<<
>>

4. Факты, слова и атомы

Как и в каждой области физической науки и, вероятно, любой другой науки, мы сталкиваемся с двумя уровнями знания: уровень чувственного наблюдения и уровень описания с помощью понятийной или, скорее, словесной схемы.
С эволюцией науки расхождение между ©тими двумя уровнями непрерывно увеличивалось и стало весьма заметным в области атомных объектов, таких, как электроны, ядра и т. п. Многочисленность путаных изложений в этой области следует объяснить тем, что авторы не уделяли достаточного внимания ясному различению и хорошему определению взаимосоответствия между этими двумя уровнями. Мы должны исходить из того, что все наблюдаемые явления атомной и ядерной физики могут быть описаны на повседневном языке. Они принадлежат к области тел * средней величины и могут, следовательно, быть описаны языком ньютоновской (классической) физики. Из этого мы, конечно, не можем заключить, что такие явления выводимы из законов ньютоновской физики, или, другими словами, могут быть «объяснены» с помощью ньютоновской физики. Нильс Бор сказал:

«Как бы далеко явления ни выходили за рамки классического физического объяснения, всякое рассмотрение их должно осуществляться с помощью классических понятий. Доказывается это тем, что словом «эксперимент» мы просто обозначаем ситуацию, которая позволяет нам что-то сказать о том, что мы сделали и что мы узнали, и, следовательно, отчет об экспериментальном устройстве и о результатах наблюдений при помощи его должен быть выражен недвусмысленным языком и с соответствующим применением терминологии классической физики».

В нашем примере, который мы приводили выше, «экспериментальное устройство» состояло из источника атомных объектов, диафрагмы со щелями и экрана. «Результатами» были картины светлых и темных полос или точечные вспышки на экране. Проблема, с которой должна иметь дело физическая наука, есть проблема создания системы принципов, из которых могут быть выведены положения, с помощью которых мы можем предсказывать или вычислять «результаты», если знаем «экспериментальное устройство».

Как мы сказали выше, цитируя Нильса Бора, явления выходят за рамки классического объяснения. Исходное устройство и результаты могут быть описаны языком классической физики, потому что нам (Приходится иметь дело с известными механическими и оптическими объектами, вроде тел обычной величины, светлых полос и точечных вспышек на экране и т. п. Однако принципы, с помощью которых мы можем вывести связь между исходными устройствами и результатами, не являются, как мы теперь знаем, принципами, содержащими понятия, известные из ньютоновской физики; они не могут быть выражены посредством понятий траекторий частиц, распространения волн в среде или каких-либо подобных понятий.

Мы можем называть такое описание при помощи понятий классической физики «картиной». Бор сказал:

«Показания, полученные при разных экспериментальных условиях, не могут быть поняты в рамках одной картины, но должны рассматриваться как дополнительные в том смысле, что только вся совокупность явлений исчерпывает возможную информацию об объекте».

«Одна картина» давалась бы, например, описанием всех явлений в терминах траекторий, проходимых частицами. Такая «картина» не существует, но при помощи каждого экспериментального устройства мы можем исследовать явления, имеющие место при этих условиях. «Объекты» не могут описываться как частицы и их траектории, но могут характеризоваться посредством описания всех явлений, которые происходят при разных экспериментальных условиях.

«При этих обстоятельствах, — продолжает Бор,— приписывание атомным объектам условных физических атрибутов вводит существенный элемент двусмысленности».

Если вам надо описать образование вспышек на экране, используя понятие о частицах с определенными положениями и скоростями по траекториям, вы приписываете атомному объекту «условные физические атрибуты». Согласно Бору, однако, этого нельзя сделать. Если я хочу приписать объектам положение, то должен воспользоваться устройством, которое отличается и даже не сравнимо с устройством, позволяющим мне приписывать объектам импульс.

Важно, однако, понять, что «приписывать условные атрибуты» даже частично или «дополнительно» отнюдь не обязательно, если мы заинтересованы только в предсказании наблюдаемых результатов эксперимента.

Чтобы понять, как физики, действительно проводящие исследования в области атомной и ядерной физики, поступают при предсказании или получении наблюдаемых результатов, необходимо проанализировать использованный выше в этой главе пример с картиной вспышек, производимых атомными объектами после прохождения через щели в диафрагме. Если мы заинтересованы только в наблюдаемых результатах, то есть в расположении вспышек на экране или в движении диафрагмы относительно инерциальной системы отсчета, то достаточно вернуться к волновой теории де Бройля.

Мы изложим здесь эту теорию в весьма элементарной форме, что, конечно, является большим упрощением, но такое изложение делает ее понятной для читателей, не очень сведущих в математической физике. Нельзя забывать, что очень большое число сту- дентов-физиков и почти все студенты-химики относятся к этой группе.

Если поток атомных объектов (например, электронов) падает на диафрагму, в которой имеется две щели, то мы должны ввести в рассмотрение волны де Бройля, которые проходят через две щели. способом, сходным с тем, каким проходят через щели световые волны. Волны, прошедшие через эти щели (расположенные на расстоянии а), интерферируют друг с другом, что приводит к образованию максимумов и минимумов амплитуд волн. В то время как в обычной оптике интенсивность света определяется квадратом амплитуды, в атомной физике этот квадрат амплитуды имеет операциональное значение, связывающее его с числом точечных вспышек на некотором покрытом окисью цинка экране, помещаемом на пути волн. Квадрат амплитуды пропорционален числу точечных вспышек на единице площади экрана, находящегося на определенном расстоянии от диафрагмы, или, иными словами, пропорционален вероятности, что вспышка произойдет в определенном месте экрана. Понятийная картина волн, например для данного экспериментального устройства с двумя щелями в диафрагме, называется математической формулировкой волновой механики. В этой формулировке амплитуда волны однозначно определяется, если задано начальное экспериментальное устройство.

