Некоторые трудности теории световых квантов изложены доктором Джинсом (op. cit., с. 29, 30) следующим образом:
«Если, однако, излучение сравнивать с винтовочными пулями, мы знаем как количество, так и размер этих пуль. Мы знаем, например, сколько энергии содержится в кубическом сантиметре яркого солнечного света, и если эта энергия является совокупностью энергий отдельных квантов, мы знаем энергию каждого кванта (поскольку знаем частоту света) и поэтому можем вычислить число квантов в кубическом сантиметре. Это число оказывается равным примерно десяти миллионам. Аналогичным расчетом установлено, что свет звезды шестой величины содержит лишь около одного кванта на кубический метр, а свет звезды шестнадцатой величины — лишь около одного кванта на десять тысяч кубических метров. Таким образом, если свет распространяется неделимыми квантами, подобно пулям, кванты от звезды шестнадцатой величины могут попадать в земной телескоп лишь через сравнительно редкие интервалы, и будет крайне редким случаем, чтобы два или более квантов находились внутри телескопа одновременно. Телескоп с двойной апертурой должен был бы улавливать кванты в четыре раза чаще, но никаких других различий быть не должно. Это, как отметил Лоренц в 1906 году, совершенно расходится с нашим повседневным опытом. Когда свет звезды проходит через телескоп и оставляет изображение на фотопластинке, это изображение не ограничивается одной молекулой или тесным скоплением молекул, как это было бы, если бы отдельные кванты оставляли свои следы, подобно пулям на мишени. Формируется сложная и обширная дифракционная картина; интенсивность картины зависит от количества квантов, но ее рисунок зависит от диаметра, а также от формы объектива. Более того, рисунок не имеет никакого сходства с рисунком «проб и ошибок», который наблюдается на мишени, обстреливаемой пулями. Кажется невозможным примирить это с гипотезой о том, что кванты движутся подобно пулям прямо от одного атома звезды к одной молекуле фотопластинки».
Трудности волновой теории, с другой стороны, иллюстрируются доктором Эллисом следующим образом:
«Возьмем конкретный случай: предположим, что рентгеновские лучи падают на пластинку из какого-либо материала, тогда обнаруживается, что электроны выбрасываются из пластинки с значительными скоростями. Количество электронов зависит от интенсивности рентгеновских лучей и уменьшается обычным образом по мере удаления пластинки от источника рентгеновских лучей. Скорость или энергия каждого электрона, однако, не варьируется, а зависит только от частоты рентгеновских лучей. Обнаружено, что электроны имеют одинаковую энергию независимо от того, находится ли материал, из которого они исходят, близко к рентгеновской трубке или удален на любое расстояние».
«Это результат, который совершенно несовместим с обычной волновой теорией излучения, потому что по мере увеличения расстояния от источника излучение, распространяющееся во все стороны, становится все слабее и слабее, а электрические силы в волновом фронте уменьшаются обратно пропорционально квадрату расстояния. Экспериментальный результат, что фотоэлектрон всегда получает одинаковое количество энергии от излучения, можно было бы объяснить, только наделив его способностью либо собирать энергию из большого объема, либо собирать энергию в течение долгого времени. Оба этих предположения неработоспособны, и единственный вывод заключается в том, что излучаемая энергия должна быть локализована в небольших пакетах».
«Это основа теории световых квантов. Свет частоты считается состоящим из маленьких пакетов или квантов энергии, все идентичные и величиной, где — постоянная Планка. Эти кванты движутся через пространство, не влияя друг на друга и сохраняя свою индивидуальность до тех пор, пока не вступят в подходящее столкновение с атомом».
Изложив трудности, с которыми сталкивается эта теория в отношении интерференции и дифракции, доктор Эллис переходит к очень интересному предложению, сделанному профессором Г. Н. Льюисом в журнале Nature от 13 февраля 1926 г., с. 236. «Поразительный факт, — говорит доктор Эллис, резюмируя это предложение, — что, хотя все теории направлены на объяснение распространения света, одна теория предполагает, что оно происходит в форме волн, другая — в форме корпускул, однако свет никогда не наблюдался в пустом пространстве. Совершенно невозможно наблюдать свет в процессе распространения; единственные события, которые когда-либо могут быть обнаружены, — это испускание и поглощение света. Пока нет атома, который мог бы поглотить излучение, мы должны оставаться в неведении о его существовании. Другими словами, трудность объяснения распространения света может заключаться в том, что мы пытаемся объяснить то, о чем у нас нет экспериментальных доказательств. Было бы правильнее интерпретировать экспериментальные факты совершенно прямо и сказать, что один атом может передавать энергию другому атому, даже если они находятся далеко друг от друга, способом, аналогичным передаче энергии между двумя сталкивающимися атомами».
