Текст книги "Избранные научные труды"

Автор книги: Нильс Бор

сообщить о нарушении

Текущая страница: 44 (всего у книги 58 страниц)

1957

80 ПРЕДИСЛОВИЕ И ВВЕДЕНИЕ К СБОРНИКУ «АТОМНАЯ ФИЗИКА И ЧЕЛОВЕЧЕСКОЕ ПОЗНАНИЕ» ^*

^*Foreword, Introduction. В кн.: N. Bohr. Atomic Physics and Human Knowledge. N. Y., 1958. (Русский перевод: H. Бор. Атомы и человеческое познание. М., 1961. – Ред.)

ПРЕДИСЛОВИЕ

Этот сборник статей, написанных по разным поводам в течение последних 25 лет, представляет продолжение более ранних очерков, собранных в книге, озаглавленной «Атомная теория и описание природы» ¹. Темой статей является теоретико-познавательный урок, преподанный нам современным развитием атомной физики, и его значение для анализа и синтеза во многих областях человеческого знания. Статьи, вошедшие в предыдущий сборник, написаны в то время, когда установление математических методов квантовой механики создало твердое основание для непротиворечивой трактовки атомных явлений, а условия для однозначного описания опытных фактов на этой основе были характеризованы понятием дополнительности. В собранных здесь статьях логическая формулировка этого подхода развита дальше и ему даётся более широкое применение. Конечно, нельзя было избежать многих повторений, но мы надеемся, что самые эти повторения могут послужить для иллюстрации того, как наша аргументация постепенно становится яснее, особенно в отношении более чёткой терминологии.

¹ «Atomic Theory and the Description of Nature», Cambridge University Press, 1934.

При развитии излагаемых здесь взглядов для меня были очень ценны дискуссии с бывшими и настоящими сотрудниками Института теоретической физики Копенгагенского университета. За помощь при обработке этих статей я особенно благодарен Оскару Клейну и Леону Розенфельду, в настоящее время находящимся в Оклахомском и Манчестерском университетах, а также Стефану Розенталю и Оге Петерсену из Копенгагенского института. Я также хотел бы выразить благодарность г-же С. Хеллманн за весьма эффективную помощь при подготовке статей настоящего издания.

Копенгаген, август 1957 г.

Нильс Бор

ВВЕДЕНИЕ

Важное значение физической науки для развития общего философского мышления основано не только на её вкладе в наше непрерывно возрастающее познание той природы, частью которой мы являемся сами; физическая наука важна и тем, что время от времени она давала случай пересматривать и улучшать нашу систему понятий как орудие познания. В нашем столетии изучение атомного строения материи обнаружило неожиданное ограничение области применимости классических физических идей и пролило новый свет на содержащиеся в традиционной философии требования к научному объяснению. Необходимый для понимания атомных явлений пересмотр основ и предпосылок однозначного применения наших элементарных понятий имеет поэтому значение, выходящее далеко за пределы одной только физической науки.

Главное содержание урока, преподанного нам развитием атомной физики, состоит, как известно, в признании свойства цельности и неделимости атомных процессов, обнаруженного благодаря открытию кванта действия. Предлагаемые статьи освещают наиболее существенные стороны ситуации в квантовой физике; в то же время они указывают на черты сходства между этой ситуацией и положением в других областях знаний, выходящих за пределы механистического представления о природе. Мы не рассматриваем здесь какие-либо туманные аналогии, а исследуем условия для надлежащего применения слов и понятий, выражающих наши опытные знания. Такие рассуждения имеют целью не только ознакомление с новой ситуацией в физической науке; ввиду сравнительно простого характера атомных проблем они могут оказаться полезными и для разъяснения предпосылок объективного описания в более широких областях знаний.

Хотя собранные здесь семь ¹ статей, таким образом, тесно связаны между собой, они распадаются на три отдельные группы, относящиеся к 1932—1939, 1949 и 1955—1957 гг. Первые три статьи прямо связаны со статьями прежнего сборника, в них обсуждаются биологические и антропологические проблемы, относящиеся к свойствам целостности, характерным для живых организмов и человеческих культур. Конечно, в этих статьях я ни в какой мере не пытаюсь дать исчерпывающее обсуждение этих тем, но лишь указываю, какими представляются эти проблемы на фоне общего урока атомной физики.

