Страница:
По словам Борна, Гейзенберг отказался от "представлений об электронных орбитах с определенными радиусами и периодами обращения, потому что эти величины не могли быть наблюдаемы". Таким образом, он рассек "гордиев узел при помощи философского принципа и заменил догадки математическим правилом". Это достижение Гейзенберга можно сравнить с подвигом Эйнштейна, упразднившего в 1905 году понятие абсолютной одновременности.
Выяснилось, что атомную модель Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Она была применима только для одноэлектронной системы атома водорода и не могла быть безоговорочно перенесена на атомную систему со многими электронами. Процессы в атоме не могли быть наглядно представлены в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Нельзя было схематически применять законы небесной механики для объяснения внутриатомных связей. Даже понятия пространства и времени в существующей форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.
Бесстрашие мышления, необходимое для разрешения новых физических проблем, метко охарактеризовал сам Гейзенберг: "На каждом существенно новом этапе познания нам всегда следует подражать Колумбу, который отважился оставить известный ему мир в почти безумной надежде найти землю за морем".
Когда Крамере, первый сотрудник Бора, принял приглашение занять должность профессора в Утрехтском университете, Гейзенберг изъявил готовность возвратиться в Копенгаген и стать в качестве преемника Крамерса доцентом теоретической физики Его лекции хорошо воспринимались студентами также и потому, что он в совершенстве владел датским языком. Во время этого второго пребывания в Копенгагене, в 1926...1927 годах, молодой немецкий физик неоднократно вел с Бором страстные споры о толковании квантовых явлений.
"Я вспоминаю, - писал позднее Гейзенберг, - о многочисленных дискуссиях с Бором, которые длились до поздней ночи и которые мы заканчивали почти в полном отчаянии. И если я после таких дискуссий один отправлялся на короткую прогулку в соседний парк, то повторял снова и снова вопрос о том, может ли природа действительно быть такой абсурдной, какой она кажется нам в этих атомных экспериментах".
Результаты этой работы мысли были сформулированы в 1927 году как "соотношение неопределенностей" Гейзенберга и "принцип дополнительности" Бора.
Нильс Бор был физиком до мозга костей. Он обладал, о чем говорил в одном из писем и Эйнштейн, гениальной интуицией в области физики, необычайной силы внутренним видением. Его почти сомнамбулическая уверенность при выявлении ключевых вопросов не имела себе равных. Вместе с тем во владении математическим аппаратом Бор во многом уступал своим коллегам. В разговоре с Паули он сделал однажды характерное признание, что его интерес к физике это интерес не математика, а, скорее, ремесленника и философа.
Действительно, математическое одеяние квантовой механики, основы которой, по сути, опираются на работы Бора, создано не им самим, а другими: Борном, Гейзенбергом, Иорданом, Паули, Дираком, Шрёдингером. Здесь сказалась известная ограниченность его огромного дарования. "Выдающиеся математические способности или даже виртуозность в той мере, в какой ими обладают многие из его учеников, ему не даны. Он мыслит наглядно и с помощью понятий, но не собственно математически". Так отозвался Карл Фридрих фон Вайцзеккер о творце современной теории атома. Он сообщал также, что среди учеников и сотрудников Бора ходила шутка о том, что учитель знает будто бы только два математических знака: "меньше, чем..." и "приблизительно равно".
Теоретико-познавательный вклад Бора в развитие атомной физики заключается в установлении двух принципов: соответствия и дополнительности. Их вызвала к жизни потребность ученого изобразить ясно, насколько это возможно, основы всех теоретико-познавательных выводов из атомной механики.
"Вначале он мог быть доволен, - писал Франк, - когда пришел к однозначному и непротиворечивому объяснению перехода от континуума к дискретному квантованию и, более того, принципиально связал индетерминизм элементарных процессов с методами, предполагающими возможность наблюдения. Иными словами, он должен был исследовать с теоретико-познавательных позиций сущность всякого наблюдения. Много лет посвятил Бор разработке этих проблем, пока, наконец, не пришел к удовлетворительным результатам. Они были изложены в написанной вместе с Розенфельдом работе, которая, насколько я могу ее оценить, представляет собой одну из самых прекрасных и самых глубоких работ по теории познания".
Принцип соответствия, который Бор выдвинул еще в 1916 году, означал, что квантовая теория может быть определенным образом согласована с классической теорией, то есть "соответствовать" ей. Классическая механика блестяще подтвердилась не только во всех макрофизических процессах, но также и во всех микрофизических процессах, вплоть до движения атомов как целого, что показала кинетическая теория материи. Итак, новая атомная механика должна была привести в конце концов к тем же результатам, что и классическая. Она должна была асимптотически перейти в классическую механику для крайних случаев больших масс или больших размеров орбит. Если значение элементарного кванта действия h рассматривать как бесконечно малую величину или пренебречь им, то практически будут действовать законы классической физики.
Если, например, электрон в атоме водорода переходит на орбиты, все дальше отстоящие от ядра, и наконец полностью отрывается от него, то законы излучения квантовой механики с большим приближением принимают форму законов классической электродинамики. Принцип соответствия передает, таким образом, связь между двумя противоречащими друг другу теоретическими построениями: микрофизикой и макрофизикой, границы между которыми определяются константой Планка.
Принцип соответствия, в котором старое было смело соединено с новым, оказался очень полезным для приблизительных расчетов интенсивности спектральных линий. Он сыграл большую роль в дальнейшем развитии квантовой физики. "Теоретическая физика жила этой идеей последующие десять лет, говорил Макс Борн. - ...Искусство угадывания правильных формул, которые отклоняются от классических, но переходят в них, в смысле принципа соответствия было значительно усовершенствовано".
