VIII. АТОМНАЯ ФИЗИКА И ПРАГМАТИЧЕСКИЙ ОБРАЗ МЫСЛИ (1929)

Когда поздней осенью 1927 года я получил приглашение от Лейп- цигского и Цюрихского университетов занять в них должность профессора, я выбрал Лейпциг, где меня особенно манило сотрудничество с отличным физиком-экспериментатором Петером Дебаем. Правда, на моем первом семинаре по атомной теории у меня был только один-единственный слушатель, однако я был уверен, что мне, в конце концов, обязательно удастся привлечь многих молодых людей на сторону новой атомной физики.

Я выговорил себе условие, что до вступления в должность в Лейпциге буду иметь возможность отправиться на год в Соединенные Штаты для чтения там лекций о новой квантовой механике. Итак, в феврале 1929 года в жестокий холод я поднялся в Бремерхафене на корабль, который должен был доставить меня в Нью-Йорк. Уже наш выход из гавани оказался трудной задачей. Он продолжался два дня, потому что фарватер был заблокирован плотным ледяным барьером, да и в дальнейшем мы попадали в самые суровые штормы, какие я когда-либо переживал на море, так что лишь на пятнадцатый день довольно-таки трудного морского путешествия передо мной всплыл берег Лонг-Айленда и за ним знаменитый силуэт, skyline Нью-Йорка на фоне закатного неба.

Новый Свет почти с первого же дня очаровал меня. Свободная раскованная активность молодых людей, их не отягощенная всякого рода условностями гостеприимность и готовность помочь, исходивший от них радостный оптимизм — все это вызвало во мне такое чувство, словно какой-то груз упал с плеч. Интерес к новой теории атома был велик. Я смог посетить с лекциями многие университеты и хорошо познакомился со страной в ее самых разных аспектах. Там, где я оставался дольше, у меня завязывались новые дружеские контакты, начинавшиеся с совместных игр в теннис, лодочных и парусных прогулок и очень часто оканчивавшиеся обстоятельными беседами о новейшем развитии нашей науки. Особенно мне запомнилась беседа с моим партнером по теннису Бартоном, молодым чикагским физиком-экспериментатором, который как-то пригласил меня на несколько дней ловить рыбу в отдаленной озерной местности на севере страны.

Разговор зашел об одной удивлявшей меня черте, которую я постоянно наблюдал на своих лекциях в разных частях Америки. Если в Европе отсутствие наглядности в новой атомной теории, дуализм корпускулярного и волнового представлений, чисто статистический характер природных законов, как правило, вели к ожесточенным спорам, а иной раз и к категорическому отрицанию новых идей, то американские физики в своем большинстве были, похоже, готовы без всяких затруднений принять новый взгляд на вещи. Для них он как бы не представлял никакой проблемы. Я спросил Бар- тона, как он объяснит это различие, и получил примерно следующий ответ.

— Вы, европейцы, и особенно немцы, склонны относиться к подобного рода идеям страшно принципиально. Мы смотрим на все гораздо проще. Раньше ньютоновская физика была достаточно точным описанием наблюдаемых фактов. Потом стали известны электромагнитные явления, и оказалось, что ньютоновской механики здесь уже мало, но что в то же время для описания таких явлений вполне хватает уравнений Максвелла. Наконец, изучение атомных процессов показало, что применение законов классической механики и электродинамики не приводит к наблюдаемым результатам. Стало быть, требовалось усовершенствовать прежние законы или уравнения, и так возникла квантовая механика. По существу физик, даже теоретик, поступает здесь просто как инженер, конструирующий, скажем, мост. Допустим, он замечает, что применявшиеся ранее формулы для расчета его новой конструкции уже недостаточны. Он должен внести еще какие-то поправки на ветровой напор, на старение материала, на температурные колебания и тому подобное, и может сделать это, внося добавления в прежние формулы. Так он получает улучшенные формулы, более надежные конструктивные параметры, и все довольны. Но ведь основные принципы инженерной деятельности остаются без изменений. В современной физике, по- моему, все обстоит так же. Возможно, вы делаете ошибку, трактуя законы природы как абсолютные, а после этого удивляетесь, что их приходится изменять. Мне кажется, уже само выражение «закон природы» ведет к довольно сомнительному возвеличиванию или обожествлению формулировки, которая по существу не может быть ничем иным, кроме как просто практическим предписанием о том, как следует обращаться с природой в соответствующей области. Словом, по-моему, надо полностью отказаться от всяческих абсолютизаций; тогда не будет никаких трудностей. —

