Страница:
Когда М. Планк, А. Эйнштейн и другие крупнейшие физики-теоретики, как свидетельствует Ф. Гернек, говорят о своей "религиозности" и, присоединяясь к Спинозе, объявляют мировой порядок следствием наличия в мире разума, то они в этом случае очень близки к взглядам Аристотеля и Гегеля, поставивших проблему единства мышления и бытия и решивших ее идеалистически.
Одной из самых трудных теоретико-познавательных проблем, над которыми, как показывает Ф. Гернек, бьются физики-теоретики, пытающиеся ухватить диалектику объекта исследования, является проблема категорий. Остатки метафизических представлений особенно упорно удерживаются именно в этой области. Особенно трудно усваивается тот вывод диалектико-материалистической теории познания, что категории - это основные формы всякого, в том числе и научного, человеческого мышления, что они имеют земное, исторически обусловленное происхождение, ибо люди, производя условия своей жизнедеятельности, производят также и условия и формы своей мыслительной деятельности, что в подвижных и гибких категориях научное мышление ухватывает противоречивость и текучесть бытия. Все это относится в первую очередь к таким категориям, как тождество и различие, анализ и синтез, часть и целое, дискретное и непрерывное, причина и действие, случайность и необходимость.
Современное теоретическое естествознание вплотную подошло к пониманию того, что полярность, антиномичность, дополнительность этих категорий снимается в их единстве.
Немало впечатляющих страниц в книге Ф. Гернека посвящено изображению споров А. Эйнштейна с представителями копенгагенской школы по проблеме детерминизма, связанной с категориями причины и действия, возможности и действительности, необходимости и случайности. Ф. Гернек убедительно показывает, что за возмущением А. Эйнштейна по поводу того, что вероятностно-статистическая интерпретация закономерностей микромира заставляет самого бога (необходимость) играть в кости, стоит определенная, исторически изживающая себя форма детерминизма, вынужденная уступить место диалектическому пониманию причины и следствия как моментов всемирного взаимодействия.
Причины и следствия полярно противоположны друг другу только на стадии механического рассмотрения природы, при котором причина и следствие распределены между двумя телами. Но уже в реальной физической механике невозможно оперировать этими категориями: они охватываются понятием "взаимодействие" в такой степени, что задача движения трех тел оказывается разрешимой только приближенно. "Взаимодействие, - писал Ф. Энгельс, исключает всякое абсолютно первичное и абсолютно вторичное; но вместе с тем оно есть такой двусторонний процесс, который по своей природе может рассматриваться с двух различных точек зрения; чтобы его понять как целое, его даже необходимо исследовать в отдельности сперва с одной, затем с другой точки зрения, прежде чем можно будет подытожить совокупный результат" [32].
В практике научного познания для того, чтобы описать отдельные явления, их вырывают из всеобщей связи природы, рассматривают изолированно друг от друга. В таком случае процесс изменения объекта разлагается на причину и действие, на необходимое и случайное, возможное и действительное. Но природе в ее целостности присуще универсальное взаимодействие, и наука, используя гибкость категорий, их переход Друг в друга, познаёт это взаимодействие во всём богатстве его форм. "Мы не можем пойти дальше познания этого взаимодействия именно потому, что позади его нечего больше познавать" [33].
Хотя книга Ф. Гернека посвящена по преимуществу истории физики в Германии, ему в значительной степени удалось преодолеть точку зрения "германоцентризма" в описании становления теории относительности. Ф. Гернек избежал ошибки многих историков: науки, изображавших А. Эйнштейна единственным создателем этой теории, но все же ему не удалось этого сделать, в вопросе об истории выведения формулы E = mc2. При всех громадных заслугах А. Эйнштейна перед наукой не следует забывать, что он постоянно опирался на достижения предшественников, что во многом он шел рядом со своими современниками, независимо от него трудившимися над теми же проблемами.
А. Эйнштейн был признанным лидером физиков-теоретиков, но необходимо избегать всего, что способствует возникновению внутринаучных "культов личности". Поэтому следовало бы указать, что формула E = mc2 за 15 лет до А. Эйнштейна была выведена английским ученым О. Хевисайдом.
Обильный исторический материал, представленный в книге Ф. Гернека, разрушает наивное просветительское представление о том, что естественные науки лишь пассивно отражают явления и законы природы, что в своем содержании они определены одной только внешней природой. Так понимает естествознание простоватый, созерцательный материализм. Естествознание, как оно изображено в книге Ф. Гернека, - это форма деятельности, включающая в себя и практическое, и эмпирическое, и теоретическое отношение к объекту, и подчинено оно не только всеобщим условиям человеческого производства, но также и конкретным условиям той общественно-экономической формации, в которой оно функционирует.
Всякий внимательный читатель найдет в книге Ф. Гернека большой и интересный материал для самостоятельных размышлений и выводов. Он с пониманием отнесется к тревожным заявлениям представителей прогрессивной научной общественности западных стран, предупреждающих о том, что современная монополистическая буржуазия и ее государства все шире используют великую силу знания во вред настоящему и будущему человечества. Одно из таких предупреждений мы находим в статье научного обозревателя бельгийского журнала "Пуркуа па?" Бернара Лефевра. Имея в виду ученых, состоящих на службе у монополистического капитала, он пишет: "...армия исследователей только тем и занята, что кроит и перекраивает материю... Наш век дал миру столько ученых, сколько не было никогда... Увы, никто и не задумывается, сколько из них занято разработкой дефолиантов, военных газов или просто-напросто таблеток, облегчающих пищеварение. Как и в разбазаривании природных богатств, наш век проявил безумное расточительство в отношении умственных ресурсов человечества. Ученые используются для решения абсурдных, а порой и преступных задач, знание пытаются превратить в орудие социального и политического господства, научные исследования подчиняют экономике, открытия - прибыльности" [34].