Примерно десятилетие спустя, на съезде физиков, который был устроен летом 1927 года в Комо по случаю столетия со дня смерти великого итальянского физика Алессандро Вольта, Бор изложил свой второй принцип, принцип дополнительности, сделавший возможным непротиворечивое толкование явлений квантовой механики. Основные выводы появились под названием "Квантовый постулат и новое развитие атомистики" в журнале "Натурвиссеншафтен", а в первоначальном варианте на английском языке в журнале "Нейче".
Эта статья Бора, в которой впервые излагалось так называемое копенгагенское толкование квантовой механики, принадлежит к тем классическим документам физической науки, которые непосредственно послужили теоретической подготовке атомного века. Прошло более двух десятилетий, прежде чем выдвинутая Планком идея о квантах была настолько развита, что сделала возможным действительное понимание внутриатомных закономерностей.
С понятием корпускулы было связано представление о каком-то предмете, имеющем строго определенную величину движения и в данный момент находящемся в строго определенном месте, как это наблюдается в макромире, например у брошенного мяча, положение которого и скорость движения в любой момент могут быть точно измерены и определены.
Однако выяснилось, что невозможно не только практически, но и в принципе с одинаковой точностью одновременно установить место и величину движения атомной частицы. Только одно из этих двух свойств может быть определено точно. Чем точнее и определеннее измеряют одну из двух величин, тем менее точной и определенной оказывается другая. Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин, которые "канонически связаны", то есть положения и величины движения микрочастицы.
Это естественное состояние "обоюдной неопределенности", как говорил Бор, которое сопутствует каждому квантовомеханическому измерению, было математически отображено Гейзенбергом как "соотношение неточностей" или "соотношение неопределенностей". Это открытие принадлежат к величайшим достижениям теоретической физики.
В своей книге "Физика атомного ядра" Гейзенберг так охарактеризовал открытый им закон природы: "Никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра, решающим образом определяющие движение такой мельчайшей частицы: ее место и ее скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где она находится, как быстро и в каком направлении движется. Если ставят эксперимент, который точно показывает, где она находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого даже нельзя снова найти. И наоборот, при точном измерении скорости картина места полностью смазывается".
Гейзенберговское соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать мир атома, не разрушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических состояний должна поэтому опираться или на корпускулярное, или на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения атомной частицы, как это бывает, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места и времени, напротив, используется волновое объяснение, как это бывает, например, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклоненных лучей.
Бор в своем принципе дополнительности придал гейзенберговскому соотношению неопределенностей законченную теоретико-познавательную форму. Основное содержание этого принципа он сформулировал так: "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу; они являются дополняющими картинами происходящего".
Атомные системы, для которых существенным является квант действия Планка, не могут рассматриваться так же, как частицы макромира, для которых планковская константа h ввиду ее малой величины не имеет значения. В мире атома корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе "картины" законны, и противоречие между ними нельзя снять. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, то есть быть "комплементарными". Только при учете обоих аспектов получают общую картину микрофизики, прежде всего, электронной механики, о которой, в первую очередь, идет речь в теориях Бора и Гейзенберга.
Результаты квантовой механики, обобщенно изложенные в 1927 году в гейзенберговском соотношении неопределенностей и в принципе дополнительности Бора, принудили гносеологов критически пересмотреть существовавшее ранее классическое представление о действительности. Стало ясно, что "описание физической реальности, совершенно не зависимой от средств, при помощи которых мы ее наблюдаем, строго говоря, невозможно", как писал известный французский физик и лауреат Нобелевской премии Луи де Бройль. Природу можно описывать только как нечто подчиняющееся естественнонаучным методам исследования.
Принципиально новой чертой в теоретико-познавательном анализе квантовых явлений, согласно Бору, является введение основополагающего различия между измерительным прибором и исследуемым объектом. Взаимодействие между измерительными приборами и атомными объектами образует неотделимую составную часть явлений атомного мира. Квантовомеханическое описание атомных объектов должно быть связано с классическим описанием применяемых измерительных инструментов.
Все вышесказанное, вновь подтверждая мысль В.И. Ленина о "неисчерпаемости материи вглубь", никоим образом не ставит под сомнение объективность природы, объективную реальность внешнего мира, существующего независимо от человеческого сознания. Объекты атомного мира в неменьшей степени относятся, как подчеркивал советский физик В.А. Фок, к реальному внешнему миру, и их свойства не менее реальны, чем вещи и свойства, исследуемые в классической физике. Но наивное представление о реальности, которое позволяло рассматривать частицы в атомной физике как очень маленькие песчинки, после 1927 года не могло уже оставаться в силе.
Доказанный квантовой механикой факт, что между деятельностью субъекта и противодействием объекта нет никакой четкой границы, не мешает нам, как подчеркивал Макс Борн, "разумным образом использовать эти понятия". Он пояснял сказанное наглядным примером: "Граница между жидкостью и ее паром также нечетка, потому что атомы постоянно улетучиваются и конденсируются, и, несмотря на это, мы можем говорить о жидкости и паре".
Диалектическое усложнение понимания реальности в квантовой механике оказало воздействие на решение вопроса о причинной обусловленности и о строгой предсказуемости всех природных процессов.
Вместе с другими ведущими представителями квантовой теории Нильс Бор придерживался мнения, что исследование субатомных явлений в мельчайших подробностях невозможно, потому что любая попытка изучения этих процессов сопровождается нежелательным вмешательством измерительных инструментов в ход событий. Поэтому при прогнозировании квантовомеханических процессов можно говорить только о вероятности их наступления, но не о естественно необходимой достоверности. Все положения теории атома имеют вероятностный характер. Все законы атомной физики являются вероятностными законами.
