Текст книги "Под знаком кванта"

Автор книги: Леонид Пономарев

сообщить о нарушении

Текущая страница: 29 (всего у книги 31 страниц)

Жизнь под Солнцем

Поклонение Солнцу – самая древняя из религий и, если позволительно так говорить о вере, самая понятная из них. «Солнце... является неисчерпаемым источником физической силы... та непрестанно заводящаяся пружина, которая поддерживает в состоянии движения механизм всех происходящих на Земле деятельностей»,– писал Роберт Майер в 1845 г.

Радиус Земли /?₃ =6350 км, поэтому с Солнца, на расстоянии 150 млн. км, она видна как копеечная монета с расстояния в сотню метров. Из 4,2 млн. т фотонов, излучаемых Солнцем каждую секунду, на нее попадает только 0,45*10^-9 часть, то есть половина миллиардной доли излучаемой энергии Солнца, а именно

(4,2* 10⁶ т) *(0,45* 10^-9)= 1,85* 10^_3 т=1,85 кг.

В холодной пустыне космоса именно эти два без малого килограмма фотонов в секунду сохраняют оазис нашей планеты теплым и зеленым. Благодаря им текут реки, дуют ветры, шумят леса и жив человек.

2 кг фотонов – не так уж мало: по формуле Эйнштейна Е—тс² в них заключена энергия

Е= (1,85* 10³ г) * (3* 10¹° см/с)² = 1,7* 10²⁴ эрг= 1,7* 10¹⁷ Дж, то есть мощность солнечного излучения, падающего на Землю, равна 1,7* 10¹⁷ Вт – почти в 20 тысяч раз больше, чем мощность всей энергетики мира (10¹³ Вт). Примерно половина этой мощности (0,8 *10¹⁷ Вт) достигает земной поверхности, площадь которой равна 4л/?²~5*10¹⁴ м², то есть средняя интенсивность излучения Солнца на уровне Земли равна 160 Вт/м².

Подавляющая часть этой мощности (99,9 %) поглощается почвой, расходуется на испарение воды, на ветры, грозы и все то, что мы называем погодой. И только 0,1 % лучистой энергии Солнца (10¹⁴ Вт) накопляется растениями в процессе фо-336 тосинтеза органических веществ из углекислого газа и воды. Именно этой долей энергии питается все живое на Земле: от бактерий до животных и человека, поскольку сущность жизни в своей первооснове – это обратный фотосинтезу процесс разложения органических веществ на углекислый газ и воду.

Первичная мощность фотосинтеза 10¹⁴ Вт, или 10^й т сухого органического вещества в год,– это все, на что может рассчитывать человек в своих долгосрочных планах и прогнозах. Эта мощность не может быть существенно увеличена, поскольку для процесса фотосинтеза нужна пресная вода, а уже сейчас 60 % ее мировых запасов вовлечено в круговорот органических веществ.

Из всей энергии фотосинтеза около 10 %, или 10¹³ Вт, приходится на пашни, луга и пастбища и примерно половину ее (5*10¹² Вт) потребляет на свои нужды человек.

Эту мощность можно вычислить и по-другому, вспомнив, что для нормальной жизни человек должен каждые сутки усваивать с пищей около 3000 ккал, то есть примерно 1,26-10⁷ Дж энергии. В сутках 8,6* 10⁴ с, поэтому средняя мощность жизненных процессов в организме человека равна

(1,26-10⁷ Дж)/(8,6-10⁴ с) «140 Вт

– меньше мощности горящей спички (200 Вт). На Земле сейчас живет 5 млрд, человек и только для питания им всем необходима энергия

140 Вт* (5* 10⁹) =0,7* 10¹² Вт.

С учетом эффективности использования продукции пашни (13 %) эта энергия возрастет как раз до 5* 10¹² Вт.