Социализм, организуя рациональное использование достижений научного познания в целях всестороннего развития человека, в интересах прогрессивного развития всех сторон общественной жизни, снимает с ученых также бремя угрызений совести за употребление могущественной силы знания во вред человеческому роду. Опыт организации и развития науки в условиях строительства социализма в СССР и других странах мировой социалистической системы, преимущества, достигнутые социализмом в экономическом и научно-техническом соревновании с капитализмом, полностью подтверждают предвидение В.И. Ленина: "...Только социализм освободит науку от ее буржуазных пут, от ее порабощения капиталу, от ее рабства перед интересами грязного капиталистического корыстолюбия" [35].
Ю. Жданов, М. Карпов, А. Потемкин
Ко второму изданию
Приношу благодарность за критические замечания таким читателям этой книги, как Отто Ган, Густав Герц, Вильгельм Вестфаль. Многие их предложения учтены при просмотре текста, который в целом оставлен без изменений.
Берлин, апрель 1966 г.
Ф.Г.
К пятому изданию
Перед новым изданием текст книги приведен в соответствие с новейшими фактами, местами исправлен и дополнен; обновлен и расширен список литературы.
Берлин, май 1970 г.
Ф.Г.
Предисловие
Эта книга написана на основе лекций, которые я читал перед слушателями всех факультетов Университета им. Гумбольдта. По желанию издательства она адресована широкому кругу читателей. Однако мы надеемся, что она заинтересует также специалистов, ибо здесь впервые приводятся некоторые факты и документы.
Приношу благодарность архивам Немецкой Академии наук и Университета им. Гумбольдта в Берлине, архиву Немецкой Академии естествоиспытателей "Леопольдина" в Галле и фоно-архиву Берлинского радио.
Особенно сердечно я благодарю ученых, которые своими письменными и устными указаниями способствовали моим многолетним исследованиям истории науки и предоставили в мое распоряжение необходимые материалы. В их числе я с уважением называю также недавно скончавшихся Макса фон Лауэ и Джеймса Франка.
Читателей книги прошу с пониманием отнестись к тому, что пришлось отказаться от примечаний и ссылок на более чем три тысячи источников.
Берлин, февраль 1965 г.
Д-р философии Фридрих Гернек
Институт истории медицины и естествознания при Университете им. Гумбольдта.
Майнауское заявление лауреатов нобелевской премии
Содержание науки можно постигать и анализировать, не вдаваясь в рассмотрение индивидуального развития ее создателей. Но при таком односторонне-объективном изложении отдельные шаги иногда могут казаться случайными удачами. Понимание того, как стали возможными и даже необходимыми эти шаги, достигается лишь в том случае, если проследить за умственным развитием отдельных людей, содействовавших выявлению направления этих шагов.
А. Эйнштейн
Мы, нижеподписавшиеся, являемся естествоиспытателями разных стран, различных рас, вероисповеданий, различных политических убеждений. Нас связывает только Нобелевская премия, получить которую нам выпала честь.
С радостью отдали мы нашу жизнь служению науке. Мы верим, что она путь к счастливой жизни людей. Но мы с ужасом видим, что эта же наука дает в руки человечеству средства для самоуничтожения.
Военное использование ныне существующего оружия может привести к такому распространению радиоактивных веществ, которое станет причиной гибели целых народов. Эта смерть грозит нейтральным народам так же, как и воюющим.
Если между великими державами вспыхнет война, то кто может гарантировать, что она не превратится в смертельную схватку. Нация, которая осмелится развязать тотальную войну, приблизит свою собственную гибель и создаст угрозу всему миру.
Мы не скрываем, что сегодня сохранению мира способствует, очевидно, именно страх перед этим смертоносным оружием. Однако мы считаем самообманом веру правительств в то, что страх перед оружием поможет им длительное время избегать войны; слишком часто страх и напряженность порождали войну. Нам кажется самообманом также вера в то, что малые конфликты и в дальнейшем будут разрешаться при помощи традиционного оружия. При чрезвычайной опасности никакая нация не откажется от применения любого оружия, порожденного наукой и техникой.
Все нации должны добровольно отказаться от применения силы как крайнего средства в политике. Если они не сделают этого, они перестанут существовать.
Майнау-на-Бодензее, 15 июля 1955 года
Это заявление подписали 52 ученых, в том числе:
Макс Борн
Вальтер Боте
Адольф Бутенандт
Отто Ган
Вернер Гейзенберг
Густав Герц
Поль А. Морис Дирак
Клинтон Джозеф Дэвиссон
Ирэн Жолио-Кюри
Фредерик Жолио-Кюри
Артур Х. Комптон
Макс фон Лауэ
Вольфганг Паули
Сесиль Ф. Пауэлл
Лайнус Полинг
Чандрасекара В. Раман
Бертран Рассел
Фредерик Содди
Джеймс Франк
Георг фон Хевеши
Хидеки Юкава
Гарольд К. Юри
Джеймс Клерк Максвелл
Новое учение об электромагнетизме и свете
Атомный век имеет длительную предысторию. Его социально-экономические основы лежат в развитии общественных отношений конца XIX - начала XX века. В естественнонаучном и техническом отношении он был подготовлен открытиями в физике, волновавшими мир с начала 90-х годов. Но его корни уходят в более отдаленные времена.