Наряду с понятием вероятности, властно выступившим на передний план в боровском теоретико-познавательном изложении вопросов квантовой механики, фундаментальное значение получило также различие между возможностью и реальностью, которое не имело гносеологической ценности для классической механики и которым поэтому пренебрегали. Понятие возможности, которое означает только "потенциально существующее", в дальнейшем развитии хода мысли Бора и Гейзенберга стало настоящим ядром философской интерпретации явлений атомной физики.
В своих теоретико-познавательных работах Бор не только выступал всегда как материалист, но был самобытным и глубоким диалектиком. Его принцип дополнительности, отражающий непримиримые противоречия микромира, является диалектическим принципом в полном смысле слова. Открытие этого принципа главная заслуга датского физика перед теорией познания. Одно только это открытие позволяет рассматривать Бора как одного из крупнейших теоретиков среди ученых-естествоиспытателей нового времени.
Правда, теоретико-познавательные устремления Бора и его учеников долгое время не встречали понимания и превратно истолковывались. Об этом ученый говорил в 1961 году в разговоре с советскими физиками во время своего последнего приезда в Москву.
Многие философы-материалисты до недавнего времени обвиняли Бора в приверженности к субъективному идеализму, толкуя грубо упрощенно его взгляд на проблему реальности как "отрицание" реальности внешнего мира. Временные сомнения Бора в строгой универсальности закона сохранения энергии и количества движения в сфере атома были использованы в философской литературе в качестве примеров "антинаучных выводов" и "скатывания к идеализму и агностицизму".
Большая заслуга в устранении этих и подобных недоразумений принадлежит, наряду с другими, советским физикам Иоффе и Фоку.
Иоффе в своей книге воспоминаний "Встречи с физиками" убедительно показал, что Бор ни в какой мере не отрицал реальности внешнего мира; он только стремился к тому, чтобы установить своеобразие его познаваемости. Нильс Бор, как писал Иоффе, был великим мыслителем, непрерывно развивающим и углубляющим свои представления о природе не только физических, но и биологических явлений.
По словам Фока, Бор в последнее время избегал выражения "неконтролируемое взаимодействие" между объектом и измерительным прибором, считая его недостаточно точным, хотя раньше он нередко пользовался этим выражением. Фок сообщает, что в разговорах с ним Бор давал высокую оценку диалектике и отклонял позитивизм.
В своей статье в планковском юбилейном сборнике 1958 года ведущий советский физик-теоретик, исходя из необходимости творческого развития диалектического материализма, отметил, в частности, что различие между средствами наблюдения и объектами микромира вынуждает отказаться от детерминизма классической механики и рассматривать принцип причинности так, как это пытался делать Бор.
По Фоку, квантовая теория представляет собой значительное и принципиальное расширение диалектико-материалистической картины мира. Принцип причинности в квантовой механике, который непосредственно относится к вероятностям и связанной с этим волновой функции, представляется ему необходимым обобщением классического закона причинности. Требуемое Гейзенбергом строгое различение понятий "возможное" и "осуществленное" является, по мнению Фока, необходимой предпосылкой последовательного физического толкования квантовой механики.
Но не только некоторые философы-материалисты неправильно поняли копенгагенское толкование теории атома и многие годы выступали против него. Физики, которые не были сторонниками диалектического материализма, такие, как Альберт Эйнштейн, Макс фон Лауэ или Эрвин Шрёдингер, не соглашались с основными теоретико-познавательными положениями Бора; более того, они принадлежали к самым первым противникам копенгагенской школы.
На Сольвеевских конгрессах в Брюсселе в 1927 и в 1930 годах дело даже дошло до драматически проходивших споров между Эйнштейном и Бором. Эти споры были продолжены в Принстоне в конце 30-х годов, а десять лет спустя возобновились в одном швейцарском журнале.
Эйнштейн упорно и настойчиво пытался три помощи остроумно задуманных мысленных экспериментов объективно опровергнуть вероятностно-теоретическое понимание квантовых явлений. Он снова и снова придумывал такую последовательность измерений, которая, противореча содержанию соотношения неопределенностей, позволила бы одновременно с одинаковой точностью определить место и величину движения микрочастицы. Но Бору удалось опровергнуть остроумнейшие возражения Эйнштейна против соотношения неопределенностей. В этом ему энергично помогли Гейзенберг, Паули, Дирак и другие молодые физики.
Однако Эйнштейн не признал себя побежденным, хотя в конце концов и согласился с тем, что статистическая квантовая теория копенгагенской школы является грандиозным и внутренне непротиворечивым мыслительным построением. Так же как Лауэ, Шрёдингер и Планк, он считал ее лишь вспомогательным средством; она не казалась ему исчерпывающим описанием событий в микрокосме.
Эйнштейн неоднократно проявлял свое недовольство взглядами копенгагенской школы, которые к тому же не удовлетворяли его в эстетическом плане. Так в 1938 году в письме к Соло-вину он порицал "чрезмерный субъективизм" копенгагенской школы. Год спустя после этого в послании Шрёдингеру он даже назвал Бора "мистиком". В 1950 году в письме к Лауэ он высмеивал "осторожничанье с реальностью", "философствующих физиков", имея в виду прежде всего сторонников Бора.