Это – заметная доля (5%) от всей продукции фотосинтеза. Еще примерно столько же человек потребляет в виде древесины, т. е. всего 10¹³ Вт, или 10 % первичной продукции. А с учетом того, что луга и пашни в три раза менее продуктивны, чем леса, вырубленные на их месте, доля потребляемой человеком продукции фотосинтеза возрастает до 17 %. Еще примерно столько же (10¹³ Вт) человечество черпает из запасов ископаемого топлива, сжигая уголь, нефть и газ. Таким образом, человечество, общая биологическая масса которого не превышает 2-10⁸ т (5*10^-14 от массы Земли), потребляет в год около 2*1О¹⁰ т органических веществ – в сто раз больше своего веса. Это – очень много и означает, что человек – лишь один из многих миллионов биологических видов – в последнее столетие превратился в решающий фактор дальнейшей эволюции жизни на Земле. «Человек – властелин природы»,– сказано давно, но при

12 Л. И. Пономарев 337

этом, похоже, забыли, что власть предполагает ответственность.

Практически вся продукция фотосинтеза (10¹¹ т сухого органического вещества в год) вновь разлагается живыми организмами на углекислый газ и воду. Лишь ничтожная часть (около 10^-4 или 10⁷ т/год) остается ими не использованной и запасается впрок. Это означает, что за предыдущие 300 млн. лет – с тех пор, как на Земле появилась обильная растительность,– в ее недрах запасено примерно 10¹⁵ т угля, нефти и газа. Доступные запасы много меньше: 10¹³ т угля, 3-10¹² т нефти и столько же газа, причем около 5% этих запасов мы уже сожгли с тех пор, как американец Эдвин Дрейк пробурил в 1859 г. первую нефтяную скважину. За год в топках сжигается ЗЛО⁹ т угля, 4*10⁹ т нефти и ЗЛО⁹ т газа, т. е. 10¹° т органического вещества – примерно 0,1 % их разведанных запасов, 10% от годовой продукции растений и в тысячу раз быстрее, чем запасается ими впрок.

Каждый день население Земли увеличивается на 200 тыс. человек (2 человека в секунду) и в течение последних 300 лет каждые 35 лет число людей удваивается. Несложный подсчет показывает, что при таком темпе размножения всего через полторы тысячи лет общая масса людей должна превысить массу самой Земли. Абсурдность этого вывода очевидна, и это означает, что в ближайшие годы должны произойти качественные изменения в образе жизни людей: при любом подсчете ресурсов Земли она не может прокормить более 10—12 млрд, человек – втрое больше, чем сейчас. Но и в этом случае ископаемого органического топлива хватит еще на 300—500 лет – и не более. Это – по самым оптимистическим оценкам, и, похоже, человечество еще не готово сделать из них правильные выводы. Одно ясно: без ядерной энергии – будь то энергия деления урана или энергия синтеза изотопов водорода – у человечества нет длительных перспектив сохранить нынешний уровень своего развития. И наш долг перед будущими поколениями не в том, чтобы сберечь для них в неприкосновенности запасы угля и нефти, а в том, чтобы передать им более высокую культуру, которая со временем поможет найти новые пути и новые источники энергии. В противном случае, как бы бережно мы ни расходовали природные запасы, рано или поздно мы будем вынуждены возвратиться в доиндустриальную эпоху, сократив при этом свою численность в 10—20 раз.

В последние годы со страниц научно-фантастических повестей как-то сами собой исчезли звездолеты, астронавты и космические одиссеи. Малость Земли и абсолютная ограниченность ее ресурсов не позволят человеку покинуть свою голубую планету. Перед лицом этой земной правды тускнеют космические грезы: сейчас у человека нет задачи важнее, чем сохранить себя как биологический вид.

Солнце на Земле

«Если действительно внутриатомная энергия в звездах поддерживает огонь в их гигантских топках, то мы, по-видимому, оказываемся намного ближе к осуществлению нашей мечты об овладении этой скрытой мощью для процветания человеческого рода или для его самоубийства»,– писал Артур Эддингтон в 1920 г. Всего через 32 года его предсказание сбылось: взорвав водородную бомбу, человек впервые зажег солнце на Земле.