С середины XIX столетия неустанно строился фундамент, на котором могло быть возведено здание физики XX века. При этом не обошлось без изменения проектов. Основные положения естественных наук либо утрачивали свою всеобщность, либо опровергались. Привычные убеждения, считавшиеся незыблемыми, рушились. Больше чем когда-либо физика в эти десятилетия становилась, по словам Эйнштейна, "приключением познания".
Каждая наука является зданием, воздвигнутым ценою бесчисленных усилий многих поколений исследователей, писал в своей книге "Путь теоретической физики от Ньютона до Шрёдингера" австрийский физик Ганс Тирринг. В среднем вклад каждого - это лишь крохотный камушек для строительства целого. Но иногда приходит человек, который возводит целый этаж или сносит часть здания и строит ее заново.
Во главе исследователей, которые, подобно архитекторам, решающим образом участвовали в перестройке фундамента физики нашего времени и заново возвели отдельные "этажи" здания, стоит Джеймс Клерк Максвелл, один из гениальнейших мыслителей в истории развития физики до Эйнштейна, охвативший в своих исследованиях физику во всех ее разделах.
Заслуги Максвелла как исследователя относятся к областям физиологического учения о цвете, кинетической теории теплоты и электромагнитной теории света.
Одновременно с Гельмгольцем Максвелл исследовал законы цветового зрения. Как предшественник австрийца Больцмана и американца Гиббса, он обосновал статистическое понимание кинетической теории газа. Его величайшей заслугой, однако является математическая разработка нового учения о магнетизме, электричестве и свете. Его достижения, по словам Планка, должны быть отнесены к "величайшим, изумительнейшим подвигам человеческого духа".
Когда Максвелл начинал свой путь физика, в сознании естествоиспытателей повсеместно и неколебимо царили законы ньютоновской механики. Все естественные явления старались объяснить с помощью простых механических законов движения в пространстве.
Подъем физики, связанный с открытием закона сохранения и превращения энергии, обеспечил в середине XIX века механистическому пониманию природы новую надежную поддержку. "Только механическое понимание является наукой", заявлял берлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Нечто подобное писал и Гельмгольц: "Конечная цель всего естествознания - раствориться в механике".
Программе этого воззрения на природу, впервые изложенного в манускриптах Леонардо да Винчи, в трудах Галилея и философски обоснованного Декартом, законченную форму придал Ньютон в 1687 году в своем знаменитом произведении о математических началах учения о природе.
По Ньютону, мир вещей мог быть механически описан посредством указания четырех величин: времени, пространства, момента массы и силы. Время и пространство рассматривались при этом как "абсолютные": оторванно и независимо от вещей, их заполняющих, и от событий, в них происходящих.
Кроме того, время и пространство строго разграничивались между собой. Взаимосвязь и взаимное влияние устанавливались только между моментами масс и силами. Все естественные процессы представлялись закономерными перемещениями материальных точек в пространстве и времени.
Эта "механика материальных точек", математически обоснованная Эйлером и Лагранжем, блестяще оправдалась и оказалась чрезвычайно плодотворной прежде всего в области астрономии. Ее основы были позднее распространены на движение жидкостей и упругие колебания тел и особенно успешно использовались при исследовании акустических явлений. Но в отдельных вопросах отчетливо выявилась ее ограниченность. Особенно часто возникали непреодолимые трудности в оптике.
Самым неудовлетворительным разделом в системе классической физики, созданной Ньютоном, было учение о свете.
Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет естественной вещью, состоящей из материальных точек. Но уже в его время, как заметил Эйнштейн, "назревал жгучий вопрос: что происходит с материальными точками, образующими свет, когда свет поглощается?". Так неизбежно пришли к различию между весомыми и невесомыми частицами - малоубедительное решение, которое не могло долго считаться исчерпывающим объяснением.
Неудобства для глубоко мыслящих физиков таило в себе также представление о "силах дальнодействия".
Магнетизм, электричество и гравитация изображались как силы, действующие в пустом пространстве и распространяющиеся с бесконечно большой скоростью. Такое толкование физических взаимодействий, представляющее их едва ли не как сверхъестественные силы, не соответствовало трезво реалистической механистической картине природы. Уже Ньютон искал выход, но не добился успеха.
Не было недостатка в попытках объяснить световые явления принципиально иным способом. Гениальный голландский физик Христиан Гюйгенс, старший современник Ньютона, пытался охватить природу света своей теорией световых волн. Он предположил, что свет существует в виде продольных колебаний, которые распространяются в веществе, состоящем из мелких частиц, во все стороны от источника возбуждения, подобно звуку в воздухе.
Во всяком случае, сторонники Гюйгенса тщетно старались противопоставить его волновое представление корпускулярной теории света, которая поддерживалась высоким авторитетом Ньютона; это особенно показательно как пример тормозящего влияния, которое может оказать в науке большой авторитет. Борьба между корпускулярной и волновой теориями позднее повторилась и при объяснении других видов излучения.
Волновая теория света смогла победить только после того, как английский врач и физик Томас Юнг и французский естествоиспытатель и инженер Огюстен Френель в первых десятилетиях XIX века придали ей иной облик.
Юнг и Френель исходили из того, что свет распространяется не в виде продольных колебаний, подобных колебаниям воздуха во время игры на флейте, а в виде поперечных колебаний, подобных колебаниям скрипичной струны. С колебаниями такого рода связаны оптические явления поляризации, дифракции и интерференции света, которые не поддавались объяснению на основе ньютоновской корпускулярной теории света.
Гипотетическая основа световых колебаний (механический носитель волн света) стала со времени Гюйгенса называться световым эфиром, или, короче, эфиром.