Особенно не по душе было Эйнштейну вероятностное понимание квантовых процессов потому, что он - не имея, впрочем, к этому никаких оснований опасался, что таким образом будет опровергнут принцип причинности и место строгой естественной закономерности займет "играющий в кости бог". Так, после прочтения одной из ранних работ Бора он сказал физику-атомщику Хевеши: "Такую работу я и сам, пожалуй, мог бы написать, но если она правильна, то это конец физики как науки".
Сколько драматизма в том, что именно Эйнштейн, который благодаря своему квантовому учению стал одним из основателей квантовой теории и непосредственно на работу которого Бор опирался при создании своей модели атома, отказался от последовательного развития им самим избранного хода мысли. Причину подобного поведения следует в конечном счете искать б том, что Эйнштейн - великий диалектик в вопросах электродинамики, теории гравитации и космологии - в вопросах, касающихся внутриатомных явлений, оставался в плену старых механических представлений. И это при том, что в 1917 году он, введя понятие "переходная вероятность" - вероятность для перехода атомной системы из одного состояния в другое, - сам положил начало дальнейшему изучению диалектической природы атома.
В статье для эйнштейновского юбилейного сборника в 1949 году Бор, с глубокой печалью воспринимавший отрицательное отношение Эйнштейна к копенгагенской школе квантовой физики, дал захватывающее изложение многолетних научных дискуссий с коллегой физиком, перед которым он так преклонялся. Впрочем, и Эйнштейн, несмотря на различие их мнений по теоретико-познавательным вопросам, очень высоко ценил личность Бора и его научные труды. Он говорил Джеймсу Франку: "Я полагаю, что без Бора мы и сегодня знали бы слишком мало о теории атома".
Спор между Эйнштейном и Бором, затянувшийся более чем на четверть века, относится к крупнейшим идейным спорам в новейшей истории науки в немалой степени потому, что его участниками были два исследователя первой величины, два ученых, каждый из которых выдвинул бессмертные идеи в своей области физики атомного века.
Избранные места из своих основных сочинений по теории познания Бор издал в двух небольших, но необычайно глубоких по содержанию томах. Первый томик вышел в 1929 году как ежегодник Копенгагенского университета, в немецком издании он опубликован в 1931 году под характерным названием "Теория атома и описание природы", второй - "Атомная физика и человеческое познание" - появился в 1958 году.
При чтении этих работ даже в переводе обращает на себя внимание постоянное стремление их автора к тому, чтобы как можно точнее выразить свою мысль. По манере своей работы - за письменным столом - Бор был типичным "классиком", если применять оствальдовскую классификацию великих исследователей. Он оформлял и шлифовал языковую сторону своих научных сочинений, подобно поэту. Не случайно Бор говорил, что рукопись - это "нечто такое, во что вносятся исправления". Даже письма, которые не были предназначены для публикации, он нередко многократно переписывал, прежде чем отослать. В работах Бора нет ничего лишнего. Его концентрированный, сгущенный стиль во многом напоминает гениально лаконичную манеру письма Карла Маркса.
Первое обращение Бора к теоретико-познавательным вопросам было следствием скорее его языково-философских и критико-языковых соображений, нежели следствием его физических исследований. И позднее он снова и снова занимался проблемой неточности нашего разговорного языка, который должен служить средством понимания в науке. Во многих своих сочинениях Бор признавал трудности, проистекающие из такого положения, и указывал на опасность, которую несет с собой многозначность большого количества слов.
В книге "Теория атома и описание природы" Бор неоднократно обсуждает "неоднозначность нашего словоупотребления". Он полагал, что мы, по сути дела, вынуждены объясняться при помощи словесной картины, употребляя слова без предварительного их анализа. Здесь проявляется определенная связь его с "Венским кружком". Необходимость критики языка науки в то время (около 1930 года) сильнее всего подчеркивалась Рудольфом Карнапом. Не случаен и тот факт, что во время конференции по философии науки, проходившей в 1936 году в Копенгагене, представители этой философской школы пользовались гостеприимством Нильса Бора и он сам наряду с Филиппом Франком выступил с докладом на заседании.
Первая фаза развития квантового учения, которая характеризовалась главным образом трудами Планка, Эйнштейна, Бора и Зоммерфельда, завершилась в 1925 году и увенчалась принципом, открытым молодым австрийским физиком Вольфгангом Паули. Согласно этому принципу, в соответствии с естественной закономерностью исключается вероятность того, что внутри одного атома одинаковые орбиты могут быть заняты несколькими одинаковыми электронами. Иными словами, в одном атоме не может быть двух и более электронов, которые одинаковы по всем четырем квантовым параметрам, то есть находятся в одинаковом состоянии.
Этот фундаментальный принцип, который приобрел известность как принцип исключения Паули, или, короче, запрет Паули, оказался надежным указателем к новым важным открытиям, к пониманию теплопроводности и электропроводности металлов и полупроводников. Только теперь с учетом строения оболочки атома могла быть во всей ее глубине понята периодическая система элементов, эмпирически составленная в 1869 году Менделеевым. Это было большим достижением физических исследований.
В возрасте 37 лет (в 1922 году) Нильс Бор получил Нобелевскую премию по физике. В своем нобелевском докладе о строении атома он дал отчет о прежней своей работе и обзор состояния исследований атома. Он полагал, что квантовая теория находится еще у своих истоков и предстоит искать ответ на многие вопросы.