К сожалению, предвидение Эддингтона сбылось лишь наполовину: пока что мы можем использовать энергию синтеза ядер только как орудие самоубийства. Нам остается надеяться, что со временем мы сумеем укротить термоядерный взрыв и обратим его на благо человечества.

О проблеме управляемого термоядерного синтеза, о магнитном удержании плазмы в термоядерных реакторах и о грандиозных перспективах термоядерной энергетики написано много и подробно. Прошло около 40 лет с того дня, когда впервые появилась надежда «поймать солнце в магнитную бутылку». Эта цель до сих пор не достигнута, но тысячи исследователей во всем мире не оставляют надежды достигнуть однажды сказочной долины Эльдорадо с ее неисчерпаемыми запасами термоядерной энергии.

Кванты вокруг нас

С развитием цивилизации труд становится эффективнее, досуг – изощреннее, а знания – обширнее. В современной системе знаний квантовая механика занимает особое место: ни одна физическая теория до сих пор не объясняла такого широкого и разнородного круга явлений и не добивалась столь блестящего согласия с экспериментом. Это неудивительно: всё вокруг нас и мы сами построены из атомов.

Сидя у телевизора, мы не задумываемся над тем, что его трубка работает лишь благодаря туннельному эффекту, а мы видим изображение на ней только потому, что в нашем глазу родопсин – особое вещество, подобное хлорофиллу, улавливает кванты света и трансформирует их в энергию импульсов зрительного нерва. Привычно щелкая затвором фотоаппарата, мы не вспоминаем об удивительной последовательности фотохимических реакций, позволяющих «остановить мгновенье». И в утренней спешке, мельком взглянув на электронные часы, не все догадываются, что всё их устройство основано на квантовых эффектах. (Вспомним: всего 400 лет назад Галилей открыл законы качания маятников, отсчитывая удары собственного пульса.)

Любые свойства вещества: его цвет, твердость, температуру плавления, магнитные и электрические характеристики, нельзя понять и предсказать без квантовой теории. Квантовая химия без всяких дополнительных гипотез позволила понять природу химической связи атомов в молекулах, квантовая теория конденсированных сред объяснила сверхпроводимость и свойства полупроводников, без которых не было бы ни современного телевидения, ни авиалайнеров, ни космических полетов. И всегда, когда мы хотим понять истинно глубокое явление природы – будь то работа атомного котла или деление клетки,– мы неизбежно переходим на язык квантовых иероглифов. Быть может, это и есть родной язык Природы, знание которого современному человеку необходимо так же, как его далеким предкам – понимание языка диких животных.

«Ученье без размышления – потеря времени» размышление без обучения опасно.»

Конфуций

«Печальна жизнь того, кто лишь мудр.»

Вольтер

«Я не знаю откуда я, куда иду и даже кто я.»

Эрвин Шрёдингер

Размышления

ГЛАВА 19

Возникновение научного метода. Сущность и развитие научного метода. Истинность и полнота научной картины мира. Наука и человечество. Границы научного метода. Наука и искусство. Будущее науки.

ГЛАВА 19

Пан

«Человечество околдовано неудержимым движением науки, и только искусство способно вернуть его к реальности»,– сказал однажды Бернард Шоу с присущим ему блеском.

Могущество современной науки поражает даже искушенный ум: она расщепила атомное ядро, достигла Луны, открыла законы наследственности... Но в обстановке всеобщего восхищения не всегда понимают, в чем суть научного метода, истоки его силы, и, тем более, не представляют его границ.