Поскольку свет представляли себе в виде продольных волн, можно было вообразить эфир как разреженный газ. Если же распространение света предполагалось в форме поперечных волн, тогда следовало эфир мыслить как твердое упругое тело. При весьма малой плотности он должен быть тверже, чем сталь и алмаз. Одновременно световому эфиру приписывали полнейшую проницаемость, с тем чтобы небесные тела могли двигаться сквозь него без помех, как они это и делали со всей очевидностью. Эфир должен был обладать инерционной массой, но не мог иметь гравитационной массы.
Все эти свойства не уживались между собой. Таким образом, эфир представлял собой весьма загадочное явление и был предметом постоянных забот механистического мировоззрения, ибо он упорно сопротивлялся любой попытке механического осмысления. Гипотеза эфира оказалась недостоверной в своей основе.
Радикальный обоснованный ответ на этот загадочный вопрос дал в начале XX столетия Эйнштейн, отказавшись при изложении законов электродинамики от эфира. Однако первый и важный шаг на пути к современной картине природы без эфира сделал еще Максвелл, создав электродинамическую теорию света, пошатнувшую традиционную механическую теорию.
У Максвелла было два предшественника, на исследования которых он опирался: Эрстед и Фарадей.
Ганс Христиан Эрстед, датский врач и естествоиспытатель, в первой половине XIX века был профессором физики в Копенгагене. В 1820 году, во время эксперимента, сопровождавшего лекцию, он впервые заметил магнитное действие электрических токов. Таким образом, он стал первооткрывателем электромагнетизма. Это открытие имело большое научное и техническое значение. Оно привело к изобретению электромагнитного телеграфа и в дальнейшем к созданию электромотора.
Другой физик, Майкл Фарадей, сын кузнеца и естествоиспытатель-самоучка, ставший профессором Королевского института в Лондоне, считается одним из самых изобретательных экспериментаторов в истории точных естественных наук. Максвелл исходил непосредственно из его опытов.
К достижениям Фарадея в области физической химии в числе прочих относятся обнаружение законов электролиза, исследование сжижения газов и открытие бензола, важного углеводородного соединения. Его наблюдения явлений, происходящих при достаточно высоком напряжении переменного тока на электродах в вакуумной трубке, создали предпосылку для работы с катодными лучами, сыгравшими столь важную роль в становлении современной физики.
Но наибольшее значение впоследствии приобрели исследования Фарадеем электромагнитной индукции. В 1831 году, через 11 лет после наблюдения, сделанного Эрстедом, в результате долгих поисков он открыл в обратном порядке эту природную закономерность. Еще в 1822 году, за два десятилетия до исследования процессов превращения энергии Робертом Майером, он записал в свой лабораторный дневник: "Превращаю магнетизм в электричество". Но только при пятой попытке ему действительно удалось осуществить этот замысел.
Если Эрстед узнал, что переменное электрическое поле вызывает магнитное действие и создает магнитное поле, то Фарадей нашел, что временное изменение в магнитных полях создает в проводниках электрический ток. Это открытие сделало возможным производство электрического силового тока. На нем основано действие динамо-машины и все последующее развитие электротехники.
Но и как физик-теоретик английский исследователь завоевал славу первопроходца. Фарадей в высшей степени обладал способностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований при помощи геометрическо-механических моделей. Путем объединения явлений электричества и упругости он пришел к понятию "силовые линии". Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в пространстве между ними, в их "силовом поле". "Сами электрические и магнитные силы, - писал Генрих Герц в 1889 году, - были для него чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество, магнетизм были для него вещами".
Причина возникновения электрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих в пространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченными предметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех пор немагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следы намагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежными изоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что между проводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишь количественное.
Эти экспериментальные открытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически, признающий только факты, которые можно наблюдать, отверг представление об электрических силах дальнодействия.
На основе своего представления о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 году глубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом, пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, но еще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.
Фарадей, однако, не обладал математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести в квадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своих исследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишь качественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержанию все-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствие академически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея от предубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками, которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.
Работы Фарадея стали исходным пунктом исследований Максвелла.
Как сказал Гельмгольц в 1881 году в своей известной лондонской "Лекции о Фарадее": "Необходим был Клерк Максвелл - другой человек, столь же глубокий и своеобразный в своих воззрениях, - чтобы возвести в общепринятых формах систематического мышления то великое здание, план которого Фарадей начертил в своем уме, которое он так ясно представлял себе и которое он старался вызвать перед глазами своих современников". Заслуга Максвелла состоит в конечном счете в математической разработке идей Фарадея о магнетизме и электричестве.
"Перед мысленным взором Фарадея представали силовые линии, пронизывающие все пространство, там, где математики видели лишь центры притяжения сил дальнодействия", - писал Максвелл. "Фарадей искал носитель, ту физическую среду, в которой происходят электрические явления; этого оказалось достаточно, чтобы найти закон разности потенциалов, действующих на электрическую жидкость (Во времена Фарадея электрический ток представлялся в виде особой электрической жидкости. - Прим. ред.). Когда я перевел идеи Фарадея так, как я их понимал, в математическую форму, я нашел, что оба метода, в общем, ведут к одинаковым результатам, но что некоторые открытые математиками методы могут быть гораздо лучше выражены по способу Фарадея".
Одной из самых трудных теоретико-познавательных проблем, над которыми, как показывает Ф. Гернек, бьются физики-теоретики, пытающиеся ухватить диалектику объекта исследования, является проблема категорий. Остатки метафизических представлений особенно упорно удерживаются именно в этой области. Особенно трудно усваивается тот вывод диалектико-материалистической теории познания, что категории - это основные формы всякого, в том числе и научного, человеческого мышления, что они имеют земное, исторически обусловленное происхождение, ибо люди, производя условия своей жизнедеятельности, производят также и условия и формы своей мыслительной деятельности, что в подвижных и гибких категориях научное мышление ухватывает противоречивость и текучесть бытия. Все это относится в первую очередь к таким категориям, как тождество и различие, анализ и синтез, часть и целое, дискретное и непрерывное, причина и действие, случайность и необходимость.
