Человеческое познание его сферы и границы - [14]

Имеются физические соображения, которые делают этот принцип не столь уж удивительным. Ясно, что h есть очень маленькая величина, поскольку она измеряется числом порядка 1027. Поэтому везде, где участвует h, мы имеем дело с объектами чрезвычайно малой величины. Когда астроном наблюдает Солнце, оно сохраняет гордое безразличие к его действиям. Но когда физик пытается обнаружить, что происходит с атомом, то прибор, посредством которого он производит свои наблюдения, оказывает, по-видимому, какое-то действие на атом. Детальные исследования показывают, что прибор, наиболее приспособленный для определения положения атома, должен, по-видимому, влиять на его скорость, а прибор, наиболее приспособленный для определения его скорости, должен, по-видимому, изменять его положение. Подобные же соображения применимы и к другим парам связанных между собой величин. Поэтому я не думаю, что принцип неопределенности имеет какое-либо философское значение, которое ему иногда приписывают.

Квантовые уравнения отличаются от уравнений классической физики в весьма важном отношении, а именно в том, что они «нелинейны». Это значит, что если вы открыли действие только одной причины, а затем действие только другой причины, то вы не можете найти действие их обеих посредством складывания двух определенных порознь действий. Получается очень странный результат. Допустим, например, что вы имеете экран с маленькой щелью и что вы бомбардируете его частицами; некоторые из них пройдут через щель. Допустим теперь, что вы закроете первую щель и сделаете другую; тогда некоторые частицы пройдут через вторую щель. Теперь откройте обе щели сразу. Вы будете ожидать, что количество проходящих через обе щели частиц будет равно сумме двух прежних количеств, но оказывается, что это не так. На поведение частиц у одной щели, по-видимому, оказывает влияние существование другой щели. И хотя уравнения таковы, что предсказывают этот результат, но он остается все же удивительным. В квантовой механике меньше независимости причин, чем в классической физике, и это создает дополнительные трудности при вычислениях.

И теория относительности, и квантовая теория привели к замене старого понятия «массы» понятием «энергии». «Массу» обычно определяли как «количество материи»; «материя» была, с одной стороны, «субстанцией» в метафизическом смысле, а с другой стороны, технической формой обычного понятия «вещи». «Энергия» считалась на ранних стадиях состоянием «материи». Энергию подразделяли на два вида: кинетическую и потенциальную. Кинетическая энергия частицы принималась равной половине произведения ее массы на квадрат скорости. Потенциальная энергия измерялась работой, необходимой для перемещения частицы в ее настоящее положение с какого-либо фиксированного положения. (Это делает постоянную неопределенной, но это не существенно). Если вы переносите камень с земли на вершину башни, то он в процессе этого переноса приобретает потенциальную энергию; если вы бросаете его с вершины, то в процессе падения камня его потенциальная энергия постепенно переходит в кинетическую. В каждой замкнутой системе общий запас энергии постоянен. Существуют разные формы энергии, одной из которых является теплота. У энергии вселенной есть тенденция принимать все больше и больше форму теплоты. После того как Джоуль определил механический эквивалент теплоты, закон сохранения энергии впервые стал хорошо обоснованным научным обобщением.

Теория относительности и эксперименты показали, что масса не постоянна, как считалось раньше, а при быстром движении увеличивается; если бы частица могла двигаться со скоростью света, ее масса стала бы бесконечно большой. Поскольку всякое движение относительно, различные определения массы, даваемые различными наблюдателями в соответствии с их движением по отношению к данной частице, все одинаково законны. Однако и с точки зрения этой теории имеется все же одно определение массы, которое может рассматриваться как основное, а именно определение, даваемое наблюдателем, который находится в покое по отношению к телу, масса которого подлежит определению. Поскольку увеличение массы со скоростью заметно только при скоростях, сравнимых со скоростью света, такое определение практически годится для всех случаев, за исключением частиц альфа и бета, испускаемых радиоактивными телами.

Квантовая теория осуществила еще большее посягательство на понятие «массы». Теперь оказывается, что везде, где энергия теряется в результате ее излучения, имеется также и соответствующая потеря массы. Считается, что Солнце теряет свою массу со скоростью четыре миллиона тонн в секунду. Другой пример: нейтральный атом гелия состоит (согласно теории Бора) из четырех протонов и четырех электронов, тогда как атом водорода состоит из одного протона и одного электрона. В случае, если бы это было действительно так, можно было бы предположить, что масса атома гелия в четыре раза больше массы атома водорода. Однако это не так. Принимая массу атома гелия за 4, мы находим, что масса атома водорода равна не 1, а 1,008. Причиной этого служит то, что когда четыре атома водорода соединяются, чтобы образовать один атом гелия, происходит потеря энергии (в результате излучения — так, по крайней мере, мы можем предположить, ибо этот процесс никогда еще не наблюдался).