Недавно один физик в пылу спора заявил: «В принципе, для описания даже такой сложной системы, как человек, достаточно знать закон Кулона и уравнения квантовой механики». Такие утверждения в науке – не новость. Чтобы поднять Землю, Архимеду было достаточно рычага, а Лаплас брался предсказать будущее мира, если ему дадут начальные координаты и импульсы всех частиц во Вселенной. И хотя такая вера в законченность и всемогущество науки всегда привлекательна, полезно все-таки помнить предостережение Роджера Бэкона (1214—1294), которое сегодня так же верно, как и семьсот лет назад: «Если бы человек жил в смертной юдоли даже тысячи веков, он и тогда бы не достиг совершенства в знании; он не понимает теперь природы мухи, а некоторые самонадеянные доктора думают, что развитие философии закончено!»

Ослепление успехами точного знания, повсеместное еще четверть века назад, на наших глазах сменяется отрезвлением и спокойным анализом результатов науки. Квантовая физика – редкое умение человека, особо почитаемое в XX веке. Следует, однако, помнить, что это лишь небольшая, хотя и очень важная, часть общечеловеческой культуры и только в этом контексте можно понять ее истинное место и роль в развитии нынешней цивилизации.

ВОЗНИКНОВЕНИЕ НАУЧНОГО МЕТОДА

Мы утратили знания древнейших времен, до нас дошли только их осколки. Но они бессистемны, чужды нам по духу и кажутся наивными. У истоков нынешней науки стоят древние греки. Они наши предшественники не только по времени, но – что самое главное – по духу. Греки изобрели доказательство. Ни в Египте, ни в Месопотамии, ни в Китае такая идея не возникла, быть может, потому, что все эти цивилизации были основаны на тирании и безусловном подчинении авторитетам. В таких условиях даже сама мысль о возможности разумных доказательств кажется крамольной.

В Афинах впервые за всю мировую историю возникла республика. Не надо ее особенно идеализировать: она расцвела на труде рабов. Тем не менее в Древней Греции сложились условия, при которых стал возможен свободный обмен мнениями, и это привело к небывалому расцвету наук.

В средние века потребность рационального познания природы совершенно угасла рядом с попытками осмыслить предназначение человека в рамках различных религиозных вероучений. В продолжение почти десяти веков религия давала исчерпывающие ответы на все вопросы бытия, которые не подлежали ни критике, ни даже обсуждению.

Сочинения Эвклида были переведены на латинский язык и стали известны в Европе в XII веке. Однако в то время их воспринимали просто как совокупность

остроумных правил, которые надлежало заучить наизусть – настолько они были чужды духу средневековой Европы, привыкшей верить, а не искать корней истины. Но объем знаний стремительно рос, и их уже не удавалось согласовать с направлением мыслей средневековых умов.

Конец средневековья обычно связывают с открытием Америки в 1492 г. Некоторые указывают даже более точную дату: 13 декабря 1250 г.– день, когда в замке Флорентино близ Лючеры умер король Фридрих II Гогенштауфен. Конечно, не следует относиться к этим датам всерьез, но несколько таких дат, взятых вместе, создают несомненное ощущение достоверности перелома, который произошел в сознании людей на рубеже XIII и XIV веков. В истории этот период назвали Возрождением. Подчиняясь внутренним законам развития и без видимых на то причин, Европа всего за два века возродила зачатки древних знаний, до того более десяти веков находившихся в небрежении и получивших впоследствии название научных.

В период Возрождения в умах людей произошел поворот от стремления осознать свое место в мире к попыткам понять его рациональное устройство без ссылок на чудеса и божественное откровение. Вначале переворот носил аристократический характер, но изобретение книгопечатания распространило его на все слои общества. Суть перелома – освобождение от давления авторитетов и переход от средневековой веры к знанию нового времени. Церковь всячески противилась новым веяниям, она строго судила философов, которые признавали, что есть вещи истинные с точки зрения философии, но ложные с точки зрения веры, «как будто в противовес истине, заключенной в священном писании, может находиться истина в книгах язычников».

