Общий закон природы, которым пользуются естествоиспытатели, сервируется всегда под некоторым соусом. Сущность закона останется неизменной, но его обрамление, толкование, подача читателю меняются с каждым десятилетием. И ньютоновская механика, которую преподают сегодня в вузе, мало похожа на механику, созданную самим Ньютоном.
В чем же неизменная сущность закона?
Она состоит в тех правилах, которые являются руководством для решения задач. Она состоит в описании и предсказании явлений, которые должны произойти в таких-то и таких-то условиях. Она состоит в указании процедур измерений некоторых величин и в описании тех графиков, которые получатся, если некий игрек откладывать в функции икса.
А обрамление?
Оно содержит ряд определений, с помощью которых сокращается разговор и предмет делается более наглядным. Скажем, траектория – это кривая, по которой движется тело. Кроме определений, имеются некоторые утверждения о свойствах пространства и времени, далеко не всегда имеющих прямое отношение к делу, и из которых не всегда понятно, что хотел сказать автор теории или ее комментатор.
Так что в обрамление входят всяческие слова и фразы, не имеющие отражения в опытных процедурах.
Отделение сущности от фестончиков далеко не всегда является простой задачей.
После смерти Ньютона прошло много времени. Родилась электродинамика. Было доказано, что световые волны являются электромагнитным излучением. Измерение скорости света стало интересной задачей, служащей для проверки электромагнитной теории света. Майкельсон ставит свои знаменитые опыты по измерению скорости света и обнаруживает неприятную деталь, нарушающую безупречность теории: скорость света в направлении движения Земли и в направлении, перпендикулярном движению Земли, оказывается одинаковой.
Это не укладывалось в существующие представления. Большинство ученых думало, что пространство абсолютно (ведь так сказано у Ньютона), а земной шар движется по отношению к эфиру. Если так, то Земля как бы догоняет луч света, посланный по движению, и убегает от луча, посланного "назад". Ясно, что такой эффект должен сказаться на скорости светового луча. А он не сказывается. Неприятность? Темное пятнышко? Или, как было сказано одним крупнейшим физиком того времени, облачко, омрачающее синее небо науки конца XIX века?
Да! Это нетерпимо, как зубная боль. И много лучших умов искало выхода из противоречия. Решение пришло в 1905 году. Так родилась теория относительности Альберта Эйнштейна – гения, равного Ньютону.
Вот здесь-то и понадобилось очистить орех от скорлупы. Признание абсолютности пространства и времени – это обрамление закона Ньютона. А сущность закона совсем не здесь, а в соотношениях между силой и ускорением, в утверждении независимости массы тела от скорости движения. Эти положения не могут быть опровергнуты; они есть обобщение человеческого опыта.
Но опыт касался тел, движущихся со скоростями, несравненно меньшими, чем скорость света. Значит, теперь мы вправе вносить в законы Ньютона любые поправки, но с одним непременным условием: при малых значениях отношения v/c – скорости тела к скорости света – новая теория должна оставить законы Ньютона в целости и сохранности. Иными словами, новая теория должна быть неким обобщением, из которого прежняя теория (незыблемое завоевание науки!) должна вытекать как частный случай.
Откинув утверждение Ньютона об абсолютности времени, объявив независимость скорости света от системы координат, в которой ведется наблюдение, законом природы, Эйнштейн формулирует теорию относительности, которая решает сразу много задач.
Во-первых, она разрубает гордиев узел противоречий, связанных с опытом Майкельсона. Во-вторых, она дает естественное объяснение возрастанию массы электрона со скоростью его движения.
Но отказ от привычного обрамления механики сопряжен с большой ломкой, и поэтому, чтобы теория завоевала признание, нужно сделать предсказания таких явлений, которые еще не наблюдались. Теория относительности выдержала такое испытание.
Из постулатов новой теории строго вытекает знаменитое уравнение взаимосвязи массы и энергии. Сущность его следующая. Если в результате какого-либо процесса система выделяет энергию, то масса системы должна уменьшиться на легко рассчитываемую величину. К сожалению, этот эффект слишком мал для химической реакции, но очень значителен при реакции атомных ядер. А такие реакции удалось осуществить в наши дни.
Окончательный триумф теории можно формально отнести к этому моменту. Но на самом деле физики "признали" ее задолго до непосредственной проверки с помощью уравнения, связывающего массу с энергией. Были проверены, в частности, некоторые астрономические следствия теории. Эти проверки плюс исключительная стройность и изящность теории и, наконец, прозрение того, что лишь ограниченность мышления и метафизические предрассудки заставляют ученых цепляться за фальшивую скорлупу, облекавшую известные до 1905 года общие законы природы, обеспечили теории относительности стопроцентное признание здравомыслящих физиков.