Так значит, тебя ничуть не удивляет,— заметил я,— что электрон в одном случае выступает как частица, в другом — как волна. Ты видишь здесь пускай неожиданное по форме, но все же просто продолжение прежней физики. —

Еще как удивляет; но раз я вижу, что такое происходит в природе, мне надо с этим мириться. Если существуют образования, которые сейчас похожи на волну, а потом — на частицу, значит явно пора формулировать новые понятия. Возможно, следовало бы назвать такие образования «волницами», а квантовую механику — математическим описанием поведения этих «волниц». —

Нет, по-моему, такой ответ все слишком упрощает. Речь ведь идет не о частном свойстве электронов, а о свойстве всякой материи и всякого излучения. Возьмешь ли ты электроны или кванты света, или молекулы бензола, или камни, всегда налицо обе черты — частицеобразность или волнообразность и, соответственно, статистический характер законов природы можно наблюдать в принципе везде. Разве что на атомарном уровне квантовомеханические черты намного резче бросаются в глаза, чем в вещах повседневного опыта. —

Так что же? Тогда вы просто немного видоизменили законы Ньютона и Максвелла, и в области атомных явлений эти изменения кажутся наблюдателям очень заметными, тогда как в сфере повседневного опыта они едва видны. Как ни посмотри, речь идет лишь о более или менее эффективных усовершенствованиях, и квантовая механика тоже явно будет еще совершенствоваться, когда потребуется корректное описание других, еще не так хорошо известных явлений. Но пока квантовая механика служит удобным для всех экспериментов в области атома операциональным предписанием, отлично зарекомендовавшим себя.

Весь этот бартоновский способ рассмотрения был мне совершенно не по душе. Но я понимал, что должен для прояснения своей мысли сформулировать некоторые вещи немного точнее. Поэтому я возразил с подчеркнутой категоричностью: «По-моему, ньютоновскую механику вообще нельзя усовершенствовать или улучшить. Я имею в виду следующее: поскольку те или иные явления поддаются описанию в понятиях ньютоновской физики, как-то место, скорость, ускорение, масса, сила и т. д., постольку и ньютоновские законы остаются в полной силе, и тут даже через сто тысяч лет ничего не изменится. Пожалуй, следовало бы сказать точнее: ньютоновские законы действуют с той же степенью точности, с какой явления поддаются описанию в ньютоновских понятиях. Что эта степень точности ограниченна, прекрасно знала и прежняя физика; и она не претендовала на изменения с любой желаемой степенью точности. Но наличие принципиального предела точности измерений, сформулированного соотношением неопределенностей, является, конечно, новым знанием, впервые достигнутым наукой об атоме. Впрочем, об этом можно пока не говорить. Достаточно констатировать, что внутри сферы точных измерений механика Ньютона сохраняет силу и остается верной в будущем». —

Не понимаю,— возразил Бартон,— разве механика теории относительности не является усовершенствованием ньютоновской механики? А ведь там вообще нет речи о принципе неопределенности. —

О принципе неопределенности речи нет,— попытался я продолжить свое объяснение,— но об иной пространственно-временной структуре, особенно о связи между пространством и временем,— да. Пока сохраняется видимость абсолютного времени, независимого от места и от движения наблюдателя, пока мы оперируем жесткими или практически жесткими телами определенной протяженности, до тех пор остаются справедливыми и ньютоновские законы. Но если мы будем иметь дело с очень высокими скоростями и проведем при этом очень точные измерения, то обнаружим, что понятия ньютоновской механики уже не в точности соответствуют опытным данным,— что, к примеру, часы движущегося наблюдателя кажутся идущими медленнее, чем часы покоящегося,— и тогда нам придется переключиться на релятивистскую механику. —

Почему же ты тогда не согласен назвать релятивистскую механику усовершенствованием ньютоновской? —