Современное теоретическое естествознание вплотную подошло к пониманию того, что полярность, антиномичность, дополнительность этих категорий снимается в их единстве.
Немало впечатляющих страниц в книге Ф. Гернека посвящено изображению споров А. Эйнштейна с представителями копенгагенской школы по проблеме детерминизма, связанной с категориями причины и действия, возможности и действительности, необходимости и случайности. Ф. Гернек убедительно показывает, что за возмущением А. Эйнштейна по поводу того, что вероятностно-статистическая интерпретация закономерностей микромира заставляет самого бога (необходимость) играть в кости, стоит определенная, исторически изживающая себя форма детерминизма, вынужденная уступить место диалектическому пониманию причины и следствия как моментов всемирного взаимодействия.
Причины и следствия полярно противоположны друг другу только на стадии механического рассмотрения природы, при котором причина и следствие распределены между двумя телами. Но уже в реальной физической механике невозможно оперировать этими категориями: они охватываются понятием "взаимодействие" в такой степени, что задача движения трех тел оказывается разрешимой только приближенно. "Взаимодействие, - писал Ф. Энгельс, исключает всякое абсолютно первичное и абсолютно вторичное; но вместе с тем оно есть такой двусторонний процесс, который по своей природе может рассматриваться с двух различных точек зрения; чтобы его понять как целое, его даже необходимо исследовать в отдельности сперва с одной, затем с другой точки зрения, прежде чем можно будет подытожить совокупный результат" [32].
В практике научного познания для того, чтобы описать отдельные явления, их вырывают из всеобщей связи природы, рассматривают изолированно друг от друга. В таком случае процесс изменения объекта разлагается на причину и действие, на необходимое и случайное, возможное и действительное. Но природе в ее целостности присуще универсальное взаимодействие, и наука, используя гибкость категорий, их переход Друг в друга, познаёт это взаимодействие во всём богатстве его форм. "Мы не можем пойти дальше познания этого взаимодействия именно потому, что позади его нечего больше познавать" [33].
Хотя книга Ф. Гернека посвящена по преимуществу истории физики в Германии, ему в значительной степени удалось преодолеть точку зрения "германоцентризма" в описании становления теории относительности. Ф. Гернек избежал ошибки многих историков: науки, изображавших А. Эйнштейна единственным создателем этой теории, но все же ему не удалось этого сделать, в вопросе об истории выведения формулы E = mc2. При всех громадных заслугах А. Эйнштейна перед наукой не следует забывать, что он постоянно опирался на достижения предшественников, что во многом он шел рядом со своими современниками, независимо от него трудившимися над теми же проблемами.
А. Эйнштейн был признанным лидером физиков-теоретиков, но необходимо избегать всего, что способствует возникновению внутринаучных "культов личности". Поэтому следовало бы указать, что формула E = mc2 за 15 лет до А. Эйнштейна была выведена английским ученым О. Хевисайдом.
Обильный исторический материал, представленный в книге Ф. Гернека, разрушает наивное просветительское представление о том, что естественные науки лишь пассивно отражают явления и законы природы, что в своем содержании они определены одной только внешней природой. Так понимает естествознание простоватый, созерцательный материализм. Естествознание, как оно изображено в книге Ф. Гернека, - это форма деятельности, включающая в себя и практическое, и эмпирическое, и теоретическое отношение к объекту, и подчинено оно не только всеобщим условиям человеческого производства, но также и конкретным условиям той общественно-экономической формации, в которой оно функционирует.
Всякий внимательный читатель найдет в книге Ф. Гернека большой и интересный материал для самостоятельных размышлений и выводов. Он с пониманием отнесется к тревожным заявлениям представителей прогрессивной научной общественности западных стран, предупреждающих о том, что современная монополистическая буржуазия и ее государства все шире используют великую силу знания во вред настоящему и будущему человечества. Одно из таких предупреждений мы находим в статье научного обозревателя бельгийского журнала "Пуркуа па?" Бернара Лефевра. Имея в виду ученых, состоящих на службе у монополистического капитала, он пишет: "...армия исследователей только тем и занята, что кроит и перекраивает материю... Наш век дал миру столько ученых, сколько не было никогда... Увы, никто и не задумывается, сколько из них занято разработкой дефолиантов, военных газов или просто-напросто таблеток, облегчающих пищеварение. Как и в разбазаривании природных богатств, наш век проявил безумное расточительство в отношении умственных ресурсов человечества. Ученые используются для решения абсурдных, а порой и преступных задач, знание пытаются превратить в орудие социального и политического господства, научные исследования подчиняют экономике, открытия - прибыльности" [34].
Социализм, организуя рациональное использование достижений научного познания в целях всестороннего развития человека, в интересах прогрессивного развития всех сторон общественной жизни, снимает с ученых также бремя угрызений совести за употребление могущественной силы знания во вред человеческому роду. Опыт организации и развития науки в условиях строительства социализма в СССР и других странах мировой социалистической системы, преимущества, достигнутые социализмом в экономическом и научно-техническом соревновании с капитализмом, полностью подтверждают предвидение В.И. Ленина: "...Только социализм освободит науку от ее буржуазных пут, от ее порабощения капиталу, от ее рабства перед интересами грязного капиталистического корыстолюбия" [35].