Если отвлечься от политических страстей времени, в которое жил Галилей, становится ясно, что судили его не только за сочувствие системе Коперника: такие же мысли столетием раньше отстаивал кардинал Николай Кузанский (1401 – 1464) и остался безнаказанным. Но в то время как ученый кардинал утверждал их, ссылаясь на авторитеты – как то и подобает верующему, Галилей – доказывал, как того требует наука, то есть предлагал проверить каждому, опираясь лишь на опыт и здравый смысл. Именно этого не могли простить ему служители церкви. Но рухнувшую плотину веры починить было уже нельзя, и освобожденный дух стал искать новые пути для своего развития.

Принципы научного знания и метод, позволяющий их осуществить, начали искать задолго до возникновения современной науки. Уже в XIII веке Роджер Бэкон в своем знаменитом трактате писал: «Существует естественный и несовершенный опыт, который не сознает своего могущества и не отдает себе отчета в своих приемах: им пользуются ремесленники, а не ученые... Выше всех умозрительных знаний и искусств стоит умение производить опыты, и эта наука есть царица наук...

Философы должны знать, что их наука бессильна, если они не применяют к ней могущественную математику... Невозможно отличить софизм от доказательства, не проверив заключение путем опыта и применения».

В 1440 г. Николай Кузанский написал книгу «Об ученом невежестве», в которой настаивал, что все познания о природе необходимо записывать в цифрах, а все опыты над нею производить с весами в руках.

Утверждение новых взглядов происходило медленно. Например, арабские цифры уже в X веке вошли во всеобщее употребление, но даже в XVI веке вычисления повсеместно производили не на бумаге, а с помощью особых жетонов, которые были еще менее совершенны, чем наши конторские счеты.

Настоящую историю научного метода принято начинать с Галилея и Ньютона. Согласно той же традиции Галилео Галилей (1564—1642) считается родоначальником экспериментальной физики, а Исаак Ньютон (1643—1727) – основателем теоретической физики. Конечно, в их время не было такого разделения единой науки физики на две части, не было даже самой физики – она называлась натуральной философией. Но такое разделение имеет глубокий смысл: оно помогает понять особенности научного метода и, по существу, эквивалентно делению науки на опыт и математику, которое сформулировал еще Роджер Бэкон.

СУЩНОСТЬ И РАЗВИТИЕ НАУЧНОГО МЕТОДА

Человеку дана способность познания явлений, то есть умение находить связи между ними и устанавливать последовательность причин и следствий. На каждом этапе истории он реализовал эту способность по-разному – в зависимости от того, что считала главным эпоха и каких ответов требовала она от своих лучших представителей. Нынешний век – век науки. Мы настолько привыкли отождествлять понятия «знание» и «наука», что не мыслим себе иного знания, кроме научного. В чем его сущность и особенности?

Сущность научного метода можно сформулировать довольно просто: он позволяет добыть такие знания о явлениях, которые можно проверить, сохранить и передать другому. Отсюда сразу следует, что наука изучает не вообще всякие явления, а только те из них, которые повторяются. Ее главная задача – отыскать законы, согласно которым эти явления протекают. В разное время наука достигала этой цели по-разному.

Древние греки внимательно наблюдали явления и затем с помощью умозрения пытались проникнуть в гармонию природы силой интеллекта, опираясь только на данные

чувств, накопленные в памяти. В период Возрождения стало очевидно, что поставленная цель не может быть достигнута только с помощью пяти чувств – необходимы приборы, которые есть не что иное, как их продолжение и обострение. При этом сразу же возникли два вопроса: насколько можно доверять показанием приборов и как сохранить информацию, полученную с их помощью?

Вторая задача была вскоре решена изобретением книгопечатания и последовательным применением математики в естественных науках. Значительно труднее оказалось разрешить первый вопрос – о достоверности знаний, полученных с помощью приборов. По существу, окончательно он не исчерпан до сих пор, и вся история научного метода – это история постоянного углубления и видоизменения этого вопроса.

