Feb. 7th, 2022 03:04 pm
законы природы
![[personal profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/user.png){kind=small}
n_red_roseБлагодарить исключительно товарища ![[livejournal.com profile]](https://www.dreamwidth.org/img/external/lj-userinfo.gif)
lillibulero! Я только пресс-секретарь ) Могу сказать, что изложение ясное, четкое, с минимумом формул, даже гуманитарий разберется. А школьникам и особенно их учителям - настойчиво рекомендую!
Рудольф Эрнест ПАЙЕРЛС
ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ИСПРАВЛЕННОЕ
Перевод с английского под редакцией
проф. И. М. ХАЛАТНИКОВА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1962
ссылка для скачивания pdf
pdf с ocr без вычитки
От редактора перевода
Предисловие автора
Введение
Глава 1. Движение и сила
Законы Ньютона
Тяготение и другие силы
Импульс и энергия
Столкновения
Момент количества движения
Начальные условия и степени свободы
Глава 2. Электричество и магнетизм
Закон Кулона
Силовые линии
Законы поля или действие на расстоянии
Электромагнетизм
Индукция. Генератор и трансформатор
Окончательная формулировка законов
Электромагнитные волны
Энергия поля
Глава 3. Свет
Спектр. Интерференция. Волны
Дифракция, поляризация, скорость
Свет состоит из электромагнитных волн
Корпускулярная теория. Геометрическая оптика
Глава 4. Атомы и электроны
Химия и гипотеза об атомах
Размеры атомов. Ионы
Электрон
Как устроен атом?
Почему электроны не падают на ядро?
Многие факты можно понять
Глава 5. Хаотическое движение атомов. Тепло как беспорядочное движение
Количество тепла. Тепло и беспорядок
Теплота и движение атомов
Достоверность и законы случая
Новые эксперименты и некоторые трудности
Твердые тела и жидкости
Тепловое излучение
Глава 6. Теория относительности
Общие замечания
Движение и покой
Лорентцево сокращение
Как сравнивать длины и времена
Сложение скоростей
Механика быстро движущихся тел
Приложения и подтверждения теории
Принцип эквивалентности
Общая теория относительности
Глава 7. Кванты, волны и частицы
Гипотеза квантов. Фотоны
Дифракция электронов. Стоячие волны
Переменная длина волны
Атом водорода
Частицы и волны
Принцип неопределенности
Глава 8. Свойства атомов
Водород и гелий
Другие легкие атомы. Принцип Паули
Момент количества движения
Эксперимент с пучком атомов. Спин
Электронные оболочки, ионные молекулы
Другие типы молекул
Твердые тела, металлы, жидкости
Прохождение через потенциальный барьер
Глава 9. Электроны при высоких скоростях
Отрицательные энергии. Трудности
Спин. Позитроны
Силы при больших скоростях. Другие трудности
Новые методы. Лэмбовский сдвиг
Глава 10. Атомное ядро
Радиоактивность. Альфа-распад
Волновая механика решает другой парадокс
Расщепление ядра
Новое оборудование
Нейтроны, изотопы, дефект массы
Ядерные силы
Модель оболочек. Возбужденные состояния
Бета-лучи
Деление. Источники энергии
Глава 11. Мезоны и другие новые частицы
Космические лучи и приборы для их изучения
Известные частицы
Мезоны
Теория Юкавы. Еще мезоны
Еще частицы. Открывается новая глава
Где мы остановились?
Список обозначений
Книга Р. Е. Пайерлса «Законы природы» представляется нам в своем роде уникальной. Если по отдельным частным проблемам современной физики и существуют популярные книги, хоть и в небольшом количестве, то такой книги, которая давала бы в популярной форме представление о всей современной физике, до сих пор не было. Настоящая книга, написанная известным английским физиком-теоретиком Р. Пайерлсом, является первой книгой подобного рода. В ней в доступной для широких кругов читателей форме излагаются основные законы современной физики.
Автору при написании книги пришлось проделать колоссальный труд. Дело в том, что законы современной физики, как известно, для своей строгой формулировки требуют привлечения сложного математического аппарата. Р. Пайерлс в предлагаемой книге сделал попытку обойтись при формулировке законов физики без применения этого аппарата. Естественно, что при этом он смог дать только представление об основных законах физики и не мог дать тех количественных следствий из них, которые неизбежно требуют применения математики.
Следует отметить, что поставленную перед собой задачу автор, несомненно, выполнил успешно. Однако, учитывая сложность современной физики, необходимо иметь в виду, что не все разделы ему удалось довести до уровня общедоступных. Поэтому читателей не должны смущать случаи, когда те или иные места книги не будут поняты при первом чтении. Можно вместе с автором порекомендовать читателю вернуться к этим местам вторично после прочтения всей книги.
Следует иметь также в виду, что автор не ставил перед собой цели излагать историю тех или иных проблем в физике. Из книги можно узнать лишь те представления, К которым физика пришла в настоящее время.
Книга, несомненно, окажется полезной для всех тех, КТО интересуется современной физикой, но не работает Непосредственно в этой области знания. Ее с интересом И пользой прочтут ученики старших классов, студенты вузов, лица, интересующиеся философией естествознания.
Перевод книги выполнен Л. П. Горьковым и И. Е. Дзялошинским.
И. М. Халатников
Замысел этой книги возник после второй мировой войны, когда мне пришлось часто читать лекции об атомной энергии для различных аудиторий. При этом я столкнулся с тем фактом, что, кроме обычных вопросов о природе и опасности атомного оружия, всегда находились люди, интересовавшиеся основами физики. Как принцип неопределенности связан с тем или с этим? Почему атомное ядро не разваливается? Что такое мезон и какое отношение он имеет к ядерным силам, если энергия ядра недостаточна, чтобы он фактически образовался?
Очевидно, некоторые слушатели были заражены той самой научной любознательностью, которая побуждает ученого исследовать тайны природы, и у меня возникло желание ответить на их вопросы. Стремиться к познанию законов природы является долгом ученого перед обществом. Его работа и состоит в том, чтобы найти ответ, когда он стал насущной необходимостью. Приятно в то же время передавать свои знания людям, которые к ним стремятся.
Однако ясно, что в этом деле трудно преуспеть за те несколько минут в конце лекции, которые отводятся обычно для ответов на вопросы. Вопрос может затрагивать квантовую теорию, знакомство с которой трудно предполагать у спрашивающего. И если бы даже и было время на изложение основ квантовой теории, при этом все равно пришлось бы подразумевать у спрашивающего некоторые знания об атомах или волнах, иначе ответ на один вопрос превратился бы в целый курс лекций. В то же время я заметил, что в некоторых случаях, когда ответ можно дать, не слишком углубляясь в обсуждение исходных пунктов, это удается сделать простым языком и без Математики. Действительно, я неоднократно убеждался, ЧТО, излагая свои доводы по возможности просто, избегая технических терминов, я помогал самому себе уяснить их гораздо лучше, чем если бы я пользовался их математической формулировкой.