Ю. Жданов, М. Карпов, А. Потемкин
Ко второму изданию
Приношу благодарность за критические замечания таким читателям этой книги, как Отто Ган, Густав Герц, Вильгельм Вестфаль. Многие их предложения учтены при просмотре текста, который в целом оставлен без изменений.
Берлин, апрель 1966 г.
Ф.Г.
К пятому изданию
Перед новым изданием текст книги приведен в соответствие с новейшими фактами, местами исправлен и дополнен; обновлен и расширен список литературы.
Берлин, май 1970 г.
Ф.Г.
Предисловие
Эта книга написана на основе лекций, которые я читал перед слушателями всех факультетов Университета им. Гумбольдта. По желанию издательства она адресована широкому кругу читателей. Однако мы надеемся, что она заинтересует также специалистов, ибо здесь впервые приводятся некоторые факты и документы.
Приношу благодарность архивам Немецкой Академии наук и Университета им. Гумбольдта в Берлине, архиву Немецкой Академии естествоиспытателей "Леопольдина" в Галле и фоно-архиву Берлинского радио.
Особенно сердечно я благодарю ученых, которые своими письменными и устными указаниями способствовали моим многолетним исследованиям истории науки и предоставили в мое распоряжение необходимые материалы. В их числе я с уважением называю также недавно скончавшихся Макса фон Лауэ и Джеймса Франка.
Читателей книги прошу с пониманием отнестись к тому, что пришлось отказаться от примечаний и ссылок на более чем три тысячи источников.
Берлин, февраль 1965 г.
Д-р философии Фридрих Гернек
Институт истории медицины и естествознания при Университете им. Гумбольдта.
Майнауское заявление лауреатов нобелевской премии
Содержание науки можно постигать и анализировать, не вдаваясь в рассмотрение индивидуального развития ее создателей. Но при таком односторонне-объективном изложении отдельные шаги иногда могут казаться случайными удачами. Понимание того, как стали возможными и даже необходимыми эти шаги, достигается лишь в том случае, если проследить за умственным развитием отдельных людей, содействовавших выявлению направления этих шагов.
А. Эйнштейн
Мы, нижеподписавшиеся, являемся естествоиспытателями разных стран, различных рас, вероисповеданий, различных политических убеждений. Нас связывает только Нобелевская премия, получить которую нам выпала честь.
С радостью отдали мы нашу жизнь служению науке. Мы верим, что она путь к счастливой жизни людей. Но мы с ужасом видим, что эта же наука дает в руки человечеству средства для самоуничтожения.
Военное использование ныне существующего оружия может привести к такому распространению радиоактивных веществ, которое станет причиной гибели целых народов. Эта смерть грозит нейтральным народам так же, как и воюющим.
Если между великими державами вспыхнет война, то кто может гарантировать, что она не превратится в смертельную схватку. Нация, которая осмелится развязать тотальную войну, приблизит свою собственную гибель и создаст угрозу всему миру.
Мы не скрываем, что сегодня сохранению мира способствует, очевидно, именно страх перед этим смертоносным оружием. Однако мы считаем самообманом веру правительств в то, что страх перед оружием поможет им длительное время избегать войны; слишком часто страх и напряженность порождали войну. Нам кажется самообманом также вера в то, что малые конфликты и в дальнейшем будут разрешаться при помощи традиционного оружия. При чрезвычайной опасности никакая нация не откажется от применения любого оружия, порожденного наукой и техникой.
Все нации должны добровольно отказаться от применения силы как крайнего средства в политике. Если они не сделают этого, они перестанут существовать.
Майнау-на-Бодензее, 15 июля 1955 года
Это заявление подписали 52 ученых, в том числе:
Макс Борн
Вальтер Боте
Адольф Бутенандт
Отто Ган
Вернер Гейзенберг
Густав Герц
Поль А. Морис Дирак
Клинтон Джозеф Дэвиссон
Ирэн Жолио-Кюри
Фредерик Жолио-Кюри
Артур Х. Комптон
Макс фон Лауэ
Вольфганг Паули
Сесиль Ф. Пауэлл
Лайнус Полинг
Чандрасекара В. Раман
Бертран Рассел
Фредерик Содди
Джеймс Франк
Георг фон Хевеши
Хидеки Юкава
Гарольд К. Юри
Джеймс Клерк Максвелл
Новое учение об электромагнетизме и свете
Атомный век имеет длительную предысторию. Его социально-экономические основы лежат в развитии общественных отношений конца XIX - начала XX века. В естественнонаучном и техническом отношении он был подготовлен открытиями в физике, волновавшими мир с начала 90-х годов. Но его корни уходят в более отдаленные времена.
С середины XIX столетия неустанно строился фундамент, на котором могло быть возведено здание физики XX века. При этом не обошлось без изменения проектов. Основные положения естественных наук либо утрачивали свою всеобщность, либо опровергались. Привычные убеждения, считавшиеся незыблемыми, рушились. Больше чем когда-либо физика в эти десятилетия становилась, по словам Эйнштейна, "приключением познания".
Каждая наука является зданием, воздвигнутым ценою бесчисленных усилий многих поколений исследователей, писал в своей книге "Путь теоретической физики от Ньютона до Шрёдингера" австрийский физик Ганс Тирринг. В среднем вклад каждого - это лишь крохотный камушек для строительства целого. Но иногда приходит человек, который возводит целый этаж или сносит часть здания и строит ее заново.
Во главе исследователей, которые, подобно архитекторам, решающим образом участвовали в перестройке фундамента физики нашего времени и заново возвели отдельные "этажи" здания, стоит Джеймс Клерк Максвелл, один из гениальнейших мыслителей в истории развития физики до Эйнштейна, охвативший в своих исследованиях физику во всех ее разделах.