Довольно скоро поняли, что показаниям приборов, как правило, можно доверять, то есть они отражают что-то реальное в природе, существующее независимо от них. (В конце концов убедились, например, в том, что пятна на Солнце – это пятна именно на Солнце, а не дефекты зрительной трубы, с помощью которой они были открыты.) В этот период расцвета экспериментальной физики были накоплены все те знания, на основе которых в конце прошлого века произошел мощный скачок техники.

Однако объем знаний стремительно рос, и в какой-то момент люди перестали понимать, как соотносить числа, полученные с помощью приборов, с реальными явлениями в природе. Этот период в истории естествознания на рубеже веков известен как кризис в физике.

Причин кризиса было две. С одной стороны, приборы слишком далеко ушли от непосредственных ощущений человека и поэтому интуиция, лишенная образной основы наблюдаемых фактов, не давала простой картины изучаемых явлений. Тем самым были исчерпаны возможности наглядной интерпретации данных опыта. С другой стороны, не существовало логической схемы, которая помогла бы упорядочить научные факты и без ссылок на интуицию привести к таким наблюдаемым следствиям, против которых не мог бы возразить даже здравый смысл.

Кризис преодолели на втором пути: по-прежнему доверяя показаниям приборов, изобрели новые понятия и новые логические схемы, которые научили по-новому относиться к этим показаниям. (Именно в этот момент важное значение приобрела теоретическая физика.) Решающую роль в ломке устоявшихся понятий сыграла квантовая механика. Она не

347 только дала нам власть над совершенно новым миром квантовых явлений, но и убедила в том, что показания приборов – не простая фотография явлений природы: они лишь отражают и закрепляют числами их разные грани и только вместе с нашими представлениями о ней получают смысл и значение. Эти знания с течением времени совершенствуются и позволяют нам правильно предсказывать всё более тонкие явления природы. С этим согласны теперь почти все физики. Однако, как и все люди, они хотят понять больше: насколько полна картина мира, нарисованная физикой? Вопрос этот не физический, а, скорее, философский. Он возникал во все времена, но впервые четко был сформулирован в диалогах Платона.

Платон уподобил ученых узникам, прикованным в пещере спиной ко входу так, что они не видят освещенных предметов, находящихся у них за спиной, а только тени, движущиеся на стене перед ними. Он признавал, что даже в этих условиях, внимательно наблюдая движение теней, можно научиться предугадывать поведение тех тел, чьи тени видны на стене. Но знание, приобретенное таким способом, бесконечно далеко от того, которое получает освобожденный узник, выйдя из пещеры.

«Не думаешь ли ты, что, вспоминая о своей первой жизни, о той мудрости и о тех узниках, он сочтет свою перемену счастливой, а о других (оставшихся в пещере) будет жалеть?.. Вспоминая также о почестях и похвалах, которые возданы были друг другу, и о наградах тому, кто с проницательностью смотрел на происходящее и лучше других замечал, что бывает сначала, что потом и что идет вместе и, исходя из этого, обладал особой способностью угадывать, что должно быть,– как ты думаешь, будет ли он желать того же и станет ли он завидовать людям, которые у них считаются почетными и влиятельными?» – спрашивает один из героев Платона.

Платону нечего возразить. Окружающий мир и в самом деле богаче того, который мы в состоянии себе представить только на основе данных физики. Слепой от рождения может в совершенстве изучить оптику, но при этом он не будет иметь ни малейшего представления о том, что такое свет и как выглядит богатство весенних красок. Когда мы вступаем в мир квантовых явлений, все мы становимся похожими на слепых от рождения. Мы начисто лишены «квантового зрения» и вынуждены двигаться в непривычном мире ощупью.

348

Число подобных аналогий легко умножить, и каждая из них учит физиков быть скромнее. Теперь мы понимаем, что вопросы о полноте физических знаний и о сущности явлений лежат вне физики и не могут быть разрешены ее средствами. Физика изучает только законы, по которым эти явления происходят. И в этом смысле она в точности следует «теории теней».

Но даже такое, ограниченное знание о природе, насколько оно истинно?