Выяснилось, что атомную модель Бора не следует понимать буквально, как это было вначале. Она была применима только для одноэлектронной системы атома водорода и не могла быть безоговорочно перенесена на атомную систему со многими электронами. Процессы в атоме не могли быть наглядно представлены в виде механических моделей по аналогии с событиями в макромире. Нельзя было схематически применять законы небесной механики для объяснения внутриатомных связей. Даже понятия пространства и времени в существующей форме оказались неподходящими для описания микрофизических явлений. Атом физиков-теоретиков все больше и больше становился абстрактно-ненаблюдаемой суммой уравнений.
Бесстрашие мышления, необходимое для разрешения новых физических проблем, метко охарактеризовал сам Гейзенберг: "На каждом существенно новом этапе познания нам всегда следует подражать Колумбу, который отважился оставить известный ему мир в почти безумной надежде найти землю за морем".
Когда Крамере, первый сотрудник Бора, принял приглашение занять должность профессора в Утрехтском университете, Гейзенберг изъявил готовность возвратиться в Копенгаген и стать в качестве преемника Крамерса доцентом теоретической физики Его лекции хорошо воспринимались студентами также и потому, что он в совершенстве владел датским языком. Во время этого второго пребывания в Копенгагене, в 1926...1927 годах, молодой немецкий физик неоднократно вел с Бором страстные споры о толковании квантовых явлений.
"Я вспоминаю, - писал позднее Гейзенберг, - о многочисленных дискуссиях с Бором, которые длились до поздней ночи и которые мы заканчивали почти в полном отчаянии. И если я после таких дискуссий один отправлялся на короткую прогулку в соседний парк, то повторял снова и снова вопрос о том, может ли природа действительно быть такой абсурдной, какой она кажется нам в этих атомных экспериментах".
Результаты этой работы мысли были сформулированы в 1927 году как "соотношение неопределенностей" Гейзенберга и "принцип дополнительности" Бора.
Нильс Бор был физиком до мозга костей. Он обладал, о чем говорил в одном из писем и Эйнштейн, гениальной интуицией в области физики, необычайной силы внутренним видением. Его почти сомнамбулическая уверенность при выявлении ключевых вопросов не имела себе равных. Вместе с тем во владении математическим аппаратом Бор во многом уступал своим коллегам. В разговоре с Паули он сделал однажды характерное признание, что его интерес к физике это интерес не математика, а, скорее, ремесленника и философа.
Действительно, математическое одеяние квантовой механики, основы которой, по сути, опираются на работы Бора, создано не им самим, а другими: Борном, Гейзенбергом, Иорданом, Паули, Дираком, Шрёдингером. Здесь сказалась известная ограниченность его огромного дарования. "Выдающиеся математические способности или даже виртуозность в той мере, в какой ими обладают многие из его учеников, ему не даны. Он мыслит наглядно и с помощью понятий, но не собственно математически". Так отозвался Карл Фридрих фон Вайцзеккер о творце современной теории атома. Он сообщал также, что среди учеников и сотрудников Бора ходила шутка о том, что учитель знает будто бы только два математических знака: "меньше, чем..." и "приблизительно равно".
Теоретико-познавательный вклад Бора в развитие атомной физики заключается в установлении двух принципов: соответствия и дополнительности. Их вызвала к жизни потребность ученого изобразить ясно, насколько это возможно, основы всех теоретико-познавательных выводов из атомной механики.
"Вначале он мог быть доволен, - писал Франк, - когда пришел к однозначному и непротиворечивому объяснению перехода от континуума к дискретному квантованию и, более того, принципиально связал индетерминизм элементарных процессов с методами, предполагающими возможность наблюдения. Иными словами, он должен был исследовать с теоретико-познавательных позиций сущность всякого наблюдения. Много лет посвятил Бор разработке этих проблем, пока, наконец, не пришел к удовлетворительным результатам. Они были изложены в написанной вместе с Розенфельдом работе, которая, насколько я могу ее оценить, представляет собой одну из самых прекрасных и самых глубоких работ по теории познания".
Принцип соответствия, который Бор выдвинул еще в 1916 году, означал, что квантовая теория может быть определенным образом согласована с классической теорией, то есть "соответствовать" ей. Классическая механика блестяще подтвердилась не только во всех макрофизических процессах, но также и во всех микрофизических процессах, вплоть до движения атомов как целого, что показала кинетическая теория материи. Итак, новая атомная механика должна была привести в конце концов к тем же результатам, что и классическая. Она должна была асимптотически перейти в классическую механику для крайних случаев больших масс или больших размеров орбит. Если значение элементарного кванта действия h рассматривать как бесконечно малую величину или пренебречь им, то практически будут действовать законы классической физики.
Если, например, электрон в атоме водорода переходит на орбиты, все дальше отстоящие от ядра, и наконец полностью отрывается от него, то законы излучения квантовой механики с большим приближением принимают форму законов классической электродинамики. Принцип соответствия передает, таким образом, связь между двумя противоречащими друг другу теоретическими построениями: микрофизикой и макрофизикой, границы между которыми определяются константой Планка.
Принцип соответствия, в котором старое было смело соединено с новым, оказался очень полезным для приблизительных расчетов интенсивности спектральных линий. Он сыграл большую роль в дальнейшем развитии квантовой физики. "Теоретическая физика жила этой идеей последующие десять лет, говорил Макс Борн. - ...Искусство угадывания правильных формул, которые отклоняются от классических, но переходят в них, в смысле принципа соответствия было значительно усовершенствовано".
Примерно десятилетие спустя, на съезде физиков, который был устроен летом 1927 года в Комо по случаю столетия со дня смерти великого итальянского физика Алессандро Вольта, Бор изложил свой второй принцип, принцип дополнительности, сделавший возможным непротиворечивое толкование явлений квантовой механики. Основные выводы появились под названием "Квантовый постулат и новое развитие атомистики" в журнале "Натурвиссеншафтен", а в первоначальном варианте на английском языке в журнале "Нейче".