Это навело меня на мысль попытаться изложить основы современной физики простым языком, в форме, не предполагающей никаких предварительных знаний. Мой юпыт убедил меня как в возможности осуществить это в разумных границах, так и в том, что мои собственные представления станут после этого более ясными для меня самого. В справедливости последнего я уже убедился, прав ли в остальном — предоставляю судить читателю.
Я стремился сделать книгу понятной для неспециалиста. У читателя не предполагается никаких особых познаний- в науке, хотя имеющему некоторое знакомство с физикой будет легче следить за изложением. Это касается прежде всего двух первых глав. Поскольку механика и электричество знакомы многим читателям, я приводил все относящиеся сюда аргументы более подробно, с тем чтобы дать примеры типичных физических рассуждений, которые в следующих главах я уже был вынужден излагать более поверхностно. Может быть поэтому некоторым читателям, не привыкшим к образу мыслей физика, отдельные места в первых двух главах покажутся несколько запутанными. Я посоветовал бы им возвращаться к этим пунктам и перечитывать их, когда они в последующих главах встретятся с вопросами, затрагивающими основы механики или электричества.
Вероятно, найдутся также читатели, знакомые с математикой в большем объеме, чем я ее использовал в книге, однако небольшое увеличение числа математических выкладок едва ли помогло бы делу, если у читателей нельзя предположить знания дифференциальных уравнений. Тем из них, у кого познания в математике простираются достаточно далеко, следовало бы предпочесть более специальную книгу. Но, как я убедился, даже студентам-физикам не вредно познакомиться с аргументами, изложенными в простой описательной форме, и я неоднократно с успехом использовал в факультативных лекциях для студентов некоторые примеры, выработанные мною в процессе написания этой книги.
Я считал бы труд, затраченный на написание книги, полностью вознагражденным, если мне удалось, пусть даже очень бегло, показать читателю, совсем не знакомому с наукой, цели, методы и умозаключения ученого. В наши дни преобладания специального образования можно услышать о типе ученого или инженера, духовные интересы которого ограничены узкой областью, и в чьем образовании полностью пренебрегалось общечеловеческими ценностями, включая искусство и гуманитарные науки. Вполне возможно, такой тип действительно существует, хотя он был бы совершенно не похож на большинство знакомых мне ученых и инженеров. Однако я уверен, что существует также другая крайность, именно человек, чье воспитание ограничивалось искусством и гуманитарными науками и чьи интересы далеки от естественных наук. Действительно, найдется достаточно много педагогов, считающих, что естественные науки не имеют большого воспитательного значения. В своих намерениях увеличить объем знаний, сообщаемых студентам на гуманитарных факультетах, они ограничиваются стремлением включить такие предметы, как историю науки, философию науки, считая их изучение делом более респектабельным, чем изучение самих естественных наук. Возможно, что это и привлекательные предметы, но я ие верю, чтобы изучение их было полезным, если студенты не понимают основ самих естественных наук. Это напоминает попытки преподавать историю искусства человеку, который никогда не видел ни одной картины, или теорию музыки глухому. Я не сомневаюсь поэтому, что в любой попытке ввести некоторые аспекты естественных наук в систему гуманитарного образования был бы целесообразен подход, который я выбрал в этой книге. Уже имея перед собою законченную рукопись, я полностью отдавал себе отчет, как много важного мною опущено. Кроме ограничений, накладываемых самой темой, объем книги не позволил мне дать описание многих деталей физических приборов й коснуться многих практических вопросов, о которых мы всегда должны помнить, поскольку занимаемся экспериментальной наукой. Я, надеюсь, не позволил читателю забыть, что путь, по которому мы пришли ко всем нашим заключениям, зависит ОТ опытного познания и экспериментирования, хотя эта книга и не дает картины действительной жизни экспериментатора и всего происходящего в его лаборатории. Поэтому некоторые из моих коллег, для которых наибольший интерес в физике лежит в области конструирования и использования новых остроумных приборов, может быть найдут, что основное ударение в моей книге сделано не там, где нужно.
Кроме того, развитие идей приходилось изображать значительно более прямым, чем это было исторически. Я мог описать лишь идеи, которые подтверждены экспериментом в своей первоначальной форме, и не упоминал о тех гораздо более многочисленных, которые опровергнуты или оказались неконструктивными и были впоследствии оставлены. Точно так же я не мог и пытаться передать чувства человека, наблюдающего, как растут и подтверждаются эти новые идеи, — чувства, хорошо описанные в недавних рейтовских лекциях доктором Дж. Р. Оппенгеймером, которого, напротив, многие критики порицали за то, что он не сделал того, что попытался сделать в этой книге я.
В заключение я хотел бы поблагодарить всех, чьим должником я являюсь. Мысли, содержащиеся в этой книге, никоим образом не новы и не принадлежат лично мне, они представляют собой обычное вооружение из арсенала современного физика. Я не смог бы их изложить, не вспоминая многих моих учителей, в том числе, Гейзенберга, Паули и прежде всего Нильса Бора, а также многочисленных коллег, которые помогли мне познакомиться с предметом и достичь некоторой степени понимания. Многие мои друзья, молодые и старые, помогли мне, согласившись быть своего рода «морскими свинками», на которых я испытывал отдельные части книги; все они делали ценные замечания. Я хотел бы также выразить свою признательность профессору Ланселоту Ходжбену за конструктивную критику.
Наш обзор законов природы охватил физику от самого ее возникновения как точной науки до недавних открытий, от закона инерции до мезонов.
Как уже подчеркивалось, каждый новый этап в развитии следует рассматривать не как ниспровержение того, что было известно прежде, а как расширение и обогащение прошлого, так что, вообще говоря, старая работа сохраняет свое значение в соответствующей области. Конечно, какая-то часть из прошлых работ впоследствии оказывалась ошибочной, будучи основана на неточных данных, или неправильных рассуждениях, или на гипотезах, которые не подтвердились. В нашем кратком рассказе о таких работах вообще не говорилось, хотя надо помнить, что отнюдь не каждая идея даже больших физиков выдержала испытание, что приходится перепробовать много таких идей, прежде чем одна оправдает себя.
Другой общий вывод состоит в том, что с ростом наших знаний в результате решения некоторых проблем возникают новые проблемы и трудности. Вопросы, которых мы касались в последних главах, даже не возникли бы без сведений, содержащихся в ранних главах. По мере развития науки количество нерешенных проблем в иные времена казалось чудовищным, тогда как в другие — их становилось гораздо меньше. В какое-то время быстро одно за другим следуют новые открытия, не укладывающиеся в привычную схему, в другое — дело выглядит таким образом, как будто мы приближаемся к окончательному знанию законов физики. Успехи ньютоновской механики породили оптимистический взгляд, что все свойства материи можно в конечном итоге свести к законам механики; даже Максвелл стремился подкрепить свои знаменитые законы электромагнитного поля посредством механической модели. Только позднее, по истечении времени, достаточного, чтобы законы Максвелла стали привычными, и когда идеи теории относительности пролили на них дополнительный свет, стало ясно, что эти законы столь же просты сами по себе, как и законы механики, и что нет никакой необходимости сводить одни к другим.
