас совсем по-другому – значит всё остальное вы прочли не напрасно.
Рассказ о квантовой механике на этом можно было бы закончить, если бы не одно важное обстоятельство. Дело в том, что, когда мы сказали: «Атом – это физическая реальность…», мы невольно коснулись обширной пограничной области между физикой и философией.
Понятие «физическая реальность» – последнее понятие, к которому неизбежно приходят при любой попытке объяснить что-либо в физике. И в силу своей универсальности оно настолько обширно и всеобъемлюще, что определить его только средствами физики оказывается невозможным. Для этого необходимо привлечь философию с её понятием объективной реальности.
Как известно, объективная реальность – это всё то, что есть и было – независимо от нашего сознания. (Впрочем, и наше сознание, и наши ощущения – тоже объективная реальность.) Однако для науки такое определение недостаточно конкретно, поскольку оно ни к чему не обязывает, кроме веры в объективную сущность познаваемого мира. А в это все учёные верят – иначе они бы не отдавали всю свою жизнь познанию этой самой реальности. Мнения расходятся лишь о природе физической реальности, её истинности и однозначности. Большая часть физиков признаёт, что
Физическая реальность – эта та часть объективной реальности, которую мы познаём с помощью опыта и нашего сознания, то есть все те факты и числа, которые мы получаем с помощью приборов, а также всё то, что мы об этом думаем.
Мнения – очень зыбкая вещь. Почему же мы уверены, что картина физической реальности, добытая таким путём, истинна? Или более мягко (ведь никто не знает, «что такое истина») – почему мы убеждены, что эта картина единственно возможна?
ФИЗИЧЕСКАЯ РЕАЛЬНОСТЬУточнение понятий – занятие сложное и не всегда безобидное. В своё время Сократ поплатился жизнью за настойчивые попытки уяснить смысл основных морально-этических понятий: добро и зло, истина и заблуждение, справедливость и закон… Сократ жил в античной Греции времён её наивысшего расцвета. Как истинный мудрец, он проводил свои дни на солнечных площадях Афин и испытывал сограждан вопросами вроде следующего:
«Скажи мне, многоучёный Гиппий, что есть прекрасное?»
Учёный собеседник с энтузиазмом брался за объяснения, но очень, скоро убеждался, что не может выйти за круг примеров: он толковал более или менее понятно, что такое прекрасная женщина, прекрасный горшок с кашей или прекрасная лошадь, но объяснить, что есть прекрасное само по себе, ему каждый раз оказывалось не под силу.
Трагизм этой типичной мыслительной ситуации понимали во все времена. Понимали и смирялись.
«Истина лежит за пределами сознания и потому не может быть выражена словами», – говорили в Древней Индии. «О чём нельзя сказать словами, о том следует молчать», – пишут современные философы.
В своём стремлении ответить на вопрос «Что такое атом?» мы неизбежно приходим к тем же трудностям. Как и древние философы, мы затрудняемся преодолеть их с помощью слов. Но нам легче: с развитием науки появились формулы, которые позволяют многие из трудностей обойти.
На частных примерах мы постепенно убедились, что атом – это не спектральные линии, которые он испускает, и не многообразие кристаллов, которые из атомов построены, не тепло раскалённого железа и не электроны, которые из атомов вылетают. Подобно собеседникам Сократа, мы теперь вынуждены признать, что атом – это нечто неопределимое само по себе, некая общая причина атомных явлений, которую нельзя познать независимо от них.
Зайдите в любую физическую лабораторию и попытайтесь с порога определить, какое явление природы в ней изучают. Вы увидите перед собой нагромождение приборов и путаницу проводов, за которыми нельзя разглядеть не то что явление, но даже физиков, которые призваны его изучать. В этой обстановке такие, например, слова: «Мы изучаем здесь расщепление спектральных линий в магнитном поле» – могут вызвать лишь вежливое внимание, но отнюдь не доверие.
Даже когда вам в руки дадут фотопластинку и вы увидите на ней узкие чёрные линии, у вас не возникнет никаких ассоциаций с атомами, из недр которых (как станут убеждать вас физики) испущены те самые лучи, которые впоследствии были преобразованы спектроскопом и оставили на фотопластинке резкие следы.