Эта статья Бора, в которой впервые излагалось так называемое копенгагенское толкование квантовой механики, принадлежит к тем классическим документам физической науки, которые непосредственно послужили теоретической подготовке атомного века. Прошло более двух десятилетий, прежде чем выдвинутая Планком идея о квантах была настолько развита, что сделала возможным действительное понимание внутриатомных закономерностей.
С понятием корпускулы было связано представление о каком-то предмете, имеющем строго определенную величину движения и в данный момент находящемся в строго определенном месте, как это наблюдается в макромире, например у брошенного мяча, положение которого и скорость движения в любой момент могут быть точно измерены и определены.
Однако выяснилось, что невозможно не только практически, но и в принципе с одинаковой точностью одновременно установить место и величину движения атомной частицы. Только одно из этих двух свойств может быть определено точно. Чем точнее и определеннее измеряют одну из двух величин, тем менее точной и определенной оказывается другая. Существование элементарного кванта действия служит препятствием для установления одновременно и с одинаковой точностью величин, которые "канонически связаны", то есть положения и величины движения микрочастицы.
Это естественное состояние "обоюдной неопределенности", как говорил Бор, которое сопутствует каждому квантовомеханическому измерению, было математически отображено Гейзенбергом как "соотношение неточностей" или "соотношение неопределенностей". Это открытие принадлежат к величайшим достижениям теоретической физики.
В своей книге "Физика атомного ядра" Гейзенберг так охарактеризовал открытый им закон природы: "Никогда нельзя одновременно точно знать оба параметра, решающим образом определяющие движение такой мельчайшей частицы: ее место и ее скорость. Никогда нельзя одновременно знать, где она находится, как быстро и в каком направлении движется. Если ставят эксперимент, который точно показывает, где она находится в данный момент, то движение нарушается в такой степени, что частицу после этого даже нельзя снова найти. И наоборот, при точном измерении скорости картина места полностью смазывается".
Гейзенберговское соотношение неопределенностей есть выражение невозможности наблюдать мир атома, не разрушая его. Любая попытка дать четкую картину микрофизических состояний должна поэтому опираться или на корпускулярное, или на волновое толкование. При корпускулярном описании измерение проводится для того, чтобы получить точное значение энергии и величины движения атомной частицы, как это бывает, например, при рассеивании электронов. При экспериментах, направленных на точное определение места и времени, напротив, используется волновое объяснение, как это бывает, например, при прохождении электронов через тонкие пластинки или при наблюдении отклоненных лучей.
Бор в своем принципе дополнительности придал гейзенберговскому соотношению неопределенностей законченную теоретико-познавательную форму. Основное содержание этого принципа он сформулировал так: "Понятие частицы и волны дополняют друг друга и в то же время противоречат друг другу; они являются дополняющими картинами происходящего".
Атомные системы, для которых существенным является квант действия Планка, не могут рассматриваться так же, как частицы макромира, для которых планковская константа h ввиду ее малой величины не имеет значения. В мире атома корпускулярная и волновая картины сами по себе не являются достаточными, как в мире больших тел. Обе "картины" законны, и противоречие между ними нельзя снять. Поэтому корпускулярная и волновая картины должны дополнять одна другую, то есть быть "комплементарными". Только при учете обоих аспектов получают общую картину микрофизики, прежде всего, электронной механики, о которой, в первую очередь, идет речь в теориях Бора и Гейзенберга.
Результаты квантовой механики, обобщенно изложенные в 1927 году в гейзенберговском соотношении неопределенностей и в принципе дополнительности Бора, принудили гносеологов критически пересмотреть существовавшее ранее классическое представление о действительности. Стало ясно, что "описание физической реальности, совершенно не зависимой от средств, при помощи которых мы ее наблюдаем, строго говоря, невозможно", как писал известный французский физик и лауреат Нобелевской премии Луи де Бройль. Природу можно описывать только как нечто подчиняющееся естественнонаучным методам исследования.
Принципиально новой чертой в теоретико-познавательном анализе квантовых явлений, согласно Бору, является введение основополагающего различия между измерительным прибором и исследуемым объектом. Взаимодействие между измерительными приборами и атомными объектами образует неотделимую составную часть явлений атомного мира. Квантовомеханическое описание атомных объектов должно быть связано с классическим описанием применяемых измерительных инструментов.
Все вышесказанное, вновь подтверждая мысль В.И. Ленина о "неисчерпаемости материи вглубь", никоим образом не ставит под сомнение объективность природы, объективную реальность внешнего мира, существующего независимо от человеческого сознания. Объекты атомного мира в неменьшей степени относятся, как подчеркивал советский физик В.А. Фок, к реальному внешнему миру, и их свойства не менее реальны, чем вещи и свойства, исследуемые в классической физике. Но наивное представление о реальности, которое позволяло рассматривать частицы в атомной физике как очень маленькие песчинки, после 1927 года не могло уже оставаться в силе.
Доказанный квантовой механикой факт, что между деятельностью субъекта и противодействием объекта нет никакой четкой границы, не мешает нам, как подчеркивал Макс Борн, "разумным образом использовать эти понятия". Он пояснял сказанное наглядным примером: "Граница между жидкостью и ее паром также нечетка, потому что атомы постоянно улетучиваются и конденсируются, и, несмотря на это, мы можем говорить о жидкости и паре".
Диалектическое усложнение понимания реальности в квантовой механике оказало воздействие на решение вопроса о причинной обусловленности и о строгой предсказуемости всех природных процессов.