После того как были уяснены механические и электромагнитные законы, некоторые люди полагали, что теперь законы физики стали полными. Общей тенденцией всех учебников, написанных в начале этого века, было представить физику, как в основном замкнутый предмет, без каких бы то ни было указаний на неразрешенные проблемы. Конечно, было хорошо известно, что характеристики различных веществ не могут быть получены из каких бы то ни было известных законов, но это не рассматривалось как проблема, подлежащая изучению. Удельный вес свинца или электрическое сопротивление меди, твердость алмаза или окраска иода, — это были данные, которые физики использовали в качестве сырьевого материала, но которые они не старались объяснить.
Что законы физики применимы также и к изучению структуры вещества, поняли уже значительно позже, равно как поняли и необходимость изыскивать основные законы, ответственные за все разнообразие. Мы видели в главах 4 и 5, как постепенно эти проблемы приобретали свою форму, а в главах 7 и 8 — как создание квантовой механики позволило дать почти полное объяснение свойствам вещества, исключая, в основном, строение ядра.
Следовательно, одно время опять проблема основных законов казалась простой и полное ее решение близким. Все понимали, что картина не может быть полной, пока не исследованы свойства ядер, но о них так мало тогда знали, что, казалось, для их объяснения многого не потребуется. В то время (до открытия нейтронов) считалось, что ядра содержат протоны и электроны. Конечно, неизвестно, как такая комбинация из электронов и протонов могла бы удерживаться вместе, но изучение электронов с большими скоростями всегда доставляло беспокойства, и поэтому ожидалось, что решение обеих проблем взаимосвязано. Тогда знали только две элементарные частицы, протон и электрон, и помимо отношения их масс имелась еще только одна безразмерная величина (т. е. единственная комбинация физических постоянных, не зависящая от единиц, в которых они выражаются) — постоянная тонкой структуры . Предполагалось, что не так уже много лет понадобится, чтобы объяснить оба эти числа, т. е. объяснить, почему все электроны и протоны имеют наблюдаемую величину электрического заряда и почему протоны приблизительно в 1840 раз тяжелее электронов. Казалось, еще несколько лет, и все основные законы физики будут познаны.
Я не хочу утверждать, что многие физики в то время всерьез придерживались этого взгляда; в действительности большинство из них понимало, что углубление знаний влечет за собой новые проблемы. Но этой точки зрения, исходя из известных в то время фактов, можно было придерживаться с полным основанием. С тех пор прошло около 25 лет, и вместо картины почти полной законченности физика теперь производит впечатление скорее такого предмета, где открытых вопросов больше, чем окончательных ответов, что я и старался показать в двух последних главах. Количество новых частиц неуклонно возрастает, а с ним возрастает список их характеристик (таких, как отношения их масс, времен жизни, их взаимодействий), так что в наше время нет недостатка в данных для проверки какой бы то ни было новой теории. Однако пока не видно нити, позволившей бы кому-нибудь создать такую теорию. Следующий этап, на котором была бы устранена эта явная неразбериха, может наступить завтра, но может и запоздать на много лет. Любые предположения о том, в чем он будет состоять, могут оставаться только фантастическими догадками. Возможно, однажды наши знания о фундаментальных законах физики станут столь полными, что физика превратится в законченный предмет, основанный на известных принципах, в том смысле, в каком ньютоновская механика, применимая к объектам повседневной жизни, является сегодня замкнутой в себе наукой. Но столь же вероятно, что такое окончательное завершение всегда будет оставаться за пределами досягаемости; как далеко ни проникали бы наши изобретательность и любопытство, вслед за каждым новым углублением нашего знания будут открываться новые проблемы, о существовании которых мы не подозревали.
Если даже мы обнаружим однажды, что наши знания основных законов неодушевленной природы являются полными, это не будет означать, что мы «объяснили» все в неодушевленной природе. Максимум того, что нам удалось бы сделать, это показать, как все сложные явления нашего опыта выводятся из некоторых основных законов. Но как объяснить сами эти законы? В дни, когда казалось, что все сущее основано на законах механики, легко было поддаться иллюзии, что эти законы самоочевидны, хотя в действительности готовность нашего ума принять их родилась из привычки прилагать их к материальным предметам повседневной жизни.
* Первый вопрос, который задает нам наше любопытство при изучении окружающих нас тел, начинается с «почему»; исследуя каждый факт все глубже и глубже, мы в конце оставляем основное «почему» без ответа. Иначе и не может быть, поскольку под объяснением, ответом на «почему», мы всегда понимаем демонстрацию того, что рассматриваемый факт следует из некоторых принятых законов или принципов. Всякое объяснение явлений природы состоит поэтому в сведении их к некоторым фундаментальным законам. Поиски объяснения самих этих законов означали бы сведение их к некоторым другим законам.
Иногда люди, склонные к философским обобщениям, пытаются показать, что основные законы, такие как законы Ньютона, в действительности самоочевидны и вытекают из некоторых общих принципов, в которых мы можем быть уверены даже помимо каких бы то ни было знаний об окружающем нас мире. Такие попытки, конечно, рискованны, поскольку самый чудесный вывод законов природы из абстрактных принципов должен рухнуть, если в свете более поздних открытий окажется, что сами эти законы должны быть модифицированы. Если когда-нибудь наши знания законов физики оказались бы близки к завершению, то тогда тот, кто хочет, мог бы без опаски доказывать, что эти законы не могут быть иными, чем они есть на самом деле.
Но для ученого они останутся тем же, чем они являются в настоящий момент, законами, выведенными из нашего опыта, проверенными на основе того, остаются ли их предсказания справедливыми в новых обстоятельствах, и предметом дальнейшей ревизии, когда это необходимо, — все это до тех пор, пока они помогают нам систематизировать наши наблюдения.
Возможно, наше мнение, что в конце концов правильные законы должны быть просты, является предубеждением. Мы испытываем некоторое интеллектуальное удовлетворение, когда оказывается, что простые законы соответствуют фактам, хотя понятие простоты или сложности — это отчасти дело привычки мышления, абсолютного же критерия здесь нет.
Эту книгу нельзя закончить, не подчеркнув вновь, как много важных вещей в ней было опущено. Совсем не затрагивалась космология, т. е. проблемы строения вселенной как целого, и связанная с ней область — космогония, проблема истории и происхождения мира такого, как мы его видим. Точки соприкосновения у нас были. Смотря на таблицу ядер или изотопов, встречающихся в природе, нельзя не удивляться, почему некоторые из них распространены больше других; ответ на это лежит, очевидно, в тех процессах, при которых в давние времена образовывались эти ядра. Или если, как утверждают некоторые авторы, вселенная остается в неизменном состоянии, распространенность различных элементов или изотопов должна зависеть от способа, которым поддерживается это постоянное состояние. Используя космические лучи в качестве источника частиц большой энергии, нельзя удержаться от догадок по поводу того, откуда они могут приходить, хотя это и несущественно при изучении их действия.