Своим возражением против слова «усовершенствование» применительно к теории относительности я хотел просто избежать одного недоразумения, и если не будет этой опасности, то, пожалуйста, можно говорить и об усовершенствовании. Недоразумение, которое я имею в виду, касается как раз твоей аналогии с усовершенствованиями, вводимыми инженером при практическом применении физики. Было бы совершенно ложным ставить принципиальные изменения, возникающие при переходе от ньютоновской механики к релятивистской или квантовой механике, на одну доску с инженерными усовершенствованиями. Ибо инженеру, вводящему усовершенствования, нет надобности что-либо изменять в своих прежних понятиях. Все термины сохраняют свое прежнее значение, просто в формулы вносятся поправки с учетом факторов, которыми прежде пренебрегали. Но поправки подобного рода не имели бы в ньютоновской механике ни малейшего смысла. В принципе, не существует экспериментов, которые принудили бы к таким изменениям. В том и заключается непоколебимая абсолютность ньютоновской физики, что внутри области своего применения она не может быть улучшена посредством небольших изменений или поправок, что она давно обрела тут свою окончательную форму. Но есть области, где с понятийной системой ньютоновской механики мы садимся на мель. В таких областях нам нужны совершенно новые понятийные структуры, и нам их предоставляет, к примеру, теория относительности или квантовая механика. Ньютоновская физика, хочу я сказать, обладает такой степенью завершенности, какой физический инструментарий инженера не обладает никогда. Из-за этой завершенности, этой замкнутости никакие постепенные усовершенствования тут невозможны. Что, пожалуй, возможно — так это перейти к совершенно новой системе понятий, причем старая система окажется включенной в новую на правах предельного случая. —

Но откуда же мы знаем,— спросил Бартон,— что какой-то раздел физики завершен в том смысле, как ты это только что утверждал в отношении ньютоновской механики? Какие критерии отличают завершенный раздел от еще открытого и какие завершенные в данном смысле разделы имеются, по-твоему, в прежней физике? —

Важнейшим критерием завершенности какой-то области является наличие в ней четко сформулированной, внутренне непротиворечивой аксиоматики, фиксирующей как понятия, так и закономерные соотношения внутри данной системы. В какой мере такая аксиоматическая система соответствует действительности, решает, естественно, только опыт, и мы называем систему «теорией» только тогда, когда она позволяет описать обширные области опытных данных.

Если придерживаться этого критерия, то я различил бы во всей известной до сих пор физике четыре замкнутых области: это ньютоновская механика, статистическая теория теплоты, специальная теория относительности вместе с максвелловской электродинамикой и, наконец, нововозникшая квантовая механика.

Бартон, похоже, был отчасти удовлетворен таким ответом, но хотел лучше понять мотивы этого учения о завершенных системах. «Почему ты, собственно, придаешь такую важность утверждению, что переход от одной области к другой, скажем от ньютоновской физики к квантовой теории, происходит не плавным, а в некотором смысле прерывным образом? Ты, конечно, прав, тут вводятся новые понятия, и постановка вопросов в новой области выглядит иначе. Но неужели это так уж существенно? В конце концов, продолжается все тот же прогресс науки, расширяется наше понимание природы, и это главное. А происходит ли этот прогресс плавно или прерывно, отдельными скачками, мне кажется довольно-таки безразличным». —

Нет, это вовсе не безразлично. Твое представление о плавном прогрессе в таком же смысле, в каком ты говорил о росте инженер- ного умения, лишает нашу науку всякой силы или, скажем, всякой жесткости настолько, что я даже не знаю, можно ли будет тогда продолжать называть ее точной наукой. Если бы мы захотели заниматься физикой твоим чисто прагматическим способом, то выхватывали бы каждый раз ту или иную частную область, на данный момент хорошо доступную экспериментально, и пытались отображать наблюдаемые там процессы посредством приближенных формул. В случае слишком большой неточности описания можно было бы вводить поправочные коэффициенты, добиваясь таким образом повышения точности. Но у нас не было бы уже никакого права задаваться вопросами о законах природы в целом и не было бы никакой перспективы пробиться даже к тем простейшим закономерностям, которые — возьмем только один пример — отличают ньютоновскую механику от птолемеевской астрономии. Таким образом, был бы утерян важнейший критерий истинности нашей науки — простота законов природы, которая всегда светит нам в конце пути. Ты, конечно, можешь снова сказать, что в этом требовании простоты кроется претензия на абсолютное познание, логически совершенно неоправданная. Почему законы природы должны быть обязательно простыми, почему крупные области нашего опыта допускают простое описание? Но тут я должен обратиться к предшествующей истории физики. Ты обязан согласиться, что четыре названные мною завершенные области обладают каждая своей очень простой аксиоматикой и что они описывают очень широкий круг явлений. Лишь при наличии такой аксиоматики понятие «закон природы» действительно оправданно, и если бы ее не было, физика никак не могли бы считаться точной наукой.

