Новое понимание было принято, естественно, не сразу и не без
возражений. Чтобы как-то избежать подобных изменений в наших представлениях
о реальности, электромагнитные поля пытались сопоставить с полями упругих
деформаций и натяжений и, следовательно, световые волны теории Максвелла --
со звуковыми волнами в упругих телах. Поэтому многие физики полагали, что на
самом деле уравнения Максвелла относятся к деформациям упругой среды,
которую они называли эфиром. Это название было дано, только чтобы
подчеркнуть, что среда является настолько легкой и разряженной, что она
проникает внутрь других веществ и не может быть ни видима, ни ощутима. Такое
объяснение было, конечно, не очень удовлетворительным, поскольку при данном
способе рассуждений нельзя было усмотреть, почему в свете нет продольных
колебаний.
Наконец, теория относительности, о которой речь будет идти в следующей
главе, показала совершенно убедительно, что от понятия эфира как субстанции,
к которой относятся уравнения Максвелла, следует отказаться. Аргументы,
доказывающие этот вывод, здесь не могут быть изложены подробно. Результатом
явилась, во всяком случае, необходимость рассматривать поля как независимую
реальность.
Дальнейшим и еще более тревожным выводом специальной теории
относительности явилось открытие новых свойств пространства и времени, или,
более правильно, связей пространства и времени между собой, связей, которые
до того не были известны и, следовательно, не имели места в механике
Ньютона.
Под впечатлением этой совершенно новой ситуации многие физики пришли к
преждевременному заключению, будто бы ньютоновская механика в настоящее
время окончательно опровергнута. Первичной реальностью является якобы поле,
а не тела, и структура пространства и времени правильно описывается
формулами Лоренца и Эйнштейна, а не аксиомами Ньютона. Ньютоновская механика
справедлива разве только как хорошее во многих случаях приближение, которое,
однако, теперь должно быть улучшено, чтобы уступить место более строгому и
более точному описанию природы.
Но такое утверждение с общей точки зрения, наконец-то достигнутой в
квантовой теории, надо рассматривать как совершенно неудовлетворительное
изображение действительного положения вещей. Ибо, во-первых, это утверждение
упускает из виду то обстоятельство, что большинство экспериментов по
измерению полей основывается на применении ньютоновской механики, и,
во-вторых, механика Ньютона, собственно говоря, не может быть улучшена, она
может быть только заменена чем-то от нее существенно отличным.
Развитие квантовой теории показало, что более правильно положение можно
описать следующими словами. Всюду, где понятия механики Ньютона могут быть
применены для описания процессов природы, законы, сформулированные Ньютоном,
также являются справедливыми и не могут быть улучшены. Электромагнитные же
явления
не могут быть должным образом описаны с помощью понятий ньютоновской
механики. Поэтому эксперименты над электромагнитными полями и световыми
волнами совместно с их теоретическим анализом, проведенным Максвеллом,
Лоренцом и Эйнштейном, привели к новой замкнутой системе определений, аксиом
и понятий, которую можно представить с помощью математических символов, к
системе, такой же непротиворечивой и замкнутой, что и система ньютоновской
механики (хотя и существенно отличающейся от системы Ньютона).
Отсюда следовало, что даже те ожидания, которые со времени Ньютона
сопровождали труд ученого, ныне должны быть изменены. Прогресс науки,
очевидно, не мог быть все время связан с тем, что для объяснения новых
явлений применялись только известные законы природы. В некоторых случаях
наблюдаемые новые явления могут быть поняты только с помощью новых понятий,
которые таким же образом соответствуют новым наблюдаемым фактам, как в свое
время ньютоновские понятия соответствовали механическим процессам. Новые
понятия снова могут быть связаны в замкнутую систему и выражены с помощью
математических символов. Но если прогресс физики или, шире, естествознания
идет в этом направлении, то возникает вопрос: каково соотношение между
различными системами понятий? Если, например, одни и те же понятия и слова
имеются в двух различных системах и определяются в них в отношении своих
взаимных связей по-разному, то в каком смысле можно говорить, что эти
понятия отображают реальность?
Эта проблема возникла уже в то время, когда создавалась теория
относительности. Понятия пространства и времени необходимы как механике
Ньютона, так и теории относительности. Но в механике Ньютона пространство и
время независимы друг от друга. В теории относительности они связаны друг с
другом преобразованиями Лоренца. В этом частном случае можно, правда,
показать, что утверждения теории относительности в предельном случае, когда
все скорости тел системы очень малы по сравнению со скоростью света,
переходят в утверждения ньютоновской механики. Отсюда можно заключить, что
понятия ньютоновской механики не могут применяться к процессам, при которых
имеют место механические скорости, сравнимые со скоростью света. Таким
образом, было в конце концов найдено существенное ограничение применимости
понятий ньютоновской механики, которое нельзя усмотреть в самой этой
замкнутой системе понятий или посредством наблюдений только над
механическими системами.
Поэтому соотношение двух различных замкнутых систем понятий всегда
требует очень тщательного исследования. Прежде чем приступить к общему
обсуждению структуры таких замкнутых и взаимосвязанных систем понятий и их
возможных соотношений, необходимо хотя бы кратко перечислить те системы
понятий, которые определены и разработаны в физике к настоящему времени. В
наши дни можно различать четыре большие системы, уже нашедшие свою
окончательную форму.
Первая система -- механика Ньютона -- уже обсуждалась. Она пригодна для
описания всех механических процессов, движения жидкостей и упругих колебаний
тел. Она включает акустику, статику, аэродинамику и гидродинамику.
Астрономия, в той степени, в какой она имеет дело с движениями небесных
светил, также принадлежит к этой системе.
Вторая замкнутая в себе система сформировалась в XIX столетии в связи с
теорией теплоты. Хотя в конечном счете теорию теплоты удалось благодаря
созданию так называемой статистической механики связать с механикой, эту
систему было бы лучше все же не рассматривать как часть механики. Ибо по
крайней мере в феноменологической теории теплоты используется ряд понятий,
не имеющих аналога в других разделах физики, а именно понятия теплоты,
удельной теплоты, энтропии, свободной энергии и т. д. Если от этого
феноменологического описания переходят к статистическому, рассматривая
теплоту как энергию, статистически распределенную по многим степеням свободы
системы, обусловленным атомарным строением вещества, теория теплоты
оказывается тогда связанной с механикой не более, чем с электродинамикой или
какими-нибудь другими разделами физики.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52