Иван Лупандин
ЛЕКЦИИ ПО ИСТОРИИ НАТУРФИЛОСОФИИ
25. Философские проблемы квантовой механики
Планетарная модель атома, предложенная Резерфордом, оказалась
неустойчивой с точки зрения классической электродинамики Фарадея-Максвелла.
Дело в том, что Максвелл, придавший идеям и открытиям Фарадея в
области электромагнетизма математически законченную форму /т.н.
уравнения Максвелла/ и сыгравший таким образом роль Ньютона XIX
века, основывался , как и Галилей, на принципе непрерывности. Движение
отрицательно заряженного электрона вокруг положительно заряженного
ядра должно было быть равноускоренным /как всякое равномерное вращательное
движение в классической механике/, следовательно, согласно уравнениям
Максвелла, связывавшим излучение электромагнитных волн с ускоренным
движением электростатических зарядов, электрон, находясь в атоме,
должен был непрерывно излучать энергию в виде электромагнитных волн.
Вместе с тем, спектры атомов, в том числе спектр атома водорода,
изученный к тому времени наиболее тщательно, указывали, что атомы
излучают в диапазоне строго определенных длин волн да и то не всегда.
Если бы электроны в атомах подчинялись уравнениям Максвелла, то
электрон, излучая электромагнитные волны, терял бы энергию и в конце
концов упал бы на ядро /последнее, главным образом, и имеется в
виду, когда речь идет о неустойчивости планетарной модели атома
с точки зрения классической электродинамики/. Надо было что-то менять.
Вероятно, физики отказались бы от планетарной модели, если бы еще
в 1900 году Макс Планк не сформулировал квантовую теорию излучения,
согласно которой энергия передается от излучателя к реципиенту не
непрерывно, а отдельными порциями или квантами. К 1911 году, т.е.
к моменту проведения Резерфордом своих знаменитых опытов, на основе
которых была сформулирована планетарная модель атома, идея Планка
уже принесла обильные плоды в физике, ибо на ее основании были объяснены
такие, казалось бы, загадочные явления, как спектр абсолютно черного
тела и фотоэффект. Ученик Резерфорда Нильс Бор, вдохновленный успехами
квантовой теории, решил применить ее к планетарной модели атома.
Так родилась квантовая механика.
Квантовая механика по сути отказалась от всех основных принципов
классической механики, сформулированной некогда Оремом, Галилеем,
Декартом и Ньютоном. Прежде всего, квантовая механика упразднила
принцип непрерывности, столь важный для новоевропейской науки и
философии. Что касается последней, то для нее отказ от принципа
непрерывности, рассматриваемого Лейбницем в качестве основополагающего,
был так же губителен, как в свое время для схоластики отказ от концепций
материи и формы. Поскольку диалектический материализм был всецело
основан на принципах новоевропейской философии, в том числе на столь
ценимом Гегелем принципе непрерывности, то квантовая теория в 1920-е
годы привлекла к себе пристальное и, в целом, враждебное внимание
советских философов. Сложилась ситуация, аналогичная той, что имела
место с генетикой и теорией относительности. В журнале "Под знаменем
марксизма" были опубликованы тексты выступлений М. Планка перед
студентами Берлинского университета /1913 г./ и перед нобелевским
комитетом /1920 г./ , а затем дана оценка этих выступлений с марксистских
позиций. Первая из опубликованных в журнале "Под знаменем марксизма"
/№1, 1925/ речей М. Планка называлась "Новые пути физического познания".
В этой речи, которую Макс Планк произнес перед студентами Берлинского
университета по случаю начала 1913/1914 учебного года /никто тогда
не догадывался, что через год большинству этих студентов придется
надеть военную форму/, оратор формулирует "великие общие физические
принципы" и указывает, какие из них остались неизменными, а какие
были поколеблены в свете открытий, имевших место на рубеже XIX -
XX веков. К числу "непоколебленных" М. Планк отнес такие принципы,
как 1) закон сохранения энергии; 2) закон сохранения импульса; 3)
принцип наименьшего действия; 4) три начала термодинамики. К числу
принципов, оказавшихся опровергнутыми, М. Планк отнес 1) неизменность
химических атомов; 2) взаимную независимость пространства и времени;
3) непрерывность всех динамических процессов. По поводу первого
из вышеперечисленных опровергнутых принципов Планк произнес многозначительную
фразу: "Теперешние химические атомы далеко не атомы Демокрита".