Таким образом, произошла настоящая революция в мировоззрении исследователей. Но смены одного закона природы другим не произошло, как это часто принято думать.
Еще раз и еще раз стоит повторить: новый закон природы не может отменить старого. Новый закон является (если он, конечно, истинно новый) обобщением, он не зачеркивает, а лишь обводит четкой линией область применимости старого закона. Открытие нового закона означает, что наука овладела такой областью, которая была ей ранее недоступна.
Новый закон – это расширение старого, но не разрушение его. Ошибочные представления связаны, вероятно, с бурными дискуссиями, не имевшими прямого отношения к науке. В этих спорах происходило назойливое противопоставление механики И. Ньютона и механики А. Эйнштейна. Это было искажением, дезориентировавшим лиц, далеких от естествознания. Спорил не А. Эйнштейн с И. Ньютоном. Спорили между собой метафизики, обсуждавшие с темпераментом, заслуживавшим лучшего применения, к каким совпадениям или противоречиям с высказываниями тех или иных философов можно прийти, если считать, что время абсолютно или время относительно.
Тонны бумаги были истрачены на то, чтобы исследовать право энергии быть связанной с массой. При этом на щитах борющихся были начертаны имена И. Ньютона и А. Эйнштейна! А корень недоразумения крылся в смешении воедино совсем разных вещей: соотношения общих законов природы, установленных Ньютоном и Эйнштейном, и сопоставления некоторых определений и модельных представлений, существовавших до 1905 года и получивших становление после этого срока.
Может быть, еще более поучительно такое же смешение в одну кучу разных вещей, происшедшее при открытии квантовой механики. Здесь события развивались следующим образом.
Когда в 1913 году Н. Бор сформулировал законы движения электрона около атомного ядра, стало очевидным, что если желаешь разобраться в атомных спектрах, то придется отказаться от мысли, что движение электрона в атоме подчиняется механике И. Ньютона. Убежденность в том, что микрочастицы ведут себя как-то по-особенному, продолжала крепнуть. События закончились созданием в середине двадцатых годов новой механики для микрочастиц, получившей название квантовой, или волновой.
Да, такая механика была действительно необходимой. Без нее можно было бы стать в тупик, так как множество обнаруженных к тому времени новых явлений не объяснялось классической механикой. Чего только стоит дифракция электронов! Электроны (их представляли частицами, тельцами), падая на кристалл, ведут себя так же, как рентгеновы лучи (а это волны). И законы И. Ньютона в этом явлении бессильны что-либо предсказывать. Что делать? Появилась мысль – отказаться от привычных представлений об электроне как частице.
Уже первые работы на этом пути Луи де Бройля, Э. Шредингера и В. Гейзенберга вызывали чувство уверенности у грамотного читателя, что найдено нужное направление для объяснения каверзных явлений. Было сразу же установлено, что новые теории выдерживают первое испытание: они не опровергают механику И. Ньютона, а впитывают ее как частный случай.
Микрочастицы в фантастическое число раз легче самой крошечной пылинки. От новой теории надо потребовать, чтобы она переходила в законы И. Ньютона при некотором определенно большом размере частиц. Такое условие в совершенно явной форме было сформулировано В. Гейзенбергом. И оказалось, новая механика нужна лишь в том случае, если требуется рассчитывать движение электронов, атомов, иногда небольших молекул.
Мы еще поговорим о формуле В. Гейзенберга в своем месте, а именно тогда, когда пойдет речь о строгом смысле, который физики вкладывают в определение понятия траектории. Сейчас же весь этот разговор нам понадобился лишь опять для той же цели – подчеркнуть, что новая механика ни в малейшей степени не отменила старой. Открытие законов движения микрочастиц только еще более четко выделило ту область применения (поистине грандиозную), где законы механики И. Ньютона играют и будут вечно играть свою роль господина и пророка.
Соусы, под которыми может быть подана на стол читателю квантовая механика, могут отличаться весьма сильно. И споры между интерпретаторами квантовой механики, сторонниками классической точки зрения, лицами, разделяющими сомнения Эйнштейна, и т. д. и т. п. продолжаются по сей день.
Но, как говорится, "а Васька слушает да ест". Физики либо пропускают мимо ушей эти споры, либо с интересом к ним прислушиваются; однако сами продолжают применять квантовую механику для расчетов и интерпретации явлений. И при этом с огромным успехом. Ведь квантовая механика однозначно связывает условия постановки опыта с его результатами. А больше ничего и не требуется от общего закона природы для его использования.