¹ Последние две статьи русского перевода сборника, содержащего девять статей, в английское издание 1958 г. не вошли. – Прим. ред. русского издания.

Четвёртая статья касается дискуссии между физиками о проблемах теории познания, поставленных квантовой физикой. По характеру самой темы нельзя было избежать некоторых ссылок на математический аппарат, но для понимания аргументации не требуется специальных знаний. Споры привели к разъяснению новых сторон проблемы наблюдения, обусловленных тем обстоятельством, что взаимодействие между атомными объектами и измерительными приборами составляет неотъемлемую часть квантового явления. Поэтому данные, полученные в различных экспериментальных установках, не могут быть объединены в том смысле, как обычно; необходимость принимать во внимание условия, при которых получены те или иные опытные данные, прямо требует дополнительного способа описания.

Последняя группа статей тесно связана с первой, но я надеюсь, что уточнённая терминология, которой я в них пользуюсь, чтобы изобразить ситуацию в квантовой физике, сделала общую идею и общий ход рассуждения доступнее. Прилагая эти идеи к более широкой области, я делаю особый упор на предпосылки для однозначного применения понятий, используемых при описании опытных фактов. Самая суть аргументации состоит в том, что для объективного описания и гармоничного охвата опытных фактов необходимо почти во всех областях знания обращать внимание на обстоятельства, при которых эти данные получены.

81 ФИЗИЧЕСКАЯ НАУКА И ПРОБЛЕМА ЖИЗНИ ^*

^*Die Physik und das Problem des Lebens. Atomfysik og menneskelig erkendelse. København, 1957.

Для меня было удовольствием принять предложение Копенгагенского медицинского общества прочесть одну из Стенсеновских ¹ лекций, которыми общество чтит память знаменитого датского ученого; его достижениями восхищаются всё в большей степени не только в нашей стране, но и во всём научном мире. Я избрал своей темой проблему, занимавшую человеческую мысль в течение многих веков; она глубоко интересовала и самого Нильса Стенсена. Эта проблема состоит в выяснении того, насколько физический опыт может помочь нам в объяснении органической жизни в её богатых и разнообразных проявлениях. Из развития физики за последние десятилетия, в частности из исследований так долго скрытого от нас мира атомов, можно извлечь поучение, касающееся нашего положения наблюдателей той природы, частью которой мы являемся сами. Я попытаюсь показать, как это развитие и этот урок создали новые предпосылки для нашего отношения к этому вопросу.

¹ Нильс Стенсен (1638—1686) – латинизированная форма: Николай Стеной, Стено – датский естествоиспытатель (анатомия, геология, кристаллография). – Прим. ред.

Уже в философских школах древней Греции мы находим расхождение во мнениях относительно средств и понятий, пригодных для объяснения поразительных отличий между живыми организмами и другими материальными телами. Хорошо известно, что атомисты считали ограниченную делимость всякой материи необходимой не только для объяснения простых физических явлений, но и для толкования отправлений живых организмов и связанных с ними психических явлений. С другой стороны, Аристотель отвергал атомистические идеи и, имея в виду цельность, какую обнаруживает каждый живой организм, защищал необходимость вводить в описание природы такие понятия, как совершенство и целесообразность.

В течение почти 2000 лет положение оставалось по существу неизменным. Только в эпоху Возрождения были сделаны те великие открытия как в физике, так и в биологии, которые должны были дать новый побудительный толчок к дальнейшему их развитию. В физике прогресс состоял прежде всего в освобождении от аристотелевской идеи о движущих силах как о причине всякого движения. Галилей установил, что равномерное движение есть проявление инерции, и рассматривал силу как причину изменения движения. Оба эти утверждения должны были стать основой развития механики, которую Ньютон облёк в незыблемую и законченную форму, к восхищению последующих поколений. В этой так называемой классической механике исключено всякое упоминание о цели, так как ход событий описывается как автоматическое следствие заданных начальных условий.