По поводу третьего из опровергнутых принципов в речи Планка было
сказано следующее : "Третье из упомянутых выше положений касается
непрерывности всех динамических процессов, раньше неопровержимой
предпосылки всех физических теорий, которая, опираясь на Аристотеля,
сконцентрировалась в известной догме: "Natura non facit saltus"
/природа не делает скачков/. Однако и в этой уважаемой с древности
твердыне физической науки современное исследование пробило значительную
брешь[...] Оказывается, природа в самом деле делает скачки и притом
весьма странного сорта[...] Во всех случаях гипотеза квант приводит
к представлению, что изменения происходят в природе не непрерывно,
но как бы взрывами". Ту же мысль Макс Планк подчеркнул в своей нобелевской
речи "Возникновение и постепенное развитие теории квант": "Появление
кванта действия возвещало нечто совершенно новое, до того неслыханное,
что, казалось, требовало преобразования самых основ нашего физического
мышления, покоившегося со времен обоснования анализа бесконечно
малых Ньютоном и Лейбницем на предположении о непрерывности всех
причинных связей".
Разумеется, эти выступления М. Планка были прокомментированы в
журнале "Под знаменем марксизма" с позиций диалектического материализма.
Один из тогдашних марксистских идеологов, Аркадий Тимирязев, сын
известного биолога К.А. Тимирязева, так отозвался о позиции, занятой
М. Планком:
"Руководствуясь диалектическим методом, мы сразу можем сказать,
чего нам еще не хватает: если громадное число фактов заставило даже
самых осторожных мыслителей из буржуазного мира отказаться от предрассудка,
что "природа не делает скачков" и утверждать, что "природа делает
скачки и притом весьма странного сорта", то в мире атомов нам еще
неизвестны те непрерывные процессы, те процессы подготовки, которые
приводят к наблюдаемым уже нами скачкам, а в диалектическом процессе
всякий скачок предполагает предшествующее непрерывное развитие".
Таким образом, А. Тимирязев предлагает ни больше ни меньше как
снова ввести в физику принцип непрерывности, от которого создатели
квантовой теории решительно отказались. Из реакции А. Тимирязева
на выступление М. Планка видно, что марксисты настороженно восприняли
появление квантовой теории и сразу поспешили указать, чего в ней
не хватает, чтобы ее можно было привлечь в качестве еще одной иллюстрации
"диалектики природы".
Но квантовая теория оказалась для марксистов твердым орешком.
Отказ от принципа непрерывности был не единственным сюрпризом, который
преподнесла квантовая теория марксистским философам. В 1927 году
немецкий физик Вернер Гейзенберг сформулировал так называемый принцип
неопределенности, указывавший на предел точности наших знаний о
координате и скорости частицы и фактически приведший к отказу от
понятия траектории. Примерно в то же время австрийский физик Э.
Шредингер ввел понятие волновой функции, описывавшей положение квантового
объекта в пространстве и во времени, заменившей, таким образом,
прежнее понятие траектории. Когда, однако, попытались понять, что
представляет собой волновая функция /каков ее физический смысл/,
то выяснилось, что квадрат модуля волновой функции дает нам не что
иное, как вероятность обнаружения частицы в данной точке пространства
в данный момент времени. Одно из самых интересных следствий теории
Шредингера заключалось в том, что с некоторой вероятностью квантовый
объект мог находиться там, куда, с точки зрения классической механики,
он вообще не мог попасть. Рассмотрим, например, преодоление частицей
т.н. потенциального барьера. С точки зрения классической механики,
частица не может преодолеть барьер, если ее исходная кинетическая
энергия меньше, чем высота барьера. В квантовой механике преодоление
потенциального барьера сделалось возможным для частиц с любой кинетической
энергией /хотя, разумеется, чем ниже кинетическая энергия частицы,
тем меньше вероятность преодоления ею потенциального барьера/. Основываясь
на этих неожиданных следствиях из теории Шредингера, русский физик
Георгий Гамов предложил теорию альфа-радиоактивности, в рамках которой
последняя объяснялась как туннельный эффект, т.е. преодоление альфа-частицей
потенциального барьера, мешающего ей покинуть ядро. С позиций классической
физики альфа- радиоактивность, детально описанная Марией Кюри, казалась
необъяснимой загадкой, так как исходная кинетическая энергия альфа-частиц,
согласно расчетам, оказывалась значительно ниже высоты потенциального
барьера, создаваемого ядерными силами. Самым, однако, поразительным
в туннельном эффекте была его непредсказуемость. Альфа-частица оказывалась
как бы пленницей, заточенной в глубокой яме и предпринимающей многократные
попытки выбраться из нее. С точки зрения классической механики положение
этой пленницы безнадежно. Но в квантовом /и в реальном/ мире все
иначе: одна из приблизительно 1033 попыток выбраться
из ямы приводит к успеху. Трудность, впрочем, состоит в том, что
никогда нельзя заранее предсказать, какая именно попытка окажется
успешной. Это наглядный пример непредсказуемости поведения квантовых
объектов. Естественно, что это также противоречит новоевропейской
философии, утверждающей, что каждая причина приводит к однозначному
следствию.