Для человека, непричастного к физике, все эти объяснения выглядят очень неубедительно Ему более или менее понятно, как по стуку мотора механик определяет его неисправность, или как врач по жалобам больного может поставить правильный диагноз. Потому что он знает: всегда можно разобрать мотор – детали его при этом не изменятся; и, на худой конец, можно произвести вскрытие, чтобы убедиться в правильности диагноза. В обоих случаях известны все части, из которых устроено целое. Даже если вы не часовщик, то, разобрав часы, вы сможете понять, как они работают и почему видимое движение их стрелок не похоже на невидимое обычно движение их пружин и колёсиков.
Физическая реальность
С атомами всё много сложнее. Мы наблюдаем внешние проявления их свойств: спектры, цвет тел, их теплоёмкость и кристаллическую структуру, но мы не можем после этого открыть «крышку часов» и посмотреть, как атом устроен «на самом деле». На основе совокупности фактов, понятий и формул мы создали для себя некоторый образ атома. Но поскольку не существует никакого независимого способа проверить этот образ, то возникает естественный вопрос: а нельзя ли придумать другой образ атома, который, однако, приводил бы к тем же самым наблюдаемым следствиям? Вопрос этот не праздный, им занимались почти все великие физики. Житейский скептический ум формулирует его несколько иначе: «Всё, что вы придумали, – неправда, на самом деле всё не так!»
Такое возражение трудно опровергнуть, потому что понятие «на самом деле» на самом деле не определено.
В общежитейском смысле «на самом деле» существует лишь то, что мы можем проверить с помощью наших пяти чувств, либо же то, в чём мы можем убедиться с помощью продолжения наших чувств – приборов.
Даже с последним утверждением согласились далеко не сразу: современники Галилея упрекали его в том, что его открытия солнечных пятен и спутников Юпитера на самом деле не открытия, а ошибки зрительной трубы, которой он пользовался.
Предположим, что мы ушли вперёд со времён Галилея и верим в истинность показаний приборов. Тогда остаётся ещё свобода для толкования этих показаний. Вопрос «на самом деле» теперь означает: «Насколько однозначно толкование опытов относительно явлений, недоступных непосредственному чувственному восприятию?»
Здравый смысл человека, непричастного к науке, должен признать, что такое толкование неоднозначно. После беглого посещения физической лаборатории это априорное убеждение может только укрепиться. И лишь физики знают, что факты и понятия их науки допускают свободу толкований только в процессе их открытия и становления. Но коль скоро они включены в общую систему физических знаний и согласованы с ними – изменить их почти невозможно, если не переходить при этом границы их применимости.
При углублении и уточнении системы научных знаний мы вынуждены всё дальше и дальше отходить от непосредственных чувственных восприятий и от понятий, которые возникли на их основе. Такой процесс абстракции необратим, но не следует огорчаться по этому поводу, коль скоро наш разум способен понять даже то, чего мы не в состоянии представить.
Абстрактность научных понятий – такая же необходимость, как изобретение буквенного письма взамен древних рисунков и иероглифов. Ни одна буква в слове «носорог» не напоминает его самого, и тем не менее всё слово безошибочно вызывает в памяти нужный образ. Всем очевидно, что нынешняя культура немыслима без книгопечатания. Но далеко не каждому ясно, что без дальнейшей абстракции научных понятий развитие науки невозможно. Житейский здравый смысл должен с этим фактом смириться и не требовать ему объяснений. Абстрактная наука, как и музыка, требует не оправдания, а глубокого понимания: только с её помощью можно познать непривычную атомную реальность, хотя реальность эта совсем другого рода, чем весомые и зримые камни или деревья.
Но даже эту «абстрактную реальность» человек всегда пытается представить наглядно, то есть свести её к небольшому числу проверенных образов. Такое стремление заложено в человеке очень глубоко, и поэтому у физиков постепенно развилась своя, причудливая система образов, которая почти наверное ничему реальному в природе не соответствует, о которой нельзя рассказать словами, но которая тем не менее помогает им отыскивать связи между явлениями в моменты наивысшего напряжения мысли.