Таким образом, революции в мировоззрении естествоиспытателей не затрагивают спокойной глубокой воды – общего закона природы, который должен быть сформулирован таким обоазом, чтобы не зависеть от метафизических наслоений. Эта сущность общего закона природы не подлежит изменениям и является завоеванием науки на вечные времена.
Почему? Потому что общий закон природы есть не что иное, как обобщение человеческой практики.
Итак, общие законы природы не отменяются последующим развитием науки. А нельзя ли, отталкиваясь от этого утверждения, поразмышлять над тем, что может и что не может быть открыто грядущими веками? Дело это, конечно, сложное. Но рискнуть тем не менее стоит.
Столбовая дорога науки – это изучение природы в новых условиях: либо таких, которые редко возникают, и потому исследователи не смогли еще изучить то или иное явление в этих необычных условиях; либо таких, которые искусственно создаются с помощью современной мощной техники. Как будет вести себя вещество при давлениях в миллионы тонн? Как будут протекать химические реакции при температурах, близких к абсолютному нулю? Как будут сталкиваться элементарные частицы, разогнанные в фантастически мощных ускорителях? Каково поведение человеческого организма в условиях длительного одиночества и невесомости? Как происходит деление клетки при мощном воздействии радиации?..
Нельзя сказать, столкнемся ли мы, шествуя по этим дорогам, с необходимостью отказа от наших старых законов. Но это, во всяком случае, не исключено.
Поскольку законы, которые нам известны, установлены для более скромных условий, то может оказаться, что они пригодны лишь в границах сегодняшнего опыта. А за пределами этих границ, возможно, существует немало не открытых еще законов. Однако мы знаем, что такие неоткрытые законы не должны перечеркивать всё то, что известно нам сейчас. Напротив, неоткрытые законы природы должны содержать в себе как частные случаи те общие законы, которые находятся сегодня на вооружении науки.
Вполне возможно, что вступление в новые области вызовет отказ от принятых сегодня наглядных моделей, потребует изменения формулировок и определений, модернизации научного языка. Впереди сколько угодно споров о природе вещей, жарких взаимных обвинений в непонимании принципов устройства мира. Это всё будет. Но то, что наукой завоевано в виде обобщения человеческого опыта, войдет в науку будущего. Во всяком случае, того будущего, в которое еще есть смысл заглядывать.
О непонятном
Как известно, семь мудрецов могут встать в тупик от вопросов одного…
Да, много вопросов можно задать: и почему у верблюда горб, и зачем на небе Луна, и почему листья зеленые, и почему у собаки хвост, а у человека его нет, и почему у Ивана Никифоровича голова редькой хвостом книзу, а у Ивана Ивановича редькой хвостом кверху, и почему на другой стороне земного шара люди вверх ногами ходят и не падают, и почему свет движется так быстро, что уж быстрее нельзя?.. Можно спросить и про то, а что было перед тем, как создалась солнечная система, а перед тем, как образовалась Галактика, куда она входит, а еще раньше что было? Можно полюбопытствовать о том, что будет через миллиард миллиардов…
А вот и другие вопросы: чем объясняется сверхпроводимость, почему луч лазера способен проходить большие расстояния, почему от родителей к детям передаются наследственные признаки?…
Многое можно спросить. Но не на все вопросы можно ответить.
Что же это за вопросы, на которые нельзя ответить? Во-первых, это вопросы, лишенные смысла, или лишенные содержания, или лишенные права на постановку. Во-вторых, есть вопросы не бессмысленные, но ответ на которые практически дать невозможно, а потому они неинтересны. И наконец, есть вопросы, правильно поставленные; на некоторые из них можно дать ответ, но на другие пока еще ответа дать нельзя.
Вот в поисках ответа на правильно поставленные вопросы и работают сподвижники науки.
Во всем этом нам нужно разобраться. И прежде всего надо условиться, что значит объяснить явление.
Почему брошенный камень падает на землю? Почему бывают океанские приливы? Почему космический снаряд, движущийся со скоростью меньше восьми километров в секунду, не удастся превратить в спутник Земли? Что такое гравитационные методы разведки?
Ответить на все вопросы, которые я перечислил, объяснить явления, о которых шла речь, – значит показать, что все они являются следствиями общего закона природы – закона всемирного тяготения. Объяснение – это сведение частного к общему, это нахождение для явления его полочки в здании, увенчанном крышей общего закона природы. Ясно, не правда ли?..
Да, но… почему всё-таки тела притягивают друг друга?
Увы, дорогой читатель? Вот на это не могу ответить, не могу удовлетворить вашего любопытства. Так уж устроена природа. На сегодня закон всемирного тяготения есть общий закон природы. И называется он так именно по той причине, что нет никаких более общих положений, из которых его можно было бы получить как следствие.