Надо сказать, что не одни лишь марксисты были ввергнуты в недоумение
этим неожиданным следствием квантовой теории. Дело в том, что учение
о жесткой связи между причиной и следствием / т.н. детерминизм/
наряду с принципом непрерывности составлял одну из догм новоевропейской
философии уже со времен Спинозы /1632- 1677/. Ясно, что не только
марксистам были дороги принципы новоевропейской философии. Например,
А. Эйнштейн, никогда не сочувствовавший марксистам, зато большой
поклонник философии Спинозы, был задет неожиданным для него выводом
о непредсказуемости квантовых эффектов и вступил по этому поводу
в длительную полемику с Н. Бором. В данном случае, однако, сама
природа поддержала Н. Бора и других создателей квантовой механики
в их споре с Эйнштейном: туннельный эффект, экспериментально наблюдаемый
и не оставляющий никакой лазейки для предсказуемости, в точности
описывался уравнением Шредингера. Впоследствии выяснилось, что туннельный
эффект играет ключевую роль в ядерных реакциях, происходящих в недрах
Солнца, так что этому чудесному эффекту мы в буквальном смысле слова
обязаны своей жизнью. Эйнштейн, впрочем, оказался непоколебим в
своей приверженности спинозианскому детерминизму, но физики, привыкшие
следовать за природой, а не за философскими догмами, в данном случае
Эйнштейна не поддержали. Зато позиция Эйнштейна неожиданно нашла
союзников в лице марксистов, которые в непредсказуемости квантовых
событий усмотрели зловещий для себя призрак "свободы воли". В одной
из статей, появившихся в журнале "Вопросы философии" в конце 1940-х
годов, о квантовой механике было сказано:
"Мнение на это счет /о непредсказуемости квантовых эффектов -
И.Л./ Гейзенберга, Дирака, Бора и К0 общеизвестно: в
микромире царит полный произвол в движении микрочастиц, и объяснить
таковое можно лишь наличием "свободы воли" у электрона, а это уже
явная чертовщина".
Для марксистов происходящее в науке давно стало напоминать "чертовщину",
поскольку путало все их планы, заключавшиеся в том, чтобы сделать
науку своим союзником в борьбе с религией и воскресающей схоластической
философией. Будучи достаточно дальновидными, марксисты понимали,
сколь многим они обязаны новоевропейской философии, в том числе
Спинозе и Гегелю, и сколь важную роль играли в системах этих философов
принципы детерминизма и непрерывности. Марксисты были даже настолько
проницательны, что усмотрели в критике новоевропейской философии
опасность возрождения схоластики. Так, советский философ, академик
Марк Борисович Митин /которого коллеги за глаза называли Мрак Борисович/
в статье ""Материализм и эмпириокритицизм" В.И. Ленина и борьба
против современной идеалистической реакции", опубликованной в журнале
"Вопросы философии" №1 за 1949 г. писал:
"Так связываются в один узел беспросветная схоластика и идеализм
середины XX века с реакционнейшими социально- политическими устремлениями
идеологов современного капиталистического рабства".
Впрочем, еще в 1920-е годы призрак возрождающейся схоластики не
давал покоя марксистам, например, И. Аголу, писавшему в своей статье
в журнале "Под знаменем марксизма" № 3 за 1926 год следующее:
"Кто даже кое-как просматривал естественнонаучную литературу за
последние двадцать пять - тридцать лет, тот, несомненно, заметил,
что, с усилением классовых и национальных конфликтов на почве утверждавшегося
империализма, давно забытые покойники зашевелились в своих гробах,
стали стучать своими разваливающимися костяшками о крыши гробов
и требовать выхода на солнечный свет[...] И вот тут-то появляются
попытки воскресить мертвецов. Услужливыми руками вытаскиваются из
архива запыленные и пожелтевшие от времени метафизические фолианты,
а вместе с ними и мощи старых богов и прочая церковная рухлядь".
О том, насколько пророчески прав оказался И. Агол в своем видении
воскресающей схоластики, пойдет речь в следующих двух лекциях.
|