Заслуги Максвелла как исследователя относятся к областям физиологического учения о цвете, кинетической теории теплоты и электромагнитной теории света.
Одновременно с Гельмгольцем Максвелл исследовал законы цветового зрения. Как предшественник австрийца Больцмана и американца Гиббса, он обосновал статистическое понимание кинетической теории газа. Его величайшей заслугой, однако является математическая разработка нового учения о магнетизме, электричестве и свете. Его достижения, по словам Планка, должны быть отнесены к "величайшим, изумительнейшим подвигам человеческого духа".
Когда Максвелл начинал свой путь физика, в сознании естествоиспытателей повсеместно и неколебимо царили законы ньютоновской механики. Все естественные явления старались объяснить с помощью простых механических законов движения в пространстве.
Подъем физики, связанный с открытием закона сохранения и превращения энергии, обеспечил в середине XIX века механистическому пониманию природы новую надежную поддержку. "Только механическое понимание является наукой", заявлял берлинский физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон. Нечто подобное писал и Гельмгольц: "Конечная цель всего естествознания - раствориться в механике".
Программе этого воззрения на природу, впервые изложенного в манускриптах Леонардо да Винчи, в трудах Галилея и философски обоснованного Декартом, законченную форму придал Ньютон в 1687 году в своем знаменитом произведении о математических началах учения о природе.
По Ньютону, мир вещей мог быть механически описан посредством указания четырех величин: времени, пространства, момента массы и силы. Время и пространство рассматривались при этом как "абсолютные": оторванно и независимо от вещей, их заполняющих, и от событий, в них происходящих.
Кроме того, время и пространство строго разграничивались между собой. Взаимосвязь и взаимное влияние устанавливались только между моментами масс и силами. Все естественные процессы представлялись закономерными перемещениями материальных точек в пространстве и времени.
Эта "механика материальных точек", математически обоснованная Эйлером и Лагранжем, блестяще оправдалась и оказалась чрезвычайно плодотворной прежде всего в области астрономии. Ее основы были позднее распространены на движение жидкостей и упругие колебания тел и особенно успешно использовались при исследовании акустических явлений. Но в отдельных вопросах отчетливо выявилась ее ограниченность. Особенно часто возникали непреодолимые трудности в оптике.
Самым неудовлетворительным разделом в системе классической физики, созданной Ньютоном, было учение о свете.
Ньютон, следуя логике своего учения, считал свет естественной вещью, состоящей из материальных точек. Но уже в его время, как заметил Эйнштейн, "назревал жгучий вопрос: что происходит с материальными точками, образующими свет, когда свет поглощается?". Так неизбежно пришли к различию между весомыми и невесомыми частицами - малоубедительное решение, которое не могло долго считаться исчерпывающим объяснением.
Неудобства для глубоко мыслящих физиков таило в себе также представление о "силах дальнодействия".
Магнетизм, электричество и гравитация изображались как силы, действующие в пустом пространстве и распространяющиеся с бесконечно большой скоростью. Такое толкование физических взаимодействий, представляющее их едва ли не как сверхъестественные силы, не соответствовало трезво реалистической механистической картине природы. Уже Ньютон искал выход, но не добился успеха.
Не было недостатка в попытках объяснить световые явления принципиально иным способом. Гениальный голландский физик Христиан Гюйгенс, старший современник Ньютона, пытался охватить природу света своей теорией световых волн. Он предположил, что свет существует в виде продольных колебаний, которые распространяются в веществе, состоящем из мелких частиц, во все стороны от источника возбуждения, подобно звуку в воздухе.
Во всяком случае, сторонники Гюйгенса тщетно старались противопоставить его волновое представление корпускулярной теории света, которая поддерживалась высоким авторитетом Ньютона; это особенно показательно как пример тормозящего влияния, которое может оказать в науке большой авторитет. Борьба между корпускулярной и волновой теориями позднее повторилась и при объяснении других видов излучения.
Волновая теория света смогла победить только после того, как английский врач и физик Томас Юнг и французский естествоиспытатель и инженер Огюстен Френель в первых десятилетиях XIX века придали ей иной облик.
Юнг и Френель исходили из того, что свет распространяется не в виде продольных колебаний, подобных колебаниям воздуха во время игры на флейте, а в виде поперечных колебаний, подобных колебаниям скрипичной струны. С колебаниями такого рода связаны оптические явления поляризации, дифракции и интерференции света, которые не поддавались объяснению на основе ньютоновской корпускулярной теории света.
Гипотетическая основа световых колебаний (механический носитель волн света) стала со времени Гюйгенса называться световым эфиром, или, короче, эфиром.
Поскольку свет представляли себе в виде продольных волн, можно было вообразить эфир как разреженный газ. Если же распространение света предполагалось в форме поперечных волн, тогда следовало эфир мыслить как твердое упругое тело. При весьма малой плотности он должен быть тверже, чем сталь и алмаз. Одновременно световому эфиру приписывали полнейшую проницаемость, с тем чтобы небесные тела могли двигаться сквозь него без помех, как они это и делали со всей очевидностью. Эфир должен был обладать инерционной массой, но не мог иметь гравитационной массы.
Все эти свойства не уживались между собой. Таким образом, эфир представлял собой весьма загадочное явление и был предметом постоянных забот механистического мировоззрения, ибо он упорно сопротивлялся любой попытке механического осмысления. Гипотеза эфира оказалась недостоверной в своей основе.
Радикальный обоснованный ответ на этот загадочный вопрос дал в начале XX столетия Эйнштейн, отказавшись при изложении законов электродинамики от эфира. Однако первый и важный шаг на пути к современной картине природы без эфира сделал еще Максвелл, создав электродинамическую теорию света, пошатнувшую традиционную механическую теорию.
