Человеческое познание его сферы и границы - [13]

Когда атом испускает свет, то это происходит потому, что он выделяет количество энергии, равное энергии световой волны. Если он испускает свет частоты v, то он должен, согласно теории Планка, отдать количество энергии, измеряемое hv или каким-либо целым числом, кратным hv. Бор предположил, что это происходит потому, что какой-то орбитальный электрон перемещается с большей орбиты на меньшую; вследствие перехода электрона с одной орбиты на другую должно высвобождаться количество энергии, равное hv или какому-либо целому числу, кратному этому количеству. Отсюда следует, что возможны только определенные орбиты. В атоме водорода должны быть наименьшие из возможных орбит, а другие должны иметь радиус, в 4, 9, 16… раз больший, чем радиус минимальной орбиты. Было обнаружено, что эта теория, впервые появившаяся в 1913 году, хорошо согласуется с данными наблюдения, и поэтому она на некоторое время завоевала общее признание. Постепенно, однако, выявились факты, которых она не могла объяснить, и таким образом оказалось, что хотя она и является шагом на пути к истине, но пользоваться прежним признанием уже не может. Новая и более радикальная квантовая теория была создана в 1925 году — в основном Гейзенбергом и Шрёдингером.

В современной теории уже не делается попыток создания наглядной картины атома. Атом только тогда свидетельствует о своем существовании, когда испускает энергию, и поэтому экспериментальное свидетельство может касаться только изменений энергии. Современная теория берет из теории Бора положение, согласно которому энергия в атоме должна иметь одно из дискретных значений ряда, включающее h, каждое из этих значений называется «уровнем энергии». Относительно же того, что дает атому его энергию, эта теория хранит мудрое молчание.

Одним из самых странных моментов теории является то, что она отбросила различие между волнами и частицами. Ньютон думал, что свет состоит из частиц, испускаемых источником света; Гюйгенс же думал, что он состоит из волн. Взгляд Гюйгенса возобладал и до последнего времени считался твердо установленным. Но новые экспериментальные факты для своего объяснения потребовали признания частиц, которые были названы «фотонами». В противоположность этому де Бройль выдвинул гипотезу, что вещество состоит из волн. В конце концов оказалось, что все в физике может быть объяснено как с помощью корпускулярной гипотезы, так и с помощью волновой гипотезы.

Таким образом, между этими гипотезами нет физического различия, и каждая из них может быть принята в любой проблеме как наиболее для нас удобная. Но какую бы из них мы ни выбрали, мы должны держаться избранной; мы не должны смешивать обе гипотезы в одном и том же вычислении.

В квантовой теории индивидуальные атомные события не, определяются уравнениями; исходя из уравнений, можно в достаточной степени показать, что их возможности образуют дискретный ряд и что существуют правила, определяющие, как часто каждая возможность будет осуществлена в большом числе случаев. Имеются основания думать, что это отсутствие полного детерминизма объясняется не несовершенством теории, а собственными свойствами событий малого масштаба.

Порядок, обнаруживаемый в макроскопических явлениях, является статистическим порядком. Явления, включающие большие количества атомов, остаются детерминированными, но каково может быть поведение индивидуального атома при данных обстоятельствах, установить нельзя не только потому, что наше познание ограниченно, но и потому, что нет физических законов, дающих определенный результат.

Существует и другой результат квантовой теории, по поводу которого, по-моему, было поднято слишком много шуму, а именно то, что называется «принципом неопределенности» Гейзенберга. Согласно этому принципу, имеется теоретический предел точности, с которой определенные связанные величины могут быть одновременно измерены. При определении состояния физической системы имеются определенные пары связанных величин; одна такая пара есть положение и импульс (или скорость при условии, что масса постоянна), другая — есть энергия и время. Общеизвестно, конечно, что ни одна физическая величина не может быть измерена с полной точностью, но всегда при этом предполагалось, что не существует теоретического предела для возрастания точности, достижимой при совершенной технике. Согласно же принципу Гейзенберга, это не так. Если мы попытаемся измерить одновременно две связанные величины упомянутого вида, то всякое возрастание точности в измерении одного из них (после определенного предела) связано с уменьшением точности в измерении другого. При этом будут ошибки в обоих измерениях и произведение этих двух ошибок никогда не будет меньше, чем h/2П. Это значит, что* если одно измерение будет абсолютно точным, ошибка другого будет бесконечно велика. Предположим, например, что вы хотите определить положение и скорость частицы в определенное время: если вы определяете ее положение с большой точностью, то будет большая ошибка в определении скорости, а если вы определяете скорость с большой точностью, то будет большая ошибка в определении положения. То же получается и при определении энергии и времени: если вы измеряете энергию очень точно, то время, когда система имеет эту энергию, будет неопределенным, а если вы очень точно фиксируете время, то энергия будет неопределенной в широких пределах. Это обстоятельство зависит не от несовершенства нашего измерительного прибора, а является существенным принципом физики.