Прогресс механики не мог не оказать сильнейшего влияния на всю современную науку. В частности, анатомические исследования Везалиуса и открытие Гарвеем кровообращения навели на мысль сравнивать живые организмы с машинами, работающими по законам механики. Из философов особенно Декарт подчёркивал сходство животных с автоматами, но вместе с тем он приписывал человеческим существам душу, взаимодействующую с телом в некоторой железе в мозгу. Однако в своем знаменитом Парижском докладе об анатомии мозга Стенсен подчеркнул недостаточность современного знания таких проблем; этот доклад свидетельствует о его большой наблюдательности и непредвзятости, характерных для всей его научной деятельности.

Дальнейшее развитие биологии, особенно после изобретения микроскопа, привело к открытию неожиданной тонкости строения живых организмов и их регулирующих процессов. Таким образом, механистические идеи нашли себе ещё более широкое применение, но в то же время поразительная способность живых организмов к регенерации и приспособлению породила и так называемые виталистические и финалистические (телеологические) взгляды, которые не раз и высказывались. Такого рода взгляды уже не возвращали к примитивным идеям жизненной силы, действующей в живых организмах, а скорее делали упор на недостаточность физического подхода для объяснения характерных черт жизни. В качестве спокойного изложения ситуации, какой она была в начале этого столетия, я бы хотел сослаться на следующее высказывание моего отца, физиолога Христиана Бора, во введении к его статье, опубликованной в ежегодном издании Копенгагенского университета за 1910 г. под заглавием «О патологическом расширении лёгких»:

«Поскольку физиологию можно характеризовать как особую ветвь естественных наук, её специальной задачей является изучение явлений, свойственных живому организму как данному эмпирическому объекту; цель этих исследований – добиться понимания роли различных частей организма в саморегуляции, понимания того, как эти части уравновешивают друг друга и достигают согласованности при изменении внешних воздействий и внутренних процессов. Соответственно самой природе этой задачи слово «цель» относят к сохранению живого организма, а целесообразным называют регулирующие механизмы, служащие к его сохранению. Именно в этом смысле мы и в дальнейшем будем употреблять понятие «целесообразность» в применении к органическим отправлениям. Для того чтобы употребление этого понятия в каждом отдельном случае не было бессодержательным или даже вводящим в заблуждение, нужно потребовать, чтобы ему всегда предшествовало достаточно тщательное исследование рассматриваемого явления органической жизни. Такое исследование должно шаг за шагом осветить тот путь, каким это явление способствует сохранению живого организма. Хотя это есть всего-навсего требование научного доказательства того, что в данном случае понятие целесообразности употреблено в соответствии с его определением, а это требование может показаться очевидным, тем не менее мы считаем нелишним его подчеркнуть. Действительно, физиологические исследования выявили такое великое множество крайне тонких приспособлений живого организма, что очень соблазнительно называть каждое наблюдённое проявление жизни целесообразным, не затрудняя себя экспериментальным исследованием детальных его отправлений. При помощи аналогии, которые так легко находятся среди многообразных органических отправлений, легко сделать следующий шаг и истолковать такое отправление субъективным образом, приписав ему в данном случае то или иное специальное назначение. Очевидно, однако, что при нашем столь ограниченном знакомстве с живыми организмами такое субъективное суждение очень часто может быть ошибочным; это иллюстрируется множеством примеров. В таких случаях недостаточное экспериментальное освещение деталей процесса и является причиной ошибочных результатов подобного образа действия. Само по себе априорное предположение целенаправленности органического процесса, однако, вполне естественно в качестве эвристического принципа; благодаря крайней сложности условий в организме и трудности их учёта и понимания этот принцип может оказаться не только полезным, но даже необходимым для постановки конкретной научной задачи и для поисков путей к её решению. Но одно дело – это то, чем удобно и можно пользоваться в предварительном исследовании, и совсем другое дело то, что может законно рассматриваться как окончательный результат. Что касается проблемы целесообразности данного отправления для сохранения живого организма в целом, то, как подчёркнуто выше, такой результат может быть обеспечен только наглядным показом в подробностях тех путей, которыми достигается эта цель».