Вместе с другими ведущими представителями квантовой теории Нильс Бор придерживался мнения, что исследование субатомных явлений в мельчайших подробностях невозможно, потому что любая попытка изучения этих процессов сопровождается нежелательным вмешательством измерительных инструментов в ход событий. Поэтому при прогнозировании квантовомеханических процессов можно говорить только о вероятности их наступления, но не о естественно необходимой достоверности. Все положения теории атома имеют вероятностный характер. Все законы атомной физики являются вероятностными законами.
Наряду с понятием вероятности, властно выступившим на передний план в боровском теоретико-познавательном изложении вопросов квантовой механики, фундаментальное значение получило также различие между возможностью и реальностью, которое не имело гносеологической ценности для классической механики и которым поэтому пренебрегали. Понятие возможности, которое означает только "потенциально существующее", в дальнейшем развитии хода мысли Бора и Гейзенберга стало настоящим ядром философской интерпретации явлений атомной физики.
В своих теоретико-познавательных работах Бор не только выступал всегда как материалист, но был самобытным и глубоким диалектиком. Его принцип дополнительности, отражающий непримиримые противоречия микромира, является диалектическим принципом в полном смысле слова. Открытие этого принципа главная заслуга датского физика перед теорией познания. Одно только это открытие позволяет рассматривать Бора как одного из крупнейших теоретиков среди ученых-естествоиспытателей нового времени.
Правда, теоретико-познавательные устремления Бора и его учеников долгое время не встречали понимания и превратно истолковывались. Об этом ученый говорил в 1961 году в разговоре с советскими физиками во время своего последнего приезда в Москву.
Многие философы-материалисты до недавнего времени обвиняли Бора в приверженности к субъективному идеализму, толкуя грубо упрощенно его взгляд на проблему реальности как "отрицание" реальности внешнего мира. Временные сомнения Бора в строгой универсальности закона сохранения энергии и количества движения в сфере атома были использованы в философской литературе в качестве примеров "антинаучных выводов" и "скатывания к идеализму и агностицизму".
Большая заслуга в устранении этих и подобных недоразумений принадлежит, наряду с другими, советским физикам Иоффе и Фоку.
Иоффе в своей книге воспоминаний "Встречи с физиками" убедительно показал, что Бор ни в какой мере не отрицал реальности внешнего мира; он только стремился к тому, чтобы установить своеобразие его познаваемости. Нильс Бор, как писал Иоффе, был великим мыслителем, непрерывно развивающим и углубляющим свои представления о природе не только физических, но и биологических явлений.
По словам Фока, Бор в последнее время избегал выражения "неконтролируемое взаимодействие" между объектом и измерительным прибором, считая его недостаточно точным, хотя раньше он нередко пользовался этим выражением. Фок сообщает, что в разговорах с ним Бор давал высокую оценку диалектике и отклонял позитивизм.
В своей статье в планковском юбилейном сборнике 1958 года ведущий советский физик-теоретик, исходя из необходимости творческого развития диалектического материализма, отметил, в частности, что различие между средствами наблюдения и объектами микромира вынуждает отказаться от детерминизма классической механики и рассматривать принцип причинности так, как это пытался делать Бор.
По Фоку, квантовая теория представляет собой значительное и принципиальное расширение диалектико-материалистической картины мира. Принцип причинности в квантовой механике, который непосредственно относится к вероятностям и связанной с этим волновой функции, представляется ему необходимым обобщением классического закона причинности. Требуемое Гейзенбергом строгое различение понятий "возможное" и "осуществленное" является, по мнению Фока, необходимой предпосылкой последовательного физического толкования квантовой механики.
Но не только некоторые философы-материалисты неправильно поняли копенгагенское толкование теории атома и многие годы выступали против него. Физики, которые не были сторонниками диалектического материализма, такие, как Альберт Эйнштейн, Макс фон Лауэ или Эрвин Шрёдингер, не соглашались с основными теоретико-познавательными положениями Бора; более того, они принадлежали к самым первым противникам копенгагенской школы.
На Сольвеевских конгрессах в Брюсселе в 1927 и в 1930 годах дело даже дошло до драматически проходивших споров между Эйнштейном и Бором. Эти споры были продолжены в Принстоне в конце 30-х годов, а десять лет спустя возобновились в одном швейцарском журнале.
Эйнштейн упорно и настойчиво пытался три помощи остроумно задуманных мысленных экспериментов объективно опровергнуть вероятностно-теоретическое понимание квантовых явлений. Он снова и снова придумывал такую последовательность измерений, которая, противореча содержанию соотношения неопределенностей, позволила бы одновременно с одинаковой точностью определить место и величину движения микрочастицы. Но Бору удалось опровергнуть остроумнейшие возражения Эйнштейна против соотношения неопределенностей. В этом ему энергично помогли Гейзенберг, Паули, Дирак и другие молодые физики.
Однако Эйнштейн не признал себя побежденным, хотя в конце концов и согласился с тем, что статистическая квантовая теория копенгагенской школы является грандиозным и внутренне непротиворечивым мыслительным построением. Так же как Лауэ, Шрёдингер и Планк, он считал ее лишь вспомогательным средством; она не казалась ему исчерпывающим описанием событий в микрокосме.
Эйнштейн неоднократно проявлял свое недовольство взглядами копенгагенской школы, которые к тому же не удовлетворяли его в эстетическом плане. Так в 1938 году в письме к Соло-вину он порицал "чрезмерный субъективизм" копенгагенской школы. Год спустя после этого в послании Шрёдингеру он даже назвал Бора "мистиком". В 1950 году в письме к Лауэ он высмеивал "осторожничанье с реальностью", "философствующих физиков", имея в виду прежде всего сторонников Бора.