У этой простоты есть еще и другая сторона, касающаяся нашего отношения к законам природы. Не знаю только, удастся ли мне здесь выразиться корректно и понятно. Когда мы, как это всегда на первых порах приходится делать в теоретической физике, подытоживаем в формулах данные экспериментов, достигая таким путем феноменологического описания природных процессов, то мы ощущаем, что изобрели эти формулы, более или менее удачно, но изобрели. Но когда сталкиваешься с очень общими закономерностями, какие в конечном счете фиксируются в аксиоматике, то все выглядит совершенно иначе. Тогда перед нашим умственным взором вырисовывается структура, которая и без нас всегда уже существовала и которая совершенно явно не человеческих рук дело. А ведь такие структуры составляют подлинное содержание нашей науки. Ее можно по-настоящему понять только тогда, когда мы внутренне осознаем существование подобных структур.

Бартон задумчиво молчал. Он не возражал мне, но у меня все же было такое впечатление, что мой образ мысли остался ему несколько чужд.

К счастью, наш воскресный отдых был заполнен не только такими сложными разговорами. Первую ночь мы провели в маленькой хижине на берегу безлюдного озера среди, казалось, бескрайнего простора озер и лесов. Наутро мы доверились водительству одного ин- дейца, с которым вышли под парусом рыбачить в озеро, чтобы освежить свой провиант озерной добычей. Действительно, в том месте, куда нас вывел индеец, мы сумели за один час поймать восемь необычно больших щук, что составило роскошный ужин не только для нас, но и для семьи нашего индейца. После такого успеха мы пожелали на следующее утро продолжить рыбную ловлю, на этот раз обойдясь уже без руководства индейца. Погода и ветер были примерно такими, как накануне, и мы приплыли на то же место. Но несмотря на все наши усилия, за целый день ни одна рыба не захотела даже клюнуть. В этой связи Бартон вспомнил о нашей вчерашней беседе и заметил: «Наверное, в мире атомов дело обстоит так же, как с ловлей рыбы на этом пустынном озере. Если ты не сживешься с этим миром — сознательно или бессознательно — так же хорошо, как наши индейцы с ветром, погодой и привычками рыбы, то мало надежды в нем что-то понять».

К концу моего пребывания в Америке я условился с Полем Дираком о совместном возвращении домой, куда мы планировали добраться очень кружным путем. Мы собирались встретиться в Йеллоустон- ском парке, побродить там немного, потом вместе проплыть через Тихий океан в Японию и затем через Азию вернуться в Европу. Местом встречи был избран отель перед известным гейзером «Олд Фейсфул». Прибыв в Йеллоустонский парк за день до условленной встречи, я предпринял в одиночку восхождение на ближнюю гору. Лишь уже в пути я узнал, что горы там, в противоположность Альпам, представляют собой совершенно пустынные, почти не посещаемые людьми природные образования. Не было ни дорог, ни пешеходных троп, ни указателей или разметки, и в случае осложнений не приходилось рассчитывать на чью-либо помощь. При восхождении из-за сложных обходов я потерял много времени, а при спуске так устал, что в первом же удобном месте улегся на траву и тотчас заснул. Я проснулся оттого, что меня в лицо лизнул медведь. Я порядком испугался и в наступавших уже сумерках лишь с великим трудом нашел дорогу обратно в отель.