Я привёл эти замечания, отражающие взгляды того круга, в котором я вырос и чьи дискуссии я слушал в молодости, потому что они представляют подходящую исходную точку для исследования места, занимаемого живыми организмами в описании природы. Как я попытаюсь показать, современное развитие атомной физики, увеличив наши знания об атомах и о том, как они составлены из более элементарных частиц, обнаружило вместе с тем принципиальную ограниченность так называемого механистического представления о природе. Этим оно создало новые предпосылки для решения вопроса, имеющего прямое отношение к нашему предмету, а именно: что мы можем понимать под научным объяснением и что мы можем от него требовать?

Для того чтобы представить положение в физике как можно яснее, я прежде всего напомню вам тот крайний взгляд, который был выражен в известной идее Лапласа о мировой машине и который возник под влиянием больших успехов классической механики. Согласно этой концепции, все взаимодействия между частями, составляющими эту машину, подчиняются законам механики; поэтому интеллект, знающий расположение и скорости этих частей, мог бы предсказать все последующие события во вселенной, включая поведение животных и человека. Эта идея, как известно, играла большую роль в философских дискуссиях; однако во всей этой концепции не было обращено должного внимания на те предпосылки, которые нужны для того, чтобы были применимы такие понятия, без каких невозможно сообщение о физическом опыте.

В этом отношении дальнейшее развитие физики настоятельнейшим образом преподало нам урок. Уже чрезвычайно важное толкование тепловых явлений как непрерывного движения молекул в газах, жидкостях и твердых телах привлекло внимание к большому значению условий наблюдения для описания опытных фактов. Конечно, не могло быть и речи о подробном описании движения бесчисленных молекул среди себе подобных; можно было говорить лишь о выводе статистических закономерностей теплового движения путём использования общих механических принципов. Своеобразный контраст между обратимостью простых механических процессов и необратимостью, типичной для многих термодинамических явлений, был, таким образом, разъяснён тем фактом, что применение понятий, подобных температуре и энтропии, относится к экспериментальным условиям, несовместным с полным контролем над движением отдельных молекул.

В сохранении и росте живых организмов видели иногда противоречие с вытекающим из законов термодинамики стремлением к температурному и энергетическому равновесию изолированной физической системы. Однако мы должны помнить, что живые организмы непрерывно снабжаются свободной энергией путём питания и дыхания и самые тщательные физиологические исследования никогда не обнаруживали никакого отклонения от принципов термодинамики. Всё же признание такого рода сходства между живыми организмами и обыкновенными силовыми двигателями, конечно, никоим образом не достаточно для ответа на вопрос о положении живых организмов в описании природы; этот вопрос, очевидно, требует более глубокого анализа проблемы наблюдения.

Как раз эта проблема и была неожиданно выдвинута на первый план открытием универсального кванта действия, выражающего свойство цельности атомных процессов; это свойство не допускает того различения между наблюдением явления и поведением объектов самих по себе, которое столь характерно для механистической концепции природы. В физических системах обычного масштаба изображение событий как цепи состояний, описываемых доступными измерению величинами, покоится на том обстоятельстве, что мы имеем здесь дело с действиями достаточно большими, чтобы можно было пренебрегать взаимодействием между объектами и телами, которые служат как измерительные инструменты. В условиях, когда квант действия играет решающую роль и когда взаимодействие составляет неотъемлемую часть явления, уже нельзя в этой же мере приписывать явлениям ход, точно определённый в механическом смысле.

Мы стоим здесь перед крушением обычных физических наглядных представлений; это крушение убедительно сказывается в трудности говорить о свойствах атомных объектов независимо от условий их наблюдения. В самом деле, электрон, несомненно, можно рассматривать как заряженную материальную частицу, поскольку измерения его инертной массы всегда дают один и тот же результат и поскольку каждая передача электричества между атомными системами всегда равна целому кратному числу так называемого единичного заряда. Между тем интерференционные эффекты, возникающие, когда электроны проходят сквозь кристаллы, несовместимы с механическими представлениями о движении частиц. Мы встречаем аналогичные черты в известной дилемме о природе света, поскольку оптические явления требуют понятия о распространении волн, тогда как законы передачи количества движения и энергии в атомных фотоэффектах опираются на механическое представление о частицах.