Особенно не по душе было Эйнштейну вероятностное понимание квантовых процессов потому, что он - не имея, впрочем, к этому никаких оснований опасался, что таким образом будет опровергнут принцип причинности и место строгой естественной закономерности займет "играющий в кости бог". Так, после прочтения одной из ранних работ Бора он сказал физику-атомщику Хевеши: "Такую работу я и сам, пожалуй, мог бы написать, но если она правильна, то это конец физики как науки".
Сколько драматизма в том, что именно Эйнштейн, который благодаря своему квантовому учению стал одним из основателей квантовой теории и непосредственно на работу которого Бор опирался при создании своей модели атома, отказался от последовательного развития им самим избранного хода мысли. Причину подобного поведения следует в конечном счете искать б том, что Эйнштейн - великий диалектик в вопросах электродинамики, теории гравитации и космологии - в вопросах, касающихся внутриатомных явлений, оставался в плену старых механических представлений. И это при том, что в 1917 году он, введя понятие "переходная вероятность" - вероятность для перехода атомной системы из одного состояния в другое, - сам положил начало дальнейшему изучению диалектической природы атома.
В статье для эйнштейновского юбилейного сборника в 1949 году Бор, с глубокой печалью воспринимавший отрицательное отношение Эйнштейна к копенгагенской школе квантовой физики, дал захватывающее изложение многолетних научных дискуссий с коллегой физиком, перед которым он так преклонялся. Впрочем, и Эйнштейн, несмотря на различие их мнений по теоретико-познавательным вопросам, очень высоко ценил личность Бора и его научные труды. Он говорил Джеймсу Франку: "Я полагаю, что без Бора мы и сегодня знали бы слишком мало о теории атома".
Спор между Эйнштейном и Бором, затянувшийся более чем на четверть века, относится к крупнейшим идейным спорам в новейшей истории науки в немалой степени потому, что его участниками были два исследователя первой величины, два ученых, каждый из которых выдвинул бессмертные идеи в своей области физики атомного века.
Избранные места из своих основных сочинений по теории познания Бор издал в двух небольших, но необычайно глубоких по содержанию томах. Первый томик вышел в 1929 году как ежегодник Копенгагенского университета, в немецком издании он опубликован в 1931 году под характерным названием "Теория атома и описание природы", второй - "Атомная физика и человеческое познание" - появился в 1958 году.
При чтении этих работ даже в переводе обращает на себя внимание постоянное стремление их автора к тому, чтобы как можно точнее выразить свою мысль. По манере своей работы - за письменным столом - Бор был типичным "классиком", если применять оствальдовскую классификацию великих исследователей. Он оформлял и шлифовал языковую сторону своих научных сочинений, подобно поэту. Не случайно Бор говорил, что рукопись - это "нечто такое, во что вносятся исправления". Даже письма, которые не были предназначены для публикации, он нередко многократно переписывал, прежде чем отослать. В работах Бора нет ничего лишнего. Его концентрированный, сгущенный стиль во многом напоминает гениально лаконичную манеру письма Карла Маркса.
Первое обращение Бора к теоретико-познавательным вопросам было следствием скорее его языково-философских и критико-языковых соображений, нежели следствием его физических исследований. И позднее он снова и снова занимался проблемой неточности нашего разговорного языка, который должен служить средством понимания в науке. Во многих своих сочинениях Бор признавал трудности, проистекающие из такого положения, и указывал на опасность, которую несет с собой многозначность большого количества слов.
В книге "Теория атома и описание природы" Бор неоднократно обсуждает "неоднозначность нашего словоупотребления". Он полагал, что мы, по сути дела, вынуждены объясняться при помощи словесной картины, употребляя слова без предварительного их анализа. Здесь проявляется определенная связь его с "Венским кружком". Необходимость критики языка науки в то время (около 1930 года) сильнее всего подчеркивалась Рудольфом Карнапом. Не случаен и тот факт, что во время конференции по философии науки, проходившей в 1936 году в Копенгагене, представители этой философской школы пользовались гостеприимством Нильса Бора и он сам наряду с Филиппом Франком выступил с докладом на заседании.
Первая фаза развития квантового учения, которая характеризовалась главным образом трудами Планка, Эйнштейна, Бора и Зоммерфельда, завершилась в 1925 году и увенчалась принципом, открытым молодым австрийским физиком Вольфгангом Паули. Согласно этому принципу, в соответствии с естественной закономерностью исключается вероятность того, что внутри одного атома одинаковые орбиты могут быть заняты несколькими одинаковыми электронами. Иными словами, в одном атоме не может быть двух и более электронов, которые одинаковы по всем четырем квантовым параметрам, то есть находятся в одинаковом состоянии.
Этот фундаментальный принцип, который приобрел известность как принцип исключения Паули, или, короче, запрет Паули, оказался надежным указателем к новым важным открытиям, к пониманию теплопроводности и электропроводности металлов и полупроводников. Только теперь с учетом строения оболочки атома могла быть во всей ее глубине понята периодическая система элементов, эмпирически составленная в 1869 году Менделеевым. Это было большим достижением физических исследований.
В возрасте 37 лет (в 1922 году) Нильс Бор получил Нобелевскую премию по физике. В своем нобелевском докладе о строении атома он дал отчет о прежней своей работе и обзор состояния исследований атома. Он полагал, что квантовая теория находится еще у своих истоков и предстоит искать ответ на многие вопросы.