Теория профессора Льюиса предполагает, что нам следует серьезно отнестись к тому факту, что интервал между двумя частями светового луча равен нулю, так что его точка отправления и точка прибытия могут рассматриваться как в некотором смысле находящиеся в контакте. В отрывке, процитированном доктором Эллисом, он говорит:
«Я сделаю противоположное предположение, что атом никогда не испускает свет, кроме как другому атому, и что в этом процессе, который скорее можно назвать передачей, чем испусканием, атом, теряющий энергию, и атом, приобретающий энергию, играют координированные и симметричные роли».
В более позднем письме в Nature (18 декабря 1926 г.) профессор Льюис предполагает, что свет переносится корпускулами нового типа, которые он называет «фотонами». Он предполагает, что когда свет излучается, происходит движение фотона; но в другое время фотон является структурным элементом внутри атома. Фотон, говорит он, «не является светом, но играет существенную роль в каждом процессе излучения». Он приписывает фотону следующие свойства: «(1) В любой изолированной системе общее число фотонов постоянно. (2) Вся лучистая энергия переносится фотонами, причем единственное различие между излучением радиостанции и рентгеновской трубки заключается в том, что первая испускает значительно большее количество фотонов, каждый из которых несет гораздо меньшее количество энергии. (3) Все фотоны внутренне идентичны... (4) Энергия изолированного фотона, деленная на постоянную Планка, дает частоту фотона... (5) Все фотоны одинаковы в одном свойстве, которое имеет размерность действия или момента импульса и инвариантно относительно релятивистского преобразования. (6) Условие, чтобы частота фотона, испускаемого определенной системой, была равна некоторой физической частоте, существующей внутри этой системы, в общем случае не выполняется, но приближается к выполнению тем больше, чем ниже частота». Профессор Льюис обещает рассмотреть трудности, стоящие на пути его гипотезы, в будущем.
Взгляд профессора Льюиса, возможно, менее радикален, чем взгляд, который он предполагает, — а именно, что между испусканием света одним атомом и его поглощением другим не происходит вообще ничего. Является ли этот взгляд взглядом профессора Льюиса или нет, он заслуживает рассмотрения, ибо, хотя он и революционен, он вполне может оказаться верным. Если так, то «пустое пространство» практически упразднено. Потребуется значительный труд, если физику нужно переписать в соответствии с этой теорией, но то, что говорится о необходимом отсутствии доказательств относительно света в пути, является весомым соображением. В науке часто встречаются гипотезы, которые с теоретической точки зрения излишне сложны, потому что люди не могут в достаточной мере избавиться от предрассудков здравого смысла. Почему мы должны предполагать, что между испусканием света и его поглощением вообще что-то происходит? Можно было бы склониться к тому, чтобы придать вес тому факту, что свет движется с определенной скоростью. Но теория относительности сделала этот аргумент менее убедительным, чем он был когда-то. Все, что связано со скоростью света, может быть интерпретировано в «пиквикском» смысле, и в любом случае наши предрассудки должны быть потрясены. Конечно, преждевременно принимать такую гипотезу окончательно, и я буду продолжать предполагать, что свет действительно движется через промежуточную область. Но будет мудро помнить об этой возможности и иметь в виду большие изменения в нашей образной картине мира, которые совместимы с нашими существующими физическими знаниями.