Однако в силу такого операционального значения волны мы знаем лишь то, сколько вспышек появится в среднем в единицу времени в определенной области экрана, но никогда не сможем предсказать, в каком точно месте и в какой именно момент произойдет отдельная вспышка.

Поэтому мы должны сказать, что не существует причинного закона, который позволил бы нам вычислить на основе исходного устройства точное место какой-либо отдельной вспышки на экране. Мы можем вычислить точное значение амплитуды волны в каждой точке, но эта амплитуда недоступна наблюдению; она связана с явлением только посредством операционального определения как величина, квадрат которой пропор- ционален вероятности наличия частицы в определенной области. Ради точности мы не должны были бы говорить о «наличии частицы в определенной области», потому что никакой частицы в ней нет. Мы должны были бы говорить о вероятности, что в какой-то области экрана возникают вспышки, или о частоте вспышек в этой области. Таким образом, математическая формулировка, включающая в себя операциональное определение символов этой формулировки, дает нам правила, которые связывают начальные устройства с «наблюдаемыми результатами». В этом примере мы исходили из допущения, что диафрагма с щелями жестко скреплена с некоторой инерциальной системой. Если бы она была соединена с ней посредством упругой пружины, то диффракционная картина с правильными максимумами и'минимумами в вероятности вспышек не наблюдалась бы; вместо нее мы могли бы наблюдать движения диафрагмы относительно системы отсчета (рамы) и вычислить вероятность определенного импульса, если бы знали амплитуду волны де Бройля.

В рассматриваемых выше примерах нам приходилось иметь дело только с наблюдаемыми явлениями того же типа, как и явления, которые мы наблюдаем в повседневной жизни, вроде вспышек на экране, или импульсов тел обычной величины (например, диафрагмы). Эти наблюдения приводятся в соответствие друг с другом посредством математической теории волн де Бройля и операциональных определений. Для того чтобы было ясно, что в этом изложении мы не пользуемся «условными физическими атрибутами», как называет их Бор, мы дадим формулировку, в которой не употребляются никакие выражения, напоминающие об этих условных атрибутах.

Мы можем сказать: если «атомный объект» проходит от источника сквозь диафрагму к экрану, то пространство между источником и экраном находится в определенном состоянии, которое при определенных условиях вызывает события, локализующиеся в очень небольшой области вокруг геометрической точки, вроде вспышек на экране (точечные явления), или — при других обстоятель- ствах— события, имеющие определенное направление, вроде импульсов, сообщаемых диафрагме (импульсные явления). Оба типа событий математически предсказываются, но не индивидуально, а лишь статистически; математически предсказывается количество точечных или импульсных событий, которые происходят в среднем в определенной области пространства.

Важно всегда помнить, что такое представление соответствует целям физика, занимающегося исследованиями в области атомной теории или в области ее технических применений. Мы можем назвать такого рода представление, следуя Рейхенбаху, «неполной интерпретацией» атомной физики. Мы воздерживаемся от вопросов, которые кажутся очень естественными и навязываются некоторым «словесным принуждением», если воспользоваться выражением П. У. Бриджмена. Если на экране появляется точечно- образная вспышка, то возникает большой соблазн сказать, что в этой точке на экран упала частица, и спросить, идя по какому пути эта частица достигла экрана. Точно так же, если диафрагма находится в движении, мы испытываем соблазн сказать, что она получила толчок от движущейся частицы, которая сообщила диафрагме какой-то Импульс. Если мы будем пытаться найти пути частиц, вызывающих вспышку, то в связи с этим встанут проблемы, не относящиеся к этому явлению. Мы задаем вопросы, которые не ставятся перед нами задачей улучшения наших предсказаний наблюдаемых явлений или улучшения нашей техники в разработке полезных приспособлений. Если мы ищем «пути несуществующих частиц» — говоря не вполне серьезно, — то мы на самом деле пытаемся описать явления атомной физики на языке, Наиболее близком к языку, на котором мы описываем опыты нашей повседневной жизни, или, другими словами, ищем теорию, которая как можно меньше отличалась бы от объяснения на основе здравого смысла.

<< | >>
Источник: Франк Филипп. Философия науки. Связь между наукой и философией: Пер. с англ. / Общ. ред. Г. А. Курсанова. Изд. 2-е. — М.: Издательство ЛКИ. — 512 с. (Из наследия мировой философской мысли; философия науки.). 2007

Еще по теме 4. Факты, слова и атомы:

  1. 4. Факты, слова и атомы
  2. IV. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ И ИСТОКИ УЧЕНИЯ ОБ АТОМЕ
  3. IX. КВАНТОВАЯ ТЕОРИЯ И СТРОЕНИЕ МАТЕРИИ
  4. X. ЯЗЫК и РЕАЛЬНОСТЬ В СОВРЕМЕННОЙ ФИЗИКЕ
  5. ГРАЖДАНЕ ВСЕЛЕННОЙ
  6. Основные факты и социально-философские компоненты в мировоззренческом развитии Маркса и Энгельса.
  7. I. ФАКТЫ И ПРОПОЗИЦИИ
  8. Все дело в атомах
  9. Чему соответствует реальность?
  10. БОРЕЦ ЗА СВОБОДУ СОВЕСТИ
  11. Слово Гераклита