Эта ситуация, новая в физической науке, потребовала нового анализа тех предпосылок, на которых основано применение понятий, употребляемых нами для ориентирования в окружающем. Конечно, в атомной физике мы сохраняем свободу ставить природе вопросы в форме экспериментов, но мы должны признать, что все разнообразные экспериментальные условия определяются исключительно телами, настолько тяжёлыми, что в описании их действия можно не считаться с квантом. Информация об атомных объектах получается только в форме следов, которые они оставляют на этих измерительных приборах; таким следом является, например, пятно от удара электрона о фотографическую пластинку, помещённую в экспериментальной установке. То обстоятельство, что такие следы происходят от необратимых усилительных эффектов, придаёт явлениям своеобразный законченный характер, прямо указывающий на принципиальную необратимость самого понятия наблюдения.

Особенность положения в квантовой физике состоит прежде всего в том, что информация, полученная об атомных объектах, не может быть объединена и истолкована на основе того подхода, который типичен для механистической концепции природы. Уже тот факт, что в одной и той же экспериментальной установке будут, вообще говоря, регистрироваться наблюдения, относящиеся к разным индивидуальным квантовым процессам, влечёт за собой принципиальное ограничение детерминистического метода описания. Далее, классическое физическое описание покоится на требовании неограниченной возможности подразделять явление; но это требование явно несовместимо со свойством цельности типичных квантовых явлений. В самом деле, всякое поддающееся определению подразделение требует изменения экспериментальной установки, благодаря которому возникают новые индивидуальные эффекты.

Чтобы характеризовать соотношение между явлениями, наблюдёнными при разных экспериментальных условиях, был введён термин «дополнительность»; он подчёркивает тот факт, что взятые вместе такие явления исчерпывают всю поддающуюся определению информацию об атомных объектах. Идея дополнительности отнюдь не содержит произвольного отказа от привычного физического объяснения; но она непосредственно относится к нашему положению наблюдателей в такой области опыта, где однозначное применение понятий, используемых при описании явлений, существенно зависит от условий наблюдения. Математическое обобщение системы понятий классической физики дало возможность развить формальный аппарат, в котором остаётся место для логического включения кванта действия. Непосредственная цепь этой так называемой квантовой механики состоит в формулировании статистических закономерностей, относящихся к данным, добытым в определённых условиях наблюдения. Принципиальная полнота такого рода описания обеспечивается тем, что при этом идеи классической механики сохраняются в пределах, достаточных для характеристики любых поддающихся определению вариантов экспериментальных условий.

Дополнительный характер квантовомеханического описания ясно выражен в способе описания состава и реакций атомных систем. Так, характерные спектры элементов и валентности химических соединений зависят от закономерностей, относящихся к энергетическим состояниям атомов и молекул, а эти закономерности обнаруживаются только при таких обстоятельствах, когда возможность контроля над положениями электронов в атоме или в молекуле исключена. В этой связи интересно отметить, что плодотворное применение структурных формул в химии покоится единственно на том факте, что атомные ядра намного тяжелее электронов. Однако что касается устойчивости и превращений самих ядер, то там квантовомеханические свойства опять становятся решающими. Только в дополнительном описании, выходящем за рамки механистического понимания природы, и можно найти место для фундаментальных закономерностей, определяющих свойства тех веществ, из которых состоят наши инструменты и наши тела.

Прогресс в области атомной физики нашёл, как известно, широкое применение в биологических науках. В частности, я могу указать на достигнутое нами понимание своеобразной устойчивости химических структур в клетках, передающих наследственные свойства вида, а также понимание статистических законов появления мутаций в организмах, подвергшихся воздействию специальных факторов. Далее, усилительные эффекты, подобные тем, какие позволяют наблюдать индивидуальные атомные частицы, играют решающую роль во многих отправлениях живого организма. Наличие таких эффектов подчёркивает необратимый характер типичных биологических явлений. А присущая описанию отправлений живых организмов направленность хода времени ярко проявляется в способности организмов использовать предшествующий опыт для реакций на последующие раздражители.