Картина, представленная этим развитием предложения профессора Льюиса, была бы примерно такой: мир содержит частицы материи (электроны и протоны), обладающие различными количествами энергии. Иногда энергия передается от одной из этих частиц материи к другой; обычно этот процесс считался случайным, подобно блужданию пуха чертополоха, но обнаруживается, что он больше похож на почтовую посылку в том смысле, что энергия имеет определенный пункт назначения. Сейчас предполагается, что почтальона нет, потому что, если бы он был, он был бы таким же волшебным, как Санта-Клаус; альтернатива — предположить, что энергия переходит непосредственно от одного куска материи к другому. Это правда, что по часам между отправлением энергии из источника и ее прибытием в пункт назначения проходит время. Но в релятивистском смысле нет интервала, и течение времени будет варьироваться в зависимости от используемой системы координат — т. е. в зависимости от того, как движутся часы. Я не знаю, как рассматриваемый нами взгляд объяснит время, затраченное на двойное путешествие к отражателю и обратно, которое не является чисто условным. Также я не знаю, что произойдет с законом сохранения энергии, если свет нельзя излучать в пустоту. Этот последний аргумент, однако, не является серьезным, поскольку свет, который никогда не попадает в кусок материи, в любом случае чисто гипотетический. Я также не уверен, что теория задумана как столь радикальная, как я предположил; возможно, имеется в виду лишь то, что свет никогда не начинает путешествие, не имея в виду пункта назначения. В этой форме, однако, теория казалась бы едва ли правдоподобной: нам пришлось бы предположить, что материя может оказывать таинственное притяжение на расстоянии, что свело бы на нет выигрыш, полученный от теории гравитации Эйнштейна. Возможно, теория приобрела чрезмерную правдоподобность из-за веры в то, что вся геометрия пространства-времени зависит от интервала, тогда как на самом деле существует порядок пространства-времени, который не выводится из интервала и который, как предполагается в теории относительности, не рассматривает как смежные части светового луча, которые обычно считались бы широко разнесенными. Возможно, можно избежать этих трудностей, но, если так, потребуется очень большая теоретическая реконструкция. Тем временем следует считать все еще возможным, что какая-то менее революционная теория решит трудности, связанные с обменом энергией между светом и телами.
Существует три статьи Эйнштейна, в которых обсуждается возможность получения квантовых законов как следствий модифицированной теории относительности. Эти статьи не приходят к какому-либо определенному выводу, уверенно утверждаемому; но их достаточно, чтобы показать, что проблема объединения квантовых законов с законами гравитационных и электромагнитных полей не является безнадежной, — взгляд, который подкрепляется теорией г-на Л. В. Кинга, упомянутой выше (глава IV). Пока не известно, что она безнадежна, возможно, опрометчиво бросаться к героическим решениям проблемы. И до сих пор отнюдь не общепризнано, что волновая теория света неадекватна в своей собственной области; доктор Джинс (loc. cit.), например, считает гипотезу световых квантов излишней по причинам, которые требуют серьезного рассмотрения. Поэтому мы должны дождаться дальнейших знаний, прежде чем решаться на определенное мнение.
СНОСКИ:
[31] См. Eddington, op. cit., §§ 10, 11, 12.
[32] По этому вопросу см. Eddington, op. cit., § 98 (с. 224-6).
[33] Bietet die Feldtheorie Möglichkeiten für die Lösung des Quantenproblems? Sitzungsberichte der preussischen Akademie der Wissenschaften, 1923, с. 359-64. Quantentheorie des einatomigen idealen Gases. Ib., 1924, с. 261-7, и 1925, с. 3-14.
ГЛАВА XIV АБСТРАКТНОСТЬ ФИЗИКИ
ПРЕЖДЕ чем приступить к эпистемологическим дискуссиям, которые будут занимать нас в Части II, было бы полезно извлечь некоторые уроки из предыдущих глав. На протяжении этих глав я тщательно воздерживался от спекуляций, которые вывели бы нас за пределы области физики; в частности, я не стремился интерпретировать математически фундаментальные понятия физики в терминах сущностей, не поддающихся непосредственной обработке обычными математическими методами. Представлялось желательным сначала прояснить, что именно говорит физика, прежде чем предпринимать либо эпистемологическую критику доказательств, либо метафизическую интерпретацию логически примитивного аппарата физики. В этом и состоит цель настоящей главы.
ИСТОРИЧЕСКИ физика начиналась, да и в образовании молодежи до сих пор начинается, с вещей, которые кажутся вполне конкретными. Рычаги и блоки, падающие тела, столкновения бильярдных шаров и т. д. — все это знакомо по повседневной жизни, и для научно ориентированного юноши доставляет удовольствие обнаружить, что они поддаются математическому описанию. Но по мере того как физика расширяет охват и мощь своих методов, она в той же пропорции лишает свой предмет конкретности. Степень, в которой это происходит, не всегда осознается, по крайней мере в моменты, когда человек не занят профессиональной деятельностью, даже самим физиком; он может сказать вам, что «видит», как электрон ударяется об экран, что, конечно, является сокращенным выражением сложного вывода. Доктор Уайтхед сделал больше, чем любой другой автор, чтобы показать необходимость преодоления абстракций физики. В данный момент меня интересует не эта необходимость, а сами абстракции.