Главным оправданием того, почему такие проблемы не упоминались, служит недостаток места; кроме того, эти вопросы пока не связаны с рассмотренным нами материалом в том смысле, в каком связаны теория относительности и квантовая механика. Более того, правильней сказать, что в этих предметах пока больше досужих домыслов и гипотез, чем проверенных фактов. Множество интересных открытий, касающихся вселенной в целом, не привело пока к законам, которые могли бы быть установлены с такой же степенью уверенности, как те, что были описаны в этой книге.
Гораздо более широкой областью, которой мы не касались, является проблема жизни. Мы говорили о природе так, как будто в ней нет ни растений, ни животных, ни человека. Причина этому та же; о биологических науках в равной мере можно сказать, что они еще не достигли той ступени, на которой становятся очевидными простые основные принципы, хотя, возможно, специалисты в области биологии стали бы оспаривать это утверждение.
Вопрос о том, что могло бы связать законы неодушевленной материи, обсуждавшиеся раньше, с законами живой материи, которые могут быть развиты в будущем, относится, конечно, к области спекуляций.
В той мере, в какой это известно и где это может быть проверено, живая материя, по-видимому, следует общим законам физики. Движение частей нашего тела как будто следует тем же законам механики, что и части какой-либо машины. Производимая нами работа и вырабатываемое тепло, по-видимому, сбалансированы с количеством горючего в нашей пище. Химические реакции, которые могут быть идентифицированы в живом теле, протекают так же, как в опытной колбе.
Но на этом основании нельзя сказать, что законы физики неодушевленной материи смогут полностью объяснить живой организм. Мне кажется более вероятным, что верно обратное и что в жизнедеятельности проявляется нечто только ей свойственное, не получающее объяснения в нашем описании неживой природы. Эти особые черты могут существовать только там, где мы имеем дело с живой материей. Или, иначе, возможно, они присутствуют повсюду, но не существенны для свойств неодушевленной материи и поэтому не были еще там обнаружены. С этой последней возможностью дело обстояло бы так же, как в теории относительности: обязанные ей поправки существуют, в принципе, также для медленных объектов; поезд, конечно, испытывает сокращение Лорентца; имеется небольшая неоднозначность в последовательности протекания событий для пассажира в поезде и стоящего снаружи, но эта разница столь ничтожна, что о ней совершенно не стоит помнить в связи с реальными поездами. Аналогично, квантовая механика принципиально применима к теннисному мячу, но поправки, такие, как дифракционные эффекты, к которым она приводит, будут в обычных случаях слишком малы, чтобы их стоило принимать во внимание. Точно так же, возможно, новые законы, которые должны быть призваны объяснить живую материю, в принципе привели бы к модификации нашего описания поезда, теннисного-мяча или атома, но изменения, которые отсюда в этом случае вытекали, были бы пренебрежимы, они были бы существенны только для живой материи. Пока нельзя быть уверенным, какая из этих точек зрения правильна.
Во всяком случае наши взгляды на связь между жизнью и физикой подвержены влияниям изменений, произошедших в физике за последние пятьдесят лет. Перед этим господствовало мнение о возможности полностью детерминированного описания природы, т. е. считалось, что в некоторый момент можно определить положение и скорость каждого из атомов и каждого электрона в каждом из атомов; законы механики и электричества позволили бы затем вычислить состояние системы для любого другого момента времени. В такой детерминистской картине существование живой материи привело бы к ряду сложных проблем. Если бы мы наблюдали за поведением молекул, атомов и электронов внутри живого тела, то они двигались бы в точном соответствии с обычными законами физики, а если это так, то может ли жизнь быть лишь весьма сложным результатом проявления физических законов, вроде вычислительной машины или паровой машины? С другой стороны, если некоторые из молекул не подчиняются законам физики, почему это происходит только в живом организме? Из квантовой механики мы знаем, что эти вопросы бессмысленны. Мы никак не можем получить сведения о движении даже одного атома, достаточные, чтобы предсказать его поведение в будущем с определенностью; как мы видели в главе 7, мы впадаем в противоречие, постулируя, что всякий вопрос имеет смысл, не конкретизируя того наблюдения, посредством которого можно проверить ответ на него. В живой материи это соображение выходит за пределы, налагаемые принципом неопределенности в квантовой механике.
Чем больше хотелось бы нам знать о состоянии атомов внутри живого организма, тем более грубым должно быть вмешательство в него, сопровождающее наше измерение; помимо неопределенностей, вносимых в другие физические данные, как требует принцип неопределенности, имеются более сильные ограничения, состоящие в том, что живое может подвергаться лишь вполне определенным воздействиям, иначе оно перестанет быть живым. То, что это ограничение никоим образом не является академическим, демонстрируется тем фактом, что наименьшие и, вероятно, в известном смысле наиболее простые объекты изучения в биологии, такие, как вирусы, делаются доступны зрению лишь в электронный микроскоп. То, что мы при этом видим, не есть живой вирус, поскольку он не может пережить бомбардировку быстрыми электронами, которой мы его подвергаем. Мы видим только его останки. Это, конечно, дает важные сведения. Но отсюда ясна безнадежность наблюдать вирус в микроскоп с таким увеличением, чтобы можно было «видеть его в работе».
Таким образом, хотя новейшее развитие физики как будто не может оказать непосредственной помощи биологам, оно по крайней мере полезно в том отношении, что удалило ошибочные представления, основанные на старых механистических идеях, и расширило круг возможностей, доступных воображению.
Никогда нельзя предсказать пути развития науки заблаговременно, но не так уж неразумно надеяться, что в недалеком будущем в проблемах живой материи возникнет некоторое новое понимание, подобно открытию атома и развитию квантовой теории, способное сразу координировать множество фактов, до того времени казавшихся независимыми и необъяснимыми.
Рудольф Эрнст Па́йерлс Rudolf Ernst Peierls
05.06.1907, Берлин, — 19.09.1995, Оксфорд
английский физик-теоретик немецкого происхождения; Член Лондонского королевского общества (1945), иностранный член Национальной академии наук США (1970), Французской академии наук (1984), Академии наук СССР (1988).