В этом многообещающем развитии мы имеем дело с очень важным и по существу почти неограниченным расширением области применения чисто физических и химических идей к биологическим проблемам. А так как квантовая механика представляется рациональным обобщением классической физики, то в целом этот подход можно назвать механическим. Вопрос, однако, в том, действительно ли и в каком смысле такой прогресс подрывает основы для применения в биологии так называемых финалистических аргументов. Здесь мы должны признать, что описание и толкование замкнутых квантовых явлений не обнаруживает никаких признаков, указывающих на то, что организация, составленная из атомов, способна приспосабливаться к окружающему так, как мы это видим в случае самосохранения, и эволюции живых организмов. Далее, необходимо подчеркнуть, что исчерпывающий в смысле квантовой физики отчёт о всех непрерывно обменивающихся атомах живого организма, не только невозможен, но, очевидно, потребовал бы таких условий наблюдения, которые несовместны с проявлением жизни.

Однако поучение, касающееся того, какую роль играют орудия наблюдения в определении элементарных физических понятий, даёт ключ к логическому применению таких понятий, как целесообразность, которые чужды физике, но так прекрасно приспособлены к описанию органических явлений. В самом деле, если иметь это в виду, то будет очевидно, что взгляды, называемые механистическими и финалистическими, не представляют противоречащих друг другу точек зрения на биологические проблемы, а скорее подчёркивают взаимно исключающий характер условий наблюдения, одинаково необходимых для наших поисков всё более полного описания жизни. Здесь, конечно, речь идёт не об объяснении такого типа, как описание работы простых механических конструкций на основе классической физики или как описание действий сложных электронных счётных машин. Предмет нашего обсуждения – расширение того анализа предпосылок и области применимости понятий, служащих для передачи опыта, который стал характерной чертой новейшего развития физики.

Если не считать различий в условиях наблюдения, словесная передача биологических опытных данных содержит не больше ссылок на субъективного наблюдателя, чем описание опыта физического. Таким образом, до сих пор не было надобности входить в подробности тех условий наблюдения, которые характерны для отчёта о психологических явлениях. Но для этих последних мы уже не можем полагаться на систему понятий, выработанную для нашего ориентирования в неживой природе. Однако сознательный опыт запоминается, и потому он должен быть связан с остаточным изменением конституции организма. Этот факт заставляет думать о сходстве между психическими опытами и физическими наблюдениями. Что касается зависимости между разными видами сознательного опыта, то тут мы тоже встречаем черты, напоминающие условия для связного описания атомных явлений. Богатый словарь, которым мы пользуемся при описании нашего душевного состояния, как раз и подразумевает типично дополнительный метод описания, соответствующий непрерывному изменению того предмета, на котором сосредоточено внимание.

Механистический метод описания потребовал расширения, чтобы можно было охватить неделимость атомных явлений. Подобно этому, цельность живого организма и единство личности, конечно, ставят нас лицом к лицу с необходимостью дальнейшего обобщения той основы, на какой возможно рациональное использование наших средств общения. В этом отношении надо подчеркнуть, что необходимое для однозначного описания разграничение между субъектом и объектом сохраняется и здесь. Это достигается тем, что в каждом сообщении, содержащем ссылку на нас самих, мы, так сказать, вводим новый субъект, не являющийся предметом нашего сообщения. Едва ли нужно особо подчёркивать, что именно эта свобода выбора линии разграничения субъект—объект и освобождает место для многообразия сознательных явлений и богатства человеческой жизни.

Та точка зрения на общие проблемы познания, к которой привело нас развитие физики в этом столетии, существенно отличается от подхода к таким проблемам во времена Стенсена. Однако это не значит, что мы сошли с того пути к обогащению наших познаний, по которому он шёл с таким большим успехом; мы только ясно поняли, что стремление к красоте и гармонии, которое отличало деятельность Стенсена, требует неуклонного пересмотра предпосылок и степени общности понятий, использованных в качестве средств общения.