У Максвелла было два предшественника, на исследования которых он опирался: Эрстед и Фарадей.
Ганс Христиан Эрстед, датский врач и естествоиспытатель, в первой половине XIX века был профессором физики в Копенгагене. В 1820 году, во время эксперимента, сопровождавшего лекцию, он впервые заметил магнитное действие электрических токов. Таким образом, он стал первооткрывателем электромагнетизма. Это открытие имело большое научное и техническое значение. Оно привело к изобретению электромагнитного телеграфа и в дальнейшем к созданию электромотора.
Другой физик, Майкл Фарадей, сын кузнеца и естествоиспытатель-самоучка, ставший профессором Королевского института в Лондоне, считается одним из самых изобретательных экспериментаторов в истории точных естественных наук. Максвелл исходил непосредственно из его опытов.
К достижениям Фарадея в области физической химии в числе прочих относятся обнаружение законов электролиза, исследование сжижения газов и открытие бензола, важного углеводородного соединения. Его наблюдения явлений, происходящих при достаточно высоком напряжении переменного тока на электродах в вакуумной трубке, создали предпосылку для работы с катодными лучами, сыгравшими столь важную роль в становлении современной физики.
Но наибольшее значение впоследствии приобрели исследования Фарадеем электромагнитной индукции. В 1831 году, через 11 лет после наблюдения, сделанного Эрстедом, в результате долгих поисков он открыл в обратном порядке эту природную закономерность. Еще в 1822 году, за два десятилетия до исследования процессов превращения энергии Робертом Майером, он записал в свой лабораторный дневник: "Превращаю магнетизм в электричество". Но только при пятой попытке ему действительно удалось осуществить этот замысел.
Если Эрстед узнал, что переменное электрическое поле вызывает магнитное действие и создает магнитное поле, то Фарадей нашел, что временное изменение в магнитных полях создает в проводниках электрический ток. Это открытие сделало возможным производство электрического силового тока. На нем основано действие динамо-машины и все последующее развитие электротехники.
Но и как физик-теоретик английский исследователь завоевал славу первопроходца. Фарадей в высшей степени обладал способностью делать впечатляюще наглядными результаты своих исследований при помощи геометрическо-механических моделей. Путем объединения явлений электричества и упругости он пришел к понятию "силовые линии". Фарадей с пластической ясностью представлял себе действие электрических сил от точки к точке в пространстве между ними, в их "силовом поле". "Сами электрические и магнитные силы, - писал Генрих Герц в 1889 году, - были для него чем-то существующим реально, действительным, ощутимым; электричество, магнетизм были для него вещами".
Причина возникновения электрических сил лежала, по мнению Фарадея, в процессах, происходящих в пространстве между телами. При поисках признаков различий между намагниченными предметами ему удалось доказать, что все вещества, считавшиеся до тех пор немагнитными, под действием большой магнитной силы обнаруживают явные следы намагниченности. Точно так же он смог доказать, что все считавшиеся надежными изоляторы изменяются под действием электрических сил. Выяснилось, что между проводниками и непроводниками различие не принципиальное, а лишь количественное.
Эти экспериментальные открытия привели к тому, что Фарадей, как физик, мыслящий строго эмпирически, признающий только факты, которые можно наблюдать, отверг представление об электрических силах дальнодействия.
На основе своего представления о силовых линиях Фарадей предполагал уже примерно в 1845 году глубокое родство электричества и света. Эта мысль была необычайно смела для того времени, но она была достойна исследователя, который считал, что только тот находит великое, кто исследует маловероятное. Фарадей, таким образом, пришел к мнению, что учение об электричестве и оптика, стоявшие тогда рядом, но еще не связанные между собой, взаимосвязаны и образуют единую область.
Фарадей, однако, не обладал математическим образованием. Говорили, что он не мог даже возвести в квадрат бином. Таким образом, он был не в состоянии изложить результаты своих исследований при помощи обычных математических средств, он мог охватить их лишь качественно. Формально это являлось очевидным недостатком, но содержанию все-таки в данном случае не наносило ущерба. Отсутствие академически-математической подготовки, по мнению Планка, спасло Фарадея от предубеждений, порождаемых математическими и астрономическими источниками, которые в то время неблагоприятно влияли на многих значительных исследователей.
Работы Фарадея стали исходным пунктом исследований Максвелла.
Как сказал Гельмгольц в 1881 году в своей известной лондонской "Лекции о Фарадее": "Необходим был Клерк Максвелл - другой человек, столь же глубокий и своеобразный в своих воззрениях, - чтобы возвести в общепринятых формах систематического мышления то великое здание, план которого Фарадей начертил в своем уме, которое он так ясно представлял себе и которое он старался вызвать перед глазами своих современников". Заслуга Максвелла состоит в конечном счете в математической разработке идей Фарадея о магнетизме и электричестве.
"Перед мысленным взором Фарадея представали силовые линии, пронизывающие все пространство, там, где математики видели лишь центры притяжения сил дальнодействия", - писал Максвелл. "Фарадей искал носитель, ту физическую среду, в которой происходят электрические явления; этого оказалось достаточно, чтобы найти закон разности потенциалов, действующих на электрическую жидкость (Во времена Фарадея электрический ток представлялся в виде особой электрической жидкости. - Прим. ред.). Когда я перевел идеи Фарадея так, как я их понимал, в математическую форму, я нашел, что оба метода, в общем, ведут к одинаковым результатам, но что некоторые открытые математиками методы могут быть гораздо лучше выражены по способу Фарадея".