Исаа́к Ма́ркович Хала́тников
17.10.1919, Екатеринослав, — 09.01.2021, Черноголовка
советский физик-теоретик, действительный член АН СССР (РАН, 1984), первый директор Института теоретической физики имени Л.Д.Ландау РАН, лауреат Сталинской премии II степени (1953).
lillibulero! Я только пресс-секретарь ) Могу сказать, что изложение ясное, четкое, с минимумом формул, даже гуманитарий разберется. А школьникам и особенно их учителям - настойчиво рекомендую!Рудольф Эрнест ПАЙЕРЛС
ЗАКОНЫ ПРИРОДЫ
ИЗДАНИЕ ВТОРОЕ,
ИСПРАВЛЕННОЕ
Перевод с английского под редакцией
проф. И. М. ХАЛАТНИКОВА
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ИЗДАТЕЛЬСТВО
ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
МОСКВА 1962
ссылка для скачивания pdf
pdf с ocr без вычитки
От редактора перевода
Предисловие автора
Введение
Глава 1. Движение и сила
Законы Ньютона
Тяготение и другие силы
Импульс и энергия
Столкновения
Момент количества движения
Начальные условия и степени свободы
Глава 2. Электричество и магнетизм
Закон Кулона
Силовые линии
Законы поля или действие на расстоянии
Электромагнетизм
Индукция. Генератор и трансформатор
Окончательная формулировка законов
Электромагнитные волны
Энергия поля
Глава 3. Свет
Спектр. Интерференция. Волны
Дифракция, поляризация, скорость
Свет состоит из электромагнитных волн
Корпускулярная теория. Геометрическая оптика
Глава 4. Атомы и электроны
Химия и гипотеза об атомах
Размеры атомов. Ионы
Электрон
Как устроен атом?
Почему электроны не падают на ядро?
Многие факты можно понять
Глава 5. Хаотическое движение атомов. Тепло как беспорядочное движение
Количество тепла. Тепло и беспорядок
Теплота и движение атомов
Достоверность и законы случая
Новые эксперименты и некоторые трудности
Твердые тела и жидкости
Тепловое излучение
Глава 6. Теория относительности
Общие замечания
Движение и покой
Лорентцево сокращение
Как сравнивать длины и времена
Сложение скоростей
Механика быстро движущихся тел
Приложения и подтверждения теории
Принцип эквивалентности
Общая теория относительности
Глава 7. Кванты, волны и частицы
Гипотеза квантов. Фотоны
Дифракция электронов. Стоячие волны
Переменная длина волны
Атом водорода
Частицы и волны
Принцип неопределенности
Глава 8. Свойства атомов
Водород и гелий
Другие легкие атомы. Принцип Паули
Момент количества движения
Эксперимент с пучком атомов. Спин
Электронные оболочки, ионные молекулы
Другие типы молекул
Твердые тела, металлы, жидкости
Прохождение через потенциальный барьер
Глава 9. Электроны при высоких скоростях
Отрицательные энергии. Трудности
Спин. Позитроны
Силы при больших скоростях. Другие трудности
Новые методы. Лэмбовский сдвиг
Глава 10. Атомное ядро
Радиоактивность. Альфа-распад
Волновая механика решает другой парадокс
Расщепление ядра
Новое оборудование
Нейтроны, изотопы, дефект массы
Ядерные силы
Модель оболочек. Возбужденные состояния
Бета-лучи
Деление. Источники энергии
Глава 11. Мезоны и другие новые частицы
Космические лучи и приборы для их изучения
Известные частицы
Мезоны
Теория Юкавы. Еще мезоны
Еще частицы. Открывается новая глава
Где мы остановились?
Список обозначений
Книга Р. Е. Пайерлса «Законы природы» представляется нам в своем роде уникальной. Если по отдельным частным проблемам современной физики и существуют популярные книги, хоть и в небольшом количестве, то такой книги, которая давала бы в популярной форме представление о всей современной физике, до сих пор не было. Настоящая книга, написанная известным английским физиком-теоретиком Р. Пайерлсом, является первой книгой подобного рода. В ней в доступной для широких кругов читателей форме излагаются основные законы современной физики.
Автору при написании книги пришлось проделать колоссальный труд. Дело в том, что законы современной физики, как известно, для своей строгой формулировки требуют привлечения сложного математического аппарата. Р. Пайерлс в предлагаемой книге сделал попытку обойтись при формулировке законов физики без применения этого аппарата. Естественно, что при этом он смог дать только представление об основных законах физики и не мог дать тех количественных следствий из них, которые неизбежно требуют применения математики.
Следует отметить, что поставленную перед собой задачу автор, несомненно, выполнил успешно. Однако, учитывая сложность современной физики, необходимо иметь в виду, что не все разделы ему удалось довести до уровня общедоступных. Поэтому читателей не должны смущать случаи, когда те или иные места книги не будут поняты при первом чтении. Можно вместе с автором порекомендовать читателю вернуться к этим местам вторично после прочтения всей книги.
Следует иметь также в виду, что автор не ставил перед собой цели излагать историю тех или иных проблем в физике. Из книги можно узнать лишь те представления, К которым физика пришла в настоящее время.
Книга, несомненно, окажется полезной для всех тех, КТО интересуется современной физикой, но не работает Непосредственно в этой области знания. Ее с интересом И пользой прочтут ученики старших классов, студенты вузов, лица, интересующиеся философией естествознания.
Перевод книги выполнен Л. П. Горьковым и И. Е. Дзялошинским.
И. М. Халатников
Замысел этой книги возник после второй мировой войны, когда мне пришлось часто читать лекции об атомной энергии для различных аудиторий. При этом я столкнулся с тем фактом, что, кроме обычных вопросов о природе и опасности атомного оружия, всегда находились люди, интересовавшиеся основами физики. Как принцип неопределенности связан с тем или с этим? Почему атомное ядро не разваливается? Что такое мезон и какое отношение он имеет к ядерным силам, если энергия ядра недостаточна, чтобы он фактически образовался?
Очевидно, некоторые слушатели были заражены той самой научной любознательностью, которая побуждает ученого исследовать тайны природы, и у меня возникло желание ответить на их вопросы. Стремиться к познанию законов природы является долгом ученого перед обществом. Его работа и состоит в том, чтобы найти ответ, когда он стал насущной необходимостью. Приятно в то же время передавать свои знания людям, которые к ним стремятся.
Однако ясно, что в этом деле трудно преуспеть за те несколько минут в конце лекции, которые отводятся обычно для ответов на вопросы. Вопрос может затрагивать квантовую теорию, знакомство с которой трудно предполагать у спрашивающего. И если бы даже и было время на изложение основ квантовой теории, при этом все равно пришлось бы подразумевать у спрашивающего некоторые знания об атомах или волнах, иначе ответ на один вопрос превратился бы в целый курс лекций. В то же время я заметил, что в некоторых случаях, когда ответ можно дать, не слишком углубляясь в обсуждение исходных пунктов, это удается сделать простым языком и без Математики. Действительно, я неоднократно убеждался, ЧТО, излагая свои доводы по возможности просто, избегая технических терминов, я помогал самому себе уяснить их гораздо лучше, чем если бы я пользовался их математической формулировкой.
Это навело меня на мысль попытаться изложить основы современной физики простым языком, в форме, не предполагающей никаких предварительных знаний. Мой юпыт убедил меня как в возможности осуществить это в разумных границах, так и в том, что мои собственные представления станут после этого более ясными для меня самого. В справедливости последнего я уже убедился, прав ли в остальном — предоставляю судить читателю.