Те цепочки познания, которые мы рисовали – от явления через понятия и формулы к образам, – не более чем схемы, дающие довольно слабое представление о сложных процессах, происходящих в сознании учёного, когда в беспорядочном наборе фактов он пытается увидеть простые связи, определить их словами и найти им место в общей картине природы.
Отдельное слово ещё не образует языка – необходим набор слов и правил грамматики, по которым они сочетаются. Точно так же отдельный научный факт, каким бы важным он ни казался, ещё ничего не означает сам по себе, если неизвестно его место в общей системе знаний, и лишь вместе со своим толкованием он получает смысл и значение.
Вспомните историю D-линии натрия. Её наблюдал уже Фраунгофер. Но разве мог он подозревать, что держит в руках ключ ко всей квантовой механике? Он видел, что линия эта расщепляется на две компоненты. Но разве знал он, что это влияние спина электрона? Понятия «электрон», «квантовая механика», «спин» во времена Фраунгофера ещё не были изобретены. А без них D-линия натрия просто любопытный факт, не ведущий ни к каким глубоким следствиям. Лишь после опытов Крукса, Резерфорда, Томсона и после создания системы понятий и формул, которую назвали квантовой механикой, стало ясно, что D-линия натрия – это один из тех фактов, которые меняют самые основы нашего мышления.
Гармонию явлений атомного мира мы можем оценить лишь благодаря теории: всякое описание только экспериментальной установки будет безнадёжно скучным и неинтересным. Лишь теория сделала картину атома не только логически удовлетворительной, но и эстетически приемлемой. И не зря (хотя, быть может, этимологически и не очень правильно) такие моменты проникновения в сущность вещей называют иногда Θεορια – видение бога.
То, что понятия возникают на основе новых фактов, очевидно всем. Однако не все отдают себе отчёт в том, насколько смысл новых фактов зависит от понятий, которые используются для их толкования. С развитием и углублением научных знаний это взаимное влияние фактов и понятий постепенно усиливается, и цепочка познания деформируется ещё раз:
Обновлённая цепочка познания
В наше время это взаимодействие стало настолько сильным, что подчас бывает трудно отделить факты от их толкования. Результат такого взаимодействия часто называют информационным взрывом – настолько быстро бесконтрольное взаимовлияние новых фактов и понятий ведёт к реальным практическим последствиям. Сложное переплетение фактов, понятий, формул и образов науки очень трудно, да, пожалуй, и невозможно распутать. При всех попытках подобного рода мы неизбежно придём к сакраментальному вопросу: «Что возникло раньше: яйцо или курица?»
Иммануил Кант пытался разомкнуть этот логический круг: понятия зависят от результатов опыта, истолкование опытов – от системы понятий. Он полагал, что несколько таких понятий даны человеку «от бога», он с ними рождается, а все дальнейшие истины он сможет найти, комбинируя первичные понятия, если, конечно, при этом не будет делать логических ошибок. Приняв это допущение, он построил стройную и законченную философию познания. Развитие физики очень скоро показало, однако, что многие «априорные истины» Канта – такие, как пространство, время и другие, – в действительности имеют эмпирическое и самое что ни на есть земное происхождение – конечно, переосмысленное и лишённое конкретных особенностей тех образов на основе которых они возникли.
Никто никогда не узнает тот первый научный факт и то первое научное понятие, с которых началась эволюция нынешней науки. Поэтому всё чаще вместо «объяснения природы» естествоиспытатели говорят об «описании природы».
«Мы теперь лучше, чем прежнее естествознание, сознаём, что не существует такого надёжного исходного пункта, от которого бы шли пути во все области нашего познания, но что всё познание в известной мере вынуждено парить над бездонной пропастью. Нам приходится всегда начинать где-то с середины и, обсуждая действительность, употреблять понятия, которые лишь постепенно приобретают определённый смысл благодаря их применению…» Эти слова Гейзенберга близки и понятны каждому физику. И в жизни каждого из них бывают минуты, когда они удивляются, что в таких условиях познание природы всё-таки возможно. «Единственная загадка мира – его познаваемость», – часто повторял Эйнштейн.