Значит, объяснение имеет потолок? Совершенно верно. И всегда его будет иметь. Другое дело, что потолок этот имеет тенденцию повышаться. Возможно, когда-либо будет найден такой закон природы, из которого как частные следствия будут вытекать и закон всемирного тяготения, и законы электромагнитного взаимодействия. А может быть, даже и будет когда-либо найдена одна величественная формула, из которой рассуждениями или расчетами можно будет вывести все наблюдаемые в мире явления. Тогда это будет потолок потолков. Но это фантазия.
Что же касается сегодняшней науки, то она естественным образом распадается на ряд областей, – где в каждой имеется свой генерал – закон.
Разобраться в явлении, понять его, получить объяснение, получить ответ на вопрос – это значит показать, что явление однозначно следует из генерал-закона и беспрекословно ему подчиняется во всех деталях своего поведения.
Не надо думать, что все вопросы такого типа получили уже ответ. Есть и без ответов, и их немало. Некоторые очень долго раздражали физиков своей непонятностью. Вот, например, явление сверхпроводимости. Открыто оно было более 50 лет назад. Заключается оно в практически полной потере сопротивления электрическому току ряда металлов и сплавов при очень низких температурах (близких к абсолютному нулю, то есть к минус 273 градусам Цельсия). В замкнутой цепи из сверхпроводящего кабеля электрический ток может циркулировать часами при отсутствии источника тока.
В том, что это поразительное явление не нашло себе объяснения сразу после обнаружения, нет ничего удивительного. Просто ученые еще мало знали. Хотя в конце двадцатых годов общие законы движения электронов были установлены вполне надежно и это давало стопроцентную уверенность, что нет никакого чуда, нет "сверхпроводящего чертика" и что явление будет объяснено уже установленными общими законами природы, которые на сотнях и тысячах примеров доказали с блеском свою справедливость.
Примерно тридцать лет отделили открытие квантовой механики от создания теории сверхпроводимости. Отсутствие объяснения сверхпроводимости тридцать лет раздражало физиков. И не удивительно, что тем, кто избавил мир от этой неприятности, немедленно была присуждена одна из высших наград ученого – Нобелевская премия.
Разумеется, этот большой интервал был не случайным. Много наблюдений и теоретических расчетов сделано предшественниками, чтобы создать тот строй мыслей, родить ту догадку, которая привела к созданию теории. Совсем не лежало на поверхности то следствие из общих законов природы, которое объясняло сверхпроводимость.
Оказалось, что причина сверхпроводимости – в способности электронов образовывать пары, легко передвигающиеся благодаря взаимодействию с тепловыми колебаниями атомов в кристаллической решетке. Объединенные два электрона напрочь лишены тормозных качеств. Если что-либо замедлило один электрон, то его напарник меняет свое движение таким образом, что вклад пары в силу текущего тока остается неизменным.
Ну как, поняли? Нет? Не огорчайтесь. В данном случае причина непонимания совершенно очевидна – недостаток знаний. И большой недостаток моего объяснения! Оно должно было бы заключаться в строгом логическом выводе возможности сверхпроводимости из общих законов природы – законов квантовой механики. Но из-за невозможности это сделать я сказал несколько смутных для вас фраз, претендующих лишь на то, чтобы дать представление о неожиданности результатов, хранившихся долгие годы в скрытом виде в аппарате квантовой механики.
Сверхпроводимость является примером явления, долго мучившего физиков своей непонятностью, но в конце концов покорно подчинившегося генерал-законам. Впрочем, иначе и быть не могло.
Но бывают случаи, когда долгое время остается скрытым не только объяснение, но и само явление. Так обстояло дело с открытием лазеров.
Законы испускания и поглощения света были очевидны и ясны еще задолго до того, как кроваво-красные рубины появились в лабораториях оптиков. Видимо, до 1958 года мало кому ввиду своей кажущейся нереальности приходил в голову вопрос: а нельзя ли заставить возбужденные атомы "подождать" друг друга с тем, чтобы излучение произошло, так сказать, одним махом – чтобы все атомы сразу отдали бы запасенную энергию.
Самая первая, можно сказать пионерская, работа, говорившая о такой возможности, появилась (кстати говоря, у нас в Советском Союзе) еще до войны. Но она оказалась преждевременной. Надо было пройти порядочному числу лет, пока технический уровень не стал реальным для осуществления этой мысли. И не случайно, что практически задача была решена независимо и одновременно в Советском Союзе и США. Открытия такого рода закономерно подготавливаются развитием науки и промышленности.