Я стремился сделать книгу понятной для неспециалиста. У читателя не предполагается никаких особых познаний- в науке, хотя имеющему некоторое знакомство с физикой будет легче следить за изложением. Это касается прежде всего двух первых глав. Поскольку механика и электричество знакомы многим читателям, я приводил все относящиеся сюда аргументы более подробно, с тем чтобы дать примеры типичных физических рассуждений, которые в следующих главах я уже был вынужден излагать более поверхностно. Может быть поэтому некоторым читателям, не привыкшим к образу мыслей физика, отдельные места в первых двух главах покажутся несколько запутанными. Я посоветовал бы им возвращаться к этим пунктам и перечитывать их, когда они в последующих главах встретятся с вопросами, затрагивающими основы механики или электричества.
Вероятно, найдутся также читатели, знакомые с математикой в большем объеме, чем я ее использовал в книге, однако небольшое увеличение числа математических выкладок едва ли помогло бы делу, если у читателей нельзя предположить знания дифференциальных уравнений. Тем из них, у кого познания в математике простираются достаточно далеко, следовало бы предпочесть более специальную книгу. Но, как я убедился, даже студентам-физикам не вредно познакомиться с аргументами, изложенными в простой описательной форме, и я неоднократно с успехом использовал в факультативных лекциях для студентов некоторые примеры, выработанные мною в процессе написания этой книги.
Я считал бы труд, затраченный на написание книги, полностью вознагражденным, если мне удалось, пусть даже очень бегло, показать читателю, совсем не знакомому с наукой, цели, методы и умозаключения ученого. В наши дни преобладания специального образования можно услышать о типе ученого или инженера, духовные интересы которого ограничены узкой областью, и в чьем образовании полностью пренебрегалось общечеловеческими ценностями, включая искусство и гуманитарные науки. Вполне возможно, такой тип действительно существует, хотя он был бы совершенно не похож на большинство знакомых мне ученых и инженеров. Однако я уверен, что существует также другая крайность, именно человек, чье воспитание ограничивалось искусством и гуманитарными науками и чьи интересы далеки от естественных наук. Действительно, найдется достаточно много педагогов, считающих, что естественные науки не имеют большого воспитательного значения. В своих намерениях увеличить объем знаний, сообщаемых студентам на гуманитарных факультетах, они ограничиваются стремлением включить такие предметы, как историю науки, философию науки, считая их изучение делом более респектабельным, чем изучение самих естественных наук. Возможно, что это и привлекательные предметы, но я ие верю, чтобы изучение их было полезным, если студенты не понимают основ самих естественных наук. Это напоминает попытки преподавать историю искусства человеку, который никогда не видел ни одной картины, или теорию музыки глухому. Я не сомневаюсь поэтому, что в любой попытке ввести некоторые аспекты естественных наук в систему гуманитарного образования был бы целесообразен подход, который я выбрал в этой книге. Уже имея перед собою законченную рукопись, я полностью отдавал себе отчет, как много важного мною опущено. Кроме ограничений, накладываемых самой темой, объем книги не позволил мне дать описание многих деталей физических приборов й коснуться многих практических вопросов, о которых мы всегда должны помнить, поскольку занимаемся экспериментальной наукой. Я, надеюсь, не позволил читателю забыть, что путь, по которому мы пришли ко всем нашим заключениям, зависит ОТ опытного познания и экспериментирования, хотя эта книга и не дает картины действительной жизни экспериментатора и всего происходящего в его лаборатории. Поэтому некоторые из моих коллег, для которых наибольший интерес в физике лежит в области конструирования и использования новых остроумных приборов, может быть найдут, что основное ударение в моей книге сделано не там, где нужно.
Кроме того, развитие идей приходилось изображать значительно более прямым, чем это было исторически. Я мог описать лишь идеи, которые подтверждены экспериментом в своей первоначальной форме, и не упоминал о тех гораздо более многочисленных, которые опровергнуты или оказались неконструктивными и были впоследствии оставлены. Точно так же я не мог и пытаться передать чувства человека, наблюдающего, как растут и подтверждаются эти новые идеи, — чувства, хорошо описанные в недавних рейтовских лекциях доктором Дж. Р. Оппенгеймером, которого, напротив, многие критики порицали за то, что он не сделал того, что попытался сделать в этой книге я.
В заключение я хотел бы поблагодарить всех, чьим должником я являюсь. Мысли, содержащиеся в этой книге, никоим образом не новы и не принадлежат лично мне, они представляют собой обычное вооружение из арсенала современного физика. Я не смог бы их изложить, не вспоминая многих моих учителей, в том числе, Гейзенберга, Паули и прежде всего Нильса Бора, а также многочисленных коллег, которые помогли мне познакомиться с предметом и достичь некоторой степени понимания. Многие мои друзья, молодые и старые, помогли мне, согласившись быть своего рода «морскими свинками», на которых я испытывал отдельные части книги; все они делали ценные замечания. Я хотел бы также выразить свою признательность профессору Ланселоту Ходжбену за конструктивную критику.
Наш обзор законов природы охватил физику от самого ее возникновения как точной науки до недавних открытий, от закона инерции до мезонов.
Как уже подчеркивалось, каждый новый этап в развитии следует рассматривать не как ниспровержение того, что было известно прежде, а как расширение и обогащение прошлого, так что, вообще говоря, старая работа сохраняет свое значение в соответствующей области. Конечно, какая-то часть из прошлых работ впоследствии оказывалась ошибочной, будучи основана на неточных данных, или неправильных рассуждениях, или на гипотезах, которые не подтвердились. В нашем кратком рассказе о таких работах вообще не говорилось, хотя надо помнить, что отнюдь не каждая идея даже больших физиков выдержала испытание, что приходится перепробовать много таких идей, прежде чем одна оправдает себя.
Другой общий вывод состоит в том, что с ростом наших знаний в результате решения некоторых проблем возникают новые проблемы и трудности. Вопросы, которых мы касались в последних главах, даже не возникли бы без сведений, содержащихся в ранних главах. По мере развития науки количество нерешенных проблем в иные времена казалось чудовищным, тогда как в другие — их становилось гораздо меньше. В какое-то время быстро одно за другим следуют новые открытия, не укладывающиеся в привычную схему, в другое — дело выглядит таким образом, как будто мы приближаемся к окончательному знанию законов физики. Успехи ньютоновской механики породили оптимистический взгляд, что все свойства материи можно в конечном итоге свести к законам механики; даже Максвелл стремился подкрепить свои знаменитые законы электромагнитного поля посредством механической модели. Только позднее, по истечении времени, достаточного, чтобы законы Максвелла стали привычными, и когда идеи теории относительности пролили на них дополнительный свет, стало ясно, что эти законы столь же просты сами по себе, как и законы механики, и что нет никакой необходимости сводить одни к другим.