В письме к Полю, договариваясь о встрече, я упомянул, что мы, пожалуй, сможем посетить некоторые из ближайших гейзеров, причем, разумеется, было желательно видеть гейзеры в момент их деятельности. Характерным для своей тщательной и систематической манеры образом Поль уже имел к моменту нашей встречи точный план обхода всех доступных гейзеров, на котором не только были обозначены периоды деятельности этих естественных фонтанов, но и наш маршрут был хитроумно рассчитан так, что мы успевали пешком дойти от одного гейзера до другого точно к началу деятельности последнего и могли за послеполуденное время полюбоваться максимальным числом этих созданий природы. Удобным временем для бесед о нашей науке стало долгое океанское путешествие от Сан-Франциско через Гавайи до Иокагамы. Правда, я охотно участвовал в таких обычных на борту японского парохода играх, как настольный теннис или шафлборд, но оставалось еще немало часов, когда мы, лежа в креслах, следили за дельфинами, резвившимися вокруг корабля, или любовались стаями летающих рыб, вспугнутых нашим судном. Обычно Поль занимал кресло рядом со мной, и мы пользовались возможностью подробно обсудить свои впечатления от Америки и свои планы на будущее в атомной физике. Готовность американских физиков принять отсутствие наглядности в новой атомной физике удивляла Поля гораздо меньше, чем меня. Он тоже вопринимал развитие нашей науки как более или менее плавный процесс, в котором гораздо важнее вопрос не столько о понятийной структуре, укореняющейся на той или иной стадии развития, сколько о методе, который обеспечивал бы максимально уверенный и быстрый прогресс науки. Ибо с прагматической точки зрения развитие науки есть непрерывный процесс приспособления нашего мышления к постоянно расширяющемуся полю опыта, и здесь немыслимо никакое завершение. Принципиально важным нужно поэтому считать не тот или иной временный итог, а сам метод приспособления к экспериментальным данным.

Что такой процесс ведет в конечном счете к установлению или, как я предпочел бы говорить, к выявлению простых законов природы, в этом Поль был твердо убежден. Но методололгически исходным пунктом для него была конкретная проблема, а не глобальная закономерность. Когда он описывал мне свой метод, у меня часто появлялось ощущение, что для него физическое исследование выглядит так же, как для иных альпинистов сложное скалолазание. Единственной реальной задачей для них является преодоление очередных трех метров. Если это будет шаг за шагом удаваться, мы в конце концов достигнем вершины. Но заранее представлять себе весь путь восхождения со всеми его трудностями — значит только расстраивать себя. Кроме того, реальные проблемы начинаешь понимать, только дойдя до трудных участков пути. Мне такая аналогия казалась никуда не годной. Если оставаться в рамках того же образного сравнения, то лично я мог бы двинуться в путь, только приняв сперва решение обо всем маршруте в целом. Мне всегда казалось, что отдельные трудности и препятствия можно преодолеть тогда и только тогда, когда найден верный общий маршрут. Негодность сравнения науки с альпинизмом состояла для меня в том, что относительно скалы никогда не может быть уверенности в реальной возможности подняться на нее. Но в отношении природы я твердо верил в то, что ее связи в конечном счете просты; природа, было мое убеждение, устроена так, что ее можно понять. Или, пожалуй, правильнее было бы сказать в обратном порядке: наша мыслительная способность так устроена, что он может понять природу. Основанием для такой уверенности могло служить то, о чем говорил Роберт в нашей беседе у озера Штарнбергер-Зее. Те же самые упорядочивающие силы, которые создали природу во всех ее формах, ответственны и за строение нашей души, а значит, и наших мыслительных способностей.

225

8 В Гейзенберг Мы с Полем много говорили об этих вопросах метода и о видах на будущее развитие науки. Несколько утрируя наши позиции, кото- рые здесь не совпадали, можно было бы приписать Полю правило: «Никогда не решай более одной единственной проблемы зараз», тогда как я утверждал нечто прямо противоположное: «Никогда нельзя решать только одну проблему, всегда приходится иметь дело сразу с несколькими». Поль своей формулировкой хотел прежде всего дать понять, что он считает намерение браться за решение сразу нескольких проблем самонадеянностью. Он очень хорошо знал, с каким упорством приходится бороться за каждый шаг вперед в столь далеко отстоящей от повседневного опыта области, как атомная физика. Я, со своей стороны, хотел лишь напомнить о том, что подлинное решение проблемы достигается только если мы благодаря ей наталкиваемся на простые универсальные связи. Тогда сами собой совершенно неожиданным образом отпадают и многие другие трудности. Так что обе наши формулировки заключали в себе большую долю истины, и мы могли утешать себя по поводу их кажущегося противоречия, вспоминая одно изречение Нильса Бора, которое не раз от него слышали. Нильс любил говорить: «Противоположность верного утверждения — ложное утверждение. Но противоположностью глубокой истины может оказаться другая глубокая истина».