ВОЗЬМЕМ пространство, время, свет и материю в качестве иллюстрации постепенно возрастающей абстрактности физики. Все эти четыре понятия извлечены из здравого смысла. Мы видим объекты, распределенные в пространстве, мы можем ощущать их формы своими пальцами; мы знаем, что значит дойти до соседнего города или доехать до соседней страны. Все это делает «пространство» чем-то знакомым и простым, пока в процессе обучения мы не узнаем о загадках, к которым оно привело. Время кажется столь же очевидным: мы помним прошлые события в их временной последовательности, мы замечаем день и ночь, лето и зиму, юность и старость, мы знаем, что история повествует о событиях прошлых эпох, мы страхуем свои жизни в уверенном ожидании того, что умрем в будущем. Свет, опять же, не казался чем-то таинственным автору Книги Бытия, как, впрочем, и любому, кто испытал разницу между днем и ночью? Материя была столь же очевидна: прежде всего это было все, что мы могли потрогать, хотя первый шаг к мистификации был сделан, когда Эмпедокл включил в этот список воздух. Однако мы ощущаем воздух в виде ветра и как нечто, наполняющее наши легкие, так что потребовалось меньше усилий, чтобы признать воздух одним из элементов, чем исключить огонь.
ОТ этой счастливой близости к повседневному миру физика постепенно отходила под давлением собственных триумфов, подобно монарху, который стал слишком величественным, чтобы беседовать со своими подданными. Пространство-время теории относительности очень далеко от пространства и времени нашего ненаучного опыта; однако даже пространство-время ближе к здравому смыслу, чем концепции, к которым тяготеет физика. «Пространство и время, — говорит Эддингтон [34], — являются лишь приблизительными концепциями, которые в конечном итоге должны уступить место более общей концепции упорядочивания событий в природе, не выразимой в терминах четырехмерной системы координат. Именно в этом направлении некоторые физики надеются найти решение противоречий квантовой теории. Ошибочно думать, что концепция местоположения в пространстве-времени, основанная на наблюдении крупномасштабных явлений, может быть применена без изменений к событиям, включающим лишь небольшое число квантов. Если предположить, что это верное решение, то бесполезно искать какие-либо средства введения квантовых явлений в поздние формулы нашей теории; эти явления были исключены с самого начала принятием системы координат в качестве основы отсчета». Но даже если бы пространство-время, каким оно предстает в общей теории относительности, было последним словом относительно физического порядка, соответствующего нашим обычным представлениям о пространстве и времени, очевидно, что мы ушли бы очень далеко от этих представлений и оказались бы в области, где наглядное воображение бесполезно.
ВЗГЛЯД Локка на то, что вторичные качества субъективны, а первичные — нет, был более или менее совместим с физикой вплоть до самого недавнего времени. В нашем непосредственном опыте существуют пространства и времена, и не казалось непреодолимых препятствий для их отождествления с пространствами и временами физического мира. Что касается времени, по крайней мере, практически никто не сомневался в правильности этого отождествления. Существовали сомнения относительно пространства, но они исходили скорее от психологов, чем от физиков. Теперь, однако, и пространство, и время, какими они предстают в непосредственном опыте, признаются авторами работ по теории относительности чем-то совершенно отличным от пространства-времени, требуемого физикой. Таким образом, «промежуточное положение» Локка было окончательно оставлено.
ТЕПЕРЬ я перехожу к отношению света как воспринимаемого к свету в физике. Здесь раскол более древний, чем в случае с пространством и временем; фактически он уже признан в теории Локка. Невозможно преувеличить важность этого раскола в отделении мира физики от мира здравого смысла. За исключением частей нашего собственного тела и тел, с которыми наше собственное тело находится в контакте, объекты, которые, согласно здравому смыслу, мы воспринимаем, познаются посредством света, звука или запаха. Последний, хотя и важен для многих видов животных, относительно второстепенен в восприятии человека. Звук менее важен, чем свет, и в любом случае поднимает в данной связи точно такие же проблемы. Поэтому мы можем сосредоточиться на свете как источнике наших знаний о внешнем мире.