После того как были уяснены механические и электромагнитные законы, некоторые люди полагали, что теперь законы физики стали полными. Общей тенденцией всех учебников, написанных в начале этого века, было представить физику, как в основном замкнутый предмет, без каких бы то ни было указаний на неразрешенные проблемы. Конечно, было хорошо известно, что характеристики различных веществ не могут быть получены из каких бы то ни было известных законов, но это не рассматривалось как проблема, подлежащая изучению. Удельный вес свинца или электрическое сопротивление меди, твердость алмаза или окраска иода, — это были данные, которые физики использовали в качестве сырьевого материала, но которые они не старались объяснить.
Что законы физики применимы также и к изучению структуры вещества, поняли уже значительно позже, равно как поняли и необходимость изыскивать основные законы, ответственные за все разнообразие. Мы видели в главах 4 и 5, как постепенно эти проблемы приобретали свою форму, а в главах 7 и 8 — как создание квантовой механики позволило дать почти полное объяснение свойствам вещества, исключая, в основном, строение ядра.
Следовательно, одно время опять проблема основных законов казалась простой и полное ее решение близким. Все понимали, что картина не может быть полной, пока не исследованы свойства ядер, но о них так мало тогда знали, что, казалось, для их объяснения многого не потребуется. В то время (до открытия нейтронов) считалось, что ядра содержат протоны и электроны. Конечно, неизвестно, как такая комбинация из электронов и протонов могла бы удерживаться вместе, но изучение электронов с большими скоростями всегда доставляло беспокойства, и поэтому ожидалось, что решение обеих проблем взаимосвязано. Тогда знали только две элементарные частицы, протон и электрон, и помимо отношения их масс имелась еще только одна безразмерная величина (т. е. единственная комбинация физических постоянных, не зависящая от единиц, в которых они выражаются) — постоянная тонкой структуры . Предполагалось, что не так уже много лет понадобится, чтобы объяснить оба эти числа, т. е. объяснить, почему все электроны и протоны имеют наблюдаемую величину электрического заряда и почему протоны приблизительно в 1840 раз тяжелее электронов. Казалось, еще несколько лет, и все основные законы физики будут познаны.
Я не хочу утверждать, что многие физики в то время всерьез придерживались этого взгляда; в действительности большинство из них понимало, что углубление знаний влечет за собой новые проблемы. Но этой точки зрения, исходя из известных в то время фактов, можно было придерживаться с полным основанием. С тех пор прошло около 25 лет, и вместо картины почти полной законченности физика теперь производит впечатление скорее такого предмета, где открытых вопросов больше, чем окончательных ответов, что я и старался показать в двух последних главах. Количество новых частиц неуклонно возрастает, а с ним возрастает список их характеристик (таких, как отношения их масс, времен жизни, их взаимодействий), так что в наше время нет недостатка в данных для проверки какой бы то ни было новой теории. Однако пока не видно нити, позволившей бы кому-нибудь создать такую теорию. Следующий этап, на котором была бы устранена эта явная неразбериха, может наступить завтра, но может и запоздать на много лет. Любые предположения о том, в чем он будет состоять, могут оставаться только фантастическими догадками. Возможно, однажды наши знания о фундаментальных законах физики станут столь полными, что физика превратится в законченный предмет, основанный на известных принципах, в том смысле, в каком ньютоновская механика, применимая к объектам повседневной жизни, является сегодня замкнутой в себе наукой. Но столь же вероятно, что такое окончательное завершение всегда будет оставаться за пределами досягаемости; как далеко ни проникали бы наши изобретательность и любопытство, вслед за каждым новым углублением нашего знания будут открываться новые проблемы, о существовании которых мы не подозревали.
Если даже мы обнаружим однажды, что наши знания основных законов неодушевленной природы являются полными, это не будет означать, что мы «объяснили» все в неодушевленной природе. Максимум того, что нам удалось бы сделать, это показать, как все сложные явления нашего опыта выводятся из некоторых основных законов. Но как объяснить сами эти законы? В дни, когда казалось, что все сущее основано на законах механики, легко было поддаться иллюзии, что эти законы самоочевидны, хотя в действительности готовность нашего ума принять их родилась из привычки прилагать их к материальным предметам повседневной жизни.
* Первый вопрос, который задает нам наше любопытство при изучении окружающих нас тел, начинается с «почему»; исследуя каждый факт все глубже и глубже, мы в конце оставляем основное «почему» без ответа. Иначе и не может быть, поскольку под объяснением, ответом на «почему», мы всегда понимаем демонстрацию того, что рассматриваемый факт следует из некоторых принятых законов или принципов. Всякое объяснение явлений природы состоит поэтому в сведении их к некоторым фундаментальным законам. Поиски объяснения самих этих законов означали бы сведение их к некоторым другим законам.
Иногда люди, склонные к философским обобщениям, пытаются показать, что основные законы, такие как законы Ньютона, в действительности самоочевидны и вытекают из некоторых общих принципов, в которых мы можем быть уверены даже помимо каких бы то ни было знаний об окружающем нас мире. Такие попытки, конечно, рискованны, поскольку самый чудесный вывод законов природы из абстрактных принципов должен рухнуть, если в свете более поздних открытий окажется, что сами эти законы должны быть модифицированы. Если когда-нибудь наши знания законов физики оказались бы близки к завершению, то тогда тот, кто хочет, мог бы без опаски доказывать, что эти законы не могут быть иными, чем они есть на самом деле.
Но для ученого они останутся тем же, чем они являются в настоящий момент, законами, выведенными из нашего опыта, проверенными на основе того, остаются ли их предсказания справедливыми в новых обстоятельствах, и предметом дальнейшей ревизии, когда это необходимо, — все это до тех пор, пока они помогают нам систематизировать наши наблюдения.
Возможно, наше мнение, что в конце концов правильные законы должны быть просты, является предубеждением. Мы испытываем некоторое интеллектуальное удовлетворение, когда оказывается, что простые законы соответствуют фактам, хотя понятие простоты или сложности — это отчасти дело привычки мышления, абсолютного же критерия здесь нет.
Эту книгу нельзя закончить, не подчеркнув вновь, как много важных вещей в ней было опущено. Совсем не затрагивалась космология, т. е. проблемы строения вселенной как целого, и связанная с ней область — космогония, проблема истории и происхождения мира такого, как мы его видим. Точки соприкосновения у нас были. Смотря на таблицу ядер или изотопов, встречающихся в природе, нельзя не удивляться, почему некоторые из них распространены больше других; ответ на это лежит, очевидно, в тех процессах, при которых в давние времена образовывались эти ядра. Или если, как утверждают некоторые авторы, вселенная остается в неизменном состоянии, распространенность различных элементов или изотопов должна зависеть от способа, которым поддерживается это постоянное состояние. Используя космические лучи в качестве источника частиц большой энергии, нельзя удержаться от догадок по поводу того, откуда они могут приходить, хотя это и несущественно при изучении их действия.
Главным оправданием того, почему такие проблемы не упоминались, служит недостаток места; кроме того, эти вопросы пока не связаны с рассмотренным нами материалом в том смысле, в каком связаны теория относительности и квантовая механика. Более того, правильней сказать, что в этих предметах пока больше досужих домыслов и гипотез, чем проверенных фактов. Множество интересных открытий, касающихся вселенной в целом, не привело пока к законам, которые могли бы быть установлены с такой же степенью уверенности, как те, что были описаны в этой книге.
Гораздо более широкой областью, которой мы не касались, является проблема жизни. Мы говорили о природе так, как будто в ней нет ни растений, ни животных, ни человека. Причина этому та же; о биологических науках в равной мере можно сказать, что они еще не достигли той ступени, на которой становятся очевидными простые основные принципы, хотя, возможно, специалисты в области биологии стали бы оспаривать это утверждение.
Вопрос о том, что могло бы связать законы неодушевленной материи, обсуждавшиеся раньше, с законами живой материи, которые могут быть развиты в будущем, относится, конечно, к области спекуляций.
В той мере, в какой это известно и где это может быть проверено, живая материя, по-видимому, следует общим законам физики. Движение частей нашего тела как будто следует тем же законам механики, что и части какой-либо машины. Производимая нами работа и вырабатываемое тепло, по-видимому, сбалансированы с количеством горючего в нашей пище. Химические реакции, которые могут быть идентифицированы в живом теле, протекают так же, как в опытной колбе.
Но на этом основании нельзя сказать, что законы физики неодушевленной материи смогут полностью объяснить живой организм. Мне кажется более вероятным, что верно обратное и что в жизнедеятельности проявляется нечто только ей свойственное, не получающее объяснения в нашем описании неживой природы. Эти особые черты могут существовать только там, где мы имеем дело с живой материей. Или, иначе, возможно, они присутствуют повсюду, но не существенны для свойств неодушевленной материи и поэтому не были еще там обнаружены. С этой последней возможностью дело обстояло бы так же, как в теории относительности: обязанные ей поправки существуют, в принципе, также для медленных объектов; поезд, конечно, испытывает сокращение Лорентца; имеется небольшая неоднозначность в последовательности протекания событий для пассажира в поезде и стоящего снаружи, но эта разница столь ничтожна, что о ней совершенно не стоит помнить в связи с реальными поездами. Аналогично, квантовая механика принципиально применима к теннисному мячу, но поправки, такие, как дифракционные эффекты, к которым она приводит, будут в обычных случаях слишком малы, чтобы их стоило принимать во внимание. Точно так же, возможно, новые законы, которые должны быть призваны объяснить живую материю, в принципе привели бы к модификации нашего описания поезда, теннисного-мяча или атома, но изменения, которые отсюда в этом случае вытекали, были бы пренебрежимы, они были бы существенны только для живой материи. Пока нельзя быть уверенным, какая из этих точек зрения правильна.
Во всяком случае наши взгляды на связь между жизнью и физикой подвержены влияниям изменений, произошедших в физике за последние пятьдесят лет. Перед этим господствовало мнение о возможности полностью детерминированного описания природы, т. е. считалось, что в некоторый момент можно определить положение и скорость каждого из атомов и каждого электрона в каждом из атомов; законы механики и электричества позволили бы затем вычислить состояние системы для любого другого момента времени. В такой детерминистской картине существование живой материи привело бы к ряду сложных проблем. Если бы мы наблюдали за поведением молекул, атомов и электронов внутри живого тела, то они двигались бы в точном соответствии с обычными законами физики, а если это так, то может ли жизнь быть лишь весьма сложным результатом проявления физических законов, вроде вычислительной машины или паровой машины? С другой стороны, если некоторые из молекул не подчиняются законам физики, почему это происходит только в живом организме? Из квантовой механики мы знаем, что эти вопросы бессмысленны. Мы никак не можем получить сведения о движении даже одного атома, достаточные, чтобы предсказать его поведение в будущем с определенностью; как мы видели в главе 7, мы впадаем в противоречие, постулируя, что всякий вопрос имеет смысл, не конкретизируя того наблюдения, посредством которого можно проверить ответ на него. В живой материи это соображение выходит за пределы, налагаемые принципом неопределенности в квантовой механике.
Чем больше хотелось бы нам знать о состоянии атомов внутри живого организма, тем более грубым должно быть вмешательство в него, сопровождающее наше измерение; помимо неопределенностей, вносимых в другие физические данные, как требует принцип неопределенности, имеются более сильные ограничения, состоящие в том, что живое может подвергаться лишь вполне определенным воздействиям, иначе оно перестанет быть живым. То, что это ограничение никоим образом не является академическим, демонстрируется тем фактом, что наименьшие и, вероятно, в известном смысле наиболее простые объекты изучения в биологии, такие, как вирусы, делаются доступны зрению лишь в электронный микроскоп. То, что мы при этом видим, не есть живой вирус, поскольку он не может пережить бомбардировку быстрыми электронами, которой мы его подвергаем. Мы видим только его останки. Это, конечно, дает важные сведения. Но отсюда ясна безнадежность наблюдать вирус в микроскоп с таким увеличением, чтобы можно было «видеть его в работе».
Таким образом, хотя новейшее развитие физики как будто не может оказать непосредственной помощи биологам, оно по крайней мере полезно в том отношении, что удалило ошибочные представления, основанные на старых механистических идеях, и расширило круг возможностей, доступных воображению.
Никогда нельзя предсказать пути развития науки заблаговременно, но не так уж неразумно надеяться, что в недалеком будущем в проблемах живой материи возникнет некоторое новое понимание, подобно открытию атома и развитию квантовой теории, способное сразу координировать множество фактов, до того времени казавшихся независимыми и необъяснимыми.
Рудольф Эрнст Па́йерлс Rudolf Ernst Peierls
05.06.1907, Берлин, — 19.09.1995, Оксфорд
английский физик-теоретик немецкого происхождения; Член Лондонского королевского общества (1945), иностранный член Национальной академии наук США (1970), Французской академии наук (1984), Академии наук СССР (1988).
Исаа́к Ма́ркович Хала́тников
17.10.1919, Екатеринослав, — 09.01.2021, Черноголовка
советский физик-теоретик, действительный член АН СССР (РАН, 1984), первый директор Института теоретической физики имени Л.Д.Ландау РАН, лауреат Сталинской премии II степени (1953).
Tags:
![[identity profile]](https://www.dreamwidth.org/img/silk/identity/openid.png){kind=small}
no subject
Система категоризации Живого Журнала посчитала, что вашу запись можно отнести к категориям: Наука (https://www.livejournal.com/category/nauka?utm_source=frank_comment), Общество (https://www.livejournal.com/category/obschestvo?utm_source=frank_comment).
Если вы считаете, что система ошиблась — напишите об этом в ответе на этот комментарий. Ваша обратная связь поможет сделать систему точнее.
Фрэнк,
команда ЖЖ.
no subject
no subject
no subject
Вопрос один: почему название охватывает как бы всё естествознание, а содержание ограничивается физикой? Конечно, законы физики - это законы природы, кто бы спорил, и все таки... Ну, ладно, уважаемый автор все равно не ответит... это я так - показать, что думаю